CN101865702A - 一种基于三角信号迅速判定光纤干涉仪工作点的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种迅速判定光纤干涉仪工作点的方法。光纤干涉仪在测量中，常因受到干扰信号的影响，使工作点偏离灵敏度最佳位置，导致干涉仪的灵敏度下降，严重时甚至会进入非线性区域，导致干涉仪输出信号畸变，不能线性地反映外界的影响。为迅速正确地判定干涉仪的工作点位置，本发明方法采用在光线干涉仪的一个光纤干涉臂上，安装附加调制装置，使用三角信号作为调制信号，驱动附加调制装置，通过观察输出三角波形发生形变的位置和时间判断对应光纤干涉仪工作点的位置，即相对于线性区中心的偏离方向及距离。本发明可以广泛应用到Michelson干涉仪或Fizeau干涉仪等多种光纤干涉仪。

Description

一种基于三角信号迅速判定光纤干涉仪工作点的方法

技术领域

本发明涉及光纤干涉仪的技术领域，尤其是判定光纤干涉仪工作点的技术领域。

背景技术

自上世纪70年代以来，光纤传感器作为一门新兴的应用技术，日益受到人们的重视。特别是基于光纤干涉仪的光纤传感技术，由于其比一般的光学测量方法具有更高的灵敏度和精确度，被应用到多个领域，并得到较快发展。

光纤干涉仪主要是利用外界物理场的变化对光纤造成的扰动，使在光纤中传输的光信号的相位或偏振态发生变化，通过测量相位或偏振态的变化就可以得到外界物理场的变化情况。光纤干涉仪测量主要是靠双光路干涉，外界待测信号对光纤中传输的光产生影响来实现。这种方法具有较高的灵敏度，但除待测信号外，许多其他外界的随机扰动都会引起干涉仪中信号的相位变化。这些由于环境变化引起的随机相位漂移，往往会使干涉仪的工作点偏离灵敏度最佳位置，即偏离线性区中心位置。从而使干涉仪的灵敏度下降，严重时甚至会进入非线性区域，导致干涉仪输出信号畸变，不能线性地反映外界的影响。

迅速正确地判定干涉仪的工作点位置，是干涉仪正常工作的基础。另外，在现有技术中对干涉仪工作点的调整主要是利用压电陶瓷和电路调节来实现相位补偿方法来实现的，将光纤臂缠绕在压电陶瓷上，利用电路对压电陶瓷进行充放电，使压电陶瓷伸缩，从而达到相位补偿、调整干涉仪工作点的目的。但这种方法缺少对干涉仪工作点的判定，并且难以控制调整方向，对工作点的调整往往带有一定的盲目性。

发明内容

为了迅速判定光纤干涉仪工作点的位置，本发明以三角信号作为调制信号，通过观察输出信号的形变情况，可判断出光纤干涉仪工作点的位置。

本发明判断光纤干涉仪工作点的方法，其特征在于：在光线干涉仪的一个光纤干涉臂上，安装附加调制装置，使用三角信号驱动附加调制装置，根据输出三角波形发生形变的位置和时间判断对应光纤干涉仪工作点的位置，即相对于线性区中心的偏离方向及距离；具体判定步骤包括：

步骤一：在Michelson干涉仪或Fizeau干涉仪等光纤干涉仪的一个光纤干涉臂上，安装附加调制装置；

步骤二：在无被检信号输入的情况下，打开光纤干涉仪使其正常工作；

步骤三：使用弱三角信号驱动附加调制装置，这时，光纤干涉仪输出为三角信号；

步骤四：逐渐增强驱动附加调制装置的三角信号强度，光纤干涉仪输出的三角信号发生变形；三角信号的形变位置与光纤干涉仪工作点所在范围的对应关系：三角信号的上下两端同时发生形变的情形对应光纤干涉仪工作点位于线性区中心；三角信号的上端先于下端发生形变的情形对应光纤干涉仪工作点位于线

性区中心靠上位置；三角信号的下端先于上端发生形变的情形对应光纤干涉仪工作点位于线性区中心靠下位置。形变发生越早，说明光纤干涉仪工作点偏离线性区中心越远。

本发明的主要有益效果主要在于：

光纤干涉仪在工作过程中易受外界环境的影响，工作点偏离线性区。本发明可实现对光纤干涉仪的实时监控，实时获得光纤干涉仪工作点位置的信息，以便于对光纤干涉仪工作点位置的调整，对干涉仪工作点位置的调整方向提供依据，并可以直接观察调整效果。

本发明装置简单、成本低、操作方便，且现象观察直观，对工作点偏离程度的判定速度快，只需观察波形即可获得干涉仪工作点位置的信息。

本发明适用范围广，可以广泛应用到Michelson干涉仪或Fizeau干涉仪等多种光纤干涉仪。

附图说明

图1为本发明实施例1的设备结构示意图，其中虚框Ⅰ为干涉仪部分，Ⅱ为附加调制装置，Ⅲ为检测部分。

图2为本发明实施例1和实施例2使用弱三角信号时干涉仪所对应的输出信号。

图3为本发明实施例1和实施例2增强三角信号，干涉仪工作点位于线性区中心时，干涉仪输出信号类型一。

图4为本发明实施例1和实施例2增强三角信号，干涉仪工作点位于线性区中心时，干涉仪输出信号类型二。

图5为本发明实施例1和实施例2增强三角信号，干涉仪工作点位于线性区中心靠上位置时，干涉仪输出信号类型一。

图6为本发明实施例1和实施例2增强三角信号，干涉仪工作点位于线性区中心靠上位置时，干涉仪输出信号类型二。

图7为本发明实施例1和实施例2增强三角信号，干涉仪工作点位于线性区中心靠下位置时，干涉仪输出信号类型一。

图8为本发明实施例1和实施例2增强三角信号，干涉仪工作点位于线性区中心靠下位置时，干涉仪输出信号类型二。

图9为本发明实施例2的设备结构示意图，其中虚框Ⅰ为干涉仪部分，Ⅱ为附加调制装置，Ⅲ为检测部分。

具体实施方式

实施例1：利用三角信号迅速判定斐索干涉仪工作点的位置。

斐索干涉仪结构如图1所示，图中：光源1、光纤隔离器2、环行器3、准直器4、振动物体5、信号发生器6、光电探测器7、示波器8、调节架9。附加调制装置Ⅱ由振动物体5和信号发生器6连接组成，其中振动物体5可以为附加压电陶瓷驱动的反射镜或蜂鸣片，此处使用的是附加压电陶瓷驱动的反射镜。

光源1与隔离器2相连，隔离器2与环行器3的①端口相连，准直器4与环行器3的②端口相连，光电探测器7与环行器3的③端口相连。准直器4固定在调节架9的一端，振动物体5固定在调节架9的另一端。振动物体5与信号发生器6相连。示波器8与光电探测器7相连。

光源1发出的激光经过隔离器2和环行器3的①端口、②端口后到达准直器4的出射端面，在此处发生第一次反射并透射，第一次反射光沿光纤原路返回，透射光到达振动物体5表面后形成第二次反射，第二次反射光原路返回至准直器4的出射端面并透射进去，与第一次反射光形成干涉。干涉光经环行器3的②端口、③端口到达光电探测器7，由示波器8可检测干涉波形。

打开光源1，调整其输出功率为1mw。调整调节架9的调节旋钮，使干涉仪形成干涉信号。打开信号发生器6，发出弱三角波信号，使振动物体5产生周期性振动。这时，光纤干涉仪输出为三角信号，如图2所示。逐渐增大信号发生器6所产生的周期性三角波信号的电压值，由示波器8观测特征波形。电压逐渐增大到10V左右时，三角信号开始发生形变。若三角信号上下两端同时发生形变，如图3、图4所示，则光纤干涉仪工作点位于线性区正中，即两次反射光的相位差为n2π，n为整数；若三角信号的上端先于下端发生形变，如图5、图6所示，则光纤干涉仪工作点位于线性区中心靠上位置，即两次反射光的相位差在n2π与π+n2π之间，n为整数；若三角信号的下端先于上端发生形变，如图7、图8所示，则光纤干涉仪工作点位于线性区中心靠下位置，即两次反射光的相位差在π+n2π与2π+n2π之间，n为整数。形变发生越早，说明光纤干涉仪工作点偏离线性区中心越远。

实施例2：利用三角信号迅速判定迈克尔逊干涉仪工作点的位置

迈克尔逊干涉仪结构如图9所示，图中：光源1、光纤隔离器2、2x2耦合器3’、端面镀有透射膜的准直器4’、振动物体5、信号发生器6、光电探测器7、示波器8、调节架9、反射镜10。其中振动物体5可以为压电陶瓷驱动的反射镜或蜂鸣片，此处使用的是蜂鸣片。

光源1与隔离器2相连，隔离器2与2x2耦合器3’的①端口相连，准直器4’与2x2耦合器3’的③端口相连，反射镜10与2x2耦合器3’的④端口相连，光电探测器7与2x2耦合器3’的②端口相连，示波器8与光电探测器7相连。准直器4’固定在调节架9的一端，振动物体5固定在调节架9的另一端。振动物体5与信号发生器6相连。

光源1发出的激光经过隔离器2，由①端口入射至2x2耦合器3’，被分为两路。第一路光由③端口出射后到达准直器4’的出射端面，透射光到达振动物体5表面后形成反射，反射光原路返回至准直器4’的出射端面并透射进去，回到2x2耦合器3’。第二路光由④端口出射后到达反射镜10后反射，原路返回到2x2耦合器3’。两路反射光形成干涉，干涉光经2x2耦合器3的②端口到达光电探测器7，由示波器8可检测干涉波形。

打开光源1，调整其输出功率为1mw。调整调节架9的调节旋钮，使干涉仪形成干涉信号。打开信号发生器6，发出弱三角波信号，使振动物体5产生周期性振动。这时，光纤干涉仪输出为三角信号，如图2所示。逐渐增大信号发生器6所产生的周期性三角波信号的电压值，由示波器8观测特征波形。电压逐渐增大到1V左右时，三角信号开始发生形变。若三角信号上下两端同时发生形变，如图3、图4所示，则光纤干涉仪工作点位于线性区正中，即两次反射光的相位差为n2π，n为整数；若三角信号的上端先于下端发生形变，如图5、图6所示，则光纤干涉仪工作点位于线性区中心靠上位置，即两次反射光的相位差在n2π与π+n2π之间，n为整数；若三角信号的下端先于上端发生形变，如图7、图8所示，则光纤干涉仪工作点位于线性区中心靠下位置，即两次反射光的相位差在π+n2π与2π+n2π之间，n为整数。形变发生越早，说明光纤干涉仪工作点偏离线性区中心越远。

Claims (3)

1.一种基于三角信号迅速判定光纤干涉仪工作点的方法，其特征在于：在光纤干涉仪的一个光纤干涉臂上，安装附加调制装置，使用三角信号驱动附加调制装置，根据输出三角波形发生形变的位置和时间判断对应光纤干涉仪工作点的位置，即相对于线性区中心的偏离方向及距离；具体判定步骤包括：

步骤一：在光纤干涉仪的一个光纤干涉臂上，安装附加调制装置；

步骤二：在无被检信号输入的情况下，打开光纤干涉仪使其正常工作；

步骤三：使用弱两极性三角信号驱动附加调制装置；这时，光纤干涉仪输出为三角波形；

步骤四：逐渐增强驱动附加调制装置的三角信号幅度；这时，光纤干涉仪输出的三角波形发生变形；三角波形的变形位置与光纤干涉仪工作点所在范围的对应关系：三角波形的上下两端同时发生形变的情形对应光纤干涉仪工作点位于线性区中心；三角波形的上端先于下端发生形变的情形对应光纤干涉仪工作点位于线性区中心靠上位置；三角波形的下端先于上端发生形变的情形对应光纤干涉仪工作点位于线性区中心靠下位置；三角波形形变发生越早，说明光纤干涉仪工作点偏离线性区中心越远。

2.根据权利要求1所述的一种基于三角信号迅速判定光纤干涉仪工作点的方法，其特征在于：所述附加调制装置由振动物体(5)和信号发生器(6)连接组成，其中振动物体(5)是附加压电陶瓷驱动的反射镜或蜂鸣片。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于三角信号迅速判定光纤干涉仪工作点的方法，其特征是：所述光纤干涉仪采用Michelson干涉仪或Fizeau干涉仪。

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