專利名稱：空分復(fù)用Mach-Zehnder級(jí)聯(lián)式光纖干涉儀及測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種測(cè)量裝置，具體地說(shuō)是一種空分復(fù)用Mach-Zehnder級(jí) 聯(lián)式光纖干涉儀。(二) 背景技術(shù)采用低相干、寬譜帶的光源的光纖干涉儀通常被稱為白光光纖干涉儀。典型 的光纖白光干涉儀如

圖1所示，其結(jié)構(gòu)組成為利用光纖搭建Micheslon式干涉儀， 并采用寬譜光源LED或者ASE對(duì)干涉儀進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，為其提供光能，通過(guò)探測(cè)器 探測(cè)白光干涉條紋實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)物理量的測(cè)量。其工作原理如下，由寬譜光源ll 發(fā)出的寬譜光進(jìn)入單模光纖后，被3dB單模光纖2X2耦合器13分成兩束，一 束光進(jìn)入被作為測(cè)量臂的單模光纖14，被其后端的光學(xué)反射面15反射后沿原路 返回，經(jīng)過(guò)單模光纖14、耦合器13到達(dá)光電探測(cè)器12，這束光稱為測(cè)量信號(hào)光； 由光源11發(fā)出光被耦合器13分路的另外一束光，進(jìn)入作為參考臂的單模連接光 纖16、自聚焦透鏡17，經(jīng)過(guò)移動(dòng)反射鏡18的反射后同樣沿原路返回到達(dá)光電探 測(cè)器12，這束光被稱為參考信號(hào)光。測(cè)量信號(hào)光和參考信號(hào)光在探測(cè)器表面發(fā) 生相干疊加，由于寬譜光源的相干長(zhǎng)度很短，大約為幾個(gè)微米到幾十個(gè)微米，只 有當(dāng)參考信號(hào)光和測(cè)量信號(hào)光程差小于光源的相干長(zhǎng)度時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生相干疊加， 輸出白光干涉圖樣(參見(jiàn)附圖2)。如圖2所示，白光干涉條紋的特征是有一個(gè)主極大值，稱為中心條紋，它與 零光程差為之相對(duì)應(yīng)，即對(duì)應(yīng)于參考光束和測(cè)量光束光程相等時(shí)，稱為參考光束 與測(cè)量光束具有光程匹配關(guān)系。通過(guò)改變光纖延遲線的延遲量，使參考信號(hào)的光 程發(fā)生變化，可以獲得中心干涉條紋。中心條紋的位置為測(cè)量提供了一個(gè)可靠的 絕對(duì)位置參考，當(dāng)測(cè)量光束由于外界待測(cè)物理量的影響光程發(fā)生變化時(shí)，只需通 過(guò)參考臂光程掃描得到的白光干涉條紋的位置變化，即可獲得被測(cè)量物理量的絕 對(duì)值。與其他光纖干涉儀相比，除了具有高靈敏度、本質(zhì)安全、抗電磁場(chǎng)干擾等 優(yōu)點(diǎn)外，最大特點(diǎn)是可對(duì)壓力、應(yīng)變、溫度等待測(cè)量進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量。因此白光干涉性光纖干涉儀被廣泛用于物理量、機(jī)械量、環(huán)境量、化學(xué)量、生物醫(yī)學(xué)量的測(cè) 量。近年來(lái)，白光干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)得到了蓬勃的發(fā)展，其中的一個(gè)熱點(diǎn)就是發(fā)展了 多種基于多路復(fù)用技術(shù)的光纖傳感器和測(cè)試系統(tǒng)，用于應(yīng)變、溫度、壓力等物理 量的測(cè)量。多路復(fù)用技術(shù)的發(fā)展背景主要是由于，在實(shí)際測(cè)量與測(cè)試應(yīng)用中，單 個(gè)物理量以及單一位置點(diǎn)的傳感，己經(jīng)遠(yuǎn)不能滿足人們對(duì)事物整體或者系統(tǒng)狀態(tài) 感知的要求，這往往需要對(duì)多個(gè)或者多點(diǎn)物理量的分布進(jìn)行在線或者實(shí)時(shí)的量 測(cè)。例如對(duì)大型結(jié)構(gòu)(水電站、大壩、橋梁等)的無(wú)損檢測(cè)與監(jiān)測(cè)以確定其安全 的過(guò)程中，需要將光纖傳感器植入關(guān)鍵部位，并構(gòu)筑成監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)其內(nèi)部的應(yīng) 力、應(yīng)變以及溫度等信息進(jìn)行提取。如此，傳感器數(shù)量通常為幾十個(gè)或者上百個(gè)， 如果測(cè)試系統(tǒng)僅以單點(diǎn)傳感器進(jìn)行連接，無(wú)疑，其測(cè)試造價(jià)將大大提高，同時(shí)降 低了系統(tǒng)可靠性。采用多路復(fù)用技術(shù)，利用同一個(gè)解調(diào)系統(tǒng)對(duì)多個(gè)傳感器的測(cè)量 信息進(jìn)行問(wèn)詢，這不僅極大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)復(fù)雜程度，而且使測(cè)量精度和可靠性也得 到了保證。同時(shí)，由于多路復(fù)用技術(shù)，降低了單點(diǎn)傳感器的造價(jià)，從而使測(cè)試費(fèi) 用大為降低，提高了性價(jià)比，使光纖傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比更具優(yōu)勢(shì)。現(xiàn)已發(fā)展的多路復(fù)用技術(shù)主要有時(shí)分復(fù)用技術(shù)(TDM)、頻分復(fù)用技術(shù) (FDM或FMCW)、波分復(fù)用技術(shù)(WDM)、碼分復(fù)用技術(shù)(CDM)和空復(fù)用 技術(shù)(SDM)。其中，已用于白光干涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng)中有TDM、 FDM以及SDM。SANTOS 等人[Coherence sensing of time-addressed optical-fiber sensors illuminated by a multimode laser diode， v4/ p/. C!p"., 30:5068-507, 1991]發(fā)展的時(shí)分 復(fù)用技術(shù)(TDM)，是利用光纖對(duì)光波的延遲效應(yīng)來(lái)尋址的復(fù)用技術(shù)。這種方法 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，復(fù)用數(shù)量有限，測(cè)量范圍小，測(cè)量精度低。LIU 等人[A frequency division multiplexed low-finesse fiber optical Fabry-Perot sensor system for strain and displacement measurements, o/ 5We油y "'"Wn^e"a , 71(3), 1275-1278, 2000 ]發(fā)展的頻分復(fù)用技術(shù)(FDM)，利 用光譜分析儀直接測(cè)量多個(gè)腔長(zhǎng)不同的Fabry-Perot干涉儀輸出的光譜疊加結(jié)果， 這種方法受到腔長(zhǎng)和腔長(zhǎng)差的限制，干涉儀的復(fù)用數(shù)量?jī)H為幾個(gè)。與其它類型的光纖傳感器比較，基于空分復(fù)用技術(shù)構(gòu)成傳感系統(tǒng)是白光干 涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)的一個(gè)特色。在白光干涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng)中，通常要求各個(gè)傳感器長(zhǎng)度各不相同，則對(duì)于復(fù)用陣列中的傳感器在其各自相干長(zhǎng)度內(nèi)，只存在單一的白光干涉 信號(hào)。通過(guò)分立參考干涉儀的時(shí)間或空間光程掃描，對(duì)多傳感器的區(qū)分，實(shí)現(xiàn)待 測(cè)物理量的解調(diào)與問(wèn)詢，很方便的實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用，而勿需更復(fù)雜的時(shí)間或者頻率 復(fù)用技術(shù)。這種復(fù)用技術(shù)，由于各個(gè)傳感器所對(duì)應(yīng)的干涉信號(hào)在光程掃描空間內(nèi) 的分立性，所以也稱為空分復(fù)用技術(shù)(SDM)。發(fā)明人[YUAN L B, ZHOU LM， JIN W. Quasi-distributed strain sensing with white-light interferometry: a novel approach, OWcs25, 1074 -1076, 2000] 發(fā)展的空分復(fù)用技術(shù)(SDM)，通過(guò)分立參考干涉儀進(jìn)行時(shí)間和空間連續(xù)光程掃 描，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)多傳感器的解調(diào)和問(wèn)詢，從而很方便的實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用，這種方法 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高。光纖傳感系統(tǒng)除了自身具有本質(zhì)上安全防爆、抗電磁干擾、體積小、重量輕、 測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)之外，多路復(fù)用技術(shù)成為其另一個(gè)與傳統(tǒng)傳感器競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)。 但是，在實(shí)際工程應(yīng)用中，基于多路復(fù)用技術(shù)的光纖傳感系統(tǒng)還是遇到了許多的 困難。主要原因是實(shí)際工程應(yīng)用的環(huán)境十分復(fù)雜，并且要求傳感器的埋入與施工 同步。常常由于傳感器陣列經(jīng)受不住高應(yīng)力、高溫等惡劣環(huán)境和條件的作用，造 成個(gè)別傳感器或者傳感網(wǎng)絡(luò)的局部損壞。如圖5所示，由傳感臂9和參考臂10 組成的光纖傳感器5， 一方面用于對(duì)外界待測(cè)量的感知，即外界物理量的作用使 傳輸在傳感臂9中的測(cè)量光程發(fā)生變化，從而使傳感臂9和參考臂10之間產(chǎn)生 光程差；另一方面?zhèn)鞲斜?和參考臂10也作為其他傳感器中傳輸光能供給的通 路，使傳感器可以首尾相聯(lián)，構(gòu)成傳感陣列和網(wǎng)絡(luò)。因此，如果傳感器陣列或者 網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)結(jié)構(gòu)的不合理，將使局部傳感器損壞發(fā)展成為整個(gè)傳感陣列或者網(wǎng)絡(luò) 的光能供給道路的中斷，使整個(gè)傳感器陣列(網(wǎng)絡(luò))或者大部分傳感器的失效， 成為傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)用化的一個(gè)致命問(wèn)題。顯然，一般串行或者級(jí)聯(lián)傳感器復(fù)用結(jié)構(gòu)， 都在一定程度上存在上述問(wèn)題。如何能夠使局部失效的傳感器不影響或者盡量少影響剩余傳感器的測(cè)量呢？受計(jì)算機(jī)廣域網(wǎng)絡(luò)幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的啟發(fā)，將光纖傳感器的復(fù)用陣列或者網(wǎng)絡(luò)的能量供給通路設(shè)計(jì)成兩路，保證在一個(gè)通路失效的前提下，還保留另外一個(gè)通路供給光能，即使光纖傳感陣列或者網(wǎng)絡(luò)能夠"繞過(guò)"已損壞的傳感器或者光纖，實(shí)現(xiàn)對(duì)剩余傳感器進(jìn)行問(wèn)詢和解調(diào)，以此來(lái)改善系統(tǒng)抗損壞的能力。發(fā)明人于2006年公開(kāi)了多路復(fù)用光纖干涉儀及其嵌套構(gòu)建方法(中國(guó)專利公開(kāi)號(hào)CA1963399A)，發(fā)明了可以構(gòu)造傳感器陣列和網(wǎng)絡(luò)的全光纖干涉儀光纖及 其實(shí)現(xiàn)方法，解決光纖干涉儀的復(fù)用數(shù)量少，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題。但沒(méi)有考慮傳感 器陣列和網(wǎng)絡(luò)中部分傳感器斷裂或者毀壞問(wèn)題的影響。申請(qǐng)人于2007年公開(kāi)的低相干絞扭式類Sagnac光纖形變傳感裝置(中國(guó)專利
發(fā)明者姜海麗, 軍 楊, 苑立波 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)