CN102003944B - 共路补偿的多尺度准分布式白光干涉应变测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种共路补偿的多尺度准分布式白光干涉应变测量装置及方法。包括宽谱光源、光纤环行器、可调菲索干涉仪、导入\导出光纤、光纤传感器阵列、光电探测器、带通滤波器和信号处理单元；可调菲索干涉仪由梯度折射率透镜、可移动扫描反射镜构成，二者之间有可调节距离；光纤环行器的四个端口按顺时针的顺序，分别与宽谱光源、可调菲索干涉仪、导入\导出光纤和光电探测器相连；导入\导出光纤的另一端连接光纤传感器阵列；光电探测器的输出端通过带通滤波器与信号处理单元相连。本发明实现了多尺度准分布完全共光路光程匹配；降低了光功率衰减和损耗，增强了探测能力；简化了光学系统光路结构，降低了成本，提高了稳定性与可靠性。

Description

共路补偿的多尺度准分布式白光干涉应变测量装置及方法

技术领域

本发明涉及的是一种多尺度准分布式白光干涉应变测量装置。可用于多路复用光纤白光干涉传感器阵列的解调系统中。本发明也涉及一种多尺度准分布式白光干涉应变测量方法。

背景技术

以宽谱光为光源、以光纤为传输介质的干涉仪称为白光光纤干涉仪。传统的光纤白光干涉仪一般包括一个传感臂和一个可调节参考臂，沿传感臂和参考臂传输的信号被光电探测器探测。如果传感臂和参考臂的光程差小于光源的相干长度，两路信号发生干涉。白光干涉条纹的特征是有一个主极大值，称为中心条纹，它对应参考光和传感光的光程绝对相等，称为参考光与传感光的光程相匹配。当传感臂光程变化时，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，当传感光的光程在外界待测物理量的影响下发生变化时，只需通过参考臂光程调整即可得到的白光干涉条纹的位置变化，从而获得被测量物理量的绝对变化值。与其他光纤干涉仪相比，光纤白光干涉除了具有高灵敏度、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。

在实际应用中，尤其是在建筑结构的监测中，通常需要对建筑结构进行长距离、多点的准分布式测量，这就要求光纤传感器具有较长的标距。然而，对于传统的光纤白光干涉仪结构，传感光纤的标距受到参考臂中可调距离范围的限制。另外，即使可以得到长距离的可调范围，光信号在长距离的空间光路中的传输损耗也会很大。

为解决上述问题，1995年美国H-P公司Wayne V.Sorin和Douglas M.Baney公开了一种基于光程自相关器的白光干涉传感器的复用方法(美国专利：专利号5557400)，基于Michelson干涉仪结构，利用光信号在Michelson干涉仪固定臂和可变扫描臂之间形成的光程差与光纤传感器的前后两个端面反射光信号光程差之间的匹配实现光程自相关，获得该传感器的白光干涉信号，再利用改变扫描臂与固定臂之间的光程差，与多个首尾相接的串行光纤传感器阵列中的每个传感器逐一匹配，完成光纤传感器的多路复用。该技术在短距离扫描范围的情况下，可以实现长距离的传感测量。

另外，申请人于2007年和2008年公开的低相干绞扭式类Sagnac光纤形变传感装置(中国专利申请号：200710072350.9)和空分复用Mach-Zehnder级联式光纤干涉仪及测量方法(中国专利申请号：200810136824.6)主要用来解决光纤传感器复用阵列布设过程中抗毁坏的问题；申请人于2008年公开的光纤Mach-Zehnder与Michelson干涉仪阵列的组合测量仪(中国专利申请号：200810136819.5)和孪生阵列Michelson光纤白光干涉应变仪(中国专利申请号：200810136820.8)主要用于解决白光光纤干涉仪多路复用中温度对测量的干扰，以及温度和应变同时测量问题；申请人于2008年公开的一种简化式多路复用白光干涉光纤传感解调装置(中国专利申请号：200810136826.5)和基于可调Fabry-Perot谐振腔的分布式光纤白光干涉传感器阵列(中国专利申请号：200810136833.5)，引入环形腔、F-P腔光程自相关器主要用于简化多路复用干涉仪的拓扑结构，构造共光路形式，提高温度稳定性；申请人于2008年公开的一种双基准长度低相干光纤环形网络传感解调装置(中国专利申请号：200810136821.2)4×4光纤耦合器光程自相关器的引入，目的是解决多基准传感器的同时测量问题。

但在上述基于空分复用的干涉仪结构中，无一例外存在二个问题：其一是光源功率衰减大、光源效率低，由光源发生的信号光，仅有较小的一部分达到传感器阵列，并被探测器接收形成干涉信号，以W.V.Sorin公开的光路结构而言，大约只有1/4的光源功率参与了光学自相关过程，其他都被耦合器衰减掉；其二是由于光路拓扑结构的对称特性，光源和探测器在光路拓扑结构中是互易的，理论上至少有与探测器接收到的相同数值的光信号回馈到光源中。虽然使用的光源类型为宽谱光，与激光光源相比，对回馈不十分敏感。但是，过大的信号功率反馈，特别是对于SLD和ASE等自发辐射增益较大的光源，回馈光会引起光源的谐振。轻者，导致光源发生光信号的功率降低；重者，在白光干涉时，较大的干涉信号功率波动，会降低光学自相干峰值的测量精度；极端情况下，会对损害光源，对光源造成无法恢复的损伤。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够简化光学系统光路结构，降低成本，提高稳定性与可靠性的基于共路补偿的多尺度准分布式白光干涉应变测量装置。本发明的目的还在于提供一种共路补偿的多尺度准分布式白光干涉应变测量方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的基于共路补偿的多尺度准分布式白光干涉应变测量装置包括宽谱光源1、四端口光纤环行器2、可调菲索干涉仪3、导入\导出光纤4、光纤传感器阵列5、光电探测器6、带通滤波器7和信号处理单元8；可调菲索干涉仪3由梯度折射率透镜31、可移动扫描反射镜33构成，梯度折射率透镜31与扫描反射镜33之间有可调节距离X；光纤环行器2的四个端口2a、2b、2c和2d按顺时针的顺序，分别与宽谱光源1、可调菲索干涉仪3、导入\导出光纤4和光电探测器6相连；导入\导出光纤4的另一端连接光纤传感器阵列5；光电探测器6的输出端通过带通滤波器7与信号处理单元8相连。

所述的梯度折射率透镜31具有一定的反射率和透射率，且反射率和透射率可以根据需要选择。

被可调菲索干涉仪3调制的信号全部从光纤环行器2的第三端口2c输出，而不能通过第一端口2a返回到光源；被光纤传感器阵列5调制的信号全部从光纤环行器2的第四端口2d输出，而不能通过第二端口2b返回到菲索干涉仪3。

所述的光纤传感器阵列5由若干个光纤传感器S₁-S_N首尾相连串接构成，相邻传感器的连接端处形成部分反射镜R₀-R_N；

所述的光纤传感器S₁-S_N是若干段端面切割良好、具有一定反射率的光纤，且各光纤的长度互不相同，但近似相等。

连接光纤环行器2的第一端口2a、第二端口2b和第三端口2c的所有光纤都是双向共光路传输的，具有全程的共光程匹配特点；光纤环行器的四个端口的光纤长度可以根据需求任意选取；导入\导出光纤4的长度不受限制，可以短至几毫米，也可以长至十几公里甚至更长。

所述的基于共路补偿的多尺度准分布式白光干涉应变测量方法为：宽带光源1发出的光经光纤环行器2进入可调菲索干涉仪3，一部分光被梯度折射率透镜31的上表面反射，经光纤环行器2的第二端口2b和第三端口2c进入导入\导出光纤4；另一部分光透过梯度折射率透镜31被扫描反射镜33反射回梯度折射率透镜31，其中一部分光透过梯度折射率透镜31，经过经光纤环行器2的第二端口2b和第三端口2c进入导入\导出光纤4，另一部分光被梯度折射率透镜31反射后再次到达扫描反射镜33，依次类推，产生一系列具有相同光程差的信号；光程差的大小与可调节距离X有关，通过调节扫描反射镜33的位置来改变；进入传感器阵列5的传感信号和参考信号被传感器阵列5中相邻部分反射镜R_j和R_j+1反射，反射信号经光纤环行器2被光电探测器6探测；由于存在被扫描反射镜33多次反射的参考光，在光电探测器6能接收到频率为ω的一次反射干涉信号对应的倍频干涉信号，通过带通滤波器7的中心频率和带宽，根据需要选择需要的信号。

本发明的的基于共路补偿的多尺度准分布式白光干涉应变测量技术，采用了分频信号提取技术，在扫描测量过程中，信号处理电路部分设置了一个或多个窄带信号滤波器7，可同时获取多组各自独立的探测信号，带通滤波器7的中心频率是可以选择的。

本发明将可调谐菲索干涉仪与双光纤开关构成的多尺度光纤长度选通部分相结合，用于白光干涉扫描测量系统中；采用了四端口光纤环行器来连接低相干光源、菲索干涉仪、扫描干涉测量对象和光电探测器，降低了系统的光功率衰减和损耗，增强了系统的探测能力；构造了完全共光路结构，解除了对于连接干涉扫描系统和被探测对象的光信号导入、导出光纤的长度限制。该技术实现了多尺度准分布完全共光路光程匹配简化了光学系统光路结构，降低了系统的成本，提高了系统的稳定性与可靠性。

本发明的基本原理是基于低相干、宽谱光(白光)的干涉原理和空分复用原理。以图2所示的装置为例，光源1发出的光经光纤环行器2进入菲索干涉仪，一部分光被梯度折射率透镜31的上表面反射，反射光再次通过光纤环行器2和导入\导出光纤4进入光纤传感器阵列5；另一部分光透过梯度折射率透镜31到达扫描反射镜33，被扫描反射镜33反射后返回到梯度折射率透镜31，并且在梯度折射率透镜31的上面分成两束，其中一束光透过梯度折射率透镜31，经过环行器2和导入\导出光纤进入传感器阵列5，另一束光被梯度折射率透镜31反射后再次到达扫描反射镜33，又一次被反射后到达梯度折射率透镜，依次类推。那么被扫描反射镜33反射一次的光与直接被梯度折射率透镜31反射的光之间的光程差为2X，被扫描反射镜33反射一次和反射两次的光之间的光程差也为2X，依次类推，被扫描反射镜33反射k次和反射k+1次的光之间的光程差也为2X。

令直接被梯度折射率透镜31反射的光作为传感光，透过梯度折射率透镜31并被扫描反射镜33反射的光为参考光。以传感器阵列5中的第一个传感器S₁为例，进入传感器阵列5的被扫描法反射镜33反射一次的参考光部分被S₁的近端反射镜R₀反射，传感光部分被S₁的远端反射镜R₁反射。当这两束反射光的光程相等时，两束光会发生干涉，即

X＝nl₁            (1)

其中，l₁为光纤传感器S₁的长度，n为光纤纤芯的折射率。

根据公式(1)，对于不同的传感器长度l，只需要调节扫描反射镜305来改变X，就可以观测到一系列干涉条纹。如果传感器阵列中各个传感器的长度互不相同，那么每个传感器对应唯一的干涉条纹，从而实现对外界环境变化的定位。

当传感器l_j受到应变等外界因素作用发生形变时，调节可变参量X_j，使光程匹配，即：

ΔX_j＝Δnl_j  j＝1，2，3，...          (2)

假设光纤传感器长度由l₁变化到l₁+Δl₁，第二个传感器由l₂变化到l₂+Δl₂，第N个传感器由l_N变化到l_N+Δl_N，通过测量传感器长度的变化量，则可以得到每个传感器所感知的应变

${\mathrm{\ϵ}}_1=\frac{{\mathrm{\Δl}}_1}{l_1},{\mathrm{\ϵ}}_2=\frac{{\mathrm{\Δl}}_2}{l_2},......{\mathrm{\ϵ}}_N=\frac{{\mathrm{\Δl}}_N}{l_N}---\left(3\right)$

与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)使用四端口光纤环行器连接光源、可调谐菲索干涉仪、传感器阵列和光电探测器，如果忽略系统中各元件自身的损耗和连接插入损耗，可以认为光源发出的光全部耦合入菲索干涉仪，经菲索干涉仪调制后的信号全部进入传感器阵列，传感器阵列反射的信号也全部被探测器接收，因此光源的有效利用率得到极大地提高，从而改善了传感系统的复用能力；(2)用同一根光纤完成传感器阵列中传感信号和参考信号的导入和导出，构造了完全共光路结构，解除了对于连接干涉扫描系统和被探测对象的光信号导入、导出光纤的长度限制，实现了多尺度准分布完全共光路光程匹配，减少了光路对系统探测带来的影响；(3)采用了分频信号提取技术，在扫描测量过程中，信号处理电路部分设置了一个或多个窄带信号滤波器，可同时获取多组各自独立的探测信号；(4)简化了光学系统光路结构，降低了系统的成本，提高了系统的稳定性与可靠性。

附图说明

附图是本发明的共路补偿的多尺度准分布式白光干涉应变测量装置的示意图。

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：

基于共路补偿的多尺度准分布式白光干涉应变测量装置包括宽谱光源1、四端口光纤环行器2、可调菲索干涉仪3、导入\导出光纤4、光纤传感器阵列5、光电探测器6、带通滤波器7和信号处理单元8；可调菲索干涉仪3由梯度折射率透镜31、可移动扫描反射镜33和梯度折射率透镜31和扫描反射镜33之间的可调节距离X构成；光纤环行器2的四个端口2a、2b、2c和2d按顺时针的顺序，分别与光源1、可调菲索干涉仪3、导入\导出光纤4和光电探测器6相连；导入\导出光纤4的另一端连接光纤传感器阵列5；光电探测器6的输出端通过带通滤波器7与信号处理单元8相连。

所述光纤传感器阵列5由N个光纤传感器S₁-S_n首尾串接相连，相邻传感接的连接端处形成在线部分反射镜R₀-R_n。反射镜R₀-R_n的反射率很小以避免传感器阵列中传输的信号衰减过快。所述的光纤传感器S₁-S_n是若干段端面切割良好、具有一定反射率的光纤，且各光纤的长度互不相同，但近似相等。

在实际应用中，光源1发出的光经光纤环行器2进入可调菲索干涉仪3，一部分光作为传感信号，被梯度折射率透镜31的上表面反射，经环行器2的端口2b和2c进入导入\导出光纤4；另一部分光作为参考信号，透过梯度折射率透镜31被扫描反射镜33反射回梯度折射率透镜31，其中一部分光透过梯度折射率透镜31，经过经环行器2的端口2b和2c进入导入\导出光纤4，另一部分光被梯度折射率透镜31的上表面反射后再次到达扫描反射镜33，依次类推，产生一系列具有相同光程差的信号。光程差的大小与可调节距离X有关，可以通过调节扫描反射镜33的位置来改变。进入传感器阵列5的传感信号和参考信号被传感器阵列5中相邻部分反射镜R_j和R_j+1反射，反射信号经环行器2被光电探测器6探测。由于存在被扫描反射镜33多次反射的参考光，因此在光电探测器6可能接收到频率为ω的一次反射干涉信号对应的倍频干涉信号。通过设置带通滤波器7的中心频率和带宽，可以根据需要选择需要的信号，通常情况下，带通滤波器7的中心频率设置为ω。

为了讨论方便，以传感器S₁为例，一部分参考光被位于S₁近端的反射镜R₀反射后进入光电探测器6，一部分传感光被位于S₁远端的反射镜R₁反射后也进入光电探测器6。如果到达探测器6的参考光和传感光之间的光程差小于光源1的相干长度，这两路光信号就会发生干涉。相似的，调节扫描反射镜33的位置，使分别被传感器S₂两端的反射镜R1和R2反射的参考光和传感光的光程差小于光源1的相干长度，便会在探测器6得到另一个干涉图样。干涉条纹的中央条纹振幅最大，对应参考光和传感光之间的光程绝对相等。因此，可以在干涉条纹的位置和光纤传感器标距之间建立直接对应关系。如果传感器阵列5中的各个传感器的标距互不相同，那么每个传感对应唯一的干涉图样。

Claims (5)

1.一种共路补偿的多尺度准分布式白光干涉应变测量装置，包括宽谱光源(1)、四端口光纤环行器(2)、可调菲索干涉仪(3)、导入\导出光纤(4)、光纤传感器阵列(5)、光电探测器(6)、带通滤波器(7)和信号处理单元(8)；可调菲索干涉仪(3)由梯度折射率透镜(31)、可移动扫描反射镜(33)构成，梯度折射率透镜(31)与扫描反射镜(33)之间有可调节距离(X)；光纤环行器(2)的四个端口(2a、2b、2c和2d)按顺时针的顺序，分别与宽谱光源(1)、可调菲索干涉仪(3)、导入\导出光纤(4)和光电探测器(6)相连；导入\导出光纤(4)的另一端连接光纤传感器阵列(5)；光电探测器(6)的输出端通过带通滤波器(7)与信号处理单元(8)相连；所述的梯度折射率透镜(31)具有一定的反射率和透射率。

2.根据权利要求1所述的共路补偿的多尺度准分布式白光干涉应变测量装置，其特征是：被可调菲索干涉仪(3)调制的信号全部从光纤环行器(2)的第三端口(2c)输出，而不能通过第一端口(2a)返回到光源；被光纤传感器阵列(5)调制的信号全部从光纤环行器(2)的第四端口(2d)输出，而不能通过第二端口(2b)返回到菲索干涉仪(3)。

3.根据权利要求1或2所述的共路补偿的多尺度准分布式白光干涉应变测量装置，其特征是：所述的光纤传感器阵列(5)由若干个光纤传感器(S₁-S_N)首尾相连串接构成，相邻传感器的连接端处形成部分反射镜(R₀-R_N)。

4.根据权利要求3所述的共路补偿的多尺度准分布式白光干涉应变测量装置，其特征是：所述的光纤传感器(S₁-S_N)是若干段端面切割、具有一定反射率的光纤，且各光纤的长度互不相同。

5.一种共路补偿的多尺度准分布式白光干涉应变测量方法，其特征是：宽带光源(1)发出的光经光纤环行器(2)进入可调菲索干涉仪(3)，一部分光被梯度折射率透镜(31)的上表面反射，经光纤环行器(2)的第二端口(2b)和第三端口(2c)进入导入\导出光纤(4)；另一部分光透过梯度折射率透镜(31)被扫描反射镜(33)反射回梯度折射率透镜(31)，其中一部分光透过梯度折射率透镜(31)，经过经光纤环行器(2)的第二端口(2b)和第三端口(2c)进入导入\导出光纤(4)，另一部分光被梯度折射率透镜(31)反射后再次到达扫描反射镜(33)，产生一系列具有相同光程差的信号；光程差的大小与可调节距离X有关，通过调节扫描反射镜(33)的位置来改变；进入传感器阵列(5)的传感信号和参考信号被传感器阵列(5)中相邻部分反射镜R_j和R_j+1反射，反射信号经光纤环行器(2)被光电探测器(6)探测；由于存在被扫描反射镜(33)多次反射的参考光，在光电探测器(6)能接收到频率为ω的一次反射干涉信号对应的倍频干涉信号，通过带通滤波器(7)的中心频率和带宽，根据需要选择需要的信号。

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