CN103542870B - 交流调制型低相干干涉解调系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流调制型低相干干涉解调系统及其解调方法，包括宽带光源（1）、耦合器（2）、F-P传感器（3）、自聚焦准直透镜（4）、起偏器（5）、交流信号源（6）、可调制双折射光楔（7）、检偏器（8）和线阵CCD（9），当可调制双折射光楔（7）引起的光程差和F-P传感器（3）引起的光程差相匹配时，在线阵CCD（9）的局部区域产生低相干干涉条纹；交流信号源（6）为可调制双折射光楔（7）提供正弦形交变电压，实现其中o光与e光的折射率差的调制，进而改变作为调制结果的低相干干涉条纹在线阵CCD（9）上的位置。与现有技术相比，本发明提高了传感精度；除用于低相干干涉解调，还用于利用曲线极值点进行传感的解调，且该极值点可受调制。

Description

交流调制型低相干干涉解调系统

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，特别是涉及一种基于可调制双折射晶体光楔的低相干干涉解调方法。

背景技术

低相干干涉能够克服激光干涉中存在的相位模糊问题，测量范围不再局限于λ/4，理论上具有不限的测量范围，能够对很多绝对物理量进行高精度、大量程测量，使得低相干干涉技术在光纤传感领域得到了广泛的应用，例如静态物理量(温度、压力、位移和折射率)的测量，物体三维相貌检测和光学相干层析技术等。

定位低相干干涉条纹的包络峰值位置或中心波峰位置是通常采用的获得干涉条纹平移信息的方法，这些方法都是从干涉条纹中直接获取平移信息进行解调。除此之外，相位信息同样可以用于解调，空间频域算法(SFDA)、相移法和双波长算法等都是基于相位提出的解调方法。通常来讲，如果可以精确获得低相干干涉条纹中各极值点位置，便可精确测量待测压力。然而由于低相干干涉条纹中曲线半高宽度较大，极值点附近曲线较平坦，所以仅通过包络法、质心法等方法往往测量精度较低。分析低相干干涉条纹可知，条纹极值点与条纹曲线一阶导数零点一一对应，因而可以通过寻找条纹曲线一阶导数零点的方法来精确确定低相干干涉条纹各极值点位置，最终提高低相干干涉解调精度。

发明内容

为了克服现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于可调制双折射光楔的低相干干涉解调系统，利用具有电光效应的双折射晶体制作光楔，并通过外加交流电场对低相干干涉条纹在线阵CCD上的位置进行调制，计算低相干干涉条纹一阶导数零点的方法，精确获得低相干干涉条纹极值点位置，实现对压力的高精度测量，提高低相干干涉解调方法的精度。

本发明提出了一种交流调制型低相干干涉解调系统，该系统包括宽带光源系统1、耦合器2、F-P传感器3、自聚焦准直透镜4、起偏器5、交流信号源6、可调制双折射光楔7、检偏器8和线阵CCD9，其中：宽带光源1发出的光经过耦合器2导入F-P传感器3，F-P传感器3作为感受外界大气压力的敏感元件将大气压强的变化转换为光程差，F-P腔的两个面构成传感干涉仪，被F-P传感器调制过的光信号从耦合器2的出口导出，并依次透射自聚焦准直透镜4、起偏器5、可调制双折射光楔7和检偏器8，最终到达线阵CCD9；当可调制双折射光楔7引起的光程差和F-P传感器3引起的光程差相匹配时，在线阵CCD9相应的局部区域产生明显的低相干干涉条纹；交流信号源6为可调制双折射光楔7提供正弦形交变电压，实现可调制双折射光楔7中o光与e光的折射率差的调制，进而改变作为调制结果的低相干干涉条纹在线阵CCD9上的位置；

利用交流信号源6外加周期性变化的电场实现可调制双折射光楔7中o光与e光的折射率差的调制，进而改变作为调制结果的低相干干涉条纹在线阵CCD9上的位置；对线阵CCD9上各点，记录线阵CCD9上各点光强随外加交流电信号的变化情况，绘制变化曲线，并对此曲线进行傅立叶变换，求出其中的二倍频分量强度与基频分量强度之比值；绘制“二倍频分量强度与基频分量强度之比值”与“线阵CCD上位置”之间关系的曲线，此曲线上各极大值点与无外加电压时的低相干干涉条纹中各极值点一一对应；通过获得的低相干干涉条纹曲线各极值点位置，重构无外加电压时的低相干干涉条纹，还原F-P传感器的腔长信息，最终实现对外界压力值的测量。

本发明的有益效果及优点在于：

1、相比于普通包络法、质心法等低相干干涉解调方法，本发明利用具有电光特性的双折射晶体制作光楔，通过分析线阵CCD上低相干干涉条纹变化情况，可以进一步提高传感精度。

2、本发明方法的推导以高斯分布的宽带光源为基础，但同样适用于其他分布的宽带光源；

3、本发明除可应用于低相干干涉解调，还可应用于所有利用曲线极值点进行传感，并且该极值点可受调制的系统。

附图说明

图1为交流调制型低相干干涉光纤传感大气压力解调系统示意图；

图1中：1、宽带光源，2、光耦合器，3、F-P传感器，4、自聚焦准直透镜，5、起偏器，6、交流信号源，7、可调制双折射光楔，8、检偏器，9、线阵CCD；

图2为在外加交流电信号作用下，低相干干涉条纹移动情况曲线示意图；

图3为本发明的解调方法处理后的谱线示意图；

即线阵CCD上各点“低相干干涉光强在交流电信号作用下变化中的二倍频分量与基频分量之比”与“线阵CCD上位置”关系谱线；

图4为外加电压信号为零时，线阵CCD上的低相干干涉谱线示意图；

图5为图3在纵坐标[0,1]区间的局部放大图；

图6为图3在某一极值点附近区域放大图；

其中实线为低相干干涉条纹曲线，虚线为线阵CCD上各点低相干干涉光强在交流电信号作用下变化中的二倍频分量与基频分量之比谱线。(a)图为所选极值点附近±0.65mm区域局部放大图；(b)图为所选极值点附近±0.065mm区域的局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，是本发明的利用具有电光特性的双折射晶体进行低相干干涉解调系统图，此处将结合外界大气压力的测量，对本方法进行说明。

宽带光源系统LED)1发出的光经过耦合器2导入F-P传感器3，F-P传感器作为感受外界大气压力的敏感元件将大气压强的变化转换为光程差，F-P腔的两个面构成传感干涉仪，被F-P传感器调制过的光信号从耦合器2的出口导出，并依次透射自聚焦准直透镜4、起偏器5、可调制双折射光楔7和检偏器8，最终到达线阵CCD9，可调制双折射光楔7可以看作为空间分布的F-P传感器构成接收干涉仪，当可调制双折射光楔7引起的光程差和F-P传感器3引起的光程差相匹配时，会在线阵CCD9相应的局部区域产生明显的低相干干涉条纹。

用铌酸锂制作可调制双折射光楔7，并在上下表面镀金属电极，6为交流电源，为可调制双折射光楔7提供正弦形交变电压，利用铌酸锂的电光效应调制其折射率，由于铌酸锂中o光与e光的折射率随外加电压信号响应是不同的，所以外加交流电压信号将改变o光与e光之间的光程差，进而实现对低相干干涉条纹的调制。

以下以具体参数实施说明，铌酸锂的光轴方向与电场方向平行，当光楔厚度为0.5mm，外加交流电压振幅为100V时，由电光系数r₁₃＝10×10^-12m/V，可知此时o光与e光折射率之差改变约为2×10^-6。光楔楔角为2°，FP腔传感器3腔长为长40μm，光源中心频率5×10¹⁴Hz，光源光谱宽度10¹⁴Hz。在V＝sin(2πft)外加交流电压作用下，线阵CCD上的低相干干涉条纹变化如图2，其中横坐标为毫米，纵坐标为光强，可见外加交流电压使得条纹在左右两条虚线之间来回移动，其频率为f。

对线阵CCD上每个点的光强在外加交流电压作用下的变化情况，利用“本发明的理论依据”中所述解调方法，对线阵CCD上每个点做傅立叶展开，求并做出其随CCD上位置变化关系曲线，结果如图3所示。图4是当外加电压为零时的低相干干涉条纹形状，图3和图4中的横坐标均为光楔中的位置，单位均为毫米，图中每个点代表约6.67微米，约等于CCD中每个相素的大小。

通过图3与图4的比较可以看出，在原始低相干干涉条纹中，由于条纹曲线在极值点附近变化较为平缓，故难以精确确定各极值点的具体位置。而在图3中，采用本专利所述方法得到的曲线，各峰半高宽明显降低，因而易于读出各极点位置，进而实现高精度压力传感。通过“本发明的理论依据”中的分析知所以极值点上该数值趋于正无穷，但是限于CCD分辨能力，每个相素代表实际空间中7μm长度，在实际实验中，并不能精确找到极值点，所以只能找到极值点附近某点，约为5-500之间某值。本方法的意义仅在于确定低相干干涉条纹的极值点在线阵CCD的位置，而该点具体数值对压力传感的分析并无影响，图3只截取了全图中纵坐标为0-15的局部范围。

截取图3中纵坐标为0-1的局部范围，如图5所示，可以看出在低相干干涉条纹的线性区域因而本方案具有较高的信噪比，可保证精确确定低相干干涉条纹中各极点位置。

为了进一步展示该方法对传感测量精度的提高效果，将图3与图4置于同一图中，并截取其中某一极值点，如图6所示。其中实线为外加电压为零时的低相干干涉条纹，虚线为本专利所述解调方法获得曲线。可以看出原低相干干涉条纹曲线半高宽为700μm，而利用此专利所述方法所得曲线半高宽小于20μm，因而传感精度提高至少35倍。

本发明的理论依据：

一般常见的宽带光源，其光源光谱都呈高斯分布或类高斯分布，因此低相干干涉的光强可以表示为：

I(x)＝γexp{[-α(x-x₀)]²}cos[β(x-x₀)](1)

其中，α、β、γ是与光路系统有关的常数，x₀是零光程差位置对应在光楔中的坐标。若能精确测量(1)式中各极值点位置，便可拟合出x₀，精确获得FP腔长值，实现对外界压力信号的精确测量。

当外加周期性电压作用于具有电光特性的双折射光楔上时，不同晶向上电光系数之间的差异，将导致光楔中o光与e光折射率之差改变，进而影响低相干干涉条纹在线阵CCD上的位置分布。

若在外加周期性电压的作用下，低相干干涉条纹极值点随时间成如下变化：

x(t)＝x₁+Δx·cos(2πft)(2)

其中x₁为外加交流电信号为零时低相干干涉条纹中某极值点位置。Δx为外加交流电信号作用后，该极值在线阵CCD上的偏移的幅度，f为外加交流电信号作用后，该极值在线阵CCD上的偏移的频率。

针对CCD上某位置，考察该处低相干干涉条纹强度随时间的变化情况。当考察点恰好位于x₁时，当极值点位置x(t)成(2)式变化时，付立叶变换之后基频分量强度正比于一阶导数，而此点为低相干干涉条纹极值点，一阶导数为零，所以在x₁处低相干干涉光强变化以2f频率分量为主，没有频率为f的基频分量。

当考察点位于低相干干涉条纹中两极值点中间的线性变化区域时，此点处低相干干涉光强在外加交流电信号调制下的光强没有二倍频分量。即线性区域只有基频量，没有二倍频分量。

其它各点处的低相干干涉光强随时间变化曲线是基频与二倍频，以及其它高频分量的叠加。

对线阵CCD各点位置低相干干涉光强随时间变化曲线做付立叶展开，一阶项对应基频分量，其强度正比于线阵CCD各点位置低相干干涉光强随时间变化曲线的一阶导数，二阶项对应二倍频分量，其强度正比于该曲线的二阶导数，如(3)式

$\begin{array}{c}E\left(f\right)\∝Y^{\′}\left(t\right)\\ E\left(2f\right)\∝Y^{\′\′}\left(t\right)\end{array}---\left(3\right)$

对于低相干干涉条纹的极值点处E|_极值(f)≈0，而在低相干干涉条纹的线性变化区域E|_线性(2f)≈0，

基于以上分析，可见如果对线阵CCD上每一点处，低相干干涉光强在外加交流电信号调制的变化曲线做付立叶展开，并做出随位置变化的区线，则该曲线上各极大值点，与低相干干涉条纹中各极值点一一对应。

利用以上方法获得的低相干干涉条纹极值点，结合(1)式，便可求得FP腔腔长在待测压力作用下的腔长，进而实现压力参量的精确传感。

Claims (1)

1.一种交流调制型低相干干涉解调系统，其特征在于，该系统包括宽带光源(1)、耦合器(2)、F-P传感器(3)、自聚焦准直透镜(4)、起偏器(5)、交流信号源(6)、可调制双折射光楔(7)、检偏器(8)和线阵CCD(9)，其中：宽带光源(1)发出的光经过耦合器(2)导入F-P传感器(3)，F-P传感器(3)作为感受外界大气压力的敏感元件将大气压强的变化转换为光程差，F-P腔的两个面构成传感干涉仪，被F-P传感器调制过的光信号从耦合器(2)的出口导出，并依次透射自聚焦准直透镜(4)、起偏器(5)、可调制双折射光楔(7)和检偏器(8)，最终到达线阵CCD(9)；当可调制双折射光楔(7)引起的光程差和F-P传感器(3)引起的光程差相匹配时，在线阵CCD(9)相应的局部区域产生明显的低相干干涉条纹；交流信号源(6)为可调制双折射光楔(7)提供正弦形交变电压，实现可调制双折射光楔(7)中o光与e光的折射率差的调制，进而改变作为调制结果的低相干干涉条纹在线阵CCD(9)上的位置；

利用交流信号源(6)外加周期性变化的电场实现可调制双折射光楔(7)中o光与e光的折射率差的调制，进而改变作为调制结果的低相干干涉条纹在线阵CCD(9)上的位置；对线阵CCD(9)上各点，记录线阵CCD(9)上各点光强随外加交流电信号的变化情况，绘制变化曲线，并对此曲线进行傅立叶变换，求出其中的二倍频分量强度与基频分量强度之比值；绘制“二倍频分量强度与基频分量强度之比值”与“线阵CCD上位置”之间关系的曲线，此曲线上各极大值点与无外加电压时的低相干干涉条纹中各极值点一一对应；通过获得的低相干干涉条纹曲线各极值点位置，重构无外加电压时的低相干干涉条纹，还原F-P传感器的腔长信息，最终实现对外界压力值的测量。