CN102132129A - 光纤干涉仪及用于确定光纤干涉仪的光纤线圈内部的物理状态参数的方法 - Google Patents

光纤干涉仪及用于确定光纤干涉仪的光纤线圈内部的物理状态参数的方法 Download PDF

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Abstract

一种包括光纤(14)的光纤干涉仪，其中光纤(14)卷绕以形成光纤线圈(16)并且第一光源(10)的两个分光束能够耦合到所述光纤(14)中，所述光纤干涉仪具有整合到所述光纤线圈(16)中的Bragg结构，所述Bragg结构包括具有周期性变化的折射率的光纤。一种用于确定光纤干涉仪的光纤线圈(16)内部的物理状态参数的方法，其特征在于，基于Bragg结构的反射波长获得关于光纤线圈(16)内部中的物理状态参数的信息，其中所述Bragg结构被整合到所述光纤线圈(16)中并且包括具有周期性变化的折射率的光纤。

Description

光纤干涉仪及用于确定光纤干涉仪的光纤线圈内部的物理状态参数的方法
技术领域
本发明涉及一种包括光纤的光纤干涉仪，所述光纤卷绕以形成光纤线圈并且第一光源的两个分光束(partial light beam)能够耦合到所述光纤中。本发明还涉及用于确定光纤干涉仪的光纤线圈内部的物理状态参数的方法，其中两个分光束耦合到卷绕以形成光纤线圈的光纤中。
背景技术
光纤干涉仪例如用以测量转速。为此目的，光束被分为两个分光束，在任何情况下，各分光束沿圆的相反方向被引导并且经过一圈或者多圈之后再彼此相遇。如果光纤干涉仪绕与光束面(beam plane)垂直的轴线转动，由于两个分光束的光路由此不再具有相同长度，因此，两个叠加的分光束的干涉图案变化。但是，两个叠加的光束所形成的干涉图案不仅是转速的函数，而且会例如依赖于比如温度等外部参数。由于光纤干涉仪现今在世界范围内广泛地应用于各种区域，它们在所要求的条件下必须具有恒定的操作特性，比如例如在-55℃至90℃的温度范围内具有恒定的操作特性。在操作要求的温度范围内被校正的各个传感器才可以实现该特性。在校正过程中，通过充分已知的外部参数检测光纤干涉仪的作为沿相反方向行进的两个光束的相移的函数的输出信号。之后，根据输入参数确定适当的数学模型并将所确定的数学模型存储在光纤干涉仪的信号处理部的存储器中，其中所述输入参数例如是当前主要的环境温度。在光纤干涉仪的操作期间，然后根据所述输入参数评估所测量的数据。
但是，这只能表示一种近似，因为光纤干涉仪的特性不仅依赖于比如温度等单个输入参数，而且还依赖于物理上彼此影响或者相互作用的多个参数(至第一近似)，所述参数比如例如是温度和由温度支配的光纤长度变化所产生的膨胀。光纤干涉仪的特性还依赖于在同一位置处的温度的时间曲线(temporalprofile)、即瞬态温度，或者依赖于不同位置处在同一时刻的不同温度、即温度梯度。以温度为例，能够以简单的方式更为详细地说明这一点：光在光纤的芯部(core)中的传播时间依赖于光纤的长度，其中，随温度的增加，光纤的长度由于材料膨胀而变化。但是，还依赖于光纤内的折射率n。折射率反过来由于光纤的材料特性而直接依赖于温度，并且由于温度变化产生的光纤的长度的变化而间接依赖于温度，其中所述光纤长度的变化伴随有所卷绕的光纤的内部光纤芯部的空间局部分布的机械应力σ的变化并且由此能够使折射率n变化。在作用于光纤的局部机械应力增大的情况下，还会在保偏光纤(polarization-maintaining optical fiber)的快轴和慢轴之间发生交叉耦合(cross-coupling)，这同样会使传播时间产生相当大的变化。
因此，为精确校正光纤干涉仪，期望使用传统的测量方法获得对光纤内部的状态参数的计量。
另外，在传感器操作之前的校正的缺点在于必须预先确定将使用传感器时条件。该校正因此也仅在这些预先确定的条件下有效。
为确定光纤干涉仪的与温度相关的特性，根据现有技术已知以组合的方式同时或者分别使用通常基于半导体的多个温度传感器。这些传感器通常布置在干涉仪或者相位调制器的附近或者直接布置在卷绕以形成光纤线圈的光纤的最顶层。但是，在这样的布置的情况中，不可能直接测量光纤自身内部的瞬时状态。因此，由于光纤干涉仪中使用的材料的不同的热容而引起的从光纤周围向光纤内部的热传递的复杂条件，所测量的温度不一定是光纤内部的温度。环境温度的外部变化仅在一些时间后会影响到光纤内部，其中所述时间在时间和空间上依赖于许多、大部分是未知的参数，因此仅能够近似地确定该时间。一个额外的因素在于相同的温度不一定产生相同的光束传播时间，例如，作为滞后效应的结果，如果在冷却或加热处理之后在相同的温度条件下建立起特定的温度，会在光纤的芯部建立起其它的内部状态。在该情况中，测量的温度相同，并且在两种情况中的补偿程度也相同，尽管实际的光束传播时间不同。
一种能够想象到的消除这些缺点的方法是例如将传统的半导体温度传感器和/或压力传感器与光纤一起卷绕以形成光纤线圈。然而，在本方法中，在卷绕光纤时会出现技术处理上的困难，比如，在线圈中的传感器的位置处会由于鼓起而出现光纤的回弹。线圈内的传感器另外会使在其上方和/或下方卷绕的光纤中的机械应力的局部变化，这反过来由于所述机械应力对于光纤芯材的折射率的影响而会影响到光传播时间的曲线。
发明内容
本发明提供了一种光纤干涉仪，其中能够以简单的方式和使用已知的测量方法获得关于所述干涉仪的光纤线圈内部的物理状态参数的信息。
在根据本发明的光纤干涉仪中，设置有整合到光纤线圈中的Bragg(布拉格)结构，所述Bragg结构包括具有周期性变化的折射率的光纤。Bragg结构的反射波长是所述结构的光栅周期(grating period)的函数，其随温度和光纤的膨胀而变化。在根据本发明的干涉仪的情况中，由于Bragg结构被整合到光纤线圈中，能够通过测量Bragg结构的反射波长直接获得关于光纤线圈内部的物理状态参数的信息。由温度变化和/或机械应力的变化而引起的、沿相反方向行进的两个分光束之间的传播时间的差异能够以该方式精确地补偿。
本发明还提供了一种方法，借助于该方法能够以简单的方式使用已知的测量方法获得光纤干涉仪的光纤线圈的光纤内部的物理状态参数。
在根据本发明的方法中，基于Bragg结构的反射波长获得关于光纤线圈内部的物理状态参数的信息，其中Bragg结构被整合到光纤线圈中并且包括具有周期性变化的折射率的光纤。通过将Bragg结构整合在光纤干涉仪的光纤线圈中，并且布置在沿相反方向行进的两个分光束的传播时间由于光纤的温度和/或机械应力的变化而会发生相对偏移的位置处，能够确定光纤的温度和/或机械应力的可能的变化。
附图说明
根据下面参考附图对于本发明的两个优选的示例性实施方式的说明，本发明的其它细节、特性和优点将变得清楚，在附图中：
图1示意性地示出了根据第一优选实施方式的根据本发明的光纤干涉仪，其包括用于确定光纤线圈内部的物理状态参数的配置，
图2示意性地示出了根据第二优选实施方式的根据本发明的光纤干涉仪，和
图3示意性地示出了包括具有周期性变化的折射率的光纤的Bragg结构。
具体实施方式
图1中所示的光纤干涉仪是所谓的Sagnac干涉仪，通过该干涉仪能够确定作用于装置的转速。该光纤干涉仪具有第一光源10，第一光源10的光束指向耦合器12，耦合器12根据光束通过它的方向能够用作分束器和用作耦合器。在耦合器12中，来自第一光源10的光束被分为两个分光束，在所有情况下，各分光束都沿相反方向照射到光纤干涉仪的光纤14中。光纤干涉仪的光纤14卷绕在承载体(carrier)(这里未示出)上，以形成光纤线圈16。在通过光纤14后，沿相反方向行进的两个分光束在耦合器12中被组合以再次形成光束。两个分光束叠加而形成的光束指向第一光检测器18，光检测器18的输出信号是对撞击到光检测器18上的光束的光强的测量(measure)。光检测器18的输出信号被传送到光纤干涉仪的信号处理装置20、22。信号处理装置20、22具有模拟单元20和数字单元22。
利用所述的构造，能够以已知的方式确定转速。光纤线圈16绕与光束面垂直的轴线的转动使沿相反方向通过光纤14的两个分光束的传播时间不同。所述不同的传播时间使两个分光束在光纤线圈16的输出端彼此之间产生相移，所述相移的大小是转速的函数。改变相移使在耦合器12中叠加的两个分光束的干涉图案改变，这在光检测器18处反应为不同的光强。
根据本发明，设置了整合在光纤线圈中的Bragg结构，其包括具有周期性变化的折射率的光纤。图3示意性地示出了这种Bragg结构50。Bragg结构50包括光纤52，光纤52的芯部54由具有周期性地调制的折射率n2、n3的材料形成。
在图1示出的示例性实施方式中，另一光纤30以与光纤干涉仪的光纤14平行的方式卷绕在承载体上并形成光纤线圈16的一部分。Bragg结构50的光纤52形成所述另一光纤30的一部分，也就是说，光纤30的一部分具有折射率周期性地变化的芯材。光纤30以如下方式联接到第二光源32：使来自第二光源32的光进入光纤30并沿两个方向中一个方向通过光纤30。已经通过光纤30的光被施加到第二光检测器34。第二光检测器34的输出信号类似地被输送到光纤干涉仪的信号处理装置20、22。
光纤30的至少一部分中的芯材的被周期性地调制的折射率使得在窄的波长范围内反射已经通过光纤30的光的一部分。作为Bragg结构50的光纤Bragg光栅的具有反射效应(reflectiveeffect)的反射波长λB由如下关系式给出λB＝2neffΛ，其中，neff是光纤芯部的平均折射率，Λ是调制结构的周期。光栅周期Λ是光纤在光纤Bragg光栅的位置处的温度和膨胀的函数。由于反射波长λB的变化的结果，由此可以推导出光纤Bragg光栅的位置处的温度和/或应力的变化。为此，对从包含光纤Bragg光栅的光纤射出的光进行高解析度的光谱分析。
在图1所示的配置的情况下，在第二光检测器34中对从光纤30射出的光进行光谱分析。在该情况中，可以检查光纤Bragg光栅的透过(transmitted)的部分，也就是说包含第二光源发出的光的除光纤Bragg光栅的反射波长λB之外的波长范围的光，或者检查光纤Bragg光栅的反射的部分，其包括反射波长λB的波长范围。由于所述两个部分传播通过光纤30的传播时间不同，因此从光纤30射出时存在时间延迟，所述两个信号能够彼此单独地进行光谱分析。以此，可以确定由于光纤Bragg光栅的位置处的温度变化和/或机械应力变化所引起的反射波长λB的变化。光检测器34中获得的信息被输送到信号处理装置20、22并且在该信号处理装置中被处理。
可以将关于光纤线圈16内部的比如温度和机械应力等物理状态参数的信息用于使光纤干涉仪的测量数据适于所确定的状态参数，从而考虑由于光纤线圈内部的温度和/或机械应力的变化所引起的测量信号的可能的讹误(corruption)。由于分光束相对于彼此的相对传播时间不仅是转速的函数，而且温度变化、机械应力的变化和/或折射率的变化也会导致两个分光束的传播时间彼此不同，在评估测量信号时必须考虑由所述参数的变化引起的相移。例如，这可以借助于对光纤14的输出端处的沿相反方向行进的分光束中的一个分光束进行相应的相位调制来完成，这补偿了由温度变化和/或机械应力变化所引起的传播时间的变化。为此，耦合器12优选地是一体的光学组件36的一部分，其中光学组件36包括与耦合器12并置(alongside)的相位调制器38。
在图2中，与图1中的技术特征对应的技术特征标注为相同的附图标记，各附图标记增加100。图2示出的示例性实施方式与图1示出的示例性实施方式的不同之处在于Bragg结构50的光纤52并不形成与光纤14分开地卷绕到承载体的光纤30的部分，而是形成光纤114本身的多个部分。因此，在本示例性实施方式中，第一光源110发出的光和第二光源132发出的光通过共用的光纤114，所述共用的光纤114在多个部分设置有至少一个光纤Bragg光栅。第二光源132发出的光的波长范围不与第一光源110发出的光的波长范围重叠，以使能够在第一光检测器118和第二光检测器134的上游对从光纤线圈116返回的光进行光谱选择，并将选择的光分配到相应的检测器118和134。为此，设置比如光纤滤波器(fiber optic filter)等波长选择组件140，在所述波长选择组件140中，来自耦合器112的光束根据波长范围被分开。如第一示例性实施方式中那样，第二光检测器134的输出信号和第一光检测器118的输出信号都被输送到光纤干涉仪的信号处理装置120、122，其中，第二光检测器134的输出信号用于评估沿相反方向环行的分光束，而用于确定转速；而第一光检测器118的输出信号用于确定光纤114内部的物理状态参数。
由于光纤干涉仪的光纤14、30的分开的构造和Bragg结构，如图1所示的根据第一优选示例性实施方式的光纤干涉仪的优点在于，用于确定光纤线圈内部的物理状态参数的处理的实施独立于光纤干涉仪的操作，并且由此独立于实际测量装置。但是，在图1示出的实施方式的情况下，与图2示出的实施方式相比，需要另外和干涉仪光纤14一起卷绕第二光纤30以形成光纤线圈16，这会导致生产成本增加、要求额外的空间并产生额外的重量。
由于在光纤Bragg光栅处仅反射一小部分光，还可以在光纤30和/或光纤114的不同位置处引入多个光纤Bragg光栅，而不影响到光损。为检测由于光纤内的折射率变化和/或机械应力的变化而产生的分光束中的一个分光束相对于沿相反方向行进的另一个分光束的传播时间的延迟，在光纤中不存在用于光纤Bragg光栅的优选位置，这是因为原理上会在光纤的任意位置处出现这样的非重复的(non-reciprocal)传播时间变化。为检测由于交叉耦合引起的传播时间变化，光纤Bragg光栅优选地设置于线圈端部，次选地设置在线圈中央部，这是因为由于光束的短的相干长度，仅这些在光路中的非常特定的位置处已经交叉耦合的交叉耦合的光对光束的干涉信号有影响。借助于光从这些空间上处于远处的Bragg结构到光学读出单元34或134的所形成的传播时间差，明确地将反射的或者透过的光分配到光纤Bragg光栅的位置。
由此，根据本发明的光纤干涉仪和根据本发明的方法可以确定在光纤干涉仪的操作期间作用于光纤干涉仪的物理状态参数。由此，不仅可以使光纤干涉仪在预先确定的状态下操作，而且可以使光纤干涉仪对未事先特别地确定的外部影响作出反应。根据本发明的光纤干涉仪和根据本发明的方法还可以使用已知的测量方法直接确定光纤线圈的内部的物理状态参数及这些参数的时间和空间变化，这些物理状态参数比如是温度和机械应力等，其结果是，能够非常精确地确定测量信号的讹误(corrupt)程度。

Claims (16)

1.一种光纤干涉仪，其包括光纤(14、114)，所述光纤(14、114)卷绕以形成光纤线圈(16、116)并且第一光源(10、110)的两个分光束能够耦合到所述光纤(14、114)中，所述光纤干涉仪的特征在于，设置有整合在所述光纤线圈(16、116)内的Bragg结构，所述Bragg结构包括具有周期性变化的折射率的光纤(52)。
2.根据权利要求1所述的光纤干涉仪，其特征在于，所述光纤干涉仪具有以如下方式配置的第二光源(32)：所述第二光源(32)发出的光束能够耦合到所述Bragg结构(50)的具有周期性变化的折射率的光纤(52)中。
3.根据权利要求1或2所述的光纤干涉仪，其特征在于，所述光纤干涉仪具有分束器(12、112)，耦合到所述分束器中的光束借助于所述分束器能够被分为两个分光束，并且所述分束器(12、112)被配置成使得所述两个分光束能够分别被耦合到所述光纤(14、114)的端部中。
4.根据前述权利要求中任一项所述的光纤干涉仪，其特征在于，所述光纤干涉仪具有耦合器(12、112)，从所述光纤(14、114)射出的两个分光束借助于所述耦合器而能够叠加以形成一光束。
5.根据前述权利要求中任一项所述的光纤干涉仪，其特征在于，具有周期性变化的折射率的光纤(52)形成另一光纤(30)的一部分，所述另一光纤(30)以相对于所述第一光源(10)的两个分光束能够耦合到的所述光纤(14)平行的方式卷绕，以形成光纤线圈(16)。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的光纤干涉仪，其特征在于，具有周期性变化的折射率的光纤(52)形成所述第一光源(110)的两个分光束能够耦合到的所述光纤(114)的一部分。
7.根据权利要求6的任一项所述的光纤干涉仪，其特征在于，所述第二光源(132)发出的光的波长范围不与所述第一光源(110)发出的光的波长范围重叠。
8.根据权利要求6或7所述的光纤干涉仪，其特征在于，设置波长选择装置(140)，其以如下方式联接到所述光纤(114)：使从所述光纤(114)射出的光能够被分解为各个波长范围。
9.根据前述权利要求中任一项所述的光纤干涉仪，其特征在于，所述光纤干涉仪包括光检测器(34、134)，所述光检测器被配置成使得能够由所述光检测器检测已经通过具有周期性变化的折射率的所述光纤(30、114)的光束。
10.根据权利要求9所述的光纤干涉仪，其特征在于，所述光检测器(34、134)被联接到评估单元(20、22、120、122)，借助于所述评估单元(20、22、120、122)，能够基于所述Bragg结构的反射波长确定所述光纤线圈(16、116)内部的物理状态参数。
11.一种用于确定光纤干涉仪的光纤线圈(16、116)内部的物理状态参数的方法，其中两个分光束被耦合到卷绕以形成光纤线圈(16、116)的光纤(14、114)中，所述方法的特征在于，基于Bragg结构(50)的反射波长获得关于所述光纤线圈(16、116)内部的物理状态参数的信息，其中所述Bragg结构(50)被整合到所述光纤线圈(16、116)中并且包括具有周期性变化的折射率的光纤(52)。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，第一光源(110)发出的光和第二光源(132)发出的光都被耦合到卷绕以形成所述光纤线圈(116)的所述光纤(114)中，其中该光纤(114)的至少一部分形成具有周期性变化的折射率的Bragg结构(50)。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第二光源(132)发出的光的波长范围不与所述第一光源(110)发出的光的波长范围重叠。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，第一光源(10)发出的光耦合到第一光纤(14)中，并且第二光源(32)发出的光耦合到第二光纤(30)中，其中，所述第二光纤(30)以相对于所述第一光纤(14)平行的方式卷绕以形成所述光纤线圈(16)，并且具有周期性变化的折射率的光纤(52)形成所述第二光纤(30)的一部分。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其特征在于，根据所获得的关于所述光纤线圈(16、116)内部的物理状态参数的信息来驱动相位调制器(38、138)，所述相位调制器(38、138)能够调制已经通过卷绕以形成所述光纤线圈(16、116)的光纤(14、114)的光束的相位。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的方法，其特征在于，关于所述光纤线圈(16、116)内部的物理状态参数的信息包括：具有周期性变化的折射率的光纤(52)的区域中的温度和应力，及所述温度和应力的与时间相关的变化和与位置相关的变化。
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