CN1180237C - 一种宽带光源信号检测方法及检测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带光源信号检测方法及检测器。所述检测方法包括步骤：1.由起偏器A将宽带光源发出的光信号转换为线偏振光，并将该线偏振光耦合进入保偏光纤；2.由保偏光纤的一端输入宽带检测光源；3.由偏振光分光系统将保偏光纤输出的线偏振光，反射进入迈克尔逊干涉仪，和透射进入迈克尔逊干涉仪；4.由光源检测系统将迈克尔逊干涉仪反射系统透射及透射系统反射的干涉光信号，经会聚、光电转换、模数转换及处理，输出被检物体的检测参数。所述的检测器，包括：检测光源系统、保偏光纤、偏振光分光系统和迈克尔逊干涉仪反射系统和光源检测系统。采用以上技术，能够扩大可检测光纤的长度范围，实现对偏振耦合强度的精确测量。

Description

一种宽带光源信号检测方法及检测器

                                   技术领域

本发明属于光学测量仪器类，尤其涉及宽带光源传输检测的仪器。

                                   背景技术

目前，在宽带光源传输中，当线偏振光沿保偏光纤的一个特征轴(快轴或慢轴)入射时，光信号会沿此轴传播，不被耦合到另一个特征轴。由于环境因素的影响，如压力、张力、扭力、温度等因素的影响，会造成光信号由一个特征轴向另一特征轴的耦合。因此，通过检测在光纤中各点耦合的光信号的相对强度，就可以用来检测该点受到的作用力或环境温度的变化。

美国专利第US5555086号公开了一种采用相位调制技术的分别式光纤传感器，来检测宽带光源在光纤中传输时各点耦合的光信号的相对强度，但其结构复杂，调制和解调以及相关的信号处理会大幅度增加传感器的成本。

美国专利第US5094534号还公开了一种采用全反射结构，和相干选择性光纤传感器，来检测宽带光源在光纤中传输时各点耦合的光信号的相对强度，但其都不具备对待检测信号的分布式监测功能。

                                   发明内容

本发明目的是提供一种宽带光源信号检测器，解决上述问题，以满足结构简单易制、操作方便、经济节约等多方面的需要。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的宽带光源信号检测器包括：

1)检测光源系统，由宽带光源和起偏器A组成，起偏器A用于将宽带光源发出的光信号转换为可检测的线偏振光；

2)保偏光纤，用于敷设在被测物体上，将检测光源系统输出的线偏振光，传输至偏振光分光系统；

3)偏振光分光系统，由扩束透镜、λ/2波片、起偏器B和偏振分光棱镜组成，保偏光纤输出的线偏振光依次经扩束透镜、λ/2波片和起偏器B后进入偏振分光棱镜，被偏振分光棱镜反射的光进入迈克尔逊干涉仪反射系统，被偏振分光棱镜透射的光进入迈克尔逊干涉仪透射系统；

4)迈克尔逊干涉仪反射系统，由平面反射镜A和压电陶瓷构成，压电陶瓷位于平面反射镜A之后，用于使平面反射镜A产生微位移，被偏振分光棱镜反射的光经平面反射镜A反射后沿入射光路返回偏振分光棱镜；

5)迈克尔逊干涉仪透射系统，由平面直角反射镜、平面反射镜B和直线运动导轨构成，直线运动导轨用于移动平面直角反射镜，被偏振分光棱镜透射的光依次经平面直角反射镜和平面反射镜B反射后沿入射光路返回偏振分光棱镜；

6)光源检测系统，由会聚透镜、光电探测器和模数转换及数字信号处理电路构成，光电探测器与模数转换及数字信号处理电路连接，分别被迈克尔逊干涉仪反射系统和迈克尔逊干涉仪透射系统反射回来的两路光信号经偏振分光棱镜后，在偏振分光棱镜与会聚透镜之间的区域产生干涉，该干涉光信号经会聚、光电转换、模数转换及处理，输出被检物体的检测参数。

本发明的宽带光源信号检测方法，包括下列步骤：

1)将保偏光纤敷设在被测物体上；

2)由起偏器A将宽带光源发出的光信号转换为线偏振光，该线偏振光被耦合进入保偏光纤；

3)由保偏光纤输出的线偏振光经偏振光分光系统后，反射光进入迈克尔逊干涉仪反射系统，透射光进入迈克尔逊干涉仪透射系统；

4)被迈克尔逊干涉仪反射系统反射回来的光经过偏振分光棱镜发生透射，被迈克尔逊干涉仪透射系统反射回来的光经过偏振分光棱镜发生反射，两路光在偏振分光棱镜与会聚透镜之间的区域产生干涉，该干涉光信号进入光源检测系统，经会聚、光电转换、模数转换及处理，输出被检物体的检测参数。

由于本发明采用了以上的技术方案，因而具有以下的优点，

1，采用宽带光源作为光纤传感器的光源，从而保证了测量的精度。

2，采用直线运动导轨实现干涉仪扫描臂对光程差的扫描，提高了测量的精度。

3，在干涉仪的扫描臂上采用直角反射镜，代替普通的平面反射镜，从而保证了测量的精度。

4，在扫描臂上采用多次反射技术，扩大了可检测光纤的长度范围。

5，在干涉仪的固定臂上采用压电陶瓷进行高精度扫描，减小了对保偏光纤偏振耦合点的耦合强度的测量误差，提高了对偏振耦合强度的测量精度。

6，采用高精度模数变换电路，实现对偏振耦合强度的精确测量。

7，整体构造简单，操作使用极为方便，产品价格低廉，市场前景广阔。

                                   附图说明

图1是本发明宽带光源信号检测器的一种光学构造示意图。

图中：1，宽带光源     2，起偏器A            3，模数转换及数字信号处理电路

      4，扩束透镜     5，保偏光纤           6，λ/2波片

      7，起偏器B      8，偏振分光棱镜       9，平面反射镜A

      10，压电陶瓷    11，平面直角反射镜    12，平面反射镜B

      13，会聚透镜    14，光电探测器        15，直线运动导轨

                                 具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施作如下详述：

在图1中，一种宽带光源信号检测方法的检测器，包括：

1，检测光源系统，由宽带光源1、起偏器A2组成，用于将宽带光源转换为可检测的线偏振光；

2，保偏光纤5，用于敷设在被测物体上，将检测光源系统输出的线偏振光，传到偏振光分光系统；

3，偏振光分光系统，由扩束透镜4、λ/2波片6、起偏器B7、偏振分光棱镜8组成，用于将保偏光纤5输出的线偏振光反射进入迈克尔逊干涉仪，和将保偏光纤5输出的线偏振光透射进入迈克尔逊干涉仪；

4，迈克尔逊干涉仪反射系统，由平面反射镜A9、压电陶瓷10构成，用于将偏振光分光系统的反射光沿原光路返回；

5，迈克尔逊干涉仪透射系统，由平面直角反射镜11、平面反射镜B12、直线运动导轨15构成，用于将偏振光分光系统透射的线偏振光经数次反射后沿原光路返回；

6，光源检测系统，由会聚透镜13、光电探测器14和模数转换及数字信号处理电路3构成，用于将迈克尔逊干涉仪透射系统反射及反射系统透射的干涉光信号经会聚、光电转换、模数转换及处理、存储，输出被检物体的检测参数。

在上述系统中，

宽带光源1：用于发出光纤传输检测的光信号；可采用SDM-1300-1型号，其中心波长为1300nm，半高全宽为40nm，光功率为0.3mW。

起偏器A2：用于将输入的宽带光源1发出的光信号转换为可检测的线偏振光，输入至保偏光纤5；可采用10GL08AR.18型号，其通光孔径为10mm，工作波长范围1000～1550nm，消光比＞10⁵∶1。

保偏光纤5：用于将被检测物体的检测参数转换为偏振光信号耦合强度的变化，并把偏振光信号传输至偏振光分光系统，可采用商用熊猫型保偏光纤。

扩束透镜4，用于将敷设在被测物体上的保偏光纤5输出的光信号进行扩束，输出至λ/2波片6；其可根据系统尺寸的需要定做或选型。

入/2波片6：用于旋转偏振光信号的振动方向，使偏振光的两个相互垂直的振动方向都与起偏器B7的主轴方向呈45°夹角，可采用05RP02-1300型号，其直径为12.7mm，延迟精度优于5nm。

偏振分光棱镜8：用于将偏振光信号按能量等分为反射光和透射光两部分，同时保持偏振光的振动方向不变，可采用05BC17MB.3型号，其工作范围波长为1100～1600nm，尺寸12.7mm。

压电陶瓷10：用于对平面反射镜A9的位置进行微位移，从而实现对干涉光信号光程差的微扫描，提高对偏振光信号耦合强度的测量精度；可采用哈尔滨工业大学博实精密测控有限责任公司的MPT-1L005NA型号，其行程为25微米，分辨率为10纳米。

平面反射镜12、平面直角反射镜11和会聚透镜13：用于将宽带光源1输入的光信号进行聚光、反射、折射，以获取干涉光信号，输入模数转换及数字信号处理15进行处理。其可根据采用的实际器件的尺寸定做或购买。

光电探测器14：用于将干涉光信号转换为电流信号，以便于信号的采集和处理，可采用北京世维通光通讯技术有限公司的PDS455型号，光敏面直径为300微米，中心工作波长为1300Flm，响应度0.9A/W，暗电流1.0nA。

模数转换及数字信号处理电路3：用于将光电探测器14输入模拟光信号转换为光数字信号，和进行处理及存储，并输出精确的测量数据。模数转换可采用DDC101型号，其20位精度，工作频率可达15KHz；数字信号处理可采用计算机软件编程实现，或采用数字信号处理器实现。

直线运动导轨15：用于调节平面直角反射镜11的行程，以获取保偏光纤5中不同位置的偏振耦合光信号，可采用SKR33型号，其行程为180mm，位置精度6微米，平面度可以达到0.9um。

在实际使用过程中，本发明的使用方法具体操作如下：

1，由宽带光源SLD1发出的光信号经线起偏器A2转换为线偏振光，该线偏振光被耦合进入保偏光纤5的快轴或慢轴。

2，当由起偏器A2转换为线偏振光，耦合进入保偏光纤5的光信号沿光纤的一个特征轴(快轴或慢轴)向前传播，经过保偏光纤5，当被检测物体的的张力、压力或扭力及温度等参数发生变化时，偏振光信号由一个特征轴耦合进入另一个特征轴。耦合光信号的强度由保偏光纤5所在位置的作用力大小及温度的变化量决定。

3，将保偏光纤5出射的光信号经扩束透镜4把光斑直径扩展至6～10mm，然后经λ/2波片6旋转改变偏振方向，使经λ/2波片6后的偏振光的两个特征轴与起偏器B7的主轴成45°夹角。

4，由偏振光的振动方向相互垂直的两个分量经起偏器B7后，两个分量都投影到起偏器B7的主轴，变为线偏振光，进入偏振分光棱镜8。

5，偏振分光棱镜8把入射的光信号分为两部分：一部分经反射进入迈克尔逊干涉仪的固定臂，经平面反射镜A9反射后沿原光路返回；另一部分经透射进入迈克尔逊干涉仪的扫描臂，经平面直角反射镜11和平面反射镜B12进行三次反射后沿原光路返回。两路被分别反射回的光信号经偏振分光棱镜8后，在偏振分光棱镜8与会聚透镜13之间的区域产生干涉，干涉信号的幅度由偏振光两个偏振分量的大小及扫描臂和固定臂之间的光程差来决定。

6，通过扫描臂的直线运动导轨15移动平面直角反射镜11，可以对保偏光纤5中不同位置产生的偏振耦合分量的大小分别进行检测。从而在一根保偏光纤5中实现了多个传感器检测的作用。

7，通过压电陶瓷10使迈克尔逊干涉仪固定臂的平面反射镜A9产生微位移，实现对偏振耦合点的精确扫描。采用压电陶瓷10后，对偏振耦合强度的检测精度与不采用压电陶瓷相比，检测精度由62％提高到95％以上。从而大幅提高了对被检测参数的测量精度。

8，干涉的光信号经会聚透镜13会聚后入射到光电探测器14，转换为电流信号，再经模数转换及数字信号处理电路3，输出被检物体的检测精确参数。

由上所述，本发明采用迈克尔逊光学干涉仪对保偏光纤中各点耦合的偏振光信号强度进行检测，采用精密步进电机驱动直线运动导轨对保偏光纤中各偏振耦合点的空间位置进行检测，从而在一根光纤中实现了多个分布式光纤传感器。通过采用压电陶瓷对干涉光信号进行微扫描，可以提高检测结果的精度。利用宽带光源的低相干长度和光程扫描技术在一根光纤中实现多个分布式光纤传感器，可以大幅度降低传感器的成本。

本发明由于其体积小、重量轻、不受电磁干扰的影响，可以在恶劣的环境中正常工作。可广泛用于桥梁、建筑、重要的工业或民用设施，对被检测的对象进行连续监测以保障其安全、正常运转。在新式客机及一些重要的国防装备中，本发明也可以对其性能参数进行实时监控，以保障其运行的安全性和稳定性。

Claims (2)

1.一种宽带光源信号检测器，其特征在于，它包括：

1)检测光源系统，由宽带光源和起偏器A组成，起偏器A用于将宽带光源发出的光信号转换为可检测的线偏振光；

2)保偏光纤，用于敷设在被测物体上，将检测光源系统输出的线偏振光，传输至偏振光分光系统；

3)偏振光分光系统，由扩束透镜、λ/2波片、起偏器B和偏振分光棱镜组成，保偏光纤输出的线偏振光依次经扩束透镜、λ/2波片和起偏器B后进入偏振分光棱镜，被偏振分光棱镜反射的光进入迈克尔逊干涉仪反射系统，被偏振分光棱镜透射的光进入迈克尔逊干涉仪透射系统；

4)迈克尔逊干涉仪反射系统，由平面反射镜A和压电陶瓷构成，压电陶瓷位于平面反射镜A之后，用于使平面反射镜A产生微位移，被偏振分光棱镜反射的光经平面反射镜A反射后沿入射光路返回偏振分光棱镜；

5)迈克尔逊干涉仪透射系统，由平面直角反射镜、平面反射镜B和直线运动导轨构成，直线运动导轨用于移动平面直角反射镜，被偏振分光棱镜透射的光依次经平面直角反射镜和平面反射镜B反射后沿入射光路返回偏振分光棱镜；

6)光源检测系统，由会聚透镜、光电探测器和模数转换及数字信号处理电路构成，光电探测器与模数转换及数字信号处理电路连接，分别被迈克尔逊干涉仪反射系统和迈克尔逊干涉仪透射系统反射回来的两路光信号经偏振分光棱镜后，在偏振分光棱镜与会聚透镜之间的区域产生干涉，该干涉光信号经会聚、光电转换、模数转换及处理，输出被检物体的检测参数。

2.一种采用权利要求1所述的宽带光源信号检测器的宽带光源信号检测方法，包括下列步骤：

1)将保偏光纤敷设在被测物体上；

2)由起偏器A将宽带光源发出的光信号转换为线偏振光，该线偏振光被耦合进入保偏光纤；

3)由保偏光纤输出的线偏振光经偏振光分光系统后，反射光进入迈克尔逊干涉仪反射系统，透射光进入迈克尔逊干涉仪透射系统；

4)被迈克尔逊干涉仪反射系统反射回来的光经过偏振分光棱镜发生透射，被迈克尔逊干涉仪透射系统反射回来的光经过偏振分光棱镜发生反射，两路光在偏振分光棱镜与会聚透镜之间的区域产生干涉，该干涉光信号进入光源检测系统，经会聚、光电转换、模数转换及处理，输出被检物体的检测参数。