CN101324443A - 空分复用Mach-Zehnder级联式光纤干涉仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种空分复用Mach－Zehnder级联式光纤干涉仪及测量方法。由宽谱光源、光电探测器、耦合器、单模连接光纤、光纤传感器、连续可变的光学延迟器件、反射镜组成；光纤传感器由Mach－Zehnder干涉仪构成，并形成级联的光纤传感阵列或者网络。宽谱光源、光电探测器通过耦合器连接光纤传感器组成传感网络；传感网络通过耦合器连接连续可变的光学延迟器件和反射镜，用于光纤传感器的问询和解调。本发明解决了光纤传感器阵列的断裂问题，提高了光纤传感阵列与网络的抗毁坏特性；解决了测量过程中的温度补偿问题；干涉仪结构简单、容易实现，提高了测量的可靠性；成本价格低廉，更有利于技术的推广与普及。

Description

空分复用Mach-Zehnder级联式光纤干涉仪及测量方法

(一)技术领域

本发明涉及的是一种测量装置，具体地说是一种空分复用Mach-Zehnder级联式光纤干涉仪。

(二)背景技术

采用低相干、宽谱带的光源的光纤干涉仪通常被称为白光光纤干涉仪。典型的光纤白光干涉仪如图1所示，其结构组成为利用光纤搭建Micheslon式干涉仪，并采用宽谱光源LED或者ASE对干涉仪进行驱动，为其提供光能，通过探测器探测白光干涉条纹实现对待测物理量的测量。其工作原理如下，由宽谱光源11发出的宽谱光进入单模光纤后，被3dB单模光纤2×2耦合器13分成两束，一束光进入被作为测量臂的单模光纤14，被其后端的光学反射面15反射后沿原路返回，经过单模光纤14、耦合器13到达光电探测器12，这束光称为测量信号光；由光源11发出光被耦合器13分路的另外一束光，进入作为参考臂的单模连接光纤16、自聚焦透镜17，经过移动反射镜18的反射后同样沿原路返回到达光电探测器12，这束光被称为参考信号光。测量信号光和参考信号光在探测器表面发生相干叠加，由于宽谱光源的相干长度很短，大约为几个微米到几十个微米，只有当参考信号光和测量信号光程差小于光源的相干长度时，才会产生相干叠加，输出白光干涉图样(参见附图2)。

如图2所示，白光干涉条纹的特征是有一个主极大值，称为中心条纹，它与零光程差为之相对应，即对应于参考光束和测量光束光程相等时，称为参考光束与测量光束具有光程匹配关系。通过改变光纤延迟线的延迟量，使参考信号的光程发生变化，可以获得中心干涉条纹。中心条纹的位置为测量提供了一个可靠的绝对位置参考，当测量光束由于外界待测物理量的影响光程发生变化时，只需通过参考臂光程扫描得到的白光干涉条纹的位置变化，即可获得被测量物理量的绝对值。与其他光纤干涉仪相比，除了具有高灵敏度、本质安全、抗电磁场干扰等优点外，最大特点是可对压力、应变、温度等待测量进行绝对测量。因此白光干涉性光纤干涉仪被广泛用于物理量、机械量、环境量、化学量、生物医学量的测量。

近年来，白光干涉传感技术得到了蓬勃的发展，其中的一个热点就是发展了多种基于多路复用技术的光纤传感器和测试系统，用于应变、温度、压力等物理量的测量。多路复用技术的发展背景主要是由于，在实际测量与测试应用中，单个物理量以及单一位置点的传感，已经远不能满足人们对事物整体或者系统状态感知的要求，这往往需要对多个或者多点物理量的分布进行在线或者实时的量测。例如对大型结构(水电站、大坝、桥梁等)的无损检测与监测以确定其安全的过程中，需要将光纤传感器植入关键部位，并构筑成监测网络，对其内部的应力、应变以及温度等信息进行提取。如此，传感器数量通常为几十个或者上百个，如果测试系统仅以单点传感器进行连接，无疑，其测试造价将大大提高，同时降低了系统可靠性。采用多路复用技术，利用同一个解调系统对多个传感器的测量信息进行问询，这不仅极大简化了系统复杂程度，而且使测量精度和可靠性也得到了保证。同时，由于多路复用技术，降低了单点传感器的造价，从而使测试费用大为降低，提高了性价比，使光纤传感器与传统传感器相比更具优势。

现已发展的多路复用技术主要有：时分复用技术(TDM)、频分复用技术(FDM或FMCW)、波分复用技术(WDM)、码分复用技术(CDM)和空复用技术(SDM)。其中，已用于白光干涉传感系统中有TDM、FDM以及SDM。

SANTOS等人[Coherence sensing of time-addressed optical-fiber sensorsilluminated by a multimode laser diode，Appl.Opti.，30：5068-507，1991]发展的时分复用技术(TDM)，是利用光纤对光波的延迟效应来寻址的复用技术。这种方法结构复杂，复用数量有限，测量范围小，测量精度低。

LIU等人[A frequency division multiplexed low-finesse fiber opticalFabry-Perot sensor system for strain and displacement measurements，Review ofScientific instruments，71(3)，1275-1278，2000]发展的频分复用技术(FDM)，利用光谱分析仪直接测量多个腔长不同的Fabry-Perot干涉仪输出的光谱叠加结果，这种方法受到腔长和腔长差的限制，干涉仪的复用数量仅为几个。

与其它类型的光纤传感器比较，基于空分复用技术构成传感系统是白光干涉传感技术的一个特色。在白光干涉传感系统中，通常要求各个传感器长度各不相同，则对于复用阵列中的传感器在其各自相干长度内，只存在单一的白光干涉信号。通过分立参考干涉仪的时间或空间光程扫描，对多传感器的区分，实现待测物理量的解调与问询，很方便的实现多路复用，而勿需更复杂的时间或者频率复用技术。这种复用技术，由于各个传感器所对应的干涉信号在光程扫描空间内的分立性，所以也称为空分复用技术(SDM)。

发明人[YUAN L B，ZHOU L M，JIN W.Quasi-distributed strain sensing withwhite-light interferometry：a novel approach，Optics Letters，25，1074-1076，2000]发展的空分复用技术(SDM)，通过分立参考干涉仪进行时间和空间连续光程扫描，即可实现对多传感器的解调和问询，从而很方便的实现多路复用，这种方法结构简单，测量精度高。

光纤传感系统除了自身具有本质上安全防爆、抗电磁干扰、体积小、重量轻、测量精度高等优点之外，多路复用技术成为其另一个与传统传感器竞争的优势。但是，在实际工程应用中，基于多路复用技术的光纤传感系统还是遇到了许多的困难。主要原因是实际工程应用的环境十分复杂，并且要求传感器的埋入与施工同步。常常由于传感器阵列经受不住高应力、高温等恶劣环境和条件的作用，造成个别传感器或者传感网络的局部损坏。如图5所示，由传感臂9和参考臂10组成的光纤传感器5，一方面用于对外界待测量的感知，即外界物理量的作用使传输在传感臂9中的测量光程发生变化，从而使传感臂9和参考臂10之间产生光程差；另一方面传感臂9和参考臂10也作为其他传感器中传输光能供给的通路，使传感器可以首尾相联，构成传感阵列和网络。因此，如果传感器阵列或者网络的布设结构的不合理，将使局部传感器损坏发展成为整个传感阵列或者网络的光能供给道路的中断，使整个传感器阵列(网络)或者大部分传感器的失效，成为传感网络实用化的一个致命问题。显然，一般串行或者级联传感器复用结构，都在一定程度上存在上述问题。

如何能够使局部失效的传感器不影响或者尽量少影响剩余传感器的测量呢？受计算机广域网络几何拓扑结构的启发，将光纤传感器的复用阵列或者网络的能量供给通路设计成两路，保证在一个通路失效的前提下，还保留另外一个通路供给光能，即使光纤传感阵列或者网络能够“绕过”已损坏的传感器或者光纤，实现对剩余传感器进行问询和解调，以此来改善系统抗损坏的能力。

发明人于2006年公开了多路复用光纤干涉仪及其嵌套构建方法(中国专利公开号：CA1963399A)，发明了可以构造传感器阵列和网络的全光纤干涉仪光纤及其实现方法，解决光纤干涉仪的复用数量少，结构复杂的问题。但没有考虑传感器阵列和网络中部分传感器断裂或者毁坏问题的影响。

申请人于2007年公开的低相干绞扭式类Sagnac光纤形变传感装置(中国专利公开号：101074867A)中，虽然干涉仪结构在理论上可以解决抗毁坏的问题，但由于其结构过于复杂，尤其是光信号行经的路径过多，强度较弱，信噪比较低，不利于实际测量中布设使用。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种能够解决光纤干涉仪的多路复用问题，改善光纤传感阵列与网络抗毁坏特性的空分复用Mach-Zehnder级联式光纤干涉仪。本发明的目的还在于提供一种采用本发明的空分复用Mach-Zehnder级联式光纤干涉仪的测量方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种空分复用Mach-Zehnder级联式光纤干涉仪，其包括宽谱光源1、光电探测器2、第一耦合器3、第二耦合器6、单模连接光纤4、多个光纤传感器5、反射镜8、连续可变的光学延迟器件7；所述光纤传感器5包括：第三和第四耦合器20，信号臂9，参考臂10；宽谱光源1与第一耦合器3相连作为输入信号，光电探测器2与第二耦合器6相连接收输出信号；多个光纤传感器5级联构成光纤传感阵列，该光纤传感阵列的首尾分别与第一耦合器和第二耦合器相连；第二耦合器6分别与反射镜8和连续可变的光学延迟器件7相连。

本发明的空分复用Mach-Zehnder级联式光纤干涉仪还可以包括这样一些特征：

所述的由光纤传感器5组成的阵列，是首尾相接的串行阵列。

其中所述第一、第二、第三和第四耦合器均为3dB光纤2×2耦合器。

所述的宽谱光源1、光电探测器2、3dB光纤2×2耦合器3和6、单模连接光纤4、光纤传感器5组成的阵列、连续可变的光学延迟器件7，都工作在单模状态。

光纤传感器5的信号臂和参考臂的长度不相同。

采用发明的空分复用Mach-Zehnder级联式光纤干涉仪进行测量的方法为：宽谱光源1发出的光经过第一耦合器后进入多个光纤传感器5级联构成的光纤传感阵列，从最后一个光纤传感器5输出的光进入第二耦合器6后分束，其中一束通过单模连接光纤4照射到反射镜8，另一束进入连续可变的光学延迟器件7，光束分别经过反射镜8和连续可变的光学延迟器件7的反射后沿原路返回，得到的白光干涉条纹被探测器2所接收；其中光束传输到光纤传感器5时，被第三耦合器20分成两束，一束通过传感光纤9用于感知待测物理量如形变、应变、温度、压力的大小，另外一束通过参考光纤10，用于与传感光纤9进行光程匹配，传感光光束和测量光束被第四耦合器20合成一束，产生白光干涉条纹。

所述方法用来测量应变、压力等物理量。

所述方法用来检测水电站、大坝、桥梁等。

本发明方法的基本原理为：如图3所示的Mach-Zehnder光纤干涉仪，光源1发出的宽谱光进入单模光纤4后，被3dB单模光纤2×2耦合器3分成两束。一束光进入被作为测量臂的单模连接光纤9，经过另外一个3dB光纤耦合器6，到达光电探测器2A和2B，这束光视为测量信号光；另外一束进入作为参考臂的单模连接光纤10，穿过连续可变光学延迟器7后，同样也经过耦合器6，到达光电探测器2A和2B，将这束光视为参考信号光。测量信号光和参考信号光在探测器表面叠加，由于宽谱的低相干光源的相干长度很短，大约为几个微米到几十个微米，当参考信号光通过连续可变延迟线7的光程与测量信号光程之差小于光源的相干长度时，将会产生相干叠加，否则两束光将产生强度叠加。因此，通过控制连续可变延迟线实现光程扫描，使参考光与测量光之间的光程差小于光源的相干长度，则两个探测器2A和2B上会得到白光干涉的信号，其不同之处在于干涉信号的交流项相差180度。

本发明基于白光干涉原理和空分复用技术，通过将多个Mach-Zehnder干涉仪进行级联，构造出光纤干涉仪阵列或者网络。多个光纤传感器5首尾相接组成的串行阵列，列阵中传感器5由Mach-Zehnder光纤干涉仪组成，Mach-Zehnder光纤干涉仪之后连接着一个由3dB光纤2×2耦合器6、连续可变的光学延迟器件7和反射镜8组成的Michelson干涉仪，用于光纤传感器的问询和解调。光纤传感器5的结构示意图如图5所示，它由2个3dB单模光纤耦合器20和两段长度不等的单模光纤9和10组成，其中单模光纤9作为传感臂，暴露在待测量的环境中，单模光纤10作为参考臂，与待测环境隔离。由白光干涉原理可知，光纤干涉仪的干涉条纹只发生在光程匹配附近的几个微米到几十微米之间，只要使阵列或者网络中Mach-Zehnder干涉仪的两臂光程差各不相同，则测量光束经过不同的测量光路或者传感器所引入的光程，通过参考光束的光程扫描，可以与其发生一一对应的光程匹配，使产生的白光干涉条纹在光程扫描空间上相互独立，互不干扰。考虑到外界物理量的作用会使白光干涉的峰值发生移动，为使传感器的白光干涉信号不重叠，阵列或者网路中的Mach-Zehnder两臂的预置光程差不仅需要各不相同，并且其数值应该大于测量值最大时导致的峰值移动量。

本发明公开的利用Mach-Zehnder级联构造的光纤干涉仪，其设计思想是将Mach-Zehnder干涉仪的“传”“感”特性巧妙地进行整合。所谓“感”即是指Mach-Zehnder干涉仪可以用于感知本地的待测量，即将其一干涉臂暴露在待测量的环境中，另外一臂与待测环境隔离，实现对外界物理量的传感与测量；所谓“传”即是指利用Mach-Zehnder干涉仪是一种透射式干涉仪结构，前一个为后一个Mach-Zehnder干涉仪提供光信号能量，并且干涉仪的两臂是具有冗余特性的能量供给的双通道。即使由于外界应力、温度的作用或者操作失误使一个干涉臂发生损害或断裂，也仅仅使本地的这个传感器失效。光信号依旧可以从另外一个干涉臂，达到其他传感器，其影响仅仅使其后传感器的干涉信号强度降为原来的一半，只要干涉信号的强度和信噪比足够大，并不影响测量的进行。当然如果Mach-Zehnder两臂同时断裂，则其后的传感器就完全失效了，一般在实际施工中，光纤干涉仪的两臂都经过保护，这种情况发生的概率非常小。

(四)附图说明

图1是典型的白光光纤Michelson干涉仪结构示意图。

图2是典型的白光干涉信号示意图。

图3是基于白光干涉原理的Mach-Zehnder干涉仪结构示意图。

图4是空分复用的Mach-Zehnder级联式光纤干涉仪最简单结构的示意图。

图5是用做传感单元的Mach-Zehnder干涉仪结构示意图。

图6是多路复用光纤干涉仪的白光干涉信号示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图4，空分复用Mach-Zehnder级联式光纤干涉仪由宽谱光源1、光电探测器2、3dB光纤2×2耦合器3、单模连接光纤4、光纤传感器5组成的阵列、3dB光纤2×2耦合器6、连续可变的光学延迟器件7、反射镜8组成。其中级联的Mach-Zehnder干涉仪作为光纤传感器，首尾相接、依次相连构成光纤传感器阵列或者网络；传感器阵列之后连接着一个由3dB光纤2×2耦合器6、连续可变的光学延迟器件7和反射镜8组成的Michelson干涉仪，它用于光程扫描和传感器的光程匹配，完成光纤传感器的问询和解调。

光束传输的过程如下：宽谱光源1发出的光经过第一耦合器后进入多个光纤传感器5级联构成的光纤传感阵列，从最后一个光纤传感器5输出的光进入第二耦合器6后分束，其中一束通过单模连接光纤4照射到反射镜8，另一束进入连续可变的光学延迟器件7，光束分别经过反射镜8和连续可变的光学延迟器件7的反射后沿原路返回，得到的白光干涉条纹被探测器2所接收；其中光束传输到光纤传感器5时，被第三耦合器20分成两束，一束通过传感光纤9用于感知待测物理量如形变、应变、温度、压力的大小，另外一束通过参考光纤10，用于与传感光纤9进行光程匹配，传感光光束和测量光束被第四耦合器20合成一束，产生白光干涉条纹。

干涉仪工作时，探测器将接收到一系列在不同Mach-Zehnder干涉仪两臂引入各不相同光程差的测量光和参考光信号，并且其之间的光程差与各个干涉仪是一一对应的。本实施例中，Mach-Zehnder共连接有标号为X1～X4的四个传感器，其传感臂与测量臂的长度差分别为X1：4.0mm，X2：5.7mm，X3：7.2mm，X4：13.8mm。当控制解调干涉仪中连续可变光学延迟器7进行光程扫描时，传输在传感器X1～X4中的测量光与参考光在不同位置发生光程匹配，如图4所示，分别在S1：5.8mm，S2：8.3mm，S3：10.5mm，S4：20.2mm处产生白光干涉条纹，由于光在光纤中传输的光程需要考虑光纤的折射率n(n＝1.46)。因此有S_i＝n×X_i(i＝1～4)，即产生的白光干涉峰值的位置S_i与传感阵列或者网路中特定长度(即不同传感臂和参考臂长度差X_i)的传感器的相对应，通过光学延迟线7的扫描，依次出现在探测器2上白光干涉信号为对应指定的光纤传感器。参考干涉仪此时的光程扫描位置，对应传感器的长度。当传感器由于温度、应力等参量的作用，产生应变或者位移时，其光程扫描位置也随之变化，记录变化前后的位置值，根据转换关系，即可进行参量的传感测量。

光纤传感阵列或者网络植入基体内部的过程中，或者进行物理量测量时受到外界的作用，某一个传感器可能会发生损坏使其失效。由于光纤传感器的传感臂暴露在外界中与物理量发生作用，而其它部分都被保护与外界隔离，因此，传感器最有可能发生的损坏是传感器臂断裂。空分复用Mach-Zehnder级联式光纤干涉仪具有两个光传输通路，一个为光纤传感臂，另一个为光纤参考臂。当某一传感器的测量臂发生断裂时，虽然本地的传感器失效，但是参考臂光纤照常能够够将光能传输给其他传感器，即使光纤传感阵列或者网络能够“绕过”已损坏的传感器或者光纤，实现对剩余传感器进行问询和解调，以此来改善系统抗损坏的能力。

因此，与其它结构的光纤干涉仪相比，本发明提出的级联式光纤干涉仪具有的特点是：

(1)本发明基于空分复用技术，采用级联式Mach-Zehnder光纤仪结构，无需采用复杂的时间、频率或者波长复用技术，只通过空间连续的光程扫描，即可实现对实现了多个干涉仪的嵌套，以及多传感器的复用，结构简单、容易实现。

(2)本发明构造的级联式Mach-Zehnder光纤仪，具有“传”“感”合一的特性，Mach-Zehnder干涉仪不仅用于外界物理量的测量与传感，还利用其所具有的光信号透射特性和双个干涉臂，巧妙为复用的传感阵列和网络，构造出了具有冗余特性的双能量通道，增强了光纤传感阵列和网络的抗毁坏特性，是一种非常适合于现场布设的实用化的光纤传感网络拓扑结构。

(3)本发明采用基于Mach-Zehnder干涉仪结构，可以非常容易地使测量臂和参考臂同时暴露在同一温度场中，即温度对干涉仪产生的影响一致，从而实现抵消温度对测量产生的影响，实现温度补偿。

(4)本发明采用的光纤材料和器件均为标准光纤通信元件，成本价格低廉，容易获得，消除了光纤传感技术普遍存在的价格壁垒，特别有利于技术的推广与普及。

Claims (6)

1、一种空分复用Mach-Zehnder级联式光纤干涉仪，其组成包括宽谱光源(1)、光电探测器(2)、第一耦合器(3)、第二耦合器(6)、单模连接光纤(4)、多个光纤传感器(5)、反射镜(8)、连续可变的光学延迟器件(7)；所述的光纤传感器(5)包括第三和第四耦合器(20)、信号臂(9)、参考臂(10)；其特征是：宽谱光源(1)与第一耦合器(3)相连作为输入信号，光电探测器(2)与第二耦合器(6)相连接收输出信号；多个光纤传感器(5)级联构成光纤传感阵列，该光纤传感阵列的首尾分别与第一耦合器和第二耦合器相连；第二耦合器(6)分别与反射镜(8)和连续可变的光学延迟器件(7)相连。

2.根据权利要求1所述的空分复用Mach-Zehnder级联式光纤干涉仪，其特征是：所述的由光纤传感器(5)组成的阵列是首尾相接的串行阵列。

3.根据权利要求2所述的空分复用Mach-Zehnder级联式光纤干涉仪，其特征是：所述的第一、第二、第三和第四耦合器均为3dB光纤2×2耦合器。

4.根据权利要求3所述的空分复用Mach-Zehnder级联式光纤干涉仪，其特征是：所述的宽谱光源(1)、光电探测器(2)、第一耦合器(3)和二耦合器(6)、单模连接光纤(4)、光纤传感器(5)组成的阵列、连续可变的光学延迟器件(7)都工作在单模状态。

5.根据权利要求4所述的空分复用Mach-Zehnder级联式光纤干涉仪，其特征是：光纤传感器(5)的信号臂和参考臂的长度不相同。

6.一种使用如权利要求1所述的空分复用Mach-Zehnder级联式光纤干涉仪进行测量的方法，其特征是：宽谱光源(1)发出的光经过第一耦合器后进入多个光纤传感器(5)级联构成的光纤传感阵列，从最后一个光纤传感器(5)输出的光进入第二耦合器(6)后分束，其中一束通过单模连接光纤(4)照射到反射镜(8)，另一束进入连续可变的光学延迟器件(7)，光束分别经过反射镜(8)和连续可变的光学延迟器件(7)的反射后沿原路返回，得到的白光干涉条纹被探测器(2)所接收；其中光束传输到光纤传感器(5)时，被第三耦合器(20)分成两束，一束通过传感光纤(9)用于感知待测物理量如形变、应变、温度、压力的大小，另外一束通过参考光纤(10)，用于与传感光纤(9)进行光程匹配，传感光光束和测量光束被第四耦合器(20)合成一束，产生白光干涉条纹。

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