CN103759924A - 光纤干涉仪多参数的综合测量系统 - Google Patents

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Abstract

一种光纤干涉仪多参数的综合测量系统，包括：一窄线宽可调谐半导体激光器，其用于提供传输用的信号光；一光隔离器，其输入端与窄线宽可调谐半导体激光器的输出端连接；一干涉仪，其端口1与光隔离器的输出端连接，用于减小瑞利散射光对激光器的影响，以保护激光器长时间稳定的工作；一载波电路，其输出端与干涉仪的端口3连接，用于提供干涉仪中PZT调制信号；一光电探测器，其输入端与干涉仪的端口2连接；一数据采集卡，其输入端与光电探测器的输出端连接，用于将接收到的光信号转换为电信号；一数据处理机，其输入端与数据采集卡的输出端连接，用于将数据采集卡采集到的数字信号进行处理，以可见度、调制幅度和初始相位差作为待定参数，采用非线性最小平方和拟合给出上述参数值。

Description

光纤干涉仪多参数的综合测量系统
技术领域
本发明属于光纤传感领域，特别涉及一种光纤干涉仪多参数的综合测量系统，该系统采用最小平方和法通过多参数拟合来直接获取光纤干涉仪的可见度、调制幅度和初始相位差等基本参数，从而实现对光纤干涉仪多参数的综合测量。
背景技术
光纤传感目前已广泛使用在大型结构安全监测、井下安全监测、海洋油气探测、地震检波等领域。光纤传感根据光学测量的不同，分为强度型、相位型、偏振型、波长型等，其中光纤的相位测量具有灵敏度度高，动态方位大等优点，可用于微弱信号的测量。
光纤相位测量离不开光纤干涉仪，常用的两种结构包括马赫-曾德干涉仪和干涉仪。光纤干涉仪输出的信号可表示为I(t)＝I0[1+κcosφ(t)]，对于不同相位初始位置，比如π/2的奇数倍或者偶数倍位置，光干涉信号随相位差的变化敏感程度不同，为了消除这种影响，人们提出了很多中方法，其中相位生成载波法(PGC)就是其中一种。
PGC法需要在干涉仪上引入高频相位调制，这时干涉仪输出信号的表达式为
Figure BDA0000460792370000011
其中κ为干涉仪的可见度，C为调制幅度，
Figure BDA0000460792370000012
为干涉仪的初始相位差。上述参数的精确测量对解调干涉相位信号φ(t)。对于C值的测量，因此早期人们直接采用人眼观察的方法，因为不同C值对应不同的干涉条纹，但误差较大，并且随着初始相位的漂移，干涉条纹是不稳定的。虽然已经提出在解调算法中通过一定的方法实现消除C值对解调结果的影响，但之前提出的方法中由于在计算过程中引入了大量的除法运算，并且在这些运算过程中被除数会周期性的出现零点，进而导致运算中会出现跳变并产生很大的计算误差。关于κ值的测量，需要引入大的相位调制幅度，即C值大于2π时，才能通过表达式κ＝(Imax-Imin)/(Imax+Imin)计算得出。而关于初始相位
Figure BDA0000460792370000021
的测量，目前尚未见到关于初始相位
Figure BDA0000460792370000022
测量的相关报道。
综上所述，为了解决上述光纤干涉仪的可见度、调制幅度和初始相位差等参数测量所面临的问题，目前需要一种光纤干涉仪多参数的综合测量系统。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种光纤干涉仪多参数的综合测量系统，通过采用最小平方和法进行多参数拟合直接获得光纤干涉仪可见度、调制幅度和初始相位差的测量。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种光纤干涉仪多参数的综合测量系统，包括：
一窄线宽可调谐半导体激光器，其用于提供传输用的信号光；
一光隔离器，其输入端与窄线宽可调谐半导体激光器的输出端连接；
一干涉仪，其端口1与光隔离器的输出端连接，用于减小瑞利散射光对激光器的影响，以保护激光器长时间稳定的工作；
一载波电路，其输出端与干涉仪的端口3连接，用于提供干涉仪中PZT调制信号；
一光电探测器，其输入端与干涉仪的端口2连接；
一数据采集卡，其输入端与光电探测器的输出端连接，用于将接收到的光信号转换为电信号；
一数据处理机，其输入端与数据采集卡的输出端连接，用于将数据采集卡采集到的数字信号进行处理，以可见度、调制幅度和初始相位差作为待定参数，采用非线性最小平方和拟合给出上述参数值。
本发明具有以下有益效果：
该系统对光纤干涉仪可见度、调制幅度和初始相位差等参数的测量过程简单，可以通过单次计算获得上述所有参数，无需对上述参数逐一测量；消除了对测量可见度对调制幅度大于2π的前提要求，消除了测量相位调制幅度可能因除法引起的跳变及误差，并且可以实时测量干涉仪初始相位的变化情况。
附图说明
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实例和附图对本发明作一详细的描述，其中：
图1是本发明提供的光纤干涉仪多参数的综合测量系统的连接图；
图2是本发明提供的光纤干涉仪多参数的综合测量系统测得的干涉仪可见度。
图3是本发明提供的光纤干涉仪多参数的综合测量系统测得的干涉仪C值。
图4是本发明提供的光纤干涉仪多参数的综合测量系统测得的干涉仪初始相位。
具体实施方式
请参照附图1，本发明提供一种光纤干涉仪多参数的综合测量系统，包括：
窄线宽可调谐半导体激光器a，其用于提供传输用的信号光。
光隔离器b，其输入端与窄线宽可调谐半导体激光器a的输出端连接，其输出端口与光纤干涉仪端口1连接，用于减小瑞利散射光等散射光对激光器的影响，以保护激光器长时间稳定的工作；
干涉仪c，其端口1与光隔离器b的输出端连接，其端口2与光电探测器d的输入端口连接，其端口3与载波电路d连接，其用于对传输的光信号产生PZT相位调制信号；
载波电路d，其输出端口与干涉仪c的端口3连接，其用于提供干涉仪c中PZT调制信号。
光电探测器e，其输入端口与干涉仪端口2连接，其输出端口与数据采集卡f的输入端口连接，其用于将接收到的光信号转换为电信号；
数据采集卡f，其输入端口与光电探测器e输出端口连接，其输出端口与数据处理机g连接，其用于将光电探测器e输出的模拟电信号转换为数字电信号，其采样率通常取为载波信号频率的4倍以上。
数据处理机g，其输入端与数据采集卡f的输出端口接，其用于将数据采集卡采集到的数字信号进行处理，以可见度、调制幅度和初始相位差作为待定参数，采用非线性最小平方和拟合给出上述参数值。
在本实施例中，窄线宽可调谐半导体激光器a的工作波长为1550nm，线宽约为3kHz，输出功率在10mW，经单模光纤传输经过光隔离器b，然后进入光纤干涉仪c。该光纤干涉仪为干涉仪，臂长差为5m，其中一臂的光纤缠绕在PZT上，用于产生相位调制，相位调制量为Ccos(2πft)，其中相位调制幅度C正比于载波电路d的驱动电压，f为载波工作频率。载波电路d用于提供光纤干涉仪c中PZT的驱动信号，驱动信号为工作频率为1kHz的正弦电压信号，同时加载一定的白噪声扰动。光纤干涉仪中经相位调制的的光信号进入光电探测器e，转化为电信号I(t)。该光电探测器的工作波长覆盖1550nm，带宽为30kHz。光电探测器的电信号经数据采集卡转化为离散的数字信号Ii。该数据采集卡为美国NI公司为AD9215，16bits，10kHz的采样率。离散化的数字信号通过数据处理机进行计算，采用非线性最小平方和拟合给出可见度、调制幅度和初始相位差等参数的最优值。
非线性最小平方和拟合算法：
Figure BDA0000460792370000041
其中，为目标函数，对于光纤干涉仪而言，目标函数是已知的，即
Figure BDA0000460792370000043
已知量包括I0，f，N和ti。它们分别为直流量I0＝Mean(Ii)，可通过数据采集卡计算得出，载波工作频率f＝1kHz，N为采样点数(取N＝40)，采样时间ti＝i/F(i为第i个采样点，F＝10kHz为数据采集卡采样率)。
待定参数κ，C，
Figure BDA0000460792370000044
分别为干涉仪的可见度，调制幅度和初始相位差。可见度κ取值范围为0-1之间，调制幅度C与载波电路电压成正比关系，取值范围一般在2-4rad之间，初始相位
Figure BDA0000460792370000045
取值范围为0-2π之间，通过三重迭代就可以得到满足最小平方和的上述三参数的最优值。在一定载波电路电压下，测得的可见度κ、调制幅度C和初始相位差分别如图2、图3、图4所示。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种光纤干涉仪多参数的综合测量系统，包括：
一窄线宽可调谐半导体激光器，其用于提供传输用的信号光；
一光隔离器，其输入端与窄线宽可调谐半导体激光器的输出端连接；
一干涉仪，其端口1与光隔离器的输出端连接，用于减小瑞利散射光对激光器的影响，以保护激光器长时间稳定的工作；
一载波电路，其输出端与干涉仪的端口3连接，用于提供干涉仪中PZT调制信号；
一光电探测器，其输入端与干涉仪的端口2连接；
一数据采集卡，其输入端与光电探测器的输出端连接，用于将接收到的光信号转换为电信号；
一数据处理机，其输入端与数据采集卡的输出端连接，用于将数据采集卡采集到的数字信号进行处理，以可见度、调制幅度和初始相位差作为待定参数，采用非线性最小平方和拟合给出上述参数值。
2.根据权利要求1所述的光纤干涉仪多参数的综合测量系统，其中该光纤干涉仪的类型为迈克尔逊干涉仪或马赫曾德干涉仪。
3.根据权利要求1所述的光纤干涉仪多参数的综合测量系统，其中采用非线性最小平和拟合给出干涉仪可见度、调制幅度和初始相位的最优值来实现干涉仪多参数同时测量。
4.根据权利要求1所述的光纤干涉仪多参数的综合测量系统，其中该数据处理机用于将光电探测器输出的模拟电信号转换为数字电信号，其采样率通常取为载波信号频率的4倍以上。
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