CN102564317A - 一种基于光纤复合干涉的高精度远程绝对位移测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤复合干涉的高精度远程绝对位移测量系统，属于光学测量技术领域。所述系统由宽带光源、光纤隔离器、三个3dB-耦合器、四个自准直镜、两个光纤光栅、四个反射镜、两个探测器、环行器、一维平移台、压电陶瓷、反馈控制电路、信号发生器、信号处理电路、A/D转换卡、计算机和结果输出组成；本发明用一光纤干涉仪感应位移，另一光纤干涉仪解调位移，实现远程测量；用于解调的光纤干涉仪同时工作在低相干干涉和高相干干涉状态，用低相干干涉信号决定位移的幅值，实现绝对测量；用高相干干涉信号测量位移的值，反馈控制抑制环境干扰对解调光纤干涉仪的影响，实现高精度测量。

Description

一种基于光纤复合干涉的高精度远程绝对位移测量系统

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，特别是涉及一种基于光纤复合干涉的高精度远程绝对位移测量系统。

背景技术

现有的与此技术相接近的文献有以下两个：

[1]D.P.Hand，T.A.Carolan，J.S.Barton，and J.D.C.Jones.“Profile measurementof optically rough surfaces by fiber-optic interferometry”，Opt.Lett.，Vol.18，No.16，1993，P.1361-1363.(Optics Letters(光学快报)，第18卷，第16期，P.1361-1363)

文献[1]的技术原理如图1所示。

半导体激光器发出的光经过法拉第隔离器和光纤3dB-耦合器后，到达测量头，测量头是一个菲索干涉仪，一部分光被光纤端面反射作为参考光，另一部分光经过自聚焦透镜聚焦后，投射到被测表面上，由被测表面反射重新回到系统中并与参考光发生干涉，干涉信号由探测器探测，干涉信号的相位决定于被测表面被测点的纵向高度；改变该激光器的驱动电流以改变激光器的发光频率，用四种不同频率的光对同一点进行测量，得到四个干涉信号，由于入射光波频率不同，四个干涉信号的位相就不同，调节驱动电流，使相邻两个干涉信号的相位差π/2，通过以下式子，即可解调出该点的光程差D，即完成单点的测量：

$D=\frac{c}{4\mathrm{\πv}}{\tan }^{-1}\left(\frac{I_4-I_2}{I_1-I_3}\right)$

I_n(n＝1，2，3，4)是第n次干涉信号的强度，c是光速，ν是入射光频率。

步进电机再带动测量头横向扫描被测表面，即完成对被测表面的测量。

[2]Dejiao Lin，Xiangqian Jiang，Fang Xie，Wei Zhang，Lin Zhang and Ian Bennion.“High stability multiplexed fibre interferometer and its application on absolutedisplacement measurement and on-line surface metrology”，Optics Express，Vol.12，Issue 23，2004，P.5729-5734.(Optics Express(光学特快)，2004年，第12卷，第23期，P.5729-5734)

文献[2]的技术原理图如图2所示。

此系统包含两个光路几乎重合的迈克尔逊干涉仪。一个迈克尔逊干涉仪是利用测量臂上的光纤光栅和参考镜作为反射镜构成，用于完成稳定工作；另一个迈克尔逊干涉仪是利用测量镜和参考镜作为反射镜构成，用于完成测量工作。因为两个干涉仪的参考臂共用一个反射镜，两个干涉仪的参考臂光路完全重合，又由于两个干涉仪的测量臂几乎重合，所以，一个干涉仪稳定了，另一个干涉仪也就稳定了。

由半导体激光器发出波长为λ₀的光经过两个3dB-耦合器后被分为两路，一路被光纤光栅反射，另一路被参考反射镜反射。两路反射光经过3dB-耦合器后再次相遇并且发生干涉，干涉信号经过环行器后，被另一个光纤光栅反射，再次经过环行器，然后被探测器探测，此探测器探测到的信号经过伺服电路处理后驱动压电陶瓷管调节光纤干涉仪的参考臂的长度，使稳定干涉仪的两个干涉臂始终处于正交状态(相位差为π/2)，从而实现稳定该干涉仪的目的。

可调谐激光器发出的波长λ_m可变的光经过两个光纤3dB-耦合器后被分为两路，一路经过光纤自准直透镜后再由测量镜反射再次回到干涉仪中，另一路经过光纤自准直透镜后再由参考镜反射再次回到干涉仪中，两路光经过3dB-耦合器后相遇，形成干涉信号，此干涉信号经过环行器及光纤光栅后，被探测器探测，再经过相位分析即测量出测量镜的位移。

上述两个现有技术存在的问题和不足是：

1、只能对本地的位移进行测量，不能进行远程测量。

2、测量量程受入射光波波长λ的限制，测量量程很小，仅为λ/2，不能对跨距大于λ/2的位移进行测量。

3、不能进行绝对测量。

发明内容

本发明将一个光纤干涉仪(传感光纤干涉仪)M1置于被测场感应被测位移，用另一个与传感光纤干涉仪M1串联的光纤干涉仪(解调光纤干涉仪)M2解调位移的值，从而对位移实现远程测量。基于波分复用技术，利用光纤光栅反射满足布拉格条件的波长的光，使解调光纤干涉仪M2同时工作在低相干干涉和高相干干涉状态，利用低相干干涉信号决定位移的幅值，使测量量程不受光波波长限制，并实现绝对测量；利用高相干干涉信号测量位移的值，并利用反馈控制抑制环境干扰对解调光纤干涉仪M2的影响，实现高精度测量。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种基于光纤复合干涉的高精度远程绝对位移测量系统，由宽带光源S1、光纤隔离器I1、三个3dB-耦合器N1、N2和N3、四个自准直镜G3、G4、G7和G8、两个光纤光栅FBG1和FBG2、四个反射镜G1、G2、G5和G6、两个探测器PD1和PD2、环行器H1、一维平移台M、压电陶瓷PZT、反馈控制电路B4、信号发生器B5、信号处理电路B1、A/D转换卡B2、计算机B3和结果输出B6组成；宽带光源S1发出的光经过光纤隔离器I1和3dB-耦合器N1后到达光纤光栅FBG1，满足光纤光栅FBG1的布拉格条件的波长的光被反射回来，其余波长的光透过光纤光栅FBG1到达3dB-耦合器N2后被分成两路，这两路光分别由自准直镜G3和G4准直后，垂直入射到测量镜G1和参考镜G2上，再由测量镜G1和参考镜G2反射回系统并在3dB-耦合器N2会合，此合光透过光纤光栅FBG1、3dB-耦合器N1后，一路合光到达光纤隔离器I1，由于光纤隔离器I1的作用，此合光不会对光源产生影响，另一路合光到达3dB-耦合器N3，然后又被分成两路，这两路合光分别被自准直镜G7和G8准直后分别垂直入射到两个反射镜G5和G6上，再由这两个反射镜G5和G6反射回系统，两路被反射回来的光在3dB-耦合器N3再一次会合，此合光经过环形器H1后，透过光纤光栅FBG2由探测器PD1探测，当两个光纤干涉仪M1和M2的光程差之差小于宽带光源的相干长度时，探测器PD1探测到的是低相干干涉信号，当两个光纤干涉仪M1和M2的光程差之差为零时，探测器PD1探测到的低相干干涉信号取最大值，当被测位移变化时，探测器PD1探测到的信号峰值点的位置将成比例地移动，用探测器PD1探测的信号峰值点的位置的移动量决定被测位移的幅值；由光纤光栅FBG1反射回来的光，一路光到达光纤隔离器I1，由于光纤隔离器I1的作用，此光不会对光源产生影响，另一束光经过3dB-耦合器N3后被分成两路，这两路光分别被自准直镜G7和G8准直后，垂直入射到两面反射镜G5和G6上，再由这两面反射镜G5和G6分别反射回系统，并在3dB-耦合器N3处再次相遇，并发生干涉，此干涉信号经过环形器H1后到达光纤光栅FBG2，并由光纤光栅FBG2反射，再次经过环形器H1后，由PD2探测，探测器PD2探测到的是高相干干涉信号；测量位移时，信号发生器B5产生周期性锯齿波，对位于解调光纤干涉仪M2的一个干涉臂中的一维平移台M加周期性的锯齿波电压，周期性地线性调节解调光纤干涉仪M2的光程差，探测器PD1和PD2分别探测到在一个调节周期内的低相干干涉信号和高相干干涉信号；当位移变化时，探测器PD1探测到的低相干干涉信号峰值点的位置将成比例地移动，利用此峰值点的位置的移动范围决定被测位移的幅值，利用探测器PD2探测到的高相干干涉信号在探测器PD1探测到的低相干干涉信号峰值点的位置的移动范围内的干涉条纹数决定被测位移的值；探测器PD1和PD2探测到的信号同时经过信号处理电路B1、A/D转换卡B2、以及计算机B3中的程序作数据处理后，由结果输出B6输出测量结果；探测器PD2探测到的高相干干涉信号还同时输入反馈控制电路B4，经过反馈控制电路B4处理后，其输出信号加在压电陶瓷PZT上，驱动压电陶瓷PZT调节解调光纤干涉仪M2的光程差，在解调光纤干涉仪M2中的两面反射镜G5和G6以及一维平移台M处于静止状态时，使解调光纤干涉仪M2始终处于正交状态，从而抑制环境干扰对光纤干涉仪的影响。

进一步，作为优选方案，用一个光纤干涉仪(传感光纤干涉仪)M1感应位移，用另一个光纤干涉仪(解调光纤干涉仪)M2解调位移；利用光纤光栅反射FBG2满足布拉格条件的波长的光，使用于解调位移的光纤干涉仪M2同时工作于低相干干涉和高相干干涉状态；用低相干干涉信号决定位移的幅值，高相干干涉信号测量位移的值。

进一步，作为优选方案，利用探测器PD2探测到的高相干干涉信号经过反馈控制电路B4处理后驱动压电陶瓷PZT调节解调光纤干涉仪M2的光程差，从而抑制环境干扰对解调光纤干涉仪M2的影响。

本发明的有益效果主要有三个：

1、本发明利用一个光纤干涉仪(传感光纤干涉仪)置于被测场感应被测位移，用另一个与传感光纤干涉仪串联的光纤干涉仪(解调光纤干涉仪)解调位移的值，从而对位移实现远程测量。

2、本发明利用低相干干涉信号决定位移的幅值，使测量量程不受光波波长的限制，并实现绝对测量；利用高相干干涉信号测量位移的值，实现高精度测量。

3、本发明利用反馈控制抑制环境干扰对解调光纤干涉仪的影响，给高精度测量提供保证。

附图说明

图1是现有技术文献[1]的原理图；

图2是现有技术文献[2]的原理图；

图3是本发明原理图。

具体实施方式

下面结合附图3和具体实施方式对本发明作进一步描述。

如图3所示，一种基于光纤复合干涉的高精度远程绝对位移测量系统，由宽带光源S1、光纤隔离器I1、三个3dB-耦合器N1、N2和N3、四个自准直镜G3、G4、G7和G8、两个光纤光栅FBG1和FBG2、四个反射镜G1、G2、G5和G6、两个探测器PD1和PD2、环行器H1、一维平移台M、压电陶瓷PZT、反馈控制电路B4、信号发生器B5、信号处理电路B1、A/D转换卡B2、计算机B3和结果输出B6组成。本测量系统包含两个光纤干涉仪M1和M2，其中一个光纤干涉仪(传感光纤干涉仪)M1置于被测场感应被测位移，另一个光纤干涉仪(解调光纤干涉仪)M2用于解调位移的值。利用光纤光栅FBG反射满足布拉格条件的波长的光，使解调光纤干涉仪M2同时工作在低相干干涉和高相干干涉状态。系统中的两支光纤光栅FBG1和FBG2的布拉格波长(反射波长)相同。

宽带光源S1发出的光经过光纤隔离器I1和3dB-耦合器N1后到达光纤光栅FBG1，满足FBG1的布拉格条件的波长的光被反射回来，其余波长的光透过光纤光栅FBG1到达3dB-耦合器N2后被分成两路。这两路光分别由自准直镜G3和G4准直后，垂直入射到测量镜G1和参考镜G2上，再由测量镜G1和参考镜G2反射回系统并在3dB-耦合器N2会合。此合光透过光纤光栅FBG1、3dB-耦合器N1后，一路合光到达光纤隔离器I1，由于光纤隔离器I1的作用使这路合光不能到达光源，因此不会对光源产生影响；另一路合光到达3dB-耦合器N3，然后又被分成两路，这两路合光分别被自准直镜G7和G8准直后分别垂直入射到两个反射镜G5和G6上，再由这两个反射镜G5和G6反射回系统。两路被反射回来的光在3dB-耦合器N3再一次会合，此合光经过环形器H1后，透过光纤光栅FBG2由探测器PD1探测。当两个光纤干涉仪M1和M2的光程差之差小于宽带光源的相干长度时，PD1探测到的是低相干干涉信号，此信号可表示为：

$I_1=I_{10}\{1+\frac{1}{2}\exp [-{(2\mathrm{\Δx}/L_c)}^2\left]\cos \left(\mathrm{k\Δx}\right)\right\}---\left(1\right)$

式中，Δx＝x₁-x₂，x₁和x₂分别是传感光纤干涉仪M1和解调光纤干涉仪M2的光程差。从(1)式可知，Δx的变化可同时引起干涉条纹可见度及干涉信号相位变化。当Δx＝x₁-x₂＝0时，I₁将取最大值。当被测位移值变化时，此峰值点的位置将成比例地移动。用探测器PD1探测到的信号峰值点的位置的移动量决定被测位移的幅值。由光纤光栅FBG1反射回来的光，一路光到达光纤隔离器I1，因为光纤隔离器I1的作用不能到达光源，所以不会对光源产生影响；另一束光经过3dB-耦合器N3后被分成两路，这两路光分别被自准直镜G7和G8准直后，垂直入射到两面反射镜G5和G6上，再由这两面反射镜G5和G6分别反射回系统，并在3dB-耦合器N3处再次相遇，并发生干涉。此干涉信号经过环形器后到达光纤光栅FBG2，并由光纤光栅FBG2反射，再次经过环形器H1后，由探测器PD2探测，探测器PD2探测到的是高相干干涉信号，此干涉信号可表示为：

I₂＝I₂₀[1+I₂₀′cos(k₂x₂)]    (2)

式中，I₂₀为直流分量，I′₂₀为干涉条纹的可见度，k₂为光纤光栅1(FBG1)反射回来的光的波数，x₂为解调干涉仪的光程差。

测量位移时，信号发生器产生周期性锯齿波，对位于解调光纤干涉仪M2的一个干涉臂中的一维平移台M加周期性的锯齿波电压，周期性地线性调节解调光纤干涉仪M2的光程差，探测器PD1和PD2分别探测到在一个调节周期内的低相干干涉信号和高相干干涉信号。当位移变化时，探测器PD1探测到的低相干干涉信号峰值点的位置将成比例地移动，利用此峰值点的位置的移动范围决定位移的幅值，利用探测器PD2探测到的高相干干涉信号在探测器PD1探测到的低相干干涉信号峰值点的位置的移动范围内的干涉条纹数决定位移的值。被测位移与探测器PD2的干涉条纹数满足以下关系：

$\mathrm{\Δd}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Bragg}}}{2}n---\left(3\right)$

式中，Δd为测量镜的位移，λ_Bragg为FBG的布拉格波长，n为在低相干干涉信号峰值点的位置的移动范围内高相干干涉信号的干涉条纹数。

探测器PD1和PD2探测到的信号同时经过信号处理电路B1、A/D转换卡B2、以及计算机B3程序作数据处理后，由结果输出B6输出测量结果。

探测器PD2探测到的高相干干涉信号还同时输入反馈控制电路B4，经过反馈控制电路B4处理后，其输出信号加在压电陶瓷PZT上，驱动压电陶瓷PZT调节解调光纤干涉仪M2的光程差，在解调光纤干涉仪M2中的两面反射镜G5和G6以及一维平移台M处于静止状态时，使解调光纤干涉仪M2始终处于正交状态(相位差始终为π/2)，从而抑制环境干扰对解调光纤干涉仪M2的影响。由于反馈控制电路B4的工作频率为0～2Hz，能够抑制频率为0～2Hz的环境干扰。在一维平移台M线性调节解调光纤干涉仪M2的光程差的一个调节周期内，探测器PD1和PD2探测到的低相干干涉信号和高相干干涉信号的周期均远大于2Hz，所以反馈控制电路对于用于测量的高相干干涉信号和低相干干涉信号没有影响。

为了举例说明本发明的实现，描述了上述的具体实例。但本发明的其他变化和修改，对本领域技术人员是显而易见的，在本发明无公开内容的实质和基本原则范围内的任何修改/变化或仿效变换都属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (3)

1.一种基于光纤复合干涉的高精度远程绝对位移测量系统，其特征在于它是由宽带光源(S1)、光纤隔离器(I1)、三个3dB-耦合器(N1，N2，N3)、四个自准直镜(G3，G4，G7，G8)、两个光纤光栅(FBG1，FBG2)、四个反射镜(G1，G2，G5，G6)、两个探测器(PD1，PD2)、环行器(H1)、一维平移台(M)、压电陶瓷(PZT)、反馈控制电路(B4)、信号发生器(B5)、信号处理电路(B1)、A/D转换卡(B2)、计算机(B3)和结果输出(B6)组成；宽带光源(S1)发出的光经过光纤隔离器(I1)和3dB-耦合器(N1)后到达光纤光栅(FBG1)，满足光纤光栅(FBG1)的布拉格条件的波长的光被反射回来，其余波长的光透过光纤光栅(FBG1)到达3dB-耦合器(N2)后被分成两路，这两路光分别由自准直镜(G3，G4)准直后，垂直入射到测量镜(G1)和参考镜(G2)上，再由测量镜(G1)和参考镜(G2)反射回系统并在3dB-耦合器(N2)会合，此合光透过光纤光栅(FBG1)、3dB-耦合器(N1)后，一路合光到达光纤隔离器(I1)，由于光纤隔离器(I1)的作用，这路合光不能到达光源(S1)，因此不会对光源(S1)产生影响，另一路合光到达3dB-耦合器(N3)，然后又被分成两路，这两路合光分别被自准直镜(G7，G8)准直后分别垂直入射到两个反射镜(G5，G6)上，再由这两个反射镜(G5，G6)反射回系统，两路被反射回来的光在3dB-耦合器(N3)再一次会合，此合光经过环形器(H1)后，透过光纤光栅(FBG2)由探测器(PD1)探测，当两个光纤干涉仪(M1，M2)的光程差之差小于宽带光源的相干长度时，探测器(PD1)探测到的是低相干干涉信号，当两个光纤干涉仪(M1，M2)的光程差之差为零时，探测器(PD1)探测到的低相干干涉信号取最大值，当被测位移变化时，探测器(PD1)探测到的信号峰值点的位置将成比例地移动，用探测器(PD1)探测的信号峰值点的位置的移动量决定被测位移的幅值；由光纤光栅(FBG1)反射回来的光，一路光到达光纤隔离器(I1)，由于光纤隔离器(I1)的作用，这路合光不能到达光源(S1)，因此不会对光源(S1)产生影响，另一束光经过3dB-耦合器(N3)后被分成两路，这两路光分别被自准直镜(G7，G8)准直后，垂直入射到两面反射镜(G5，G6)上，再由这两面反射镜(G5，G6)分别反射回系统，并在3dB-耦合器(N3)处再次相遇，并发生干涉，此干涉信号经过环形器H1后到达光纤光栅(FBG2)，并由光纤光栅(FBG2)反射，再次经过环形器(H1)后，由探测器(PD2)探测，探测器(PD2)探测到的是高相干干涉信号；测量位移时，信号发生器(B5)产生周期性锯齿波，对位于解调光纤干涉仪(M2)的一个干涉臂中的一维平移台(M)加周期性的锯齿波电压，周期性地线性调节解调光纤干涉仪(M2)的光程差，探测器(PD1，PD2)分别探测到在一个调节周期内的低相干干涉信号和高相干干涉信号；当位移变化时，探测器(PD1)探测到的低相干干涉信号峰值点的位置将成比例地移动，利用此峰值点的位置的移动范围决定被测位移的幅值，利用探测器(PD2)探测到的高相干干涉信号在探测器(PD1)探测到的低相干干涉信号峰值点的位置的移动范围内的干涉条纹数决定被测位移的值；探测器(PD1，PD2)探测到的信号同时经过信号处理电路(B1)、A/D转换卡(B2)、以及计算机(B3)中的程序作数据处理后，由结果输出(B6)输出测量结果；探测器(PD2)探测到的高相干干涉信号还同时输入反馈控制电路(B4)，经过反馈控制电路(B4)处理后，其输出信号加在压电陶瓷(PZT)上，驱动压电陶瓷(PZT)调节解调光纤干涉仪(M2)的光程差，在解调光纤干涉仪(M2)中的两面反射镜(G5，G6)以及一维平移台(M)处于静止状态时，使解调光纤干涉仪(M2)始终处于正交状态，从而抑制环境干扰对光纤干涉仪的影响。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤复合干涉的高精度远程绝对位移测量系统，其特征在于：用一个光纤干涉仪(M1)感应位移，用另一个光纤干涉仪(M2)解调位移；利用光纤光栅(FBG1)反射满足布拉格条件的波长的光，使用于解调位移的光纤干涉仪(M2)同时工作于低相干干涉和高相干干涉状态；用低相干干涉信号决定位移的幅值，高相干干涉信号测量位移的值。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤复合干涉的高精度远程绝对位移测量系统，其特征在于：利用探测器(PD2)探测到的高相干干涉信号经过反馈控制电路(B4)处理后驱动压电陶瓷(PZT)调节解调光纤干涉仪(M2)的光程差，从而抑制环境干扰对解调干涉仪(M2)的影响。

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