CN110186500A - 一种采用绝对法的非平衡光纤干涉仪臂长差测量装置及测量方法 - Google Patents

一种采用绝对法的非平衡光纤干涉仪臂长差测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种采用绝对法的非平衡光纤干涉仪臂长差测量装置及测量方法。主要包含激光器、信号生成器、光纤拉伸器、非平衡光纤干涉仪、光信号接收及处理器等部件，激光器连接到光纤拉伸器的光纤输入接口，信号生成器连接到光纤拉伸器的电信号接口，光纤拉伸器的光纤输出接口连接到非平衡光纤干涉仪的光纤输入接口，非平衡光纤干涉仪的光纤输出接口连接到光信号接收及处理器。所述的测量方法主要包含三大步骤，控制激光器产生光信号；通过包含相关参数的绝对方程计算出非平衡光纤干涉仪的臂长差。本发明的有益效果为：通过构成简单、成本低廉的测量装置及简便的测量方法和操作步骤能快速、准确获得非平衡光纤干涉仪的臂长差。

Description

一种采用绝对法的非平衡光纤干涉仪臂长差测量装置及测量 方法
技术领域
本发明属于光纤传感设备技术领域，具体属于干涉型光纤传感系统中的参数检测设备，主要是一种采用绝对法的非平衡光纤干涉仪臂长差测量装置及测量方法。
背景技术
光纤干涉仪是基于光学干涉现象的仪器，是一种重要的光纤传感器件，是光纤传感系统里不可或缺的核心部件之一。干涉现象是光学的基本现象，利用光纤实现光的干涉，是光干涉现象的重要应用。光路具有柔软、形状可随意变化、传输距离远、可适用于各种有强电磁干扰、易燃易爆等恶劣环境，从而可以构造出各种结构的干涉仪和许多功能器件，如光纤陀螺、光开关、光定位器件等，有广泛的应用前景。光纤干涉仪的干涉实现主要包括分光和合束两个过程。在光纤中，可以通过灵活设计使光在一处分开，然后以不同的方式在光纤中传播，最后在另一处合并，满足干涉条件就发生干涉现象。光纤干涉仪至少包含一个耦合器和两个光纤臂，其中一个光纤臂是信号臂，也称作感应臂或者传感臂，另一个光纤臂的是参考臂。光纤干涉仪主要传感原理为：被测信号作用于光纤干涉仪的信号臂引起臂长的改变，导致该信号臂内的光波相位发生变化，而光波相位改变会导致干涉后的输出光强相位发生变化，检测输出光强相位的变化就可以得到被测信号的信息。光纤干涉仪可以根据两臂臂长差是否相等分为平衡型和非平衡型两种，平衡型光纤干涉仪由于其零臂差结构可以有效减小噪声。但是在频率调制相位发生载波系统中，光纤干涉仪存在臂长差更有利于信号处理。目前，具有代表性的光纤干涉仪可以分为光纤法布里-珀罗干涉仪(Fabry-PerotInterferometer，FPT)、马赫-泽德干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer，MZI)、迈克尔逊干涉仪(Michelson Interferometer，MI)和萨格纳克干涉仪(Sagnac Interferometer，SI)四种类型。
光纤干涉仪的感应臂和参考臂之间的臂长差决定了传感器的性能与灵敏度，因此，精确测量光纤干涉仪臂长差具有非常重要的意义。目前测量光纤干涉仪臂长差的方法主要包括电流调制和观察干涉仪条纹可见度法、白光干涉法、时域脉冲法、干涉仪干涉谱观测法、光载微波法等方法。这些方法及相应的测量装置的构成普遍过于复杂，实现成本过高，动态范围有限，操作步骤繁琐。个别方法仅限于实验室应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种采用绝对法的非平衡光纤干涉仪臂长差测量装置及测量方法，能够快速、简便、准确得到非平衡光纤干涉仪的臂长差值。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种采用绝对法的非平衡光纤干涉仪臂长差测量装置主要包含激光器、电信号生成器、光纤拉伸器、非平衡光纤干涉仪、光信号接收器、控制及处理器等部件，激光器连接到光纤拉伸器的光纤输入接口，电信号生成器连接到光纤拉伸器的电信号接口，光纤拉伸器的光纤输出接口连接到非平衡光纤干涉仪的光纤输入接口，非平衡光纤干涉仪的光纤输出接口连接到光信号接收器的光纤输入接口，控制及处理器分别连接到激光器、电信号生成器、光信号接收器。所述的光信号接收器用于将接收到的非平衡光纤干涉仪的干涉光强信号转化成电信号，并将电信号输送到控制及处理器中。所述的控制及处理器用于控制激光器和电信号生成器分别产生光信号和电信号，实时监测光纤拉伸器上的交流电信号幅值，实时接收光信号接收器的电信号，并进行观察、分析、计算，得到非平衡光纤干涉仪的臂长差值。
所述的激光器是能连续产生具有一定波长、功率、线宽的光信号的模块器件，激光器输出光信号的波长是固定且单一的，范围通常处在100nm～3000nm范围内，功率范围通常处在100mW以内，线宽通常优于10kHz，激光器不可调制，且具有高稳定性，能受上位机控制，激光器的光波长必须经过校准且已知，具备一个光信号输出接口。
所述的电信号生成器能连续产生具有一定频率及功率的交流电信号的模块器件，交流电信号的频率必须是固定且单一的，谐波成分不大于1％；交流电信号频率范围通常处在100kHz以内，功率通常在不大于100W；电信号生成器具有信号放大功能，能受到上位机控制，电信号生成器的交流电信号频率必须经过校准且已知，信号生成器产生的交流电信号电压能实时测量获知。
所述的光纤拉伸器是主要由压电陶瓷圆管和光纤组成，光纤紧密缠绕在压电陶瓷圆管的外壁上，压电陶瓷圆管的内外壁有电极层，且经过极化，具备受交流电信号驱动而产生振动的能力；具有一个电信号接口、一个光纤输入接口、一个光纤输出接口，压电陶瓷圆管振动时带动缠绕其上的光纤长度产生拉伸变化；光纤拉伸器的拉伸系数必须经过校准并已知，输入到光纤拉伸器上的交流电信号频率和幅值能随时测量；在光传播路径上，光纤拉伸器必须连接在激光器和非平衡光纤干涉仪之间，光纤拉伸器接在激光器之后，在非平衡光纤干涉仪之前。
所述的非平衡光纤干涉仪主要构成部件之一的耦合器是2×2型，非平衡光纤干涉仪只具有一个光纤输入接口和一个光纤输出接口，非平衡光纤干涉仪的感应臂和参考臂的长度不同，即存在一定的臂长差，通常大于1cm，非平衡光纤干涉仪的输出光信号为干涉光强信号，该信号的相位变化值与光纤拉伸器的驱动交流电信号幅值成正比。
本发明所述的采用绝对法的非平衡光纤干涉仪臂长差测量装置的测量方法，主要原理是所述的非平衡光纤干涉仪臂长差测量装置中，非平衡光纤干涉仪的输入光信号收到光纤拉伸器的载波调制，造成非平衡光纤干涉仪的输出光信号也即干涉光的相位产生变化，该干涉光相位变化量与非平衡光纤干涉仪臂长差值、光波长、光速、光纤折射率、交流电信号频率及电压、拉伸器拉伸系数等多个参数相关，利用该关系式通过多个其它物理量可以得到非平衡光纤干涉仪臂长差值，属于绝对法测量，其中干涉光相位变化量必须达到π的整数倍，则由这些已知参数能直接算出非平衡光纤干涉仪的臂长差。
所述测量方法的一个完整测量过程主要包含三个步骤：第一步是通过控制及处理器控制激光器产生特定波长的光信号；第二步是通过控制及处理器调整电信号生成器产生的交流电信号电压，同时观察非平衡光纤干涉仪的干涉光相位受到的调制情况，直至光纤拉伸器对非平衡光纤干涉仪产生整数倍的干涉光相位调制幅度，同时测量电信号生成器的交流电信号电压值，并获得已知光波长、光速、光纤折射率、交流电信号频率、拉伸器拉伸系数等相关参数值；第三步是通过包含相关参数的绝对方程计算出非平衡光纤干涉仪的臂长差。
所述的用于计算非平衡光纤干涉仪臂长差的绝对方程表达式为是本发明利用数学知识结合光信号传播路径的物理过程推导得到的，专利其中Δl是光纤水听器的臂长差值；N为干涉光相位变化量对于π的倍数，为整数，通过测量得到；λ为光波长，是已知值；s为光速，是已知值；fC为交流电信号频率，是已知值；n为光纤折射率，是已知值；a为光纤拉伸器的拉伸系数，是已知值；U为交流电信号的电压幅值，通过测量得到。
本发明的有益效果为：通过构成简单、成本低廉的测量装置及简便的测量方法和操作步骤能快速、准确获得非平衡光纤干涉仪的臂长差。
附图说明
图1为本发明的采用绝对法的非平衡光纤干涉仪臂长差测量装置构成图。
图2为典型的非平衡光纤干涉仪构成图。
图3为非平衡光纤干涉仪的干涉光相位变化量为1倍π时的干涉光信号时域波形图。
图4为非平衡光纤干涉仪的干涉光相位变化量为2倍π时的干涉光信号时域波形图。
标记1为采用绝对法的非平衡光纤干涉仪臂长差测量装置，标记2为控制及处理器；标记3为激光器；标记4为光纤拉伸器；标记5为电信号生成器；标记6为光信号接收器；标记7为非平衡光纤干涉仪；标记8为光纤输入接口；标记9为电信号接口；标记10为光纤拉伸器的光纤输出接口；标记11为非平衡光纤干涉仪的光纤输入接口；标记12为非平衡光纤干涉仪的光纤输出接口。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做具体介绍：
本发明的采用绝对法的非平衡光纤干涉仪臂长差测量装置1，将激光器3、光纤拉伸器4、电信号生成器5、光信号接收器6、控制及处理器2安装在一个独立机箱内部。如图1所示，控制及处理器2分别连接到激光器3的控制接口、电信号生成器5的控制接口和光信号接收器6的信号输出接口，激光器3的光信号输出接口连接到光纤拉伸器4的光纤输入接口8，光纤拉伸器4的光纤输出接口10连接到非平衡光纤干涉仪7的光纤输入接口11，非平衡光纤干涉仪7的光纤输出接口12连接到光信号接收器6的光信号输入接口，由电信号生成器的电信号接口连接到光纤拉伸器的电信号接口9。非平衡光纤干涉仪7的结构如图2所示，由2个2×2耦合器、光纤信号臂、光纤参考臂构成，分别有一个非平衡光纤干涉仪的光纤输入接口11和一个非平衡光纤干涉仪的光纤输出接口12，光信号从光纤输入接口进入输入耦合器后分成2路，分别进入光纤信号臂和光纤参考臂中，在同时进入输出耦合器后形成干涉光，从光纤输出接口中输出。控制及处理器2控制激光器3生成固定波长的光信号进入光纤拉伸器，光信号波长为1550nm、功率3mW、线宽1kHz；控制及处理器2控制电信号生成器5产生交流电信号输入到光纤拉伸器4中，交流电信号频率10kHz，初始电压为10V，电功率分别为2.5W；受到光纤拉伸器4的调制后的光信号进入到非平衡光纤干涉仪7中，拉伸器的拉伸系数为0.1mm/V，经过非平衡光纤干涉仪7的内部干涉光路作用后输出干涉光，进入到光信号接收器6中；光信号接收器6将光信号转换为电信号后输入到控制及处理器2中进行实时观察。调整电信号生成器5产生的交流电信号强度，直至干涉光信号时域波形图如图3所示，此时光纤拉伸器对非平衡光纤干涉仪产生的干涉光信号相位变化量是1倍π，经测量，交流电信号电压值为25V；电信号生成器5产生的交流电信号强度，直至干涉光信号时域波形图如图4所示，此时光纤拉伸器对非平衡光纤干涉仪产生的干涉光信号相位变化量是2倍π，经测量，交流电信号电压值为50V。在这两个条件下都可以进行光纤干涉仪臂长差测量。光速为3×108m/s，光线折射率为1.45。将这些变量代入绝对方程表达式为中，得到非平衡光纤干涉仪的臂长差为7.04m。
尽管本发明优选的实施例已在上面详细讨论，可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案实例及发明构思加以等同替换或明显修改和变化而不背离本发明的精神和基本特征，都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种采用绝对法的非平衡光纤干涉仪臂长差测量装置，其特征在于：所述的测量装置主要包含激光器、电信号生成器、光纤拉伸器、非平衡光纤干涉仪、光信号接收器、控制及处理器等部件，激光器连接到光纤拉伸器的光纤输入接口，电信号生成器连接到光纤拉伸器的电信号接口，光纤拉伸器的光纤输出接口连接到非平衡光纤干涉仪的光纤输入接口，非平衡光纤干涉仪的光纤输出接口连接到光信号接收器的光纤输入接口，控制及处理器分别连接到激光器、电信号生成器、光信号接收器；所述的光信号接收器用于将接收到的非平衡光纤干涉仪的干涉光信号转化成电信号，并将电信号输送到控制及处理器中,所述的控制及处理器用于控制激光器和电信号生成器分别产生光信号和电信号，实时监测光纤拉伸器上的交流电信号电压幅值，实时接收光信号接收器的电信号，并进行观察、分析、计算，得到非平衡光纤干涉仪的臂长差值。
2.根据权利要求1所述的采用绝对法的非平衡光纤干涉仪臂长差测量装置，其特征在于：所述的激光器是能连续产生具有一定波长、功率、线宽的光信号的模块器件，激光器输出光信号的波长是固定且单一的，在100nm～3000nm范围内，功率范围在100mW以内，线宽通常优于10kHz，激光器不可调谐，且具有高稳定性，能受上位机控制，激光器的光波长必须经过校准且已知，具备一个光信号输出接口。
3.根据权利要求1所述的采用绝对法的非平衡光纤干涉仪臂长差测量装置，其特征在于：所述的电信号生成器能连续产生具有一定频率及功率的交流电信号的模块器件，交流电信号的频率必须是固定且单一的，谐波成分不大于1％；交流电信号频率范围通常处在100kHz以内，功率通常在不大于100W；电信号生成器具有信号放大功能，能受到上位机控制，电信号生成器的交流电信号频率必须经过校准且已知，信号生成器产生的交流电信号电压能实时测量获知。
4.根据权利要求1所述的采用绝对法的非平衡光纤干涉仪臂长差测量装置，其特征在于：所述的光纤拉伸器是主要由压电陶瓷圆管和光纤组成，光纤紧密缠绕在压电陶瓷圆管的外壁上，压电陶瓷圆管的内外壁有电极层，且经过极化，具备受交流电信号驱动而产生振动的能力；具有一个电信号接口、一个光纤输入接口、一个光纤输出接口，压电陶瓷圆管振动时带动缠绕其上的光纤长度产生拉伸变化；光纤拉伸器的拉伸系数必须经过校准并已知，输入到光纤拉伸器上的交流电信号频率和幅值能随时测量；在光传播路径上，光纤拉伸器必须连接在激光器和非平衡光纤干涉仪之间，光纤拉伸器接在激光器之后，在非平衡光纤干涉仪之前。
5.根据权利要求1所述的采用绝对法的非平衡光纤干涉仪臂长差测量装置，其特征在于：所述的非平衡光纤干涉仪至少包含2×2型定向耦合器、光纤信号臂、光纤传感臂；非平衡光纤干涉仪是作为一个完整独立、不可拆分的被测器件而存在，只具有一个光纤输入接口和一个光纤输出接口；非平衡光纤干涉仪的光纤信号臂和光纤参考臂的长度不同，即存在一定的臂长差，非平衡光纤干涉仪的输出光信号为干涉光强信号，该干涉光信号的相位变化值与光纤拉伸器的驱动交流电信号电压幅值成正比。
6.一种采用绝对法的非平衡光纤干涉仪臂长差测量装置的测量方法：其特征在于：一个完整测量过程分为三大步骤：
第一步是通过控制及处理器控制激光器产生特定波长的光信号；
第二步是通过控制及处理器调整电信号生成器产生的交流电信号电压，同时观察非平衡光纤干涉仪的干涉光相位受到的调制情况，直至光纤拉伸器对非平衡光纤干涉仪产生整数倍的干涉光相位调制幅度，同时测量电信号生成器的交流电信号电压值，并获得已知光波长、光速、光纤折射率、交流电信号频率、拉伸器拉伸系数相关参数值；
第三步是通过包含相关参数的绝对方程计算出非平衡光纤干涉仪的臂长差；
用于计算非平衡光纤干涉仪臂长差的绝对方程表达式为其中Δl是光纤水听器的臂长差值；N为干涉光相位变化量对于π的倍数，为整数，通过测量得到；λ为光波长，是已知值；s为光速，是已知值；fC为交流电信号频率，是已知值；n为光纤折射率，是已知值；a为光纤拉伸器的拉伸系数，是已知值；U为交流电信号的幅值，通过测量得到。
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