CN106017532A - 一种针对光相位解调仪的校准装置及校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种针对光相位解调仪的校准装置及校准方法，校准装置包括干涉仪定标系统和光纤干涉系统；所述干涉仪定标系统包括光源、光电转换器和示波器；所述光纤干涉系统包括干涉仪和信号发生器；所述干涉仪的光输入端在定标时用于与光源的光输出口相连接，在校准时用于与待校准的光相位解调仪的光源端机的输出口相连接；所述干涉仪的光输出端在定标时与所述光电转换器的光输入口连接，在校准时与待校准的光相位解调仪的解调端机的输入口连接；所述光电转换器将接收到的光信号转换为电信号后输出至所述示波器。本发明达到优于0.2dB的校准不确定度，解决光相位解调仪的计量问题，使光相位解调仪作为干涉型光纤传感器的测试仪器得到有效的量值溯源。

Description

一种针对光相位解调仪的校准装置及校准方法
技术领域
本发明属于光纤传感器校准领域，涉及一种针对光相位解调仪的校准装置，以及使用该校准装置对光相位解调仪进行校准的方法。
背景技术
在干涉型光纤传感领域中，诸如声场、温度和应变等目标信号通常调制在光相位的变化上，光相位的变化又称为光相移，准确的定量获得光相移量，对于干涉型光纤传感器的探测灵敏度等参数的测量有重要的意义。光相位解调仪就是通过一定的解调方法，解调出光相移信号的仪器，可以测量出光相移的幅度(也称光相移量)和频率等参数。
光相位解调仪涉及多种解调方法，但现有技术仅关注于如何研制光相位解调仪，并无针对光相位解调仪的校准装置和对应的校准方法，无法满足光相位解调仪在干涉型光纤传感器测试及其他应用中的校准需求。而光纤通信领域中目前使用的光相位调制和解调技术，例如发明名称为一种光连续相位调制和解调装置的专利以及F.瓦孔迪奥发明的对经相位调制的光信号进行调解的方法，都无法直接应用于对光相位解调仪的计量校准。
因此，针对现有技术的不足，有必要提供一种针对光相位解调仪的校准装置，对光相位解调仪进行计量校准。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中的问题，提供一种针对光相位解调仪的校准装置，基于光相位调制和解调技术，实现对光相位解调仪的计量校准；
与此相对的，本发明提供了上述校准装置的使用方法，该方法校准精确、快捷，便于精确校准光相位解调仪。
本发明的技术方案是：一种针对光相位解调仪的校准装置，其特征在于：所述校准装置包括干涉仪定标系统(1)和光纤干涉系统(2)，所述干涉仪定标系统(1) 用于在校准前对光纤干涉系统(2)进行定标；所述干涉仪定标系统(1)包括光源(10)、光电转换器(11)和示波器(12)；所述光纤干涉系统(2)包括干涉仪(20)和信号发生器(21)；所述干涉仪(20)包括位于其光输入端的分光单元(200)、调制器(201)、位于其光输出端的合光单元(202)；所述干涉仪(20)的光输入端在定标时用于与光源(10)的光输出口相连接，在校准时用于与待校准的光相位解调仪(3)的光源端机(30)的输出口相连接；所述调制器(201)的电信号输入口用于与所述信号发生器(21)的电信号输出口相连接以接收调制信号；所述光源(10)输出的光经分光单元(200)分光后，一路为参考光，另一路调制光经调制器(201)调制后与参考光在合光单元(202)的作用下合光产生干涉，所述干涉仪(20)的光输出端在定标时用于与所述光电转换器(11)的光输入口相连接，在校准时用于与待校准的光相位解调仪(3)的解调端机(31)的输入口相连接；所述光电转换器(11)将接收到的光信号转换为电信号后输出至所述示波器(12)。
进一步的，所述分光单元(200)与合光单元(202)均为2*2耦合器。
进一步的，所述分光单元(200)为2*2耦合器，所述合光单元(202)为3×3耦合器。
进一步的，所述光电转换器(11)的带宽大于等于40MHz。
一种针对光相位解调仪的校准方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：定标，采用干涉仪定标系统(1)对光纤干涉系统(2)定出2kπ(k＝1，2……)的相移量；
将光纤干涉系统(2)与干涉仪定标系统(1)相连接，光源(10)输出光至干涉仪(20)的光输入端，进入干涉仪(20)的光被位于其光输入端的分光单元(200)分成两路光，一路光为参考光，另一路光为调制光，通过信号发生器(21)对调制光加载频率为f，电压幅度为V，偏置电压为V0的调制信号，调制光的相位受到信号发生器(21)的调制，调制光与参考光由位于干涉仪(20)光输出端的合光单元(202)进行合光发生干涉，合光后输出至光电转换器(11)，转换成电信号后输出至示波器(12)，调节信号发生器(21)的调制信号直至由示波器(12)观察得到2kπ(k＝1，2……)的相移量，并从信号发生器(21)上读出此时调制电压幅度V2kπ(f)；
步骤2：校准光相位解调仪
将光纤干涉系统(2)与干涉仪定标系统(1)断开，将光相位解调仪(3)的光源端机(30)的输出口与干涉仪(20)的光输入端相连接，将干涉仪(20)的光输出端与光相位解调仪(3)的解调端机(31)的输入口相连接，光从光源端机(30)输入干涉仪(20)后被位于其光输入端的分光单元(200)分成两路光，一路光为参考光，另一路光为调制光，通过信号发生器(21)对调制光加载步骤1所得频率f，调制电压幅度V2kπ(f)的调制信号，在光相位解调仪上(3)读出此时光相移量幅度Φ，将光相移量幅度Φ与2kπ(k＝1，2……)的光相移量进行偏差计算，所得偏差若符合用户需求或计量标准，则光相位解调仪为合格产品；若不符合，则光相位解调仪为不合格产品。
进一步的，所述步骤1中，调制光与参考光在合光单元作用(202)进行合光发生干涉，合光后输出一路光至光电转换器(11)，示波器(12)上显示干涉图形，调节调制信号至干涉图形的上凹点A和下凹点B的电压值相等，即当上凹点A和下凹点B的电压值之差d＝0时，得出相移量为Ф(f)＝2kπ，此时计算上凹点A和下凹点B的连线与干涉图形的交点个数为n，得出k＝(n+1)/2，继而在信号发生器(21)上读出调制电压幅度V2kπ(f)。
进一步的，所述步骤1中，所述合光单元(202)采用3*3耦合器，调制光与参考光在,3*3耦合器作用下合光并发生干涉，并生成三路光，从中随机挑选两路光输出至光电转换器(11)，示波器(12)显示为李萨茹图形，调节调制信号至使图形的缺口闭合，干涉仪的相移量为Ф(f)＝2π，继而在信号发生器(21)上读出调制电压幅度为V2π(f)。
本发明的校准装置和校准方法具有如下有益效果：
1)本发明达到优于0.2dB的校准不确定度，满足了光相位解调仪在干涉型光纤传感器测试和其他应用中的计量需求；
2)本发明利用干涉仪定标系统，提出图形判定法进行标准相移量的定标，直观、简便，可广泛应用。
3)本发明的外部结构具有隔振、降噪的效果。
附图说明
图1为本发明优选实施例中的校准装置结构示意图；
图2为本发明优选实施例中干涉仪与光相位解调仪的连接结构示意图；
图3为本发明优选实施例中配置2*2耦合器的干涉仪的结构示意图；
图4为本发明优选实施例中配置3*3耦合器的干涉仪的结构示意图；
图5为本发明优选实施例中李萨茹图形法的示意图；
图6为本发明优选实施例中干涉图形法的示意图。
图中：
1：干涉仪定标系统 10：光源 11：光电转换器 12：示波器
2：光纤干涉系统 20：干涉仪 21：信号发生器
200：分光单元 201：调制器 202：合光单元
3：光相位解调仪 30：光源端机 31：解调端机
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、技术特征、发明目的与技术效果易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
如图1所示，本发明提供的一种针对光相位解调仪的校准装置，包括干涉仪定标系统1和与其相接的光纤干涉系统2，干涉仪定标系统1用于在校准前对光纤干涉系统2进行定标，干涉仪定标系统1包括光源10、光电转换器11和示波器12，本优选实施例中，光源10优选Koheras的1550nm可调光源，光电转换器的11带宽大于等于40MHz，示波器12采用Agilent的DSO6014A，光电转换器11的电输出口与示波器12相接；光纤干涉系统2包括干涉仪20和信号发生器21，干涉仪20包括位于其光输入端的分光单元200、调制器201、位于其光输出端的合光单元202。本优选实施例中，干涉仪20可采用如图3或图4所示的马赫增德尔(M-Z)干涉仪，通过所配置的耦合器不同，从而达到输出光路的路数不同，以进行不同的计算。图3所示的干涉仪位于其光输入端的分光单元200和位于其光输出端的合光单元202可均选用2*2耦合器，适用于测量一路光路的情形；图5所示的干涉仪位于其光输入端的分光单元200可选为2*2耦合器，用以分光，位于其光输出端的合光单元202可选为3×3耦合器，用以合光，适用于测量两路光路的情形，调制器201均可选用Photline的MPX-LN-0.1相位调制器，半波电压为3.5V，调制频率范围为DC～150MHz；信号发生器21选用Agilent的33250A，调制器201的电信号输入口用于与信号发生器21的电信号输出口相连接以接收调制信号。
干涉仪20的光输入端在定标时通过单模光纤跳线与光源10的光输出口相连接，在校准时用于与待校准的光相位解调仪3的光源端机30的输出口相连接；所述光源10输出的光经分光单元200分光后，一路为参考光，另一路调制光经调制器201调制后与参考光在合光单元202的作用下合光产生干涉，所述干涉仪20的光输出端通过单模光纤跳线连接至光电转换器11的光输入口，在校准时用于与待校准的光相位解调仪3的解调端机31的输入口相连接；所述光电转换器11将接收到的光信号转换为电信号后输出至所述示波器12。
本优选实施例中，光相位解调仪3的光源端机30选择与干涉仪定标系统1的光源一致的光源，即为Koheras的1550nm可调光源，光源应与光相位解调仪的光源具有相同的工作波长，干涉仪定标系统光源的线宽、稳定度、相位噪声等指标应等同或优于光相位解调仪的光源；解调端机31采用NI系统，算法程序采用LabVIEW编写执行。
另外，本发明提供了上述采用M-Z干涉仪的校准装置配套的校准方法，该校准方法针对光相位解调仪，包含了定标过程和校准过程，步骤如下：
步骤1：采用干涉仪定标系统1对光纤干涉系统2定出2kπ(k＝1，2……)的相移量
先将光纤干涉系统2与干涉仪定标系统1相连接，光从光源10处输出至干涉仪20的光输入端，进入干涉仪20的光被位于其光输入端的分光单元200分成两路光，一路光为参考光，另一路光为调制光，通过信号发生器21对调制光加载频率为f，电压幅度为V，偏置电压为V0的调制信号，调制光的相位受到信号发生器21的调制，调制光与参考光由位于干涉仪20光输出端的合光单元202进行合光发生干涉，合光后输出至光电转换器11，转换成电信号后输出至示波器12，由示波器12观察得到2kπ(k＝1，2……)的相移量，并从信号发生器21上读出调制电压幅度V2kπ(f)。
本优选实施例中，对干涉光路加载频率为f的正弦信号，根据声学频率范围选择10Hz，100Hz，1kHz，10kHz频率点，在每个频率点正弦信号的电压值V从0V或小于相位调制器的半波电压(即3.5V)开始增加至半波电压(即3.5V)的整数倍，其倍数按用户需求或相关标准规定执行，本实施例中根据用户需求选择整数倍为2，由示波器观察干涉仪输出波形判断2π和4π相移量，其判断方法如下：
(1)判断2π的相移量：
方法1、位于干涉仪20光输出端的合光单元202采用3×3耦合器，调制光与参考光在,3*3耦合器作用下合光并发生干涉，生成三路光，并从中随机选择2路光输入至光电转换器11，这2路光具有相位差d＝120°，示波器12显示出李萨茹图形，如图5所示，调制电压由0增加至半波电压附近时，图形逐渐闭合，当d＝0时，干涉仪2的相移量为Ф(f)＝2π，由信号发生器上21可读出调制电压幅度为V2π(f)；
方法2、位于干涉仪20光输出端的合光单元202采用3×3耦合器，调制光与参考光在,3*3耦合器作用下合光并发生干涉，生成三路光，并中随机选择1路光输入至光电转换器11，示波器12显示出干涉图形，如图6所示，调制电压增加至干涉图形的上凹点A的电压值和下凹点B的电压值相等时，即上凹点A和下凹点B的电压值之差d＝0时，干涉仪20的相移量为Ф(f)＝2π，此时计算上凹点A和下凹点B的连线与干涉信图形的交点为1个，得出k＝(1+1)/2＝1，继而在信号发生器(21)上读出调制电压幅度V2π(f)。
2)判断4π的相移量：位于干涉仪20光输出端的合光单元202采用2×2耦合器，合光后由一路光输出至光电转换器11，示波器12上显示干涉图形，调节调制信号至干涉图形的上凹点A和下凹点B的电压值相等，即上凹点A和下凹点B的电压值之差d＝0时，得出相移量为Ф(f)＝2kπ，此时计算上凹点A和下凹点B的连线与干涉图形的交点n，当交点的数量为3时，k＝2，信号发生器21上的调制电压值即为V4π(f)。
本优选实施例中测量值如下表所示：
f(Hz) V2π(f)(V) V4π(f)(V)
10 3.51 7.01
100 3.50 6.98
1k 3.51 7.05
10k 3.49 7.00
步骤2：校准光相位解调仪
将光纤干涉系统2与干涉仪定标系统1断开，将光相位解调仪3的光源端机30的输出口与干涉仪20的输入口相连接，将干涉仪20的输出口与光相位解调仪3的解调端机31的输入口相连接，光从光源端机30输出，进入干涉仪20后被输入端的耦合器分成两路光，一路光为参考光，另一路光为调制光，通过信号发生器21对调制光加载步骤1中所得频率f，调制电压幅度V2kπ(f)d的调制信号，在光相位解调仪上3读出光相移量幅度Φ，将光相移量幅度Φ与2kπ进行偏差计算，所得偏差若符合用户需求或计量标准，则光相位解调仪为合格仪器；若不符合，则光相位解调仪为不合格仪器。
本实施例中待校准仪器为自制光相位解调仪，解调频率范围10Hz～10kHz，解调幅度为0～4π。本优选实施例例中，校准数据如下表：
通过将表中所得的光相移量幅度Φ与标称值2π或4π进行偏差计算，所得偏差再与用户需求或计量标准进行对比，以判定其是否合格。
并且，通过得出的光相移量幅度Φ的数据，可进一步的更加直观的比较光相移量解调幅度，可通过算光相移量幅度Φ的平均值，比较最大值、最小值等方法来按需要测量光相移量解调幅度的重复性和稳定性；另外，还可以比较光相移量频率响应曲线，将所得的数据用曲线表示，曲线越趋于平稳缓和，该光相位解调仪性能更加稳定，本例中的频率响应曲线如下图所示：
本实施例中待校准的光相位解调仪的不确定度可以根据《JJF1059.1-2012测量不确定度评定与表示》评价得出。
综上所述，本发明所提供的光相位解调仪的校准装置便于携带，并能输出标准干涉信号，具有一定的稳定性，本发明实现了对2kπ标准相移量的定标，并确定2kπ相移量对应的调制信号电压值V2kπ，完成定标后，在实际对解调仪的计量过程中，只需要带干涉仪和信号发生器，由信号发生器输出V2kπ，频率f的调制信号，即可完成校准。
对于具有时分和波分复用通道的光相位解调仪，需对每一个通道进行校准。对于不同的波分复用通道，改变光源的波长按照本发明的步骤进行校准即可。对于不同的时分通道，改变采样点的时间基准，按照本发明的步骤进行校准即可。此外，根据光相位解调仪的光程差参数，制备相应长度的光纤延迟线接入到参考光路或调制光路中，再按照本发明的步骤进行校准即可。
综上所述仅为本发明较佳的实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化及修饰，皆应属于本发明的技术范畴。

Claims (7)

1.一种针对光相位解调仪的校准装置，其特征在于：所述校准装置包括干涉仪定标系统(1)和光纤干涉系统(2)，所述干涉仪定标系统(1)用于在校准前对光纤干涉系统(2)进行定标；所述干涉仪定标系统(1)包括光源(10)、光电转换器(11)和示波器(12)；所述光纤干涉系统(2)包括干涉仪(20)和信号发生器(21)；所述干涉仪(20)包括位于其光输入端的分光单元(200)、调制器(201)、位于其光输出端的合光单元(202)；所述干涉仪(20)的光输入端在定标时用于与光源(10)的光输出口相连接，在校准时用于与待校准的光相位解调仪(3)的光源端机(30)的输出口相连接；所述调制器(201)的电信号输入口用于与所述信号发生器(21)的电信号输出口相连接以接收调制信号；所述光源(10)输出的光经分光单元(200)分光后，一路为参考光，另一路调制光经调制器(201)调制后与参考光在合光单元(202)的作用下合光产生干涉，所述干涉仪(20)的光输出端在定标时用于与所述光电转换器(11)的光输入口相连接，在校准时用于与待校准的光相位解调仪(3)的解调端机(31)的输入口相连接；所述光电转换器(11)将接收到的光信号转换为电信号后输出至所述示波器(12)。
2.根据权利要求1所述的一种针对光相位解调仪的校准装置，其特征在于，所述分光单元(200)与合光单元(202)均为2*2耦合器。
3.根据权利要求1所述的一种针对光相位解调仪的校准装置，其特征在于，所述分光单元(200)为2*2耦合器，所述合光单元(202)为3×3耦合器。
4.根据权利要求2或3所述的一种针对光相位解调仪的校准装置，其特征在于：所述光电转换器(11)的带宽大于等于40MHz。
5.一种针对光相位解调仪的校准方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：定标，采用干涉仪定标系统(1)对光纤干涉系统(2)定出2kπ(k＝1，2……)的相移量；
将光纤干涉系统(2)与干涉仪定标系统(1)相连接，光源(10)输出光至干涉仪(20)的光输入端，进入干涉仪(20)的光被位于其光输入端的分光单元(200)分成两路光，一路光为参考光，另一路光为调制光，通过信号发生器(21)对调制光加载频率为f，电压幅度为V，偏置电压为V0的调制信号，调制光的相位受到信号发生器(21)的调制，调制光与参考光由位于干涉仪(20)光输出端的合光单元(202)进行合光发生干涉，合光后输出至光电转换器(11)，转换成电信号后输出至示波器(12)，调节信号发生器(21)的调制信号直至由示波器(12)观察得到2kπ(k＝1，2……)的相移量，并从信号发生器(21)上读出此时调制电压幅度V2kπ(f)；
步骤2：校准光相位解调仪
将光纤干涉系统(2)与干涉仪定标系统(1)断开，将光相位解调仪(3)的光源端机(30)的输出口与干涉仪(20)的光输入端相连接，将干涉仪(20)的光输出端与光相位解调仪(3)的解调端机(31)的输入口相连接，光从光源端机(30)输入干涉仪(20)后被位于其光输入端的分光单元(200)分成两路光，一路光为参考光，另一路光为调制光，通过信号发生器(21)对调制光加载步骤1所得频率f，调制电压幅度V2kπ(f)的调制信号，在光相位解调仪上(3)读出此时光相移量幅度Φ，将光相移量幅度Φ与2kπ(k＝1，2……)的光相移量进行偏差计算，所得偏差若符合用户需求或计量标准，则光相位解调仪为合格产品；若不符合，则光相位解调仪为不合格产品。
6.根据权利要求5所述的一种针对光相位解调仪的校准方法，其特征在于，所述步骤1中，调制光与参考光在合光单元作用(202)进行合光发生干涉，合光后输出一路光至光电转换器(11)，示波器(12)上显示干涉图形，调节调制信号至干涉图形的上凹点A和下凹点B的电压值相等，即当上凹点A和下凹点B的电压值之差d＝0时，得出相移量为Ф(f)＝2kπ，此时计算上凹点A和下凹点B的连线与干涉图形的交点个数为n，得出k＝(n+1)/2，继而在信号发生器(21)上读出调制电压幅度V2kπ(f)。
7.根据权利要求5所述的一种针对光相位解调仪的校准方法，其特征在于，所述步骤1中，所述合光单元(202)采用3*3耦合器，调制光与参考光在,3*3耦合器作用下合光并发生干涉，并生成三路光，从中随机挑选两路光输出至光电转换器(11)，示波器(12)显示为李萨茹图形，调节调制信号至使图形的缺口闭合，干涉仪的相移量为Ф(f)＝2π，继而在信号发生器(21)上读出调制电压幅度为V2π(f)。
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