CN110186501B - 一种采用比较法的非平衡光纤干涉仪臂长差测量装置及测量方法 - Google Patents

一种采用比较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比较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、标准非平衡光纤干涉仪、光信号接收及处理器、被测非平衡光纤干涉仪等部件，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。所述的测量方法原理是：利用干涉光相位调制幅度恒定不变条件下，非平衡光纤干涉仪臂长差与交流电信号电压成反比的关系，结合已知的标准非平衡光纤干涉仪臂长差，得到未知的被测非平衡光纤干涉仪臂长差。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、准确获得被测非平衡光纤干涉仪的臂长差。

Description

一种采用比较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，主要是一种采用比较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，而提供一种采用比较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。所述的采用比较法的非平衡光纤干涉仪臂长差测量装置主要包含激光器、信号生成器、光纤拉伸器、标准非平衡光纤干涉仪、光信号接收及处理器、被测非平衡光纤干涉仪等部件，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经过切换开关连接到标准非平衡光纤干涉仪或者被测非平衡光纤干涉仪的光纤输入接口，标准非平衡光纤干涉仪或者被测非平衡光纤干涉仪的光纤输出接口经过切换开关连接到光信号接收及处理器。
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，激光器不可调谐，且具有高稳定性，能受上位机控制，激光器光信号的波长不需要知道，具备一个光信号输出接口。
所述的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；信号生成器具有信号放大功能，能受到上位机控制，信号生成器的交流电信号频率不需要知道，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不需要知道，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。
所述的标准非平衡光纤干涉仪和被测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、光纤感应臂；标准非平衡光纤干涉仪和被测非平衡光纤干涉仪都是作为一个完整独立、不可拆分的被测器件而存在，都只具有一个光纤输入接口和一个光纤输出接口；标准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，且臂长差已经采用其它测量方法获得，可以根据需要更换不同臂长差的标准非平衡光纤干涉仪，被测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，通常大于1cm；标准非平衡光纤干涉仪和被测非平衡光纤干涉仪的输出光信号为干涉光信号，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。
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，得到被测非平衡光纤干涉仪的臂长差值。
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，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。所述的测量方法原理是：利用干涉光相位调制幅度恒定不变条件下，非平衡光纤干涉仪臂长差与交流电信号电压成反比的关系，结合已知的标准非平衡光纤干涉仪臂长差，得到未知的被测非平衡光纤干涉仪臂长差。
所述测量方法的一个完整测量过程主要包含四大步骤，第一步，控制激光器产生光信号；第二步，将光纤拉伸器通过切换开关连接到标准非平衡光纤干涉仪，调整电信号生成器的交流电信号电压，施加到光纤拉伸器上，使得光纤拉伸器对标准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；第三步，将光纤拉伸器通过切换开关连接到被测非平衡光纤干涉仪，调整电信号生成器的交流电信号电压，施加到光纤拉伸器上，使得光纤拉伸器对被测非平衡光纤干涉仪产生与前一步骤同样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；第四步，标准非平衡光纤干涉仪的臂长差与其交流电信号电压幅度值乘积等于被测非平衡光纤干涉仪的臂长差与其交流电信号电压幅度值乘积，其中，包括标准非平衡光纤干涉仪的臂长差及其交流电信号电压幅度值、被测非平衡光纤干涉仪的交流电信号电压幅度值的三个参数是已知的，利用计算公式得到被测非平衡光纤干涉仪臂长差。
所述测量方法无需考虑非平衡光纤干涉仪的干涉光信号相位变化量与非平衡光纤干涉仪臂长差、交流电信号的电压及频率、光信号频率等参数的绝对关系，只需要考虑非平衡光纤干涉仪的臂长差及其交流电信号电压乘积的相对关系，利用标准平衡光纤干涉仪的臂长差作比较，得到被测非平衡光纤干涉仪的臂长差，属于比较法测量；所述的用于计算被测非平衡光纤干涉仪臂长差的公式为
Figure BDA0001920403140000031
该公式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，其中，Δl0、Δl分别为标准非平衡光纤干涉仪和被测非平衡光纤干涉仪的臂长差；U0、U分别为连接标准非平衡光纤干涉仪和被测非平衡光纤干涉仪时的电信号产生器的交流电信号电压值。
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、准确获得被测非平衡光纤干涉仪的臂长差。
附图说明
图1为本发明的采用比较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为本发明采用比较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为光信号接收器；标记5为电信号生成器；标记6为光纤拉伸器；标记7为光纤拉伸器的光纤输入接口；标记8为光纤拉伸器的光纤输出接口；标记9为光纤拉伸器的电信号接口；标记10为标准非平衡光纤干涉仪；标记11为标准非平衡光纤干涉仪的光纤输入接口；标记12为标准非平衡光纤干涉仪的光纤输出接口；标记13为被测非平衡光纤干涉仪；标记14为被测非平衡光纤干涉仪的光纤输入接口；标记15为被测非平衡光纤干涉仪的光纤输出接口；标记16为标准非平衡光纤干涉仪和被测非平衡光纤干涉仪之间的切换开关。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做具体介绍：
本发明将激光器、信号生成器、光纤拉伸器、标准非平衡光纤干涉仪、光信号接收及处理器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4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6的光纤输入接口7，光纤拉伸器6的光纤输出接口8通过切换开关16连接到标准非平衡光纤干涉仪10的光纤输入接口11或者被测非平衡光纤干涉仪13的光纤输入接口14，标准非平衡光纤干涉仪10的光纤输出接口12或者被测非平衡光纤干涉仪13的光纤输出接口15通过切换开关16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5的电信号接口连接到光纤拉伸器6的电信号接口9。非平衡光纤干涉仪10或者13的典型结构如图2所示，由2个2×2耦合器、光纤信号臂、光纤参考臂构成，分别有一个光纤输入接口和一个光纤输出接口，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。
一个完整测量过程为，第一步，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；第二步，将光纤拉伸器6的光纤输出接口8通过切换开关16连接到标准非平衡光纤干涉仪10的光纤输入接口11，将标准非平衡光纤干涉仪10的光纤输出接口12通过切换开关16连接到光信号接收器6的光信号输入接口，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6中，保持频率不变，调整交流电信号电压值，观察干涉光信号时域波形直至如图3或者如图4所示，此时光纤拉伸器8对标准非平衡光纤干涉仪10产生的干涉光信号相位变化量是1倍π或者2倍π；第三步，，将光纤拉伸器6的光纤输出接口8通过切换开关16连接到被测非平衡光纤干涉仪13的光纤输入接口14，将被测非平衡光纤干涉仪13的光纤输出接口15通过切换开关16连接到光信号接收器6的光信号输入接口，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6中，保持频率不变，调整交流电信号电压值，观察干涉光信号时域波形直至与上一步骤的时域波形一样；第四步，得到标准非平衡光纤干涉仪的臂长差Δl0与其交流电信号电压幅度值U0、被测非平衡光纤干涉仪的交流电信号电压幅度值U，利用计算公式
Figure BDA0001920403140000041
得到被测非平衡光纤干涉仪的臂长差。
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)

1.一种采用比较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、信号生成器、光纤拉伸器、标准非平衡光纤干涉仪、光信号接收及处理器、被测非平衡光纤干涉仪，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经过切换开关连接到标准非平衡光纤干涉仪或者被测非平衡光纤干涉仪的光纤输入接口，标准非平衡光纤干涉仪或者被测非平衡光纤干涉仪的光纤输出接口经过切换开关连接到光信号接收及处理器；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；光信号接收器通过切换开关分别在标准非平衡光纤干涉仪和被测非平衡光纤干涉仪之间切换连接；所述的控制及处理器用于控制激光器和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，得到被测非平衡光纤干涉仪的臂长差值。
2.根据权利要求1所述的采用比较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，范围处在100nm～3000nm范围内，功率范围处在100mW以内，线宽优于10kHz，激光器不可调谐，且具有高稳定性，能受上位机控制，激光器光具备一个光信号输出接口。
3.根据权利要求1所述的采用比较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处在100kHz以内，功率不大于100W；信号生成器具有信号放大功能，能受到上位机控制，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所述的采用比较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不需要知道，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；光纤拉伸器通过切换开关分别在标准非平衡光纤干涉仪和被测非平衡光纤干涉仪之间切换连接。
5.一种采用如权利要求1所述的采用比较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：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；利用干涉光相位调制幅度恒定不变条件下，非平衡光纤干涉仪臂长差与交流电信号电压成反比的关系，结合已知的标准非平衡光纤干涉仪臂长差，得到未知的被测非平衡光纤干涉仪臂长差。
6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于：测量过程主要包含四大步骤：
第一步，控制激光器产生光信号；
第二步，将光纤拉伸器连接到标准非平衡光纤干涉仪，调整电信号生成器的交流电信号电压，施加到光纤拉伸器上，使得光纤拉伸器对标准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；
第三步，将光纤拉伸器连接到被测非平衡光纤干涉仪，调整电信号生成器的交流电信号电压，施加到光纤拉伸器上，使得光纤拉伸器对被测非平衡光纤干涉仪产生与前一步骤同样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；
第四步，标准非平衡光纤干涉仪的臂长差与其交流电信号电压幅度值乘积等于被测非平衡光纤干涉仪的臂长差与其交流电信号电压幅度值乘积，其中，包括标准非平衡光纤干涉仪的臂长差及其交流电信号电压幅度值、被测非平衡光纤干涉仪的交流电信号电压幅度值的三个参数是已知的，利用计算公式得到被测非平衡光纤干涉仪臂长差；
用于计算被测非平衡光纤干涉仪臂长差的公式为
Figure 63610DEST_PATH_IMAGE001
，其中，△l 0、△l分别为标准非平衡光纤干涉仪和被测非平衡光纤干涉仪的臂长差；U 0、U分别为连接标准非平衡光纤干涉仪和被测非平衡光纤干涉仪时的电信号产生器的交流电信号电压值。
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Wavelength Shift in Single MZI as a Function of Arm Length Differences;Dwi Astharini等;《2018 IEEE 5th International Conference on Engineering Technologies & Applied Sciences》;20181223;全文 *
非平衡全光纤干涉仪臂长差测量方法的研究;余有龙等;《黑龙江大学自然科学学报》;20050430;第22卷(第2期);全文 *

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