CN113959472B - 一种具有双重差分结构的光纤位移检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有双重差分结构的光纤位移检测系统及方法，属于位移传感器领域，系统具体为：第一准直分光器将第一快轴偏振光反射且将第一慢轴偏振光透射至待测物体的第一端面；第二准直分光器将第二快轴偏振光反射且将第二慢轴偏振光透射至待测物体的第二端面；第二耦合器用于经待测物体第一端面反射的慢轴偏振光和经待测物体第二端面反射的慢轴偏振光发生慢轴干涉；且反射后的第一快轴偏振光和反射后的第二快轴偏振光发生快轴干涉；数据处理器将数字化的慢轴干涉相位和快轴干涉相位作差，通过相位差的变化获取待测物体的位移变化；本发明适用于低频段的高灵敏度位移传感，拓宽了基于光纤位移传感器的适用频段。

Description

一种具有双重差分结构的光纤位移检测系统及方法
技术领域
本发明属于位移传感器领域，更具体地，涉及一种具有双重差分结构的光纤位移检测系统及方法。
背景技术
位移是最基本的物理量之一，既容易检测，又有相对较高的检测精度，常被用于科学研究和工程应用等领域测量加速度、速度、压力、声波和引力波等参量。常见的位移传感检测方法有电容式、电感式、磁阻式和光学式等。其中，光纤位移传感器具有轻便、易安装连接、抗电磁干扰等优点，采用无源探头避免了有源器件对检验物体的电磁干扰。同时，无源传感探头与信号处理单元完全分离，有效降低器械故障带来的维修成本，从而适用于各种复杂恶劣的环境。
根据探测的光参量不同，可将光纤位移传感分为强度调制型和相位调制型两大类，基于光干涉原理的相位调制型具有高的测量精度和范围，被广泛地应用于位移传感器中。相位调制型的光纤位移传感的工作原理是：含反射面的检验物体发生位移变化导致信号光干涉臂的光程发生变化，进而影响干涉信号的相位，通过测量相位变化得到位移信息。
随着各项技术的发展，为推进深海、深地和深空等区域的精密探测，相应的位移传感器也需要在全频带实现高灵敏度。目前，常采用光学调频技术以克服温度漂移等环境扰动以及电子器件带来的噪声，提高探测的灵敏度。现有文献提出利用F-P结构度端面光程变化敏感的特点，结合光频相位载波调制技术，增加了探测灵敏度，然而该系统中内电流调频引入伴生调幅会限制测量精度。外差调制法是另一种常用调频技术，通过驱动环路中的声光调制器使光频率发生变化，将待测干涉信号调制到中高频。现有文献提供在外差调制的基础上，利用传感光纤上布拉格光栅的反射光作为基准信号，解调基准干涉与测量干涉信号相位的差值变化得到声波信号；共光源及部分光路的设计抑制了光强度不稳定和环境波动的噪声，但为区分基准信号与测量信号需采用较长的延迟光纤，从而引入较大的激光频率噪声以及环境噪声，导致低频灵敏度差，难以满足全频带高分辨率位移测量。针对光纤引入的噪声，现有技术提供了一种应变与温度同时测量的保偏光纤干涉，通过共光路的两个快轴和慢轴干涉信号相位差分，降低了光纤带来的共模噪声，然而该现有技术侧重于利用两个干涉信号对温度和应变的不同响应实现双参量测量，为放大温度效应，光纤臂长差一般大于1m，从而无法对频率噪声进行完全抑制，且该现有技术没有对位移检测模块带来的额外噪声进行考虑。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种具有双重差分结构的光纤位移检测系统及方法，旨在解决现有的光纤位移检测系统中低频位移探测灵敏度低的问题。
为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种具有双重差分结构的光纤位移检测系统，包括：光源模块、第一环形器、第一准直分光器、第二准直分光器、第二环形器、第二耦合器、偏振分束器、第一探测器、第二探测器和数据处理器；
光源模块用于提供第一光路与第二光路；第一光路和第二光路中均同时传输快轴和慢轴正交偏振光；第一光路和第二光路的输出端分别与第一环形器的 a端口和第二环形器的a端口相连；第一环形器和第二环形器的b端口分别连接第一准直分光器和第二准直分光器，其c端口分别接入第二耦合器的B端口和C端口；第二耦合器的A端口与偏振分束器的输入端相连；偏振分束器的第一输出端和第二输出端分别与第一探测器和第二探测器的输入端相连；第一探测器和第二探测器的输出端与数据处理器的输入端相连；
第一准直分光器用于将第一快轴偏振光反射且将第一慢轴偏振光透射至待测物体的第一端面；并将经待测物体第一端面反射的慢轴偏振光与反射后的第一快轴偏振光传输至第二耦合器；
第二准直分光器用于将第二快轴偏振光反射且将第二慢轴偏振光透射至待测物体的第二端面；并将经待测物体第二端面反射的慢轴偏振光与反射后的第二快轴偏振光传输至第二耦合器；
第二耦合器用于经待测物体第一端面反射的慢轴偏振光和经待测物体第二端面反射的慢轴偏振光发生慢轴干涉；且反射后的第一快轴偏振光和反射后的第二快轴偏振光发生快轴干涉；
偏振分束器用于将慢轴干涉和快轴干涉分离；第一探测器用于接收慢轴干涉信号；第二探测器用于接收快轴干涉信号；数据处理器用于将慢轴干涉信号和快轴干涉信号转换为数字信号，且将数字化的慢轴干涉相位和快轴干涉相位作差，通过相位差的变化获取待测物体的位移变化；其中，待测物体的第一端面与第二端面平行，且待测物体与第一准直分光器和第二准直分光器的出射面平行。
优选地，光源模块包括检测光源、隔离器、第一耦合器、第一移频器、第二移频器；
检测光源的输出端与隔离器的输入端相连；隔离器的输出端与第一耦合器的A端口相连；第一耦合器的B端口与C端口分别与第一移频器和第二移频器的输入端相连；第一移频器和第二移频器分别以θ°熔接至第一环形器和第二环形器；
检测光源用于提供单一频率的光束；
隔离器用于用于产生单一的线偏振光；
第一耦合器用于将线偏振光分成两路光束；
第一移频器和第二移频器用于分别调节第一光路和第二光路中光束的频率，减少两路光路因干涉产生的频率差。
优选地，第一准直分光器包括第一带保偏尾纤的GRIN透镜和第一偏振分光棱镜；
第一带保偏尾纤的GRIN透镜包括切斜八角度的第一陶瓷端面和第一传感光纤；
第一偏振分光棱镜包括镀高内反膜的第一反射端面和出射慢轴偏振光的第一透镜端面；
第二准直分光器包括第二带保偏尾纤的GRIN透镜和第二偏振分光棱镜；
第二带保偏尾纤的GRIN透镜包括切斜八角度的第二陶瓷端面和第二传感光纤；
第二偏振分光棱镜包括镀高内反膜的第二反射端面和出射慢轴偏振光的第二透镜端面；
切斜八角度的第一陶瓷端面和第二陶瓷端面分别用于防止第一传感光纤和第二传感光纤尾端激光直接反射回光纤中；镀有高内反膜的第一反射端面和第二反射端面用于将快轴光反射，且慢轴光透射。
优选地，待测物体的第一端面与第一准直分光器间的空间为第一空间，对应的距离为空间值；待测物体的第二端面与第二准直分光器间的空间为第二空间，对应的距离为第二空间值；
第一空间和第二空间的填充物质为空气；第一空间值为0～1m；第二空间值为0～1m。
优选地，检测光源为窄线宽光纤激光器。
优选地，0<θ°<90°。
优选地，第一耦合器和第二耦合器均为双轴工作的保偏光纤耦合器。
优选地，第一环形器和第二环形器均为双轴工作的保偏环形器。
另一方面，基于上述具有双重差分结构的光纤位移检测系统，本发明提供了相应的光纤位移检测方法，包括以下步骤：
第一快轴偏振光在第一准直分光器中反射，第一慢轴偏振光透射至待测物体的第一端面；
第二快轴偏振光在第二准直分光器中反射，第二慢轴偏振光透射至待测物体的第二端面；
待测物体的第一端面对第一慢轴偏振光进行反射；
待测物体的第二端面对第二慢轴偏振光进行反射；
经待测物体第一端面反射的慢轴偏振光和经待测物体第二端面反射的慢轴偏振光发生慢轴干涉；且反射后的第一快轴偏振光和反射后的第二快轴偏振光发生快轴干涉；
将慢轴干涉和快轴干涉分离并接收；
将慢轴干涉信号和快轴干涉信号转换为数字信号，且将数字化的慢轴干涉相位和快轴干涉相位作差，通过相位差的变化获取待测物体的位移变化。
优选地，第一快轴偏振光、第一慢轴偏振光、第二快轴偏振光和第二慢轴偏振光的获取方法为：
对于单一频率的光束进行偏振化处理，获取线偏振光；
将线偏振光分成第一光束与第二光束，分别位于第一光路与第二光路；
对第一光束和第二光束分别进行移频；
移频后的第一光束经θ°熔接产生第一快轴偏振光和第一慢轴偏振光；
移频后的第二光束经θ°熔接产生第二快轴偏振光和第二慢轴偏振光。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明中一方面，待测物体的第一端面和第二端面的两侧分别设置有第一准直分光器和第二准直分光器，构建为差分结构；当待测物体发生移动时，第一空间值、第二空间值发生变化，变化的绝对值相等，方向相反，两者差分不仅有效扣除待测物体受外界环境导致的共模噪声，而且让探测灵敏度增加一倍。另一方面，第一准直分光器和第二准直分光器中镀有高反射率内反膜，快轴方向的光直接被反射回光纤中，仅有慢轴方向的光能够透射出准直分光器携带位移信息反射回光纤中，将两正交偏振态的干涉信号作差，在消除共光路噪声的前提下，可以保留所需的位移信号，可进一步提升探测的精准度。
本发明中第一移频器和第二移频器分别以θ°熔接至第一环形器和第二环形器，可以实现同一根光纤实现两个正交偏振光共同传输，实现一个干涉系统中包含快轴和慢轴两个干涉信号。由于两个干涉信号完全共光路，两者作差可以有效扣除光源、移频器和外界环境对光纤带来的噪声。
本发明中光源模块利用两个移频器对两路光信号分别移动不同频率量以降低外差频率值，保证该项参数与空气折射率、光纤折射率差和干涉臂长差等改变量相乘引入的相位噪声忽略不计。
本发明中通过控制第二耦合器中两路干涉光纤的臂长差值，可以因控制光源频率噪声以及光纤折射率差等改变引入的相位噪声，从而对系统的测量精度实现精准调控。
附图说明
图1是本发明实施例提供的光纤位移检测系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的位移检测模块的结构示意图；
图3是本发明实施例中45°熔接的两根光纤截面示意图；
图4是本发明实施例提供的位移检测系统的各模块噪声归纳图；
标记说明：
1、光源模块；2、检测光源；3、隔离器；4、第一耦合器；5、第一移频器； 6、第二移频器；7、第一环行器；8、第二环形器；9、第二耦合器；10、位移检测模块；11、第一准直分光器；12、第二准直分光器、13、待测物体；14、偏振分束器；15、第一探测器；16、第二探测器；17、采集解调模块；18、DAQ。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明针对现有光纤位移检测系统中低频段探测灵敏度不足的问题，提供了一种具有双重差分结构的光纤位移检测系统及方法；
一方面，图1为实施例提供的位移检测系统示意图；光纤位移检测系统包括位移检测模块10、光源模块1、光学模块以及采集解调模块17；
其中，位移检测模块10包括：第一准直分光器11和第二准直分光器12；待测物体13置于第一准直分光器11和第二准直分光器12之间；待测物体13 两侧含有相互平行的第一端面和第二端面，第一端面与第一准直分光器11之间为第一空间，第二端面与第二准直分光器11之间为第二空间；第一准直分光器 11、第一空间与第一端面并称为第一位移检测单元；第二准直分光器12、第二空间与第二端面并称为第二位移检测单元；第一端面与第一准直分光器11出射端面平行且垂直距离为第一空间值，第二端面与第二准直分光器11出射端面平行且垂直距离为第二空间值，待测物体发生移动，第一位移检测单元与第二位移检测单元探测到的位移大小相等，方向相反；此外，第一准直分光器11、第二准直分光器12均可实现慢轴光透射以及快轴光反射；透射的慢轴光经待测物体反射回光纤中携带位移信息，直接反射回光纤的快轴光不含有位移信息；
光源模块1包括检测光源2、隔离器3、第一耦合器4、第一移频器5以及第二移频器6；第一耦合器4的A端口通过隔离器3与检测光源2连接；第一耦合器4的B端口连接第一移频器5；第一耦合器4的C端口连接第二移频器，其中，检测光源2出射光场可表示为：
E0(t)＝A0cos(2πf0t+φ0)
其中，t为测量时刻，A0、f0、φ0分别为出射光的振幅、频率、初始相位；
经第一移频器5、第二移频器6后的光场可分别表示为：
EAOM1(t)＝AAOM1cos(2πf1t+φ0+φAOM1)
EAOM2(t)＝AAOM2 cos(2πf2t+φ0+φAOM2)
其中，AAOM1和f1分别为经第一移频器5后光的振幅和频率；AAOM2和f2分别为经第二移频器6后光的振幅和频率；φAOM1和φAOM2分别为第一移频器5和第二移频器6带来的光相位变化；
隔离器3为快轴截止的保偏光纤隔离器，用于产生单一的线偏振光，结合光源模块1与光学模块之间的θ°熔接，可以在同一根光纤中实现快轴和慢轴两个正交偏振光的同时传输；
光学模块包括第一环行器7、第二环形器8、第二耦合器9和偏振分束器 14；其中，第一环形器7的a端口入射光经b端口输出，b端口入射光经c端口输出；第一环形器7的a端口连接光源模块1中的第一移频器5，其b端口连接第一位移检测单元中的第一准直分光器11，其c端口连接第二耦合器9的 B端口；第二环形器8的a端口入射光经b端口输出，b端口入射光经c端口输出；第二环形器8的a端口连接光源模块1中的第二移频器6，其b端口连接第二位移检测模块中的第二准直分光器12，其c端口连接第二耦合器9的C端口；
第一慢轴光、第一快轴光分别经第一位移检测单元反射回光纤中达到第二耦合器9的B端口，光场可分别表示为：
Figure BDA0003308347540000081
Figure BDA0003308347540000082
第二慢轴光、第二快轴光分别经第二位移检测模块反射回光纤中到达第二耦合器9的C端口，光场可分别表示为：
Figure BDA0003308347540000083
Figure BDA0003308347540000084
其中，c是光速，n是第一空间和第二空间填充物质的折射率，nS是光纤慢轴折射率，nF是光纤快轴折射率，l1、l2分别是频率为f1、f2的两束光经过干涉光纤的长度，AS1、AF1、AS2、AF2分别是第一慢轴光、第一快轴光、第二慢轴光以及第二慢轴光的幅度，d1(t)、d2(t)分别是随时间变化的第一空间值和第二空间值；
第二耦合器9处第一慢轴光与第二慢轴光发生干涉；第一快轴光与第二快轴光发生干涉；慢轴干涉信号被第一探测器15接收，快轴干涉信号被第二探测器16接收，经DAQ(Data Acquisition数据采集)和上位机19解调处理后，得到的慢轴干涉相位和快轴干涉相位分别为：
Figure BDA0003308347540000091
Figure BDA0003308347540000092
慢轴、快轴干涉相位作差得：
Figure BDA0003308347540000093
其中，Δf＝f1-f2为干涉光频率差；nS-nF为光纤双折射率差；
由上述推导可知，经准直分光器特殊设计，仅有慢轴干涉光中含有位移信息；经位移检测模块差分结构设计，位移探测灵敏度增大一倍，待测物体共模噪声得到抑制；经慢轴、快轴干涉相位差分，光源和声光调制器波动带来的相位噪声以及由光纤受环境影响引入的相位噪声得到抑制，其中，光纤环境噪声主要是通过相位式中光纤折射率这一参量变为光纤双折射率差(nS-nF： 10-3～10-4)实现。
最后，通过解调相位差的变化可以得到待测物体位移的变化。
然而，除位移改变能导致相位差变化外，由上式可以看出，填充物质折射率、出射光频率、光纤折射率差以及光纤臂长差等发生变化均会引入相位噪声，因此，可通过调节臂长差和干涉频率差，以调节位移检测灵敏度。
图2是本发明实施例的位移检测模块的一种具体实施方式结构图；如图2 所示，位移检测模块包括：第一准直分光器11和第二准直分光器12；待测物体13含有第一端面13a和第二端面13b；
第一准直分光器11由第一带保偏尾纤的GRIN透镜11b和第一偏振分光棱镜11c构成，第一带保偏尾纤的GRIN透镜11b含有切斜八度角的第一陶瓷端面11f和第一传感光纤11e，第一偏振分光棱镜11c含有镀高内反膜的第一反射端面11d和出射慢轴偏振光的第一透镜端面11a；
第二准直分光器12由第二带保偏尾纤的GRIN透镜12b和第二偏振分光棱镜12c构成，第二带保偏尾纤的GRIN透镜12b含有切斜八度角的第二陶瓷端面12f和第二传感光纤12e；第二偏振分光棱镜12c含有镀高内反膜的第二反射端面12d和出射慢轴偏振光的第二透射端面12a；切斜八度的陶瓷端面可防止传感光纤尾端激光直接反射回光纤中影响干涉结果，镀有高内反膜的端面能将快轴光经准直分光器反射回光纤中，慢轴光会透射出准直分光器经待测物体反射回光纤中；
优选地，待测物体的第一端面和第二端面镀有反射面或反射膜；其反射率为0.04～1；第一空间和第二空间的填充物质为空气，其折射率n为1.0003；第一空间值为0～1m；第二空间值为0～1m；此外，两个空间中还可以填充别的物质，且空间间距值可以取更大值。
优选地，检测光源2为窄线宽光纤激光器，或其他频率噪声低的激光器；
优选地，第一移频器和第二移频器均为声光调制器；经第一移频器后的光频率为f1，经第一移频器移频后的光频率为f2，两束光的频率差Δf＝f1-f2为 10kHz～200MHz远小于激光频率，通过降低频率差使干涉相位差中
Figure BDA0003308347540000101
Figure BDA0003308347540000102
远小于其余两项，带来的噪声可忽略不计。
优选地，位移传感系统中两路干涉光的光纤臂长差为＞0m，通过控制光纤臂长差可对干涉相位差中
Figure BDA0003308347540000103
这一项中因光纤双折射率差、光频率、光纤臂长差等变化带来的相位噪声进行控制。
优选地，θ°熔接中90＞θ＞0，用于在一根光纤中实现两个正交偏振光。
优选地，第一耦合器和第二耦合器均为双轴工作的保偏光纤耦合器，可以通过正交偏振光，且分光比设置为50：50。
优选地，第一环行器和第二环行器均为双轴工作的保偏环行器，可保证慢轴、快轴光同时通过。
优选地，采集解调系统17采用数字互相关解调法对测量到的快、慢轴外差干涉信号进行解调得到快、慢轴干涉相位，记录待测物体第一时刻系统测得的快、慢轴相位差为初始相位差，记录待测物体第T时刻系统测得的快、慢轴相位差为T时相位差，通过计算T时相位差与初始相位差的差值得到变化的相位值，进一步可得出待测物体变化的位移值。
另一方面，基于上述具有双重差分结构的光纤位移检测系统，本发明提供了相应的光纤位移检测方法，包括以下步骤：
第一快轴偏振光在第一准直分光器中反射，第一慢轴偏振光透射至待测物体的第一端面；
第二快轴偏振光在第二准直分光器中反射，第二慢轴偏振光透射至待测物体的第二端面；
待测物体的第一端面对第一慢轴偏振光进行反射；
待测物体的第二端面对第二慢轴偏振光进行反射；
经待测物体第一端面反射的慢轴偏振光和经待测物体第二端面反射的慢轴偏振光发生慢轴干涉；且反射后的第一快轴偏振光和反射后的第二快轴偏振光发生快轴干涉；
将慢轴干涉和快轴干涉分离并接收；
将慢轴干涉信号和快轴干涉信号转换为数字信号，且将数字化的慢轴干涉相位和快轴干涉相位作差，通过相位差的变化获取待测物体的位移变化。
优选地，第一快轴偏振光、第一慢轴偏振光、第二快轴偏振光和第二慢轴偏振光的获取方法为：
对于单一频率的光束进行偏振化处理，获取线偏振光；
将线偏振光分成第一光束与第二光束，分别位于第一光路与第二光路；
对第一光束和第二光束分别进行移频；
移频后的第一光束经θ°熔接产生第一快轴偏振光和第一慢轴偏振光；
移频后的第二光束经θ°熔接产生第二快轴偏振光和第二慢轴偏振光。
实施例
窄线宽光纤激光器出射光频率为193.5THz(对应光波长为1550nm)；θ°熔接为45°，如图3所示为实施例中45°熔接的两根光纤截面示意图，通过 45°熔接能让一根光纤中单偏振的光分成功率为1:1的两束正交偏振光；第一移频器的移频量为80.01MHz，第二移频器的移频量为80MHz，从隔离器中传输出的两干涉光的移频差Δf为10kHz；第一空间值在初始时刻为3mm，第二空间值在初始时刻为2mm；频率f1的光经过的光纤长度l1为10.001m，频率f2的光经过的光纤长度l2为10m，所用保偏光纤慢轴折射率nS为1.4483，快轴折射率nF为1.4478，光纤双折射率差nS-nF为5×10-4，两路光纤臂长差为1mm；令待测物体位移第一时刻(1s)变化为Δd＝1pm，测量到的相位差
Figure BDA0003308347540000121
带入相关参数
Figure BDA0003308347540000122
按示例中各项参数，初始时刻不考虑噪声影响，相位差中
Figure BDA0003308347540000123
各项大小分别为8.11×103rad、1.26×10-6rad、2.03rad、1.05×10-6rad，其中，含有频率差Δf的第二项和第四项远小于其余两项，这两项等效位移小于1pm，因而受环境影响带来的位移噪声远小于1pm，可以忽略不计，通过降低频率差使得部分相位噪声可忽略。其余两项中空气折射率、激光频率、光纤双折射率差、光纤臂长差的改变会引入相位噪声，影响位移测量精度。
相位差中空气折射率受温度和压强的影响会引入相位噪声，忽略二氧化碳浓度和空气湿度等影响，标准大气压和室温下干燥空气折射率满足：
Figure BDA0003308347540000124
求微分得：
Figure BDA0003308347540000125
因而由温度和气压影响空气折射率导致的相位噪声可以表示为：
Figure BDA0003308347540000131
其中，P＝101325Pa为当前大气压强，T＝298.15K为当前室温，
Figure BDA0003308347540000132
为气压的变化量，
Figure BDA0003308347540000133
为温度的变化量，求得空气折射率变化引入的相位噪声为
Figure BDA0003308347540000134
等效位移噪声
Figure BDA0003308347540000135
相位差中激光器频率波动引入相位噪声，所用窄线宽光纤激光器的频率波动为
Figure BDA0003308347540000136
其导致的相位噪声
Figure BDA0003308347540000137
等效位移噪声
Figure BDA0003308347540000138
相位差中光纤折射率差受外界环境影响发生变化引入相位噪声，例如光纤折射率受温度影响发生改变称为热光效应，热光系数可表示为：
Figure BDA0003308347540000139
示例中保偏光纤慢轴折射率的热光系数为εS＝8.30×10-6/℃，快轴折射率的热光系数为εF＝8.85×10-6/℃，光纤折射率差的热光系数为εS-εF＝-0.55×10-6/℃，其导致的相位噪声
Figure BDA00033083475400001310
等效位移噪声
Figure BDA00033083475400001311
相位差中光纤臂长差受外界环境影响发生变化引入相位噪声，例如光纤臂长受温度影响发生改变称为热膨胀效应，热光系数可表示为：
Figure BDA00033083475400001312
示例中保偏光纤的热膨胀系数为α＝5×10-7/℃，引入相位噪声
Figure BDA00033083475400001313
等效位移噪声
Figure BDA0003308347540000141
由上述推导计算可以得出：位移检测模块中差分结构设计降低了相位差中第一项的空间值之差d1(t)-d2(t)有效抑制待测物体共模噪声，同时增大待测位移灵敏度；光学模块中控制干涉光纤臂长差l1-l2实现对相位差中第三项各项噪声的控制。
经测量，所用采集解调系统相位噪声
Figure BDA0003308347540000142
等效位移噪声
Figure BDA0003308347540000143
按照示例中各参数，计算得到的等效位移噪声为
Figure BDA0003308347540000144
该系统在标准大气压和室温下条件下，等效位移噪声
Figure BDA0003308347540000145
其位移测量灵敏度可达
Figure BDA0003308347540000146
有效提高了光纤位移传感器在低频段的探测灵敏度。将上述噪声进行总结归纳得到图4，图4为本发明示例中位移检测系统的噪声归纳图。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有双重差分结构的光纤位移检测系统，其特征在于，包括：光源模块、第一环形器、第一准直分光器、第二准直分光器、第二环形器、第二耦合器、偏振分束器、第一探测器、第二探测器和数据处理器；
所述光源模块用于提供第一光路与第二光路，两光路均同时传输快轴和慢轴正交偏振光；第一环形器和第二环形器的a端口分别连接第一光路和第二光路的输出端，其b端口分别连接第一准直分光器和第二准直分光器，其c端口分别接入第二耦合器的B端口和C端口；第二耦合器的A端口与偏振分束器的输入端相连；偏振分束器的第一输出端和第二输出端分别与第一探测器和第二探测器的输入端相连；
所述第一准直分光器用于将第一快轴偏振光反射且将第一慢轴偏振光透射至待测物体的第一端面；并将经待测物体第一端面反射的慢轴偏振光与反射后的第一快轴偏振光传输至第二耦合器；第二准直分光器用于将第二快轴偏振光反射且将第二慢轴偏振光透射至待测物体的第二端面；并将经待测物体第二端面反射的慢轴偏振光与反射后的第二快轴偏振光传输至第二耦合器；
所述第二耦合器用于将经待测物体第一端面反射的慢轴偏振光和经待测物体第二端面反射的慢轴偏振光发生慢轴干涉；且将第一准直分光器反射后的第一快轴偏振光和经第二准直分光器反射的第二快轴偏振光发生快轴干涉；
所述数据处理器用于通过计算慢轴干涉和快轴干涉间的相位差变化，获取待测物体的位移变化；其中，待测物体的第一端面与第二端面平行，且待测物体与第一准直分光器和第二准直分光器的正对的出射面平行；
所述光源模块包括检测光源、隔离器、第一耦合器、第一移频器、第二移频器；
所述检测光源的输出端与所述隔离器的输入端相连；所述隔离器的输出端与所述第一耦合器的A端口相连；所述第一耦合器的B端口与C端口分别与所述第一移频器和所述第二移频器的输入端相连；所述第一移频器和所述第二移频器分别以θ°熔接至所述第一环形器和所述第二环形器；
所述检测光源用于提供单一频率的光束；
所述隔离器用于用于产生单一的线偏振光；
所述第一耦合器用于将线偏振光分成两路光束；
所述第一移频器和所述第二移频器用于分别调节所述第一光路和所述第二光路中光束的频率，减少两路光路因干涉产生的频率差；
其中，0<θ°<90°；所述第一耦合器和所述第二耦合器均为双轴工作的保偏光纤耦合器；所述第一环形器和所述第二环形器均为双轴工作的保偏环形器。
2.根据权利要求1所述的光纤位移检测系统，其特征在于，所述第一准直分光器包括第一带保偏尾纤的GRIN透镜和第一偏振分光棱镜；
所述第一带保偏尾纤的GRIN透镜包括切斜八角度的第一陶瓷端面和第一传感光纤；
所述第一偏振分光棱镜包括镀高内反膜的第一反射端面和出射慢轴偏振光的第一透镜端面；
所述第二准直分光器包括第二带保偏尾纤的GRIN透镜和第二偏振分光棱镜；
所述第二带保偏尾纤的GRIN透镜包括切斜八角度的第二陶瓷端面和第二传感光纤；
所述第二偏振分光棱镜包括镀高内反膜的第二反射端面和出射慢轴偏振光的第二透镜端面；
切斜八角度的第一陶瓷端面和第二陶瓷端面分别用于防止第一传感光纤和第二传感光纤尾端激光直接反射回光纤中；镀有高内反膜的第一反射端面和第二反射端面用于将快轴光反射，且慢轴光透射。
3.根据权利要求1所述的光纤位移检测系统，其特征在于，待测物体的第一端面与第一准直分光器间的空间为第一空间，第一端面与第一准直分光器间的距离值为第一空间值；待测物体的第二端面与第二准直分光器间的空间为第二空间，第二端面与第二准直分光器间的距离值为第一空间值；
第一空间和第二空间的填充物质为空气；第一空间值为0～1m；第二空间值为0～1m。
4.根据权利要求1所述的光纤位移检测系统，其特征在于，所述检测光源为窄线宽光纤激光器。
5.基于权利要求1所述的具有双重差分结构的光纤位移检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一快轴偏振光在第一准直分光器中反射，第一慢轴偏振光透射至待测物体的第一端面；
第二快轴偏振光在第二准直分光器中反射，第二慢轴偏振光透射至待测物体的第二端面；
所述待测物体的第一端面对第一慢轴偏振光进行反射；
所述待测物体的第二端面对第二慢轴偏振光进行反射；
经待测物体第一端面反射的慢轴偏振光和经待测物体第二端面反射的慢轴偏振光发生慢轴干涉；且反射后的第一快轴偏振光和反射后的第二快轴偏振光发生快轴干涉；
将所述慢轴干涉和所述快轴干涉分离并接收；
将所述慢轴干涉信号和所述快轴干涉信号转换为数字信号，且将数字化的慢轴干涉相位和快轴干涉相位作差，通过相位差的变化获取待测物体的位移变化。
6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，所述第一快轴偏振光、第一慢轴偏振光、第二快轴偏振光和第二慢轴偏振光的获取方法为：
对于单一频率的光束进行偏振化处理，获取线偏振光；
将线偏振光分成第一光束与第二光束，分别位于第一光路与第二光路；
对第一光束和第二光束分别进行移频；
移频后的第一光束经θ°熔接产生第一快轴偏振光和第一慢轴偏振光；
移频后的第二光束经θ°熔接产生第二快轴偏振光和第二慢轴偏振光。
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5841536A (en) * 1997-08-01 1998-11-24 The United States Of America As Represented By The Director Of The National Security Agency Polarization interferometer apparatus using the polarization dependent phase lag in a birefringent retarder
WO2008018079A2 (en) * 2006-08-09 2008-02-14 Mellitor Ltd Polarimeter based on a mach-zehnder interferometer
CN102022977A (zh) * 2010-10-26 2011-04-20 中国航天科工集团第三研究院第八三五八研究所 双轴mems扫描的外差干涉系统及方法
JP2011112358A (ja) * 2009-11-24 2011-06-09 Canon Inc 干渉計、収差測定方法及び収差測定システム
CN108955857A (zh) * 2018-06-29 2018-12-07 余姚舜宇智能光学技术有限公司 一种基于光纤的外差干涉光路结构和激光测振仪
CN111256583A (zh) * 2020-02-03 2020-06-09 暨南大学 一种差分自混合干涉测量系统及方法
CN112484648A (zh) * 2020-11-18 2021-03-12 北京华卓精科科技股份有限公司 外差光纤干涉仪位移测量系统及方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107894245B (zh) * 2017-12-11 2020-01-17 哈尔滨工程大学 一种应变与温度同时测量的保偏光纤干涉仪
CN112525373B (zh) * 2020-11-10 2023-05-12 广东工业大学 一种基于双波长保偏光纤干涉仪的应变温度同时测量装置

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5841536A (en) * 1997-08-01 1998-11-24 The United States Of America As Represented By The Director Of The National Security Agency Polarization interferometer apparatus using the polarization dependent phase lag in a birefringent retarder
WO2008018079A2 (en) * 2006-08-09 2008-02-14 Mellitor Ltd Polarimeter based on a mach-zehnder interferometer
JP2011112358A (ja) * 2009-11-24 2011-06-09 Canon Inc 干渉計、収差測定方法及び収差測定システム
CN102022977A (zh) * 2010-10-26 2011-04-20 中国航天科工集团第三研究院第八三五八研究所 双轴mems扫描的外差干涉系统及方法
CN108955857A (zh) * 2018-06-29 2018-12-07 余姚舜宇智能光学技术有限公司 一种基于光纤的外差干涉光路结构和激光测振仪
CN111256583A (zh) * 2020-02-03 2020-06-09 暨南大学 一种差分自混合干涉测量系统及方法
CN112484648A (zh) * 2020-11-18 2021-03-12 北京华卓精科科技股份有限公司 外差光纤干涉仪位移测量系统及方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
外差干涉仪非线性误差补偿抑制与测量研究进展;张鹏 等;《激光与光电子学进展》;20210630;第58卷(第11期);1100003-1至1100003-13 *

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