CN101561296B - 一种光纤延迟量的低相干测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种光纤延迟量的低相干测量方法及系统，以解决现有技术中存在的测量精度较低、对于部分范围光纤长度无法测量、测量设备较复杂的问题。本发明包括将等光强的两路光中的第一路光通过预定长度的光纤，调整第二路光的光程并使两路光产生干涉条纹，标记干涉条纹的零级中心条纹的位置；改变第一路光通过的光纤的长度，再次调整第二路光的光程并使两路光产生干涉条纹，使两路光产生干涉条纹的零级中心条纹的位置与标记的零级中心条纹的位置重合，记录第二路光在第二次调整过程中的光程改变量；根据第二路光在第二次调整过程中的光程改变量和改变长度的光纤的纤芯折射率得到改变长度的光纤的延迟量。本发明用于测量光开关和光纤阵列组成的光纤延迟模块。

Description

一种光纤延迟量的低相干测量方法及系统

技术领域

本发明涉及一种光纤延迟量的低相干测量方法及系统，属于光纤传感与光学测量领域。

背景技术

在光学测量领域中，基于干涉原理的测量系统已成为物理量检测中精度最高的系统之一，其中基于低相干测量原理的干涉测量系统已成为这一领域的一个重要发展方向。白光光源或宽谱光源可统称为低相干光源。使用低相干光源的干涉测量系统被称为“白光干涉仪”或者“低相干测量系统”。

对由光纤阵列构成的可编程光纤延迟线延迟时间的测量，实际可转换为测试不同光纤传输路径的相对长度变化，现有技术中，普遍采用的光纤长度测试仪器是光时域反射计(OTDR，Optical time domain reflectometer)。

OTDR是目前测量光纤长度方法中最常用的方法之一，它根据背向瑞利散射和菲涅尔反射理论而制成。当光脉冲沿着光纤传输时，由于光纤本身的缺陷和掺杂成份的不均匀性，光纤上的每一点均会产生瑞利散射，各处的瑞利散射的后向散射光不断返回到光纤的入射端；当光纤中有几何缺陷或者断裂面时，就会产生菲涅尔反射。反射光以及散射光中会有一部分进入光纤的孔径角从而返回到输入端，而且反射信号比散射信号强得多，通过在输入端接收这部分信号并对其进行光电转换、信号处理，就可以获取光沿光纤传输的损耗信息以及光在光纤中的传输时间，从而得出光纤长度。

OTDR通过测试光在光纤中的传输时间来工作，而OTDR的接收器从饱和到能进行测试需要一段时间，如果光纤长度不足以让光产生这么长的传输时间，那么将无法根据OTDR方法来测量光纤长度。也就是说，OTDR方法测量光纤长度过程中存在一个盲区，多模光纤的盲区较小，单模光纤的盲区较大。单模光纤的盲区相当于100m左右的光纤长度。一般地，OTDR的测试精度可以达到米的量级，测试范围可达上百公里。

用OTDR方法还存在许多不可避免的误差因素，包括仪器刻度误差和分辨率误差等固有误差，光纤群折射率、后向散射损耗系数以及光缆成缆系数等参数设置所产生的计算误差。另外OTDR设备体积比较庞大，使用不便。

对于可编程光纤延迟量的测量，还可以采用矢量网络分析仪的电测量方法，在测试过程中，由矢量网络分析仪来产生一定频率的微波信号，将此信号通过电光调制单元(E/O)调制在光载波上，送入被测可编程光纤延迟模块，被测可编程光纤延迟模块在计算机的控制下产生相应的延迟时间，然后将经过延时的微波信号通过光电解调单元(O/E)解调后送回矢量网络分析仪，通过测量被测网络的前向传输参数的相位，根据延迟时间变化与相位变化的关系即可计算得到实际延迟时间。

可编程光纤延迟量的电测量方法虽然测量精度较高，但需要E/O和O/E转换；另外，该方法不是测量直接的光延时，而是测量电延时。这种方法较适合已经封装好的微波光纤延迟线的延迟量的测量，不适合单独的可编程光纤延迟模块。

因此，在现有的可编程光纤延迟线延迟时间的测量技术中，存在测量精度较低、对于部分范围光纤长度无法测量、测量设备较复杂的问题。

发明内容

本发明提供了一种光纤延迟量的低相干测量方法及系统，以解决在现有的可编程光纤延迟线延迟时间的测量技术中，存在测量精度较低、对于部分范围光纤长度无法测量、测量设备较复杂的问题。

一种光纤延迟量的低相干测量方法，包括：

将等光强的两路光中的第一路光通过预定长度的光纤，调整第二路光的光程并使两路光产生干涉条纹，标记所述干涉条纹的零级中心条纹的位置；

改变第一路光通过的光纤的长度，再次调整第二路光的光程并使两路光产生干涉条纹，使两路光产生干涉条纹的零级中心条纹的位置与标记的零级中心条纹的位置重合，记录第二路光在第二次调整过程中的光程改变量；

根据所述第二路光在第二次调整过程中的光程改变量和所述改变长度的光纤的纤芯折射率得到所述改变长度的光纤的延迟量。

一种光纤延迟量的低相干测量系统，包括：

光源模块，用于产生等光强的两路光；

光纤延迟模块，用于使第一路光通过预定长度的光纤以及改变第一路光通过的光纤的长度；

可变光路器件，用于调整第二路光的光程使两路光产生干涉条纹，并使第二次调整过程中两路光产生干涉条纹的零级中心条纹的位置与标记的零级中心条纹的位置重合；

光路采集模块，用于记录第二路光在第一次调整过程中干涉条纹的零级中心条纹的位置以及第二路光在第二次调整过程中的光程改变量；

光路计算模块，用于根据所述第二路光在第二次调整过程中的光程改变量和所述改变长度的光纤的纤芯折射率得到所述改变长度的光纤的延迟量。

本发明的具体实施方式提供了将第二路光作为参考光路，并根据第二路光在调整过程中的光程改变量并通过计算得到光纤延迟量的方法，可实现ps量级的光纤延迟量测量以及μm量级的位移量测量，具有测量设备较简单、操作较方便且成本较低的特点。

附图说明

图1是本发明的具体实施方式提供的一种光纤延迟量的低相干测量方法的流程示意图；

图2是本发明的具体实施方式提供的宽谱光源发生光纤杨氏干涉的原理示意图；

图3是本发明的具体实施方式提供的光开关控制的光纤阵列切换组成原理示意图；

图4是本发明的具体实施方式提供的可变光路器件的内部结构示意图；

图5是本发明的具体实施方式提供的中心条纹判别示意图；

图6是本发明的具体实施方式提供的一种光纤延迟量的低相干测量方法的系统组成示意图；

图7是本发明的具体实施方式提供的一种光纤延迟量的低相干测量系统的结构示意图。

具体实施方式

在本发明的具体实施方式提供的一种光纤延迟量的低相干测量方法的技术方案中，首先将等光强的两路光中的第一路光通过预定长度的光纤，调整第二路光的光程并使两路光产生干涉条纹，标记干涉条纹的零级中心条纹的位置；然后改变第一路光通过的光纤的长度，再次调整第二路光的光程并使两路光产生干涉条纹，使两路光产生干涉条纹的零级中心条纹的位置与标记的零级中心条纹的位置重合，记录第二路光在第二次调整过程中的光程改变量；最后根据第二路光在第二次调整过程中的光程改变量和改变长度的光纤的纤芯折射率得到改变长度的光纤的延迟量。

进一步地，调整第二路光的光程并使两路光产生干涉条纹包括通过调整可变光路器件使第二路光通过可变光路器件的光程与第一路光通过预定长度的光纤的光程相等。零级中心条纹为两路光所产生的所有干涉条纹中最亮的一条亮条纹。改变第一路光通过的光纤的长度包括调整光纤延迟模块的光纤延迟量。改变长度的光纤的延迟量根据公式：

$\mathrm{\Δt}=\frac{S}{c}=\frac{n_{1}L}{c}$

计算得到，其中S表示第二路光在第二次调整过程中的光程改变量，c为真空中的光速，n₁表示第一路光通过光纤的纤芯折射率，L表示光纤改变的长度，Δt表示L对应的延迟量。

本发明的具体实施方式提供了一种光纤延迟量的低相干测量方法作为较佳的实施方式，但本发明除了用来测量光开关和光纤阵列组成的可编程光纤延迟模块外，还可以用来测量其它形式的带尾纤的光延迟模块，如光纤光栅延迟线、光波导延迟线等。如图1所示，本发明的具体实施方式可以包括：

步骤11，将等光强的两路光中的第一路光通过预定长度的光纤，调整第二路光的光程并使两路光产生干涉条纹，标记干涉条纹的零级中心条纹的位置。

首先，由一个宽谱光源产生一路光，相应的宽谱光源可采用中心波长为1550nm的EDFA-TV系列掺铒光纤放大器作为宽谱光源使用。光源主体部分是增益介质掺铒光纤和高性能的泵浦激光器。独特的ATC(自动温度控制)和APC(自动功率控制)电路通过控制泵浦激光器的输出保证了输出光功率的稳定。通过调节APC，可在一定范围内调节输出功率。功率放大器安装在光发射机后面提升发射机输出光功率，也可以在系统中级联使用。可用于延长信号传输距离，补偿光功率分配带来的损耗。该宽谱光源的特点是：输出光功率高，噪声指数低，工作波长范围宽，覆盖整个C-band(1550nm窗口)，监控接口完善灵活，可靠性高，易于安装维护。

如果发生干涉的两束光是相干长度很长的单频激光，则成像显示卡上所成的条纹是平行的干涉直条纹，明纹强度基本相等，无法判断零级明条纹的具体位置。由于宽谱光源的相干长度很短，一般不超过几十微米，故出现双光束干涉条纹的区域非常有限，通过精确测量零光程差的位置，可精确测量所需的光纤长度。宽谱光源产生的一路光通过耦合器耦合成等光强的两路光。

对于系统中采用的1550nm宽谱光源来说，其波长范围在(1540～1560)nm，发生杨氏双光束干涉的明纹条件是δ＝dsinθ＝±kλ，如图2所示。因此能观察到的光谱的级次可由下式求得：

kλ_r＝(k+1)λ_v

∴ $k=\frac{{\mathrm{\λ}}_v}{{\mathrm{\λ}}_r-{\mathrm{\λ}}_v}=\frac{1540}{1560-1540}=77$

因为此光源谱宽只有20nm，能观察到的光谱级次与干涉条纹明纹的级次相当。在具体的干涉系统中，观察不到这么多级次的干涉条纹，原因有三：干涉光的强度较低，一般是几个毫瓦；光纤端面面积太小，故干涉场截面变小；红外光经显示卡成像后又损失一部分光强，丢失部分条纹。

对于宽谱光源发生的一路光，通过耦合器耦合成两路等光强的光，相应的耦合器可以采用单模单窗宽带耦合器，低损耗、低偏振敏感、宽频带、抗环境变化。工作波长1550nm，带宽±40nm，耦合比为50∶50，附加损耗≤0.10dB。

进一步地，将第一路光通过光纤延迟模块，光纤延迟模块可采用光开关控制的光纤阵列，又称可编程光纤延迟模块，如图3所示，光开关控制的光纤阵列由多个光开关和光纤依次排列组成，并可以通过开关控制光路通过的光纤的支路个数。第一路光第一次通过光开关控制的光纤阵列时可选择通过一个基准长度的光纤，而此时对于第二路光，可以通过可变光路器件控制光程。

将第二路光通过可变光路器件，调整第二路光的光程并使两路光产生干涉条纹，相应的可变光路器件可采用一种连续可调MOEMS(Micro-opto-electro-mechanical system)结构，能实现较大范围改变的光纤长度的匹配。如图4所示，它有两组直角反射镜阵列，一组位置固定，另一组设置在移动平台上，可以在移动平台的带动下实现位置改变。入射端和出射端采用V形槽和微透镜实现光信号和光纤间的高效耦合，以减小耦合损耗。输入光信号透过微聚光准直透镜在固定直角反射镜阵列和移动直角反射镜阵列之间形成多次反射，最后经出射端准直透镜进入V形槽中的出射光纤输出。可以通过移动平台来调节两组直角反射镜阵列之间的距离，从而实现对光信号延迟的连续调谐。设固定直角反射镜阵列由N(N＝2，3，4，□，图中N＝3)个直角反射镜组成，移动直角反射镜阵列有N-1个直角反射镜，则在这个结构中，光信号共被反射4N-2次，实现的最大连续调谐光时延T为：

T＝2(N-1)s/c

其中s为可移动直角反射镜阵列的最大轴向移动距离，c为真空中的光速。MOEMS可变光路器件可利用压电陶瓷控制器或者步进电机控制器控制平台移动，通过移动反射镜的位置来改变光传播的路径长度。按照如图3设计的光开关及光纤阵列可在计算机的控制下选择4个不同的光通路，每个通路对应的光纤长度不同，本系统可以测量出其相对时间延迟量。将各通道光开关引入的固有光程差设计为0，以提高测量精度。光开关采用速度较快的磁光开关或者电光开关均可。

根据干涉原理，当满足一定条件的两束光叠加时，在叠加区域光的强度有稳定的分布，即形成干涉条纹。在本实施方式中光纤夹具用来保证两根光纤紧挨且端面平行出射，以满足杨氏干涉的条件。用于干涉条纹成像的红外显示卡(IR Viewing Card)是采用红外(上转换)发光材料研制成的红外探测材料，这种材料能将各种不可见红外波段光束转换成可见光。根据实现上转换发光过程的不同物理机制，可以把上转换发光材料分为吸收型(Anti-stokes type)和存储型(Charged type)两大类。吸收型上转换发光是基于多种机制的光子加和的过程。存储型上转换发光材料是近年来随着低能量、宽频谱红外光的探测、成像、响应、追踪等应用需求迅速发展起来的一类新型上转换发光材料，它的突出特点是红外响应光谱宽(800nm～1600nm)、量子转换效率高、热稳定性好、具有常“光充能”特性，即不需紫外线预激发就能在室温下将红外光(800nm～1600nm)直接转换为醒目的可见光。本实施例中所用的红外显示卡就是利用存储型上转换发光材料制成的，可将1550nm波段的红外光转换为绿光。本实施方式中采用的红外显示卡尺寸为一张信用卡大小，包含一块特殊的传感区域，能轻松定位红外光和其焦点位置，有3个敏感波长范围：790-840nm，870-1070nm，1500-1590nm。其传感区为2.1″×1.2″，安装在持久耐用的塑料底板上，易于处理和携带，可探测射线低至1nw/cm²。随时使用，不需要光充过程，没有有害反射。

最后，调整可变光路器件使第二路光通过的光程与第一路光通过基准长度的光纤的光程相等，使两路光产生干涉条纹，将两路光所产生的所有干涉条纹中最亮的一条亮条纹定义为零级中心条纹，记录零级中心条纹的位置，该位置可以为中心位置也可以为两侧的边缘位置。

采用基于CCD的光纤干涉条纹测量技术，利用CCD摄像机获取条纹图像信号，进行图像处理得到条纹的中心位置，以此中心位置作为测量的基准，如图5所示。

步骤12，改变第一路光通过的光纤的长度，再次调整第二路光的光程并使两路光产生干涉条纹，使两路光产生干涉条纹的零级中心条纹的位置与标记的零级中心条纹的位置重合，记录第二路光在第二次调整过程中的光程改变量。

首先，调整光纤延迟模块，改变第一路光通过光开关控制的光纤阵列的光纤长度，此时两路光的光程不同，产生干涉条纹的位置与原来位置相比发生了改变。然后，再次调整可变光路器件使第二路光通过的光程与第一路光通过光纤延迟模块的光程相等，产生干涉条纹的位置变为第一次调整时的位置。最后，读取可变光路器件在第二次调整过程中的光程改变量。本实施方式采用的可变光路器件能以刻度的形式直接给出其位移调节量，另外再采用一个CCD摄像机将刻度照相并传至计算机中，编写相应的软件程序对图像中的数字和刻度线进行识别，获得本次测量过程中可变光路器件的真实位移量，并与初始位移量相减后作为该通道延迟对应的光程改变量。

步骤13，根据第二路光在第二次调整过程中的光程改变量和改变长度的光纤的纤芯折射率得到改变长度的光纤的延迟量。

改变长度的光纤的延迟量根据公式：

$\mathrm{\Δt}=\frac{S}{c}=\frac{n_{1}L}{c}$

计算得到，其中S表示第二路光在第二次调整过程中的光程改变量，可由步骤12中读取的可变光路器件在第二次调整过程中的光程改变量得到，n₁表示第一路光通过光纤的纤芯折射率，可根据光纤延迟模块本身的性质得到，L表示光纤改变的长度，Δt表示L对应的延迟量，c为真空中的光速。

本发明的具体实施方式还提供了一种光纤延迟量的低相干测量系统，本发明的具体实施方式提供的一种光纤延迟量的低相干测量方法是通过以下技术方案实现的，如图6所示，先将入射光耦合成两路，一条光路(即参考光路)上放入可变光路器件；在另一条光路(即测量光路)上放入待检验的光纤延迟模块。测量前以可编程光纤延迟模块的最小延迟为基准延迟，使两路光波分别经过相同的路程后相遇相干，在视场内得到一套作为基准的双光束干涉条纹，由于采用低相干光源，因其他级条纹随波长不同而位置不同，而零级条纹的位置相同，故最亮的那一条就是零级中心条纹，定位其中心条纹的位置。由于可编程光纤延迟模块光纤长度的改变，两条光路出现了光程差，随之发生的位相差导致视场中的干涉条纹发生移动，零级中心条纹的位置也发生了改变。调节可变光路器件，使零级中心条纹回到基准中心条纹的位置，读出精密可变光路的位移量数值，将此空间光路的位移量换算成光纤中的位移量，可视为可编程光纤延迟模块的延时光程，进而求得相应的延迟时间。

在本发明的实施方式中，实施测量方法的系统可以包括光路系统和电路系统，光路系统可以包括宽谱光源、耦合器、可变光路器件、光纤延迟模块、夹具和红外显示卡；电路系统可以包括计算机、光纤延迟模块控制电路、零光程差中心条纹位置测量模块和可变光路器件位移读数模块。下面结合说明书附图以及各器件在系统中的作用对本实施方式进行说明。

如图7所示，具体可以包括：

光源模块71，用于产生等光强的两路光；

光纤延迟模块72，用于使第一路光通过预定长度的光纤以及改变第一路光通过的光纤的长度；

可变光路器件73，用于调整第二路光的光程使两路光产生干涉条纹，并使第二次调整过程中两路光产生干涉条纹的零级中心条纹的位置与标记的零级中心条纹的位置重合；

光路采集模块74，用于记录第二路光在第一次调整过程中干涉条纹的零级中心条纹的位置以及第二路光在第二次调整过程中的光程改变量；

光路计算模块75，用于根据第二路光在第二次调整过程中的光程改变量和改变长度的光纤的纤芯折射率得到改变长度的光纤的延迟量。

首先由光源模块71产生等光强的两路光，将等光强的两路光中的第一路光通过光纤延迟模块72，并通过可变光路器件73调整第二路光的光程并使两路光产生干涉条纹，通过光路采集模块74记录干涉条纹的零级中心条纹的位置；然后通过光纤延迟模块72改变第一路光通过的光纤的长度，并通过可变光路器件73调整第二路光的光程并使两路光产生干涉条纹，使两路光产生干涉条纹的零级中心条纹的位置与标记的零级中心条纹的位置重合，再次通过光路采集模块74记录第二路光在第二次调整过程中的光程改变量；最后通过光路计算模块75根据第二路光在第二次调整过程中的光程改变量和改变长度的光纤的纤芯折射率得到改变长度的光纤的延迟量。

进一步地，调整第二路光的光程并使两路光产生干涉条纹包括通过调整可变光路器件73使第二路光通过可变光路器件的光程与第一路光通过预定长度的光纤的光程相等。零级中心条纹为两路光所产生的所有干涉条纹中最亮的一条亮条纹。改变第一路光通过的光纤的长度包括调整光纤延迟模块72的光纤延迟量。改变长度的光纤的延迟量根据公式：

$\mathrm{\Δt}=\frac{S}{c}=\frac{n_{1}L}{c}$

计算得到，其中S表示第二路光在第二次调整过程中的光程改变量，c为真空中的光速，n₁表示第一路光通过光纤的纤芯折射率，L表示光纤改变的长度，Δt表示L对应的延迟量。

上述系统中包含的各单元的处理功能的具体实现方式在之前的方法实施例中已经描述，在此不再重复描述。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种光纤延迟量的低相干测量方法，其特征在于，包括：

将等光强的两路光中的第一路光通过预定长度的光纤，调整第二路光的光程并使两路光产生干涉条纹，标记所述干涉条纹的零级中心条纹的位置；

改变第一路光通过的光纤的长度，再次调整第二路光的光程并使两路光产生干涉条纹，使两路光产生干涉条纹的零级中心条纹的位置与标记的零级中心条纹的位置重合，记录第二路光在第二次调整过程中的光程改变量；

通过以下公式计算获得改变长度的光纤的延迟量：

$\mathrm{\Δt}=\frac{S}{c}=\frac{n_{1}L}{c}$

其中S表示第二路光在第二次调整过程中的光程改变量，c为真空中的光速，n₁表示第一路光通过光纤的纤芯折射率，L表示光纤改变的长度，Δt表示L对应的延迟量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调整第二路光的光程并使两路光产生干涉条纹包括通过调整可变光路器件使第二路光通过所述可变光路器件的光程与第一路光通过所述预定长度的光纤的光程相等。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述零级中心条纹为两路光所产生的所有干涉条纹中最亮的一条亮条纹。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述改变第一路光通过的光纤的长度包括调整光纤延迟模块的光纤延迟量。

5.一种实现权利要求1所述的光纤延迟量的低相干测量方法的测量系统，其特征在于，包括：

光源模块，用于产生等光强的两路光；

光纤延迟模块，用于使第一路光通过预定长度的光纤以及改变第一路光通过的光纤的长度；

可变光路器件，用于调整第二路光的光程使两路光产生干涉条纹，并使第二次调整过程中两路光产生干涉条纹的零级中心条纹的位置与标记的零级中心条纹的位置重合；

光路采集模块，用于记录第二路光在第一次调整过程中干涉条纹的零级中心条纹的位置以及第二路光在第二次调整过程中的光程改变量；

光路计算模块，用于通过以下公式计算获得改变长度的光纤的延迟量：

$\mathrm{\Δt}=\frac{S}{c}=\frac{n_{1}L}{c}$

其中S表示第二路光在第二次调整过程中的光程改变量，c为真空中的光速，n₁表示第一路光通过光纤的纤芯折射率，L表示光纤改变的长度，Δt表示L对应的延迟量。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述调整第二路光的光程使两路光产生干涉条纹包括通过调整可变光路器件使第二路光通过所述可变光路器件的光程与第一路光通过所述预定长度的光纤的光程相等。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述零级中心条纹为两路光所产生的所有干涉条纹中最亮的一条亮条纹。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述改变第一路光通过的光纤的长度包括调整光纤延迟模块的光纤延迟量。

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