CN103033202A - 一种相移式高速低相干干涉解调装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种相移式高速低相干干涉解调装置及方法，该装置包括宽带光源、耦合器、准直透镜和解调光路，宽带光源发出的光，经过耦合器入射到光纤法珀传感器，被光纤法珀传感器调制的光信号再通过耦合器，并经准直透镜入射到解调光路，其中：光信号在解调光路中依次通过起偏器、四台阶双折射移相器、检偏器和探测器；所述四台阶双折射移相器和四个相应的探测器对干涉信号以1/4波长为步长进行等间隔四点采样，将得到的四个光强利用四步相移公式计算出干涉信号的相对相位，并进行值域扩展，利用扩展后的相对相位实现解调。与现有技术相比，本发明具有很好的稳定性和可靠性，能够高速地实现低相干干涉的解调。

Description

一种相移式高速低相干干涉解调装置及方法
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，特别涉及了基于低相干技术和相移技术的一种相移式高速低相干干涉解调装置及方法。 
背景技术
低相干干涉解调装置一般由串行连接的两个干涉仪组成，其中能够感受外界被测物理量变化的为传感干涉仪，能够对传感器引入的光程差进行扫描解调的为扫描干涉仪或解调干涉仪。根据其中光程差扫描方法，可以将干涉仪分为两类：基于干涉臂扫描法的Michelson干涉仪（又称时间扫描型）和基于相关法的Fizeau干涉仪（又称空间扫描型）。相对于时间扫描型干涉仪，空间扫描型干涉仪由于没有机械运动部件，具有很好的长期可靠性和稳定性，成为低相干干涉技术发展的重要发展方向之一。 
针对低相干干涉技术的解调，人们提出了很多解调算法：可以利用干涉条纹的质心或对比度来直接估测零光程位置，也可以利用干涉条纹的包络峰值位置来估测零光程差位置，通过定位零光程差位置的变化提取干涉条纹的平移信息来实现解调。其中，质心或对比度法比较简单，但很难实现高精度解调，而包络法由于涉及到Fourier、Hilbert或Wavelet等数字变换技术来提取干涉包络，会引入很大的计算量，限制了其解调速度；也有人利用频域的相位实现解调，例如空间频域算法（SFDA）、增强型相位解调算法等都是基于频域提出的解调算法，类似于包络法，这类方法也需要Fourier变化获得频域的相位信息，同样不能适用于高速解调场合。 
发明内容
基于上述现有技术中存在的技术问题，本发明基于空间扫描型干涉技术和相移技术，提出了一种相移式高速低相干干涉解调装置及方法，为低相干干涉解调装置设计了一种新型的四台阶双折射相移器来精确地实现1/4波长的等间隔四点采样，利用四个探测器分别接收采样干涉光强并利用相移算法快速获得干涉条纹的相对相位，实现低相干 干涉的高速解调。 
本发明提出的一种相移式高速低相干干涉解调装置，该装置包括宽带光源、耦合器、准直透镜和解调光路，宽带光源发出的光，经过耦合器入射到光纤法珀传感器，被光纤法珀传感器调制的光信号再通过耦合器，并经准直透镜入射到解调光路，在解调光路中依次通过起偏器、四台阶双折射移相器、检偏器和探测器；利用四个探测器分别接收来自四台阶双折射移相器的四个台阶的投射光强，以实现对干涉信号以1/4波长为步长进行等间隔的四点采样。 
所述四台阶双折射移相器的四个台阶高度从高到低依次为d1、d2、d3和d4，高度满足表达式 
Figure BDA00001658541300021
其中n0和ne分别是双折射晶体寻常光（o光）折射率和非常光（e光）折射率，λ为干涉信号的波长，以使得四台阶双折射移相器的四个台阶分别能产生Δ、Δ+λ/4、Δ+λ/2和Δ+3λ/4的光程差。 
光纤法珀传感器腔长引入的光程差2h，h为法珀传感器的腔长，和四台阶双折射移相器引入的光程差Δ相匹配，使得探测器接收的干涉光强取自零光程差附近。 
本发明还提出了一种相移式高速低相干干涉解调方法，解调过程是：宽带光源发出的光通过耦合器到达待测光纤法珀传感器，被法珀传感器调制过的光再经过四台阶双折射移相器和四个相应的探测器进行空间1/4波长等间隔采样，得到的干涉光强I1、I2、I3和I4，由反正切计算式 得到干涉条纹的相对相位，并结合对比度进行相位的值域扩展，使扩展后的相位 
Figure BDA00001658541300023
进而利用扩展后的相对相位 
Figure BDA00001658541300024
进行解调。 
所述值域扩展的具体方法，包括以下步骤：首先通过计算式K=I1-I3得到对比度K，如果K>0，那么 
Figure BDA00001658541300025
如果K<0且φ>0，那么 
Figure BDA00001658541300026
如果K<0且φ<0，那么 通过上面的反正切计算和值域展开便获得了干涉条纹的实际相对相位。 
光纤法珀传感器腔长引入的光程差2h，h为法珀传感器的腔长，和四台阶双折射移相器引入的光程差Δ相匹配，使得探测器接收的干涉光强取自零光程差附近。 
与现有技术相比，本发明能够精确地实现1/4波长等间隔采样，其采样控制精度只取决于台阶的加工精度，由于双折射材料的光学杠杆作用，可以进一步降低其加工精度要求；能够在空间实现静态的相移；由于没有运动部件，具有很好的稳定性和可靠性，能够高速地实现低相干干涉的解调。 
附图说明
图1为本发明的相移式高速低相干干涉解调装置结构示意图； 
图2为本发明的相移式高速低相干干涉解调装置中四台阶双折射移相器结构示意图； 
图3为值域展开示意图，其中曲线分别为直接利用四步相移公式得到的相对相位、对比度曲线； 
图4为获得的压强-相对相位曲线。 
具体实施方式
以下结合附图及实施例详细描述本发明的技术方案。 
如图1所示，为本发明涉及的一种相移式高速低相干干涉解调装置，包括：宽带光源1发出的光，经过耦合器2入射到光纤法珀传感器3，被光纤法珀传感器3调制的光信号再通过耦合器2，并经准直透镜4入射到解调光路部分，在解调光路中依次通过起偏器5、四台阶双折射移相器6、检偏器7和探测器8、9、10、11。 
如图2所示，四台阶双折射移相器的四个台阶高度从高到低依次为d1、d2、d3和d4，他们的高度之间满足表达式 
Figure BDA00001658541300031
其中n0和ne分别是双折射晶体寻常光（o光）折射率和非常光（e光）折射率，λ为干涉信号的波长。 
结合具体实施方式详细说明本发明的相移式高速低相干干涉解调装置的解调方法，包括以下步骤： 
该实施例结合外界大气压力的实际测量进行说明，实验中需要的大气压强通过高精度、高稳定压力源产生，该压力源可以达到0.01kPa的控制精度，实验中控制压强以 0.2kPa为间隔从115.2kPa单调递增到119.6kPa，压强改变时间间隔为5分钟,具体解调方法包括以下步骤： 
宽带光源1发出的光通过耦合器2到达待测光纤法珀传感器3，被3调制过的光再经过四台阶双折射移相器6进行空间1/4光波长等间隔采样，I1、I2、I3和I4分别为通过探测器接收到的1/4光波长等间隔采样的干涉光强，由反正切计算公式 
Figure DEST_PATH_GDA00002816521100041
得到干涉条纹的相对相位，图3中的一曲线为直接利用上面的反正切表达式计算得到的相对相位然后结合对比度K进行相位的值域扩展，图3中的另一曲线为对比度曲线K=I1-I3，具体扩展方法如下：如果K>0，那么
Figure DEST_PATH_GDA00002816521100043
如果K<0且φ>0，那么
Figure DEST_PATH_GDA00002816521100044
如果K<0且φ<0，那么
Figure DEST_PATH_GDA00002816521100045
通过上面的反正切计算和值域展开便获得了干涉条纹的实际相对相位，图4中即为值域展开后的相对相位
Figure DEST_PATH_GDA00002816521100046
相对相位与外界被测压强呈线性关系。 
本发明所提出的四台阶双折射移相器，具备以下有益效果： 
1、能够精确地实现1/4波长等间隔采样，其采样控制精度只取决于台阶的加工精度，而由于双折射材料的光学杠杆作用，可以进一步降低其加工精度要求； 
2、能够在空间实现静态的相移，相对于干涉臂扫描法，由于没有运动部件，具有很好的稳定性和可靠性； 
3、结合本发明提出的低相干干涉解调装置，采样四步相移解调方法，能够高速地实现低相干干涉的解调。 

Claims (6)

1.一种相移式高速低相干干涉解调装置，该装置包括宽带光源、耦合器、准直透镜和解调光路，其特征在于，宽带光源发出的光，经过耦合器入射到光纤法珀传感器，被光纤法珀传感器调制的光信号再通过耦合器，并经准直透镜入射到解调光路，其中：
光信号在解调光路中依次通过起偏器、四台阶双折射移相器、检偏器和探测器；四台阶双折射移相器的四个台阶分别能产生Δ、Δ+λ/4、Δ+λ/2和Δ+3λ/4的光程差，λ为干涉信号的中心波长，然后利用四个对应的探测器分别接收四个台阶的投射光强，并将光强信号转化为电信号送入信号处理系统进行信号的处理，得到解调结果。
2.如权利要求1所述的相移式高速低相干干涉解调装置，其特征在于，所述四台阶双折射移相器的四个台阶高度从高到低依次为d1、d2、d3和d4，高度满足表达式
Figure FDA00001658541200011
其中n0和ne分别是双折射晶体寻常光（o光）折射率和非常光（e光）折射率。
3.如权利要求3所述的相移式高速低相干干涉解调装置，其特征在于，光纤法珀传感器腔长引入的光程差2h，h为法珀传感器的腔长，和四台阶双折射移相器引入的光程差Δ相匹配，使得探测器接收的干涉光强取自零光程差附近。
4.一种相移式高速低相干干涉解调方法，该方法包括以下步骤：
宽带光源发出的光通过耦合器到达待测光纤法珀传感器，被法珀传感器调制过的光再经过四台阶双折射移相器和相应个四个探测器，对干涉信号在空间进行λ/4等间隔采样得到干涉光强I1、I2、I3和I4，由反正切计算式
Figure FDA00001658541200012
得到干涉条纹的相对相位，并结合对比度进行相位的值域扩展，使扩展后的相位
Figure FDA00001658541200013
进而利用扩展后的相对相位
Figure FDA00001658541200014
进行解调。
5.如权利要求4所述的相移式高速低相干干涉解调方法，其特征在于，所述值域扩展具体包括以下步骤：首先通过计算式K=I1-I3得到对比度K，如果K>0，那么
Figure FDA00001658541200021
如果K<0且φ>0，那么
Figure FDA00001658541200022
如果K<0且φ<0，那么通过上面的反正切计算和值域展开便获得了干涉条纹的实际相对相位。
6.如权利要求4所述的相移式高速低相干干涉解调方法，其特征在于，光纤法珀传感器腔长引入的光程差2h，h为法珀传感器的腔长，和四台阶双折射移
相器引入的光程差Δ相匹配，使得探测器接收的干涉光强取自零光程差附近。
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