CN207675081U - 一种光纤的测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光纤的测量装置，包括光源模块、扫频信号源、功分器、干涉仪、光电探测器、移相模块、混频模块、滤波模块、AD采样器以及测量处理器；扫频信号源与功分器连接；功分器一端与光源模块连接，另一端与混频模块连接；光源模块、干涉仪、光电探测器、移相模块及混频模块依次连接；混频模块、滤波模块、AD采样器及测量处理器依次连接。通过本装置可以精确经算出待测光纤长度或折射率，满足光纤长度的高精度测量需求。

Description

一种光纤的测量装置

技术领域

本实用新型属于光学干涉仪测量技术领域，具体涉及一种光纤的测量装置。

背景技术

基于光学干涉技术的各种光学仪器具有测量精度高、灵敏度高、抗干扰能力强的优点。可以广泛运用于长度、温度、折射率、压力、磁场等物理量的测量。当前光纤长度测量技术比较成熟的方案有光时域反射仪，光频域反射仪和光相干函数法。

其中，光时域反射仪这种方法的主要原理就是发射一个窄脉宽的光脉冲，注入到光纤中，在光纤末端放一个反射镜，光脉冲经反射镜发射后回到发射端被仪器探测到，此时仪器通过计算发射脉冲和反射脉冲的时间差计算得到光纤长度。该测量方法测量范围可达到很大，但是测量精度最多在厘米级别，当前商用的光时域反射仪设备精度大多都是在米级别，故该方法不适合测量短距离光纤长度。

光频域反射法的主要原理是使用一个可调激光器作为扫频源，光源发出的光被耦合器平均分为两束，一束进入参考臂后被反射镜反射回耦合器作方参考光；另一束进入测试光纤反射回来后回到耦合器与参考光发生拍频干涉，通过测得拍频频率，再根据激光器的扫频斜率可以计算得到测试光在测试光纤中的传输时间从而得到光纤长度。该方法具有造价高，稳定性不高的特点。

光相干域反射法，它是基于光经过不同长度光纤具有时间差r，激光源产生一个扫频光信号，与光频域反射法不同的是，该扫频光信号是周期性的，且这个周期T时间可变。通过改变扫描周期T这种方式可以实现对光纤长度的测量。但该方法具有分辨率低，测量时间长的缺点。

上述三种光纤长度测量的现有技术均无法满足短距离光纤长度的高精度测量需求，对光纤的设计、生产以及测试工作都造成了极大的困难，因为需要提供一种光纤的测量装置来实现短距离光纤长度的高精度测量。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种光纤测量装置，实现短距离光纤长度的高精度测量。

本实用新型提供一种光纤的测量装置，包括光源模块、扫频信号源、功分器、干涉仪、光电探测器、移相模块、混频模块、滤波模块、AD采样器以及测量处理器；

其中，扫频信号源与所述功分器连接，所述功分器一端与所述光源模块连接，另一端与所述混频模块连接；

所述光源模块、所述干涉仪、所述光电探测器、所述移相模块以及所述混频模块依次连接；

所述混频模块、所述滤波模块、所述AD采样器以及所述测量处理器依次连接。

功分器用于将扫频信号源的频率连续变化的射频信号提取为相同的两路信号，所述两路信号为第一信号和第二信号；第一信号传输至光源模块用以对光源模块的宽带光源进行调制，光源模块将调制后光信号输送至干涉仪，光电探测器用于对干涉仪的输出信号进行隔直流处理，移相模块用于对光电探测器的输出信号进行移相处理，并将移相处理后的信号输送至混频模块，第二信号传输至混频模块；混频模块用于将第二信号以及移相模块的输出信号进行混频处理，滤波模块用于滤除混频信号中的高频分量并传输给AD采样器，AD采样器用于在射频信号的频率变化过程中，获取所监测的电信号功率数据中连续两个周期中每个周期内的电信号功率最小点，并获取两个电信号功率最小点对应射频信号的频率；由于射频信号的频率是连续变化的，而射频信号的信号周期为2π以及采集的两个电信号功率最小点之间相差一个信号周期，因此利用公知的于公知的光信号在光纤内传播原理以及信号周期变化的特性，测量处理器可以根据干涉仪的长臂接入待测光纤前、后两种场景下AD采样器获取的射频信号的频率计算出已知待测光纤的长度L或者折射率n₀时待测光纤的折射率n₀或者长度L。

优选地，所述光源模块包括宽带光源和调制器；

其中，所述宽带光源与所述调制器连接，所述功分器和所述干涉仪均与所述调制器连接。

所述调制器用于利用所述第一信号对所述宽带光源进行强度调制。

优选地，所述调制器为电光调制器、声光调制器、机械斩波器中的任意一种。

优选地，所述光源模块包括直流电源和宽带光源；

其中，所述直流电源与所述宽带光源连接，所述功分器和所述干涉仪均与所述宽带光源连接，所述直流电源提供偏置电流给所述宽带光源。

优选地，所述宽带光源为SLD光源或SLED光源或LED光源或ASE光源。

优选地，所述滤波模块为低通滤波器，所述低通滤波器为源低通滤波器或RC低通滤波器或LC低通滤波器。

优选地，所述光电探测器为热释电探测器、光电倍增管、红外探测器、雪崩二极管、光电三极管、光电二极管、光电池、光电双二极管、光敏电阻中的一种。

优选地，所述扫频信号源生成的射频信号为余弦信号或正弦信号。

优选地，所述干涉仪为迈克尔逊干涉仪或马赫-曾德尔干涉仪。

优选地，所述待测光纤为法拉第旋光镜尾纤。

有益效果

与现有技术相比，本实用新型所述装置的优点如下：本装置通过设置扫频信号源与功分器连接得到两路信号，其中，功分器一端与光源模块连接，另一端与混频模块连接，光源模块、干涉仪、光电探测器、移相模块以及混频模块依次连接以及混频模块、滤波模块、AD采样器以及测量处理器依次连接的方式，使功分器功分的两路信号中一路信号经过了光源模块、干涉仪、光电探测器、移相模块处理后与另一路信号在混频模块混频，基于公知的光信号在光纤内传播原理以及信号周期变化的特性，针对滤波处理后混频信号，测量处理器可以得出已知待测光纤的长度L或者折射率n₀时待测光纤的折射率n₀或者长度L，实现待测光纤长度的高精度测量，同时，实现光纤多种参数的测量，不论是短光纤或者长光纤，其接入干涉仪长臂后信号均会发生变化，进而均可以利用本装置计算出长度或者折射率。

此外，采用AD采样器等设备进行信号采集，可以准确地识别到信号的变化，进而计算得到待测光纤长度，满足光纤长度的高精度测量需求。

再者，还可以实现法拉第旋光镜尾纤长度的测量，而现有技术中在制作过程中对法拉第旋光镜尾纤长度的测量常常采用卷尺测量方式，存在测量精度低、效率低以及对尾纤造成机械损伤，故本实用新型所述装置进行测量的方式相较于现有的法拉第旋光镜尾纤测量方式具有精度高、效率高、无损的特点。

附图说明

图1是本实用新型一个实施例提供的光纤测量装置的示意图；

图2是本实用新型另一个实施例提供的光纤测量装置的示意图；

图3是本实用新型提供的迈克尔逊光纤干涉仪的示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本实用新型做进一步的说明。

本实用新型提供一种光纤的测量装置，用于测量光纤的长度或者光纤的折射率。其中，测量装置包括光源模块、扫频信号源、功分器、干涉仪、光电探测器、移相模块、混频模块、滤波模块、AD采样器以及测量处理器。

扫频信号源与功分器连接，光源模块和混频模块分别与功分器连接。

其中，扫频信号源用于产生频率连续变化的射频信号。功分器用于分配扫频信号源的功率，具体是将扫频信号源的射频信号提取为相同的两路信号，所述两路信号为第一信号和第二信号，第一信号传输至光源模块用以对光源模块的宽带光源进行调制，第二信号传输至混频模块等到混频处理。

光源模块、干涉仪、光电探测器、移相模块以及混频模块依次连接。

其中，光源模块将调制后光信号输送至干涉仪，光电探测器用于对干涉仪的输出信号进行隔直流处理，移相模块用于对光电探测器的输出信号进行移相处理，并将移相处理后的信号输送至混频模块，混频模块用于将第二信号以及移相模块的输出信号进行混频处理。

混频模块、滤波模块、AD采样器以及测量处理器依次连接。

其中，滤波模块用于滤除混频信号中的高频分量并传输给AD采样器；AD采样器用于数据的采集。测量处理器用于控制信号源以及对AD采集器采集的数据进行处理，计算出待测光纤的长度或折射率。

其中，随着扫频信号源的射频信号的频率变化，AD采样器检测到的电信号功率也随同变化。利用上述测量装置进行待测光纤长度或者折射率测量为：

未接入待测光纤，利用上述测量装置，随着扫频信号源的射频信号的频率变化，AD采样器获取所监测的电信号功率数据中连续两个周期内的电信号功率最小点，并获取该两个电信号功率最小点对应的射频信号的频率。基于公知的光信号在光纤内传播原理以及信号周期变化的特性，测量处理器根据AD采样器获取的射频信号的频率计算出干涉仪的长臂和短臂的第一关系式；其中，两个电信号功率最小点之间相差一个信号周期，信号周期为2π。

将待测光纤接入干涉仪的长臂，利用上述测量装置，随着扫频信号源的射频信号的频率变化，AD采样器获取所监测的电信号功率数据中连续两个周期中每个周期内的电信号功率最小点，并获取该两个电信号功率最小点对应的射频信号的频率。测量处理器根据AD采样器获取的射频信号的频率计算出接入了待测光纤的干涉仪的长臂和短臂的第二关系式；其中，两个电信号功率最小点之间相差一个信号周期，信号周期为2π。

测量处理器用于根据所述第一关系式和第二关系式计算出待测光纤的长度L或者折射率n₀。

其中，由于射频信号的频率是连续变化的，而射频信号的信号周期为2π以及采集的两个电信号功率最小点之间相差一个信号周期，因此利用公知的于公知的光信号在光纤内传播原理以及信号周期变化的特性可以得出第一关系式如下所示：

由于射频信号的频率是连续变化的，而射频信号的信号周期为2π以及采集的两个电信号功率最小点之间相差一个信号周期，因此利用公知的于公知的光信号在光纤内传播原理以及信号周期变化的特性可以得出第二关系式如下所示：

得到已知待测光纤的折射率n₀时，待测光纤的长度L的计算公式为：

得到已知待测光纤的长度L时，待测光纤的折射率n₀的计算公式为：

其中，l₁表示未接入待测光纤的干涉仪长臂的长度，l₂表示干涉仪短臂的长度，c为真空中的光速，n为干涉仪的光纤折射率，f₁₁和f₁₂为干涉仪长臂接入待测光纤前，在射频信号变化过程AD采样器测量的两个电信号功率最小点对应的射频信号的频率；f₂₁和f₂₂为干涉仪长臂接入待测光纤时，在射频信号变化过程AD采样器测量的两个电信号功率最小点对应的射频信号的频率。其中，电信号功率实质就是AD采样器获取的信号。

其中，优选滤波模块为低通滤波器，且选择低通滤波器为下述源低通滤波器、RC低通滤波器或LC低通滤波器中的一种。移相模块采用硬件方式实现时，移相模块可以采用移相器，且优选移相器为下述电感移相器、电阻移相器、电容移相器中的一种。混频模块采用硬件方式实现时，混频模块可以采用混频器。干涉仪可以选用迈克尔逊干涉仪或马赫-曾德尔干涉仪。扫频信号源产生的信号的实现方式可以是采用现有的方式直接频率合成技术或者是锁相环技术。

光电探测器为热释电探测器、光电倍增管、红外探测器、雪崩二极管、光电三极管、光电二极管、光电池、光电双二极管、光敏电阻中的一种。

在一些实施例中，如图1所示，光源模块包括宽带光源和调制器，宽带光源与调制器连接，功分器和干涉仪均与调制器连接，调制器用于利用第一信号对宽带光源进行强度调制。优选调制器为电光调制器、声光调制器、机械斩波器中的一种。

在另一些实施例中，如图2所示，光源模块包括直流电源和宽带光源，直流电源与宽带光源连接，功分器和干涉仪均与宽带光源连接，直流电源提供偏置电流给宽带光源。

需要说明的是，光源模块中的宽带光源包括但不限于SLD、SLED、LED、ASE光源，宽带光源还具有制冷模块，制冷方式包括但不限于：风冷、水冷、帕尔贴制冷等。宽带光源的强度调制驱动波形包括但不限于正弦波、余弦波。宽带光源的强度调制是通过内调制、外调制的方式实现的。

实施例1

基于上述对测量装置的描述，本实用新型提供的实施例1中测量装置的示意图，如图1所示，实施例1中的测量装置包括宽带光源、调制器、扫频信号源、功分器、迈克尔逊光纤干涉仪、光电探测器、移相器、混频器、低通滤波器、AD采样器以及测量处理器。

其中，扫频信号源与功分器连接，宽带光源与调制器连接，调制器和混频器分别与功分器连接，调制器与迈克尔逊光纤干涉仪、光电探测器、移相器以及混频器依次连接；混频器与低通滤波器、AD采样器以及测量处理器依次连接。

本实施例中，改变调制器的调制频率，对宽带光源发出的光进行强度调制。

实施例2

基于上述对测量装置的描述，本实用新型提供的实施例2中测量装置的示意图，如图2所示，实施例2中的测量装置包括直流电源、宽带光源、扫频信号源、功分器、迈克尔逊光纤干涉仪、光电探测器、移相器、混频器、低通滤波器、AD采样器以及测量处理器。

其中，扫频信号源与功分器连接，直流电源与宽带光源连接，宽带光源和混频器分别与功分器连接，调制器与迈克尔逊光纤干涉仪、光电探测器、移相器以及混频器依次连接；混频器与低通滤波器、AD采样器以及测量处理器依次连接。

本实施例中，直流电源提供偏置电流给宽带光源，利用功分器传输的第一信号对宽带光源的光进行强度调制。待测光纤为待测法拉第旋光镜尾纤。

实施例1和实施例2中所采用的干涉仪均为迈克尔逊光纤干涉仪，如图3所示，迈克尔逊光纤光学干涉仪中在一只长尾纤的光纤耦合器的两光纤端面镀以高反射膜，由激光器发出的相干光，经光纤耦合器分束后分别进入参考臂和信号臂光纤，两光束经端面反射后再返回至耦合器汇合相干，形成干涉条纹至探测器检测，信号臂光纤置于被测信号场中，信号场对信号臂的相位进行调制，因而可以通过对干涉仪相位差的检测实现对被测信号的测试。迈克尔逊光纤光学干涉仪只需一只耦合器，但经端面反射膜返回光对光源有干扰，影响测试精度，通常在光源输出端加一只隔离器以消除反射光对光源的影响。

其中，图1和图2中给出的仅是测试装置的示意图，可以预见的是，一个实际的测量装置还应包括相应的机械结构，以提供安装、固定、保护等功能。

以图2所示的测量装置为例，待测光纤未待测法拉第旋光镜尾纤。对光纤的测量装置的使用过程进行说明：

首先，待测光纤未接入干涉仪的长臂，利用混频信号获取干涉仪长臂长度和短臂长度之间的第一关系式；其次，将待测光纤接入干涉仪中的长臂，利用混频信号获取接入待测光纤后的干涉仪的长臂长度和短臂长度之间的第二关系式；最后，根据上述第一关系式和第二关系式计算出已知待测光纤的长度L或者折射率n₀时待测光纤的折射率n₀或者长度L。

需要说明的是，本实施例中待测光纤可以是普通光纤，也可以是法拉第旋光镜尾纤，本实用新型对此不进行具体的限定。

需要强调的是，本实用新型所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本实用新型不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本实用新型的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本实用新型宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种光纤的测量装置，其特征在于：包括光源模块、扫频信号源、功分器、干涉仪、光电探测器、移相模块、混频模块、滤波模块、AD采样器以及测量处理器；

其中，扫频信号源与所述功分器连接，所述功分器一端与所述光源模块连接，另一端与所述混频模块连接；

所述光源模块、所述干涉仪、所述光电探测器、所述移相模块以及所述混频模块依次连接；

所述混频模块、所述滤波模块、所述AD采样器以及所述测量处理器依次连接。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述光源模块包括宽带光源和调制器；

其中，所述宽带光源与所述调制器连接，所述功分器和所述干涉仪均与所述调制器连接。

3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于：所述调制器为电光调制器、声光调制器、机械斩波器中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述光源模块包括直流电源和宽带光源；

其中，所述直流电源与所述宽带光源连接，所述功分器和所述干涉仪均与所述宽带光源连接，所述直流电源提供偏置电流给所述宽带光源。

5.根据权利要求2至4任一项所述的测量装置，其特征在于：所述宽带光源为SLD光源或SLED光源或LED光源或ASE光源。

6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述滤波模块为低通滤波器，所述低通滤波器为源低通滤波器或RC低通滤波器或LC低通滤波器。

7.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述光电探测器为热释电探测器、光电倍增管、红外探测器、雪崩二极管、光电三极管、光电二极管、光电池、光电双二极管、光敏电阻中的一种。

8.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述扫频信号源生成的射频信号为余弦信号或正弦信号。

9.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述干涉仪为迈克尔逊干涉仪或马赫-曾德尔干涉仪。

10.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述光线的测量装置中待测的光纤为法拉第旋光镜尾纤。