CN101458101A - 一种基于3×3耦合器的波长扫描白光干涉测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于3×3耦合器的波长扫描白光干涉测量技术。波长扫描窄带光被一只耦合器分成两路，其中一路光输入基于3×3耦合器的干涉仪，另一路光输入串联的一只标准具和一只光纤光栅。扫描波长时，探测干涉仪的三路输出白光干涉光谱，以及标准具和光纤光栅的透射谱。由标准具和光纤光栅的透射谱确定波长扫描的起止波长；三路白光干涉光谱信号在相位上两两相差120°，利用基于3×3耦合器的无源相位解调算法直接解调出波长扫描引起的干涉仪输出相位变化，从而计算出干涉仪的绝对光程差。本发明方法测量精度高，同时可以实现高速测量。

Description

一种基于3×3耦合器的波长扫描白光干涉测量方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于3×3耦合器的波长扫描白光干涉测量技术。

背景技术

与光纤零差和外差干涉测量法相比，光纤白光干涉测量法能够实现干涉仪光程差的绝对测量，在测量静态和缓变的物理量方面具有显著的优势。光谱域白光干涉测量法通过探测干涉仪的输出白光光谱来获得干涉仪的光程差，有两种方法可以获得干涉仪的白光干涉光谱：一种方法就是采用宽带光输入干涉仪，然后用光谱仪探测干涉仪的输出光谱；另一种方法就是采用波长扫描窄带光输入干涉仪，然后用光电二极管探测干涉仪的输出光。其中第二种方法成本较低、使用方便，同时具有较高的分辨率，更适合于制作实用的测量仪器。目前已报道了一些从干涉仪输出白光干涉光谱中解调出干涉仪光程差的方法。如通过测量干涉仪输出白光干涉光谱的透射峰的波长来计算干涉仪的光程差(B.Qi，G.R.Pickrell，J.C.Xu，et al.Novel data processing techniques for dispersive white lightinterferometer.Optical Engineering，2003，42(11)：3165-3171)。但是，由于干涉仪的白光干涉光谱是正弦曲线，透射峰值波长的探测精度不高。另一种解调方法就是傅立叶变换白光干涉相位测量法(中国专利，一种光纤傅立叶变换白光干涉测量法，申请号200710177837.3，公开号CN101158602)，通过傅立叶变换得到由波长扫描引起的相位变化，从而计算出干涉仪的光程差。但是采用这种技术，带通滤波器的参数需要根据不同的白光干涉光谱进行调整，并且傅立叶变换和傅立叶变换费时间，这就限制了它在高速测量中的应用。

基于3×3耦合器的干涉仪，三路输出干涉信号的相位两两互成120°，由此发展了无源相位解调算法(D.A.Brown，C.B.Cameron，R.M.Keolian，D.L.Gardner，and S.L.Garrett，“A symmetric 3×3 coupler based demodulator for fiber opticinterferometric sensors，”in SPIE Fiber Optic and Laser Sensors IX，vol.1584，pp.328-335，1991)，可以快速、精确地解调出干涉仪的输出相位变化。目前，基于3×3耦合器的干涉仪和无源相位解调算法广泛的应用于动态量的测量：采用固定波长的准单色光输入干涉仪，动态量(如超声、水声)作用在干涉仪的一个臂上，使干涉仪的光程差和输出相位发生变化；从干涉仪的三路输出干涉信号中解调出该相位变化，从而获得待测量。但是，这种方法只能测量干涉仪光程差的相对变化，即只能实现对动态量的相对测量，不能用于干涉仪光程差的绝对测量。

发明内容

本发明的目的是针对白光干涉峰值波长测量法精度不高和傅立叶变换白光干涉相位测量法不适合高速测量的问题，而提供一种可以高精度、高速测量干涉仪光程差的基于3×3耦合器的波长扫描白光干涉测量方法。

本发明的技术方案如下：

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

实现本发明一种基于3×3耦合器的波长扫描白光干涉测量技术的装置包括宽带光源、可调谐光纤法珀滤波器、耦合器、弹性柱、3×3耦合器、标准具、光纤光栅、光电探测器、A/D采集卡、计算机；其中宽带光源发出的光输入可调谐光纤法珀滤波器(FFP-TF)，可调谐光纤法珀滤波器在锯齿波电压信号驱动下输出波长扫描的窄带光。波长扫描窄带光被一只耦合器分成两路，其中一路光注入一个基于3×3耦合器的干涉仪，三路输出干涉信号分别由三只光电探测器探测；另一路光输入串联的一只标准具(etalon)和一只光纤光栅(FBG)，透射光被另一光电探测器探测。四路光电探测信号被采集输入计算机。

干涉仪的输入光为波长扫描窄带光，波长扫描引起干涉仪的输出相位变化。而波长扫描引起的干涉仪输出相位变化，是用基于3×3耦合器的无源相位解调算法解调出来的。波长扫描时，探测到干涉仪的三路输出干涉信号为白光干涉光谱；确定波长扫描测量的起止波长，由波长扫描测量的起止波长和波长扫描引起的干涉仪输出相位变化计算出干涉仪的光程差。

波长测量的起止波长由如下方法确定：波长扫描窄带光被耦合器分成两路，其中一路波长扫描窄带光输入基于3×3耦合器的干涉仪；另一路波长扫描窄带光输入串联的一只标准具和一只光纤光栅，波长扫描测量的起止波长由标准具和光纤光栅透射谱中的两个透射峰确定。

标准具的透射谱具有一系列确定波长的透射峰；光纤光栅的反射波长和标准具的一个透射峰重合，抹去了标准具透射谱的一个透射峰，由此标记可以识别出各个透射峰的波长，从而确定波长扫描的起止波长λ₁和λ₂。

3×3耦合器的三路输出干涉信号在相位上两两相差120°，扫描波长时三路输出干涉信号为白光干涉光谱，可以表示成：

$\begin{array}{cc}{g}_k\left(\mathrm{\λ}\right)=b\left(\mathrm{\λ}\right)+c\left(\mathrm{\λ}\right)\cos [\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{nD}-(k-1)\frac{2\mathrm{\π}}{3}]& k=\mathrm{0,1,2}\end{array}---\left(1\right)$

其中b(λ)是由光源光谱形状引入的背景信号，c(λ)是干涉仪的偏振态和耦合器分光比决定的干涉信号的对比度。n是干涉仪两臂的折射率，D是干涉仪两臂的长度差，因此nD就是干涉仪两臂的光程差。k＝0，1，2，是干涉仪三路输出信号的序号。

式(1)中的相位信号 $\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{nD}$ 通过基于3×3耦合器的无源相位解调算法从三路干涉信号中解调出来，获得当波长从λ₁扫描到λ₂时干涉仪的输出相位变化Δφ(λ)，从而计算出干涉仪两臂的长度差D：

$D=\frac{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2}{2\mathrm{\πn}({\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2)}\mathrm{\Δ\φ}\left(\mathrm{\λ}\right)---\left(2\right)$

有益效果

本发明方法通过基于3×3耦合器的无源解调算法解调波长扫描引起的干涉仪输出相位变化，不需要对干涉仪的输出白光干涉信号进行傅立叶变换和反傅立叶变换，相位变化的测量速度由基于3×3耦合器的无源解调算法决定；而基于3×3耦合器的无源相位解调算法所采用的组成元器件都是无源器件，相位变化测量速度仅由电子器件的响应速度决定；所以本发明方法可以实现高速测量。

本发明方法所采用的基于3×3耦合器的无源相位解调算法具有高的灵敏度，从而可以实现干涉仪光程差的高精度测量。

本发明方法通过探测标准具和光纤光栅透射谱中的两个透射峰来确定扫描测量的起止波长，不需要对干涉仪的输出白光干涉信号进行波长较准，从而可以快速的确定扫描测量的起止波长；同时，标准具的热稳定性好、透射峰谱线窄，扫描测量的起止波长精度高。

附图说明

图1是本发明方法应用于基于3×3耦合器的光纤马赫-曾德尔干涉仪的光程差测量的一个具体实施方案；

图2(a)是基于3×3耦合器的马赫-曾德尔干涉仪的三路输出白光干涉光谱；

图2(b)是串联的标准具和光纤光栅的透射光谱；

图3是基于3×3耦合器的马赫-曾德尔干涉仪的任意两路输出白光干涉光谱的李萨如图；

图4是波长从1525.649nm扫描到1563.851nm时用本发明方法解调出的干涉仪输出相位变化；

图5是本发明方法连续测量马赫-曾德尔干涉仪两臂长度差的结果；

图6是本发明方法用于测量物体重量的实验结果；

图7是本发明方法应用于基于3×3耦合器的光纤迈克尔逊干涉仪的光程差测量的一个具体实施方案；

图8是本发明方法应用于基于3×3耦合器的光纤萨格纳克干涉仪测量的一个具体实施方案；

图中：1—宽带光源、2—可调谐光纤法珀滤波器、3—耦合器、4—弹性柱5—3×3耦合器、6—标准具、7—光纤光栅、8—光电探测器、9—A/D采集卡、10—计算机、11—高反射镜。

具体实施方案

下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本发明方法应用于基于3×3耦合器的马赫-曾德尔干涉仪光程差测量的具体实施方案如下所述。

宽带光源1发出的光输入到可调谐光纤法珀滤波器2，可调谐光纤法珀滤波器2在锯齿波信号的驱动下输出波长扫描窄带光。波长扫描窄带光被一只耦合器3分成两路，其中一路波长扫描窄带光输入由一只耦合器3和一只3×3耦合器5构成的马赫-曾德尔干涉仪，3×3耦合器5的三路输出光分别由三只光电探测器8探测；另一路波长扫描窄带光输入串联的一只标准具6和一只光纤光栅7，透射光由另一只光电探测器8探测。四路光电探测信号由A/D采集卡9采集输入计算机10进行测量。

实施方案中，宽带光源1为ASE光源，光谱范围覆盖从1525nm到1565nm；可调谐光纤法珀滤波器2的自由光谱区范围(FSR)为65nm，精细度为200；标准具6的自由光谱区范围为0.8nm(100GHz)，精细度为14，波长热稳定性为从0℃到70℃的透射峰位置变化小于0.7GHz；光纤光栅7的中心波长为1535.026nm，带宽为0.7nm。

采集的马赫-曾德尔干涉仪的三路输出白光干涉光谱信号如图2(a)所示，x轴坐标为采样数据的序号。ASE光源的光谱形状决定了三路白光干涉光谱的包络形状，三路白光干涉光谱信号的幅度相等，两两相位相差120°，可以通过图3所示的李萨如图形清楚的观察到。串联的标准具6和光纤光栅7的透射谱如图2(b)所示，标准具6的透射谱为一系列具有确定透射峰的梳妆光谱，其中波长为1535.026nm的透射峰被串联的光纤光栅7抹去，作为波长标记识别出梳状光谱的各峰值波长；波长为1525.649nm和1563.861nm的两个透射峰被选中，作为波长扫描的起止波长。由于滤波器扫描的范围大于宽带光源1的光谱范围，三路白光干涉光谱从1525.649nm到1563.861nm的部分被截取出来，利用基于3×3耦合器的无源相位解调算法计算出相位变化，如图4所示。由(2)式计算出干涉仪两臂的长度差为1358.8μm。

连续测量以检验测量系统的稳定性和测量分辨率。将干涉仪放置在隔振平台上，不受应力作用，同时维持环境温度不变，在80分钟的连续测量过程中，干涉仪臂长差的测量平均值为1777450nm，波动范围为±20nm，可得干涉仪臂长差的测量分辨率为20nm。

本发明方法可以实现静态量的高精度测量，如应变的测量。将干涉仪的一个臂作为传感臂，测量应变；另一个臂不受应变影响，作为参考臂靠近传感臂放置，减小温度对应变测量的影响。光纤干涉臂的长度为10m，臂长差测量波动±20nm，则对应应变测量波动为±2×10^-3με。干涉仪的臂长差为1.4mm，则两臂的温度灵敏度之差为8.82nm/℃；因此，温度变化30℃，引起干涉仪的臂长差变化为264nm，这个长度变化量对应应变为0.0246με，由此看出温度对应变测量结果的影响小。

本发明方法应用于重量测量的具体实施方案如图1所示，干涉仪的一个臂缠绕在一个直径为30mm的弹性柱4上面作为传感臂。待测物放置在弹性柱4的上面，使传感臂产生应变，从而改变了干涉仪两臂的长度差，通过本发明方法解调出干涉仪臂长差的变化，就可以实现待测物的重量测量。待测物每次增加100g，当待测物从0g增加到800g时，干涉仪的臂长差从1358.8μm增加到1711μm，如图6所示，臂长差随待测物重量的增加线性变化，臂长差-重量灵敏度为0.3952μm/g。干涉仪臂长差的测量分辨率为20nm，由此可得质量测量分辨率为0.05g。

实施例2

本发明方法应用于基于3×3耦合器的迈克尔逊干涉仪的光程差测量的实施例如说明书附图7所示。

实施例3

本发明方法应用于基于3×3耦合器的萨格纳克干涉仪测量的实施例如说明书附图8所示。

Claims (4)

1、一种基于3×3耦合器的波长扫描白光干涉测量技术，探测基于3×3耦合器的干涉仪的三路输出干涉信号，用基于3×3耦合器的无源相位解调算法解调出干涉仪的输出相位变化，其特征在于：干涉仪的输入光为波长扫描窄带光，波长扫描时，探测到干涉仪的三路输出干涉信号为白光干涉光谱；确定波长扫描测量的起止波长，由波长扫描测量的起止波长和波长扫描引起的干涉仪输出相位变化计算出干涉仪的光程差。

2、根据权利要求1所述的基于3×3耦合器的波长扫描白光干涉测量技术，其特征在于：干涉仪的输入光为波长扫描窄带光，波长扫描引起干涉仪的输出相位变化。

3、根据权利要求1所述的基于3×3耦合器的波长扫描白光干涉测量技术，其特征在于：波长扫描引起的干涉仪输出相位变化，是用基于3×3耦合器的无源相位解调算法解调出来的。

4、根据权利要求1所述的基于3×3耦合器的波长扫描白光干涉测量技术，其特征在于波长测量的起止波长由如下方法确定：波长扫描窄带光被耦合器分成两路，其中一路波长扫描窄带光输入基于3×3耦合器的干涉仪；另一路波长扫描窄带光输入串联的一只标准具和一只光纤光栅，波长扫描测量的起止波长由标准具和光纤光栅透射谱中的两个透射峰确定。

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