CN114858052B - 基于虚拟参考腔和游标效应的高灵敏大范围干涉测量方法 - Google Patents

Abstract

基于虚拟参考腔和游标效应的高灵敏大范围干涉测量方法，涉及光学信号处理领域。包括以下步骤：1)确定传感干涉仪的自由光谱宽度和腔长；2)确定参考干涉仪的腔长；3)确定测量过程中的灵敏度放大因子；4)大范围测量时，传感干涉仪的腔长与虚拟参考干涉仪的腔长的差增大，当灵敏度放大因子下降到预先设定的最小值时，调整虚拟参考干涉仪的腔长，使恢复到初始值；5)重复步骤4)，直至测量结束。基于数值仿真构造虚拟参考干涉仪，不受环境因素和被测物理量的影响而发生变化，极大地简化系统结构，降低成本、提高稳定性；保证传感干涉仪在大范围测量时，传感系统始终保持很高的灵敏度，实现方式灵活可靠。

Description

基于虚拟参考腔和游标效应的高灵敏大范围干涉测量方法

技术领域

本发明涉及光学信号处理领域，具体是涉及一种基于虚拟参考腔和游标效应的高灵敏大范围干涉测量方法。

背景技术

游标效应最初应用于游标卡尺以提高长度测量的分辨率。近年来，随着对干涉式光学传感器灵敏度提升需求的增加，应用游标效应实现不同物理量高灵敏度的干涉式光学传感和测量受到广泛的关注。基于游标效应的测量原理是在测量系统中构建两个自由光谱范围(FSR)相差很小的光学干涉仪，其中一个为测量干涉仪，另一个为参考干涉仪。通过检测这两个干涉仪叠加光谱包络的峰或谷值对应波长随被测物理量的移动，与仅采用单个干涉仪测量得到的结果相比，这种基于游标效应的测量灵敏度可以得到显著提升。

常规基于游标效应的传感测量方案需要制作两个FSR相差很小的干涉仪。但在实际中精确制作两个FSR相差很小的干涉仪有较大难度；同时，在测量过程中避免参考干涉仪受到环境和被测物理量的影响而发生变化也是十分困难的；另外，实际应用中采用固定FSR的参考干涉仪遇到的最大问题是，在大范围测量时当传感干涉仪的FSR与参考干涉仪的FSR相差较大，基于双干涉仪光谱叠加引入游标效应带来的灵敏度提升效果将急剧下降甚至消失，使游标效应在大范围测量中无法发挥作用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供可保证传感干涉仪在大范围测量时，传感系统始终保持很高灵敏度的基于虚拟参考腔和游标效应的高灵敏大范围干涉测量方法。

本发明包括以下步骤：

1)确定传感干涉仪的自由光谱宽度FSR_S和腔长L_S；

2)确定参考干涉仪的腔长L_R；

3)确定测量过程中的灵敏度放大因子M；

4)大范围测量时，传感干涉仪的腔长L_S与虚拟参考干涉仪的腔长L_R的差增大，当灵敏度放大因子M下降到预先设定的最小值M_min时，则调整虚拟参考干涉仪的腔长L_R，使灵敏度放大因子M恢复到初始值；

5)重复步骤4)，直至测量结束。

在步骤1)中，所述确定传感干涉仪的自由光谱宽度FSR_S和腔长L_S的具体步骤可为：根据传感干涉仪的光谱测量数据，可得光谱中两个相邻峰或谷值的波长λ₁和λ₂，根据腔内介质的折射率n和式(1)计算出传感干涉仪的自由光谱宽度FSR_S和腔长L_S：

在步骤2)中，所述确定参考干涉仪的腔长L_R的具体步骤可为：根据所用光谱仪的最大波长可测范围MMR和式(2)，得到虚拟参考干涉仪的腔长L_R：

在步骤3)中，所述确定测量过程中的灵敏度放大因子M的具体步骤可为：当传感干涉仪和参考干涉仪的腔长确定后，基于游标效应的传感系统灵敏度放大因子M可由腔长比例系数g计算：

与现有技术相比，本发明具有以下突出的技术效果和优点：

本发明无需在实际中制作一个FSR与传感干涉仪接近的参考干涉仪，而是基于数值仿真构造一个虚拟的参考干涉仪，基于虚拟可变FSR参考干涉仪和游标效应实现了大范围高灵敏度的测量。由于虚拟参考干涉仪是数值仿真构造的，其不会受环境因素和被测物理量的影响而发生变化，极大地简化系统结构，降低成本、提高稳定性；本发明以更具一般性的公式(3)，即以腔长比例系数g代替两个干涉仪腔长的差和乘积表示灵敏度放大因子M，进而通过灵活调整虚拟参考干涉仪的腔长L_R，控制腔长比例系数g，使灵敏度放大因子M在整个测量过程中始终较高，从而保证了传感干涉仪在大范围测量时，传感系统始终保持很高的灵敏度，实现方式灵活可靠，具有很大的实用性。

附图说明

图1为位移测量系统结构示意图。

图2为实验测量得到的传感干涉仪光谱，虚拟的参考干涉仪光谱以及两者叠加后的光谱。

图3为灵敏度放大因子M与位移的实验曲线图。

图4为叠加光谱交流分量I_ac与波长λ的仿真曲线图。

图5为灵敏度放大因子M与腔长比例系数g的仿真曲线图。

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，以下实施例将结合附图对本发明进行作进一步的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

以下以光纤Fabry-Perot干涉仪为例，说明本发明提出的大范围、高灵敏度测量方法包含的以下几个实施步骤：

1)确定传感干涉仪的自由光谱宽度FSR_S和腔长L_S：根据传感干涉仪的光谱测量数据，可得光谱中两个相邻峰或谷值的波长λ₁和λ₂，根据腔内介质的折射率n和式(1)计算出传感干涉仪的自由光谱宽度FSR_S和腔长L_S：

2)确定参考干涉仪的腔长L_R：根据所用光谱仪的最大波长可测范围MMR和式(2)，得到虚拟参考干涉仪的腔长L_R：

3)确定测量过程中的灵敏度放大因子M：当传感干涉仪和参考干涉仪的腔长确定后，基于游标效应的传感系统灵敏度放大因子M可由腔长比例系数g计算：

4)大范围测量时，传感干涉仪的腔长L_S与虚拟参考干涉仪的腔长L_R的差增大，当M下降到预先设定的最小值M_min时，则调整虚拟参考干涉仪的腔长L_R，使灵敏度放大因子M恢复到初始值；

5)重复步骤4)，直至测量结束。

给合附图以位移测量为例进行说明，本发明提供一种位移测量系统，结构如图1所示。超连续谱光源范围是800～2100nm，光从光源传输到环形器到传感干涉仪，反射光信号经环形器传输到光谱仪进行记录。传感干涉仪由两根端面切平固定在精密平移台的单模光纤组成，由此位移台产生的位移可以通过测量传感干涉仪的腔长得到。

当光谱仪的波长测量范围MMR是400nm，图2中最上方曲线表示实际测量得到的传感干涉仪光谱。选取该曲线1400nm附近的两个波峰的波长，按照步骤(1)，可得传感干涉仪的腔长L_S为307.80um，自由光谱宽度FSR_S为3.88nm。根据步骤(2)确定虚拟参考干涉仪腔长L_R，由于波长测量范围MMR是400nm，因此可以计算出虚拟参考干涉仪腔长L_R为304.72um，进而构造出参考干涉仪光谱如图2中间曲线所示，将其与传感干涉仪光谱叠加后，如图2中最下方曲线所示，得到叠加光谱。根据步骤(3)可得灵敏度放大因子M的初始值为100。进而根据步骤(4)，当灵敏度放大因子M下降到预先设定的灵敏度放大因子最小值M_min时，通过式(3)调整虚拟参考干涉仪的腔长L_R，控制腔长比例系数g，使灵敏度放大因子M恢复到初始值100，重复步骤(4)直至测量结束。整个测量过程中，灵敏度放大因子M的变化如图3所示，其中灵敏度放大因子最小值M_min可以根据实际需求进行设置，本例中设为30。

以下给出本发明的测量原理及公式推导：

两个干涉仪的叠加光谱输出光强I可表示为：

其中，I_R和I_S分别为参考干涉仪和传感干涉仪输出光强，_R1，I_R2分别为参考干涉仪中两束相干反射光的强度，I_S1，I_S2分别为传感干涉仪中两束相干反射光的强度，为了简化表示，可假设I_R1＝I_R2＝I_S1＝I_S2＝I₀。φ_R和φ_S分别为参考干涉仪和传感干涉仪中两束相干反射光的相位差并通常可以分别由

和/>

表示。叠加光谱输出光强I的交流分量I_ac可表示为：

为了更清晰地显示光谱强度曲线的包络，将I_ac的最小值和最大值分别调整为-2和2后，叠加光谱交流分量I_ac可进一步表示为：

I_ac与波长λ的仿真曲线如图4所示，其中叠加光谱的包络可以通过拟合交流分量I_ac中各极小值点的波长得到。可以定义叠加光谱包络中心波长附近的两个相邻波峰波长λ_E1和λ_E2的差为包络的自由谱宽FSR_E，λ_E1和λ_E2满足：

由此可得叠加光谱包络的自由光谱范围FSR_E为：

叠加光谱包络的自由光谱范围_E被用于推导灵敏度放大因子M，而灵敏度放大因子M是游标效应的一个重要表征参数，其用于表示相比于单个干涉仪的灵敏度，基于游标效应的级联或并联干涉仪的灵敏度放大倍数，通常可表示为：

根据式(1),(8)和(9)，可推导出灵敏度放大因子M为式(3)所示，灵敏度放大因子M与腔长比例系数g的仿真曲线如图5所示。

上述实施例仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (1)

1.基于虚拟参考腔和游标效应的高灵敏大范围干涉测量方法，其特征在于包括以下步骤：

1)确定传感干涉仪的自由光谱宽度FSR_S和腔长L_S：根据传感干涉仪的光谱测量数据，得光谱中两个相邻峰或谷值的波长λ₁和λ₂，根据腔内介质的折射率n和式(1)计算出传感干涉仪的自由光谱宽度FSR_S和腔长L_S：

2)确定虚拟参考干涉仪的腔长L_R：根据所用光谱仪的最大波长可测范围MMR和式(2)，得到虚拟参考干涉仪的腔长L_R：

3)确定测量过程中的灵敏度放大因子M：当传感干涉仪和虚拟参考干涉仪的腔长确定后，基于游标效应的传感系统灵敏度放大因子M可由腔长比例系数g计算：

4)大范围测量时，传感干涉仪的腔长L_S与虚拟参考干涉仪的腔长L_R的差增大，当灵敏度放大因子M下降到预先设定的最小值M_min时，则调整虚拟参考干涉仪的腔长L_R，使灵敏度放大因子M恢复到初始值；

5)重复步骤4)，直至测量结束。

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