CN110207733B - 基于扫频激光的光纤干涉仪臂长差测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于扫频激光的光纤干涉仪臂长差测量装置及方法，该装置包括：线性扫频激光器发出扫频激光；光纤分束器将扫频激光分为两路，分别进入气体腔光路和待测光纤干涉仪光路；气体腔光路对进入该气体腔光路的扫频激光进行选择性吸收，并产生气体吸收谱线。待测光纤干涉仪光路产生等频率间隔的拍频信号，并以此为频率基准，对气体腔光路的吸收谱线的电信号进行等频率间隔重采样。数据采集卡采集两个光路的电压信号；分析处理模块对采集气体腔光路和待测光纤干涉仪光路的电压信号进行处理分析，计算气体腔吸收光谱中每两个点之间对应的光频域上的频率间隔，根据该频率间隔计算时延，最后根据时延计算待测光纤干涉仪光路的臂长差。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感器件测量，更具体而言，涉及一种光纤干涉仪臂长差的精准测量装置及测量方法。
背景技术
光纤干涉仪根据两臂臂长是否相等可分为平衡性和非平衡型干涉仪。光纤干涉仪的主要传感原理为被测信号作用于光纤干涉仪的一臂引起臂长的改变，导致光纤内的光波的相位发生变化,而位相的改变会导致干涉后的输出光强发生变化，检测输出光强的变化就可以得到待测信号的信息。因此，干涉仪的臂长差决定了传感器的性能与灵敏度，从而精确测量光纤干涉仪臂长差具有非常重要的意义。
目前，光纤干涉仪臂差测量方式种类繁多，主要基于干涉、时域脉冲或微波调制。干涉型测量方法微小臂差引起大相位变化，精度高、测量范围小；时域脉冲方法可以测量长距离，但精度下降或者受限了超窄脉冲激光器和高速采集卡；微波调制方法，测量精度高的同时测量范围也大，微波扫频源、高速探测器等使得其结构复杂。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光纤干涉仪臂长差的精准测量装置及测量方法，测量精度高，一致性高，装置结构、测量方法简单，适用于非平衡干涉仪臂差的精准测量，特别是长距离臂长差的高精度测量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
提供一种基于扫频激光的光纤干涉仪臂长差测量装置，该装置包括线性扫频激光器、光纤分束器、气体腔光路、待测光纤干涉仪光路、数据采集卡和分析处理模块：
所述线性扫频激光器，用于发出激光波长周期性线性变化的扫频激光；
所述光纤分束器，用于将扫频激光分为两路，分别进入气体腔光路和待测光纤干涉仪光路；
所述气体腔光路，用于对进入该气体腔光路的扫频激光进行选择性吸收，并产生气体吸收谱线。
所述待测光纤干涉仪光路，用于产生等频率间隔的拍频信号，并以此为频率基准，对气体腔光路的吸收谱线的电信号进行等频率间隔重采样。
所述数据采集卡，用于采集气体腔光路和待测光纤干涉仪光路的电压信号；
所述分析处理模块，用于对采集气体腔光路和待测光纤干涉仪光路的电压信号进行处理分析，计算气体腔吸收光谱中每两个点之间对应的光频域上的频率间隔，根据该频率间隔计算时延，最后根据时延计算待测光纤干涉仪光路的臂长差。
接上述技术方案，所述气体腔光路包括顺次连接的特定气体腔、第一光电探测器、放大滤波电路，所述特定气体腔与所述光纤分束器连接，所述放大滤波电路与所述数据采集卡连接。
接上述技术方案，所述待测光纤干涉仪光路包含光纤隔离器、待测光纤干涉仪、第二光电探测器；所述光纤隔离器的一端与所述光纤分束器连接，另一端与所述待测光纤干涉仪连接；所述第二光电探测器与所述数据采集卡连接；所述待测光纤干涉仪产生拍频光信号，并经过所述第二光电探测器转化成电压信号。
接上述技术方案，待测光纤干涉仪迈克尔逊光纤干涉仪或者马赫曾德光纤干涉仪。
接上述技术方案，所述气体腔光路为H13CN气体腔光路或者HF气体吸收腔光路。
本发明还提供了一种基于扫频激光的光纤干涉仪臂长差测量方法，包括以下步骤：
由线性扫频激光器发出的线性扫频激光经过光纤分束器分为两路，一路进入气体腔光路，一路进入待测光纤干涉仪光路；
两路光分别产生气体腔吸收谱线信号和待测光纤干涉仪产生的等频率间隔的拍频信号；
采集待测光纤干涉仪的拍频信号，并以其为频率基准，对气体腔光路的吸收谱线的电信号进行等频率间隔重采样；
对采集的信号进行分析处理，计算气体腔吸收光谱中每两个点之间对应的光频域上的频率间隔，根据该频率间隔计算时延，最后根据时延计算待测光纤干涉仪光路的臂长差。
接上述技术方案，步骤“计算气体腔吸收光谱中每两个点之间对应的光频域上的频率间隔”具体为：
过滤气体腔吸收光谱的抖动；
计算气体腔吸收光谱中所有特征吸收线对应的横坐标数值；
将特征吸收线对应的光波长转化成光频率；
将横坐标数值与光频率数值两组数据做线性拟合，线性拟合后的直线斜率为频率间隔。
本发明产生的有益效果是：本发明提出了一种光纤干涉仪长臂差的精准测量装置及测量方法，依据光纤干涉仪的拍频信号作为频率基准，对气体腔光路的吸收光谱信号重采样，实现等频率间隔采样；最后通过计算气体吸收谱线的频率，再计算延时，最后计算臂长差。本发明对非平衡干涉仪臂差测量精度高，测量装置结构简单，稳定性高重复好，特别适用于光纤干涉仪长距离臂长差的高精度测量。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明的基于扫频激光的光纤干涉仪臂长差测量装置结构原理图；
图2为光纤迈克尔逊光纤干涉仪结构图；
图3为光纤马赫曾德光纤干涉仪结构图；
图4为本发明实施例基于扫频激光的光纤干涉仪臂长差测量方法流程图；
图5为本发明实施例频率间隔的计算流程图；
图6为等频率间隔采样示意图；
图7为H13CN气体腔吸收谱线滤波示意图；
图8为H13CN气体腔吸收谱线横坐标计算示意图；
图9为H13CN气体腔吸收谱线横坐标与标准光频率线性拟合示意图。
图中：1为线性扫频激光器，2为光纤分束器，3H13CN气体腔，4为第一光电探测器，5为放大滤波电路，6为光隔离器，7为待测光纤干涉仪，8为光电探测器，9为数据采集卡，10为分析处理模块，11为H13CN气体腔光路，12为待测光纤干涉仪光路，13为光纤耦合器，14为待测光纤，15为第一法拉第旋转镜，16为第二法拉第旋转镜，17为光纤耦合器，18为待测光纤，19为光纤耦合器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面实施例结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明实施例的基于扫频激光的光纤干涉仪臂长差测量装置，如图1所示，该装置包括线性扫频激光器1、光纤分束器2、气体腔光路11、待测光纤干涉仪光路12、数据采集卡9和分析处理模块10：
所述线性扫频激光器，用于发出激光波长周期性线性变化的扫频激光；
所述光纤分束器，用于将扫频激光分为两路，分别进入气体腔光路和待测光纤干涉仪光路；
所述气体腔光路，用于对进入该气体腔光路的扫频激光进行选择性吸收，并产生气体吸收谱线。
所述待测光纤干涉仪光路，用于产生等频率间隔的拍频信号，并以此为频率基准，对气体腔光路的吸收谱线的电信号进行等频率间隔重采样。
所述数据采集卡，用于采集气体腔光路和待测光纤干涉仪光路的电压信号；
所述分析处理模块，用于对采集气体腔光路和待测光纤干涉仪光路的电压信号进行处理分析，计算气体腔吸收光谱中每两个点之间对应的光频域上的频率间隔，根据该频率间隔计算时延，最后根据时延计算待测光纤干涉仪光路的臂长差。
进一步地，所述气体腔光路包括顺次连接的特定气体腔3、第一光电探测器4、放大滤波电路5，所述特定气体腔与所述光纤分束器连接，所述放大滤波电路与所述数据采集卡连接。
所述待测光纤干涉仪光路包含光纤隔离器、待测光纤干涉仪、第二光电探测器；所述光纤隔离器的一端与所述光纤分束器连接，另一端与所述待测光纤干涉仪连接；所述第二光电探测器与所述数据采集卡连接；所述待测光纤干涉仪产生拍频光信号，并经过所述第二光电探测器转化成电压信号。
待测光纤干涉仪可以为迈克尔逊光纤干涉仪或者马赫曾德光纤干涉仪，对此本专利不做任何限定，只要是存在臂长差的干涉仪均可。
本发明实施例的基于扫频激光的光纤干涉仪臂长差测量方法，包括以下步骤：
S1、由线性扫频激光器发出的线性扫频激光经过光纤分束器分为两路，一路进入气体腔光路，一路进入待测光纤干涉仪光路；
S2、两路光分别产生气体腔吸收谱线信号和待测光纤干涉仪产生的等频率间隔的拍频信号；
S3、采集待测光纤干涉仪的拍频信号，并以其为频率基准，对气体腔光路的吸收谱线的电信号进行等频率间隔重采样；
S4、对采集的信号进行分析处理，计算气体腔吸收光谱中每两个点之间对应的光频域上的频率间隔，根据该频率间隔计算时延，最后根据时延计算待测光纤干涉仪光路的臂长差。
步骤S4中“计算气体腔吸收光谱中每两个点之间对应的光频域上的频率间隔”具体为：
S41、过滤气体腔吸收光谱的抖动；
S42、计算气体腔吸收光谱中所有特征吸收线对应的横坐标数值；
S43、将特征吸收线对应的光波长转化成光频率；
S44、将横坐标数值与光频率数值两组数据做线性拟合，线性拟合后的直线斜率为频率间隔。
本发明的一个较佳实施例中以H13CN气体腔为例进行如下具体说明。
本发明的工作原理是基于拍频干涉技术，利用数据采集卡采集待测光纤干涉仪产生的拍频干涉信号和H13CN气体腔光路的吸收光谱信号，再对H13CN气体腔光路的吸收光谱信号实现等频率间隔重采样。并对采集的数据进行处理，计算得出待测光纤干涉仪的臂差值。
基于拍频干涉技术是指：线性扫频激光器1发出激光波长周期性线性变化的激光，激光进入光纤分束器2分为两路光。一路进入H13CN气体腔光路11，一路进入待测光纤干涉仪光路12。
在H13CN气体腔光路11中，核心器件是H13CN气体腔3，本发明采用的是较为廉价的低压短光程(气体浓度低，光程短，气体吸收谱线浅)的H13CN气体腔。H13CN气体是一种普通的波长参考材料，吸收范围在1528和1562nm之间。如图8所示为H13CN气体吸收光谱图，吸收光谱图对应了不同波长特征吸收线。本发明以吸收光谱中间的41个特征吸收线(及R20和P20所有特征吸收线)为例进行阐述本发明装置和方法。H13CN气体腔的吸收光谱几乎不受温度和压强影响，特征吸收线的波长精度是±0.3pm。
在H13CN气体腔光路中11，扫频激光进入H13CN气体腔3，激光在气体腔中被H13CN气体选择性吸收，扫频激光经过气体腔后的光信号表征为气体吸收光谱。光信号经过第一光电探测器4后转化成电信号，由于常规低压短光程的H13CN气体吸收谱线的吸收深度低，并且激光器功率有一定抖动，因此H13CN气体吸收谱线容易淹没在激光器抖动噪声中，不方便进行气体吸收谱线对应的横坐标的计算。因此，需要对H13CN气体吸收谱线电压信号进行放大滤波处理，才能使得H13CN气体吸收谱线平坦，方便下一步计算。气体吸收谱线电压信号放大滤波后的电信号由数据采集卡9采集。
在待测光纤干涉仪光路12中，将待测光纤干涉仪接入待测光纤干涉仪光路。待测光纤干涉仪的两个端口，一端接光纤隔离器6，另一端与第二光电探测器8连接。以光纤迈克尔逊光纤干涉仪为例，如图2所示，扫频激光进入待测光纤干涉仪的a端口，再进入光纤干涉仪内部的2x2光纤耦合器13分为两路光，由c、d端口出射。待测光纤干涉仪的c、d端口均放置了法拉第旋转镜。出射光被c、d端口末端法拉第旋转镜反射沿路返回到光纤耦合器(2x2)并发生干涉。由于非平衡迈克尔逊光纤干涉仪c、d端口对应的光纤臂长不一致，因此c、d端口对应返回信号的光程不同，引入了时延。图2中c端口的待测光纤14，其与d端口的光纤存在臂长差。
待测光纤干涉仪还可以是马赫曾德干涉仪，如图3所示，待测马赫曾德光纤干涉仪的两个端口，一端接光纤隔离器6，另一端与第二光电探测器8连接。扫频激光进入待测光纤干涉仪的a端口，再进入光纤干涉仪内部的1x2光纤耦合器17分为两路光，一路光直接进入1x2光纤耦合器19，一路光经过待测光纤18，两路光在1x2光纤耦合器19合束并有b口出射，再进入第二光电探测器8。
在激光严格线性输出的情况下，线性扫频激光进入待测光纤干涉仪产生拍频干涉信号，拍频干涉的频率大小对应于不同的时延，而时延对应于两个光纤臂的光程差。因此可以计算拍频干涉信号的大小，从而计算出待测光纤干涉仪的臂差。
但是，扫频激光是非严格线性输出的，因此待测光纤干涉仪产生的拍频干涉信号随着光源的扫描速度变化而变化，得到的拍频干涉的频率大小是抖动的，是以某一频率为中心的变频正弦信号，从而测量的待测光纤干涉仪臂差是不准确的。
本发明提出的方法可以消除扫频激光的非线性带来的误差，实现精准待测光纤干涉仪臂差测量。
设d端口反射回来的电场强度为
E(t)＝αE0exp[jφ(t)] (1)
设c端口引入的时延为τ，则c端口由法拉第旋光镜反射回来的电场强度为：
E(t)＝βE0exp[jφ(t-τ)] (2)
两路光从2x2光纤耦合器13的b出口出射，进入第二光电探测器8，两路光在探测器表面发生干涉，电压强度可表示为：
U(t)＝U0{1+cos[φ(t)-φ(t-τ)+ψ]} (3)
对φ(t-τ)在τ处泰勒展开，得到
激光的瞬时频率可表示为：
因此，φ(t)-φ(t-τ)可表示为：
当激光扫描速度
与时延满足
关系时，公式6可忽略二阶及高阶项，对公式6化简带入公式3，可得：
U(t)＝U0{1+cos[2πv(t)τ+ψ]} (7)
公式7，以频率v(t)为变量，该函数是周期为
的正弦信号。
如图6所示，将采集到的H13CN气体吸收谱线图和待测光纤干涉仪的拍频干涉图画在一个坐标系上，则横坐标均是频率(或波长)，纵坐标均是电压值。
下一步则是对采集的H13CN气体吸收谱线电信号进行等频率间隔重采样。
等频域重采样过程是指：以采集到的待测光纤干涉仪的拍频信号作为等频率基准，在待测光纤干涉仪的拍频信号中，对信号的上升沿或者下降沿，进行过零点提点，已确保采集到的H13CN气体吸收谱线电信号两点之间的频率间隔是相同的。即，数据采集卡采集的H13CN气体腔吸收光谱信号在时域上不是均匀分布的，每两个连续点之前的时间间隔由于光源非线性存在而随机变动。但是在光频域上的间隔是等频率的，即连续的两个数据点之间的对应的光频率差是一致的。这便是等频率间隔重采样。
因此，本发明采用等频率间隔重采样的方法，如图6所示，结合H13CN气体腔作为标准光谱比对参照，实现严格意义的等频率间隔采样，来消除光源非线性带来的影响，实现光纤干涉仪臂差的高精度测量。
由公式7和图6可看出，相邻两个上升沿或者下降沿之间的频率间隔是
因此，只要计算出H13CN气体腔吸收光谱中每两个点之间对应的光频域上的频率间隔，再结合光纤干涉仪群速度便可计算出待测光纤的臂差。
计算出H13CN气体腔吸收光谱中每两个点之间对应的光频域上的频率间隔的方法是指：光纤干涉仪两臂延时差与频率间隔成反比，因此计算出频率间隔即可计算出光纤干涉仪两臂延时差，进而计算出光纤干涉仪的臂差。频率间隔的计算方法包括以下几个步骤：
Step1、H13CN气体腔吸收光谱消抖动。由于激光器的功率抖动，采集到的H13CN气体腔吸收光谱存在严重的上下抖动，影响特征吸收线的判别，虽然经过放大滤波电路处理，但是对无法完全消除抖动，需要软件算法进行二次滤波。如图7所示，软件滤波过程为：将采集的数据平滑降采样N倍，得到降点后的平滑吸收光谱。接着，对该数据进行N倍升采样，升采样的方式为连续升采样，得到数据点跟原始吸收光谱一致的平滑光谱。此光谱是原始光谱的慢变趋势，再将原始光谱减去原始光谱的慢变趋势，得到平坦的H13CN气体腔吸收光谱。
Step 2、把H13CN气体腔吸收光谱中R20和P20所有特征吸收线对应的光波长转化成光频率
Step 3、找出H13CN气体腔吸收光谱中R20和P20所有特征吸收线对应的横坐标数值，如图8所示。
Step 4、把H13CN气体腔吸收光谱中R20和P20所有特征吸收线对应的光波长转化成光频率。H13CN气体腔吸收光谱中R20和P20所有特征吸收线对应的横坐标数值与其对应的光频率一一对应，如图8所示。
Step 5、两组数据做线性拟合，如图9所示为线性拟合图，光频率(波长)为纵坐标，横坐标数值为横坐标。拟合得到的斜率的绝对值即为频率间隔Δω。
Step 6、得到频率间隔后，依据公式8，推算出时延，根据有效折射率，即可得到臂差值。
需要特别说明的是，本发明提供的技术适用于任意波长的扫频光源和气体吸收腔。只要激光输出波段与气体吸收腔的吸收谱线对应即可实现，例如o波段扫频光源与HF气体吸收腔匹配即可替换本发明的C+L波段扫频激光器和H13CN气体腔。
本发明适用于光纤迈克尔干涉仪测量，也同样适用于光纤马赫曾德干涉仪测量。
本发明也适用于空间光路迈克尔干涉仪和空间光路马赫曾德干涉仪。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于扫频激光的光纤干涉仪臂长差测量装置，其特征在于，该装置包括线性扫频激光器、光纤分束器、气体腔光路、待测光纤干涉仪光路、数据采集卡和分析处理模块；
所述线性扫频激光器，用于发出激光波长周期性线性变化的扫频激光；
所述光纤分束器，用于将扫频激光分为两路，分别进入气体腔光路和待测光纤干涉仪光路；
所述气体腔光路，用于对进入该气体腔光路的扫频激光进行选择性吸收，并产生气体吸收谱线；
所述待测光纤干涉仪光路，用于产生等频率间隔的拍频信号，并以此为频率基准，对气体腔光路的吸收谱线的电信号进行等频率间隔重采样；
所述数据采集卡，用于采集气体腔光路和待测光纤干涉仪光路的电压信号；
所述分析处理模块，用于对采集气体腔光路和待测光纤干涉仪光路的电压信号进行处理分析，计算气体腔吸收光谱中每两个点之间对应的光频域上的频率间隔，根据该光频域上的频率间隔计算时延，最后根据时延计算待测光纤干涉仪光路的臂长差；
其中“计算气体腔吸收光谱中每两个点之间对应的光频域上的频率间隔”具体为：
过滤气体腔吸收光谱的抖动；
计算气体腔吸收光谱中所有特征吸收线对应的横坐标数值；
将特征吸收线对应的光波长转化成光频率；
将横坐标数值与光频率数值两组数据做线性拟合，线性拟合后的直线斜率为频率间隔。
2.根据权利要求1所述的基于扫频激光的光纤干涉仪臂长差测量装置，其特征在于，所述气体腔光路包括顺次连接的特定气体腔、第一光电探测器、放大滤波电路，所述特定气体腔与所述光纤分束器连接，所述放大滤波电路与所述数据采集卡连接。
3.根据权利要求1所述的基于扫频激光的光纤干涉仪臂长差测量装置，其特征在于，所述待测光纤干涉仪光路包含光纤隔离器、待测光纤干涉仪、第二光电探测器；所述光纤隔离器的一端与所述光纤分束器连接，另一端与所述待测光纤干涉仪连接；所述第二光电探测器与所述数据采集卡连接；所述待测光纤干涉仪产生拍频光信号，并经过所述第二光电探测器转化成电压信号。
4.根据权利要求1所述的基于扫频激光的光纤干涉仪臂长差测量装置，其特征在于，待测光纤干涉仪为迈克尔逊光纤干涉仪或者马赫曾德光纤干涉仪。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的基于扫频激光的光纤干涉仪臂长差测量装置，其特征在于，所述气体腔光路为Ｈ1３ＣＮ气体腔光路或者HF气体吸收腔光路。
6.一种基于扫频激光的光纤干涉仪臂长差测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
由线性扫频激光器发出的线性扫频激光经过光纤分束器分为两路，一路进入气体腔光路，一路进入待测光纤干涉仪光路；
两路光分别产生气体腔吸收谱线信号和待测光纤干涉仪产生的等频率间隔的拍频信号；
采集待测光纤干涉仪的拍频信号，并以其为频率基准，对气体腔光路的吸收谱线的电信号进行等频率间隔重采样；
对采集的信号进行分析处理，计算气体腔吸收光谱中每两个点之间对应的光频域上的频率间隔，根据该光频域上的频率间隔计算时延，最后根据时延计算待测光纤干涉仪光路的臂长差；
其中步骤“计算气体腔吸收光谱中每两个点之间对应的光频域上的频率间隔”具体为：
过滤气体腔吸收光谱的抖动；
计算气体腔吸收光谱中所有特征吸收线对应的横坐标数值；
将特征吸收线对应的光波长转化成光频率；
将横坐标数值与光频率数值两组数据做线性拟合，线性拟合后的直线斜率为频率间隔。
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