專利名稱：基于3×3光纖耦合器的相移白光干涉測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖白光干涉測(cè)量方法，特別涉及基于3X3光纖耦合器的相移白光 干涉測(cè)量方法，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
干涉型光纖傳感器，如法布里_珀羅(Fabry-Perot，法珀)、馬赫_曾德爾 (Mach-Zehnder)、邁克爾遜(Michelson)、薩格納克(Sagnac)等，具有很高的測(cè)量靈敏度， 得到廣泛的應(yīng)用。待測(cè)量，如應(yīng)變、溫度、位移或者壓力等，作用在干涉儀上，引起干涉儀光 程差的變化，從干涉儀的輸出干涉信號(hào)中解調(diào)出光程差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物理量的測(cè)量。
干涉測(cè)量法是測(cè)量很多參數(shù)(如溫度，壓力，應(yīng)變等)非常重要的一種方法，經(jīng)常 使用干涉儀的一個(gè)臂作為參考光(未經(jīng)過含有所需測(cè)量參數(shù)的環(huán)境)，另一個(gè)臂作為信號(hào) 光(經(jīng)過含有所需測(cè)量參數(shù)的環(huán)境)，解調(diào)出兩臂之間的相位差，就可以獲得需要測(cè)量的參 數(shù)。因此干涉信號(hào)的解調(diào)技術(shù)是光纖干涉測(cè)量術(shù)的核心技術(shù)。干涉解調(diào)技術(shù)主要分為相對(duì) 測(cè)量技術(shù)和絕對(duì)測(cè)量技術(shù)。相對(duì)測(cè)量技術(shù)只能測(cè)量信號(hào)的變化量，不能測(cè)量靜態(tài)或緩變信 號(hào)，而絕對(duì)測(cè)量可以測(cè)量出干涉儀的光程差，因而可以測(cè)量靜態(tài)和緩變信號(hào)。
絕對(duì)測(cè)量一般使用光纖白光干涉測(cè)量法(WLI)。傳統(tǒng)的白光干涉測(cè)量法使用掃 描干涉儀來補(bǔ)償光程，但這樣的系統(tǒng)穩(wěn)定性差，分辨率低。光譜域白光干涉測(cè)量法利用寬 帶光源或波長(zhǎng)掃描光源，探測(cè)傳感干涉儀的輸出白光光譜，通過光譜中相位相差2 Ji的兩 個(gè)波長(zhǎng)來絕對(duì)測(cè)量干涉儀的光程差。若使用寬帶光注入干涉儀，則用光譜分析儀來探測(cè)干 涉儀的白光光譜；若使用波長(zhǎng)掃描光注入干涉儀，則用一只光電二極管就可以獲得干涉儀 的白光光譜。目前已報(bào)道了一些光譜域白光干涉測(cè)量法，比如傅里葉變換白光干涉測(cè)量法
(Yijiang，可得一個(gè)正弦信號(hào)g, =-^^ = 6("sin《；2倍的第2路信號(hào)減去1和3路信
號(hào)之和后除以系數(shù)3可得到一個(gè)余弦信號(hào)& :^^^^6(A)cos^與上面所得到的gl
信號(hào)相位相差90° ;將gl和g2這兩路正交信號(hào)相除后取反余弦可得到干涉儀的相位信息
j =~~)。 4)步驟3中提取出相位信息S是通過反正切算法得到的，相位范圍在-l，f
之間，不連續(xù)。為了獲取連續(xù)相位信息，需要對(duì)相位進(jìn)行解包裹運(yùn)算。方法是先給解調(diào) 出的相位信息S都乘以2，將其范圍擴(kuò)展到-Ji， Ji之間，再進(jìn)行相位解包裹運(yùn)算，然 后再除以2，恢復(fù)到原始的線性相位信息^;根據(jù)線性相位信息^與波長(zhǎng)之間的微分關(guān)系
= y AA"D ，干涉儀的光程差D就可通過下式直接得到<formula>formula see original document page 5</formula> 如上所述的基于3X3光纖耦合器的相移白光干涉測(cè)量方法，還可通過下述方法 實(shí)現(xiàn) 方法二，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下 a)與方法一中的步驟1)和2)相同； b)將步驟a中得到的三路干涉信號(hào)中的1和3兩路進(jìn)行如下處理可得一個(gè)正弦 信號(hào)^ = -^^-6(A)sii^ ; 2倍的第2路信號(hào)減去1和3路信號(hào)之和后除以系數(shù)3可得
到一個(gè)余弦信號(hào)& = 2/2—(1—/3 =HA)eosc ，與上面所得到的gl信號(hào)相位相差90° ;分別
對(duì)^和g2求導(dǎo)后可得^ = b(入)S ' C0SS， g2' =-b(A) S ' (t)sinS ;將81、 g2、 gl、 "Fourier Transform White—Light Interferometry for theMeasurement of Fiber_0ptic Extrinsic Fabry—Perotlnterferometric Sensors, ，， Opt Lett. ， Vol. 33， NO. 16)，軟件角牟 調(diào)法(Yi jiang，"Wavelength—sca皿ing white-light interf erometrywith a 3承3coupler based interferometer, "OptLett. ， Vol. 20， NO. 2)，這些方法測(cè)量精度高，動(dòng)態(tài)范圍大，但 是算法比較復(fù)雜，測(cè)量一次時(shí)間約為130us。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了更好的解決快速、高效解調(diào)干涉儀絕對(duì)光程差的問題，提出 一種簡(jiǎn)單高速的方法來測(cè)量光纖干涉儀絕對(duì)光程差，具有精度高、速度快、能絕對(duì)測(cè)量等優(yōu) 點(diǎn)。 本發(fā)明的基于3X3光纖耦合器的相移白光干涉測(cè)量方法，是通過下述技術(shù)方案 實(shí)現(xiàn)的 方法一，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下 1)應(yīng)用一只2 X 2耦合器和一只3 X 3耦合器構(gòu)成光纖M_Z干涉儀；將波長(zhǎng)掃描光 入射到干涉儀，使干涉儀的輸出端得到三路白光干涉光譜。 2)若3X3耦合器對(duì)稱，干涉儀的三路輸出端互成120° 。定義3X3耦合器輸出
的三路干涉信號(hào)為
<formula>formula see original document page 5</formula> 其中，定義K = 1時(shí)為1路信號(hào)，K = 2時(shí)為2路信號(hào)，K = 3時(shí)為3路信號(hào)，a(入) 為光源光譜輪廓引入的背景光(即直流信號(hào))，b(A)是干涉條紋的對(duì)比度，線性相位信息
P = I"0 = 5 + 2w^ (式中m取值為整數(shù)，-Ji《S《Ji)，D是干涉儀兩臂之間的光程差。 3)將步驟2中得到的三路干涉信號(hào)中的l和3兩路做如下處理g2'交叉相乘后再 相減得到x = g2gl' _glg2' = b2 ( A ) (sin2 S +cos2 S ) S ' = b2 ( A ) S ';將gl和g2分別平方后相加得y = b2(A) ;x除以y后得到z-;-^ 5對(duì)z積分后即可解調(diào)出相位信息S ; c)對(duì)步驟b中得到的相位信息S進(jìn)行相位解包裹運(yùn)算，恢復(fù)原始線性相位信息 P ;線性相位信息P是光源波長(zhǎng)從、掃描到入2所引起的干涉儀的相位變化，根據(jù)相位與波
2冗
長(zhǎng)之間的微分關(guān)系A(chǔ)^-7yAA"D，干涉儀的光程差D就可通過(2)式直接得到 <formula>formula see original document page 6</formula> 通過上述兩種方法實(shí)現(xiàn)了絕對(duì)測(cè)量光程差的目的。
有益效果 本發(fā)明方法所提出的基于3X3耦合器的相移白光干涉測(cè)量術(shù)具有靈敏度高，精 度高，動(dòng)態(tài)范圍大，算法簡(jiǎn)單，速度快等特點(diǎn)，滿足高速絕對(duì)測(cè)量的要求。


圖1為本發(fā)明方法應(yīng)用于基于3X3耦合器的白光掃描干涉測(cè)量的一個(gè)具體實(shí)施 方案； 圖2為三路白光干涉光譜信號(hào)中的一路； 圖3為用來校正波長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)具的光譜； 圖4為方法一解調(diào)出來隨波長(zhǎng)變化的線性相位信息^ ; 圖5為構(gòu)造出來的1「13和2I2_I「I3兩路正交信號(hào)的李薩茹圖； 圖6為方法二解調(diào)出來的線性相位信息^ ; 圖7為本發(fā)明的兩種方法解調(diào)出的相位與傅立葉變換白光干涉測(cè)量法的比較；
圖中，1-寬帶光源、2_光隔離器、3_光纖可調(diào)諧法珀濾波器、4-2X2耦合器、5-彈 性柱、6-3X3耦合器、7-光電探測(cè)器、8-信號(hào)采集與處理系統(tǒng)、9-鋸齒波發(fā)生器、10-法珀標(biāo) 準(zhǔn)具、ll-光纖光柵、12-光電探測(cè)器。
具體實(shí)施方案 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。 本發(fā)明的測(cè)量方法通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。圖1是本發(fā)明方法的一個(gè)實(shí)施原理圖， 結(jié)合Mach-Zehnder干涉儀的兩臂之間光程差的測(cè)量對(duì)本發(fā)明方法進(jìn)行說明。
寬帶光源1發(fā)出的光經(jīng)光隔離器2輸入到光纖可調(diào)諧法珀濾波器3，光纖可調(diào)諧 法珀濾波器3在鋸齒波發(fā)生器9的驅(qū)動(dòng)下輸出波長(zhǎng)掃描窄帶光，波長(zhǎng)掃描窄帶光被2 X 2耦 合器4分成兩路，其中一路光通過法珀標(biāo)準(zhǔn)具10、光纖光柵ll，光電探測(cè)器12，用以探測(cè)法 珀標(biāo)準(zhǔn)具10和光纖光柵11的透射譜；另外一路光注入干涉儀；干涉儀中，一路光作為參考 光，另一路作為信號(hào)光(包含有待測(cè)量信息的光)，兩路光在3X3耦合器6處發(fā)生干涉，三 路輸出的干涉信號(hào)經(jīng)過光電探測(cè)器7轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，信號(hào)采集與處理系統(tǒng)8用來采集探測(cè) 器7和探測(cè)器12的輸出信號(hào)，并進(jìn)行處理，同時(shí)控制鋸齒波發(fā)生器9輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
圖1實(shí)例中，寬帶光源1為ASE光源，光譜范圍覆蓋從1525nm到1565nm，光纖可調(diào) 諧法珀濾波器3的自由光譜區(qū)(FSR)寬度為65nm，精細(xì)度為200，所以帶寬為0. 325nm ;法珀標(biāo)準(zhǔn)具10的自由光譜區(qū)寬度為0. 8nm(100GHz)，精細(xì)度為14，法珀標(biāo)準(zhǔn)具10的波長(zhǎng)熱穩(wěn)定 性為從(TC到7(TC的變化小于0. 7GHz ;—個(gè)帶寬為0. 7nm的中心波長(zhǎng)為1535. 027nm的光 纖光柵11被串聯(lián)到法珀標(biāo)準(zhǔn)具IO后面，用于抹掉法珀標(biāo)準(zhǔn)具IO輸出梳狀光譜中的一個(gè)峰 值波長(zhǎng)，作為波長(zhǎng)標(biāo)記，而這個(gè)被抹掉的峰值波長(zhǎng)就是光纖光柵的11中心波長(zhǎng)。法珀標(biāo)準(zhǔn) 具10用于將采集到的干涉信號(hào)從時(shí)間域轉(zhuǎn)化為波長(zhǎng)域，進(jìn)而取代笨重昂貴的光譜分析儀。
采集的三路白光干涉光譜的幅值相等，相位相互相差120。。其中一路的白光光譜 如圖2所示，實(shí)際上就是在ASE光源的輪廓上疊加了一個(gè)白光干涉條紋，所以在處理信號(hào)的 時(shí)候，先對(duì)干涉信號(hào)做歸一化處理，除掉光源輪廓的影響，減小光源波動(dòng)帶給測(cè)量的誤差。 波長(zhǎng)校正時(shí)，選取了法珀標(biāo)準(zhǔn)具10上1525. 649nm和1564. 676nm這兩個(gè)透射峰值點(diǎn)之間的 一段信號(hào)對(duì)干涉信號(hào)來進(jìn)行波長(zhǎng)校正，法珀標(biāo)準(zhǔn)具10的輸出信號(hào)如圖3所示，同時(shí)確定了 波長(zhǎng)掃描的起止波長(zhǎng)為1525. 649nm和1564. 676nm。 然后分別利用上述的兩種方法進(jìn)行相位解調(diào)。利用方法一解調(diào)出來的相位信息如 圖4所示。利用方法二，構(gòu)造出來的兩路正交信號(hào)的李薩茹圖如圖5所示，從圖中可看出獲 得的兩路信號(hào)是正交的，解調(diào)出來的相位信息如圖6所示。 與江毅等提出的"傅里葉變換白光干涉術(shù)"(專利申請(qǐng)?zhí)?00710177837.3)進(jìn) 行比較，三種方案解調(diào)出來的相位隨掃描波長(zhǎng)變化如圖7所示，使用公式(2)，可以計(jì)算出 來的干涉儀的絕對(duì)光程差為2996. 19um，運(yùn)行一次時(shí)間約為30us?？梢姳旧暾?qǐng)?zhí)岢龅姆椒?獲得的結(jié)果與其它方法測(cè)量得到的結(jié)果完全相同，但是運(yùn)行速度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)比其它方法提高了 四五倍，更易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高速測(cè)量的要求。
權(quán)利要求
)一種基于3×3光纖耦合器的相移白光干涉測(cè)量方法，其特征在于具體實(shí)現(xiàn)步驟如下1)應(yīng)用一只2×2耦合器和一只3×3耦合器構(gòu)成光纖M-Z干涉儀；將波長(zhǎng)掃描光入射到干涉儀，使干涉儀的輸出端得到三路白光干涉光譜；2)若3×3耦合器對(duì)稱，干涉儀的三路輸出端互成120°，定義3×3耦合器輸出的三路干涉信號(hào)為k＝1，2，3其中，定義K＝1時(shí)為1路信號(hào)，K＝2時(shí)為2路信號(hào)，K＝3時(shí)為3路信號(hào)，a(λ)為光源光譜輪廓引入的背景光即直流信號(hào)，b(λ)是干涉條紋的對(duì)比度，線性相位信息式中m取值為整數(shù)，-π≤δ≤π，D是干涉儀兩臂之間的光程差；3)將步驟2)中得到的三路干涉信號(hào)中的1和3兩路做如下處理可得一個(gè)正弦信號(hào)2倍的第2路信號(hào)減去1和3路信號(hào)之和后除以系數(shù)3可得到一個(gè)余弦信號(hào)與上面所得到的g1信號(hào)相位相差90°；將g1和g2這兩路正交信號(hào)相除后取反余弦可得到干涉儀的相位信息4)步驟3)中提取出相位信息δ是通過反正切算法得到的，相位范圍在之間，不連續(xù)；為了獲取連續(xù)相位信息，需要對(duì)相位進(jìn)行解包裹運(yùn)算，方法是先給解調(diào)出的相位信息δ都乘以2，將其范圍擴(kuò)展到-π，π之間，再進(jìn)行相位解包裹運(yùn)算，然后再除以2，恢復(fù)到原始的線性相位信息根據(jù)線性相位信息與波長(zhǎng)之間的微分關(guān)系干涉儀的光程差D就可通過下式直接得到F2009102496301C0000011.tif,F2009102496301C0000012.tif,F2009102496301C0000013.tif,F2009102496301C0000014.tif,F2009102496301C0000015.tif,F2009102496301C0000016.tif,F2009102496301C0000021.tif,F2009102496301C0000022.tif,F2009102496301C0000023.tif,F2009102496301C0000024.tif
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于3 X 3光纖耦合器的相移白光干涉測(cè)量方法，其特征在于還可通過下述方法實(shí)現(xiàn)a) 前兩個(gè)步驟同權(quán)利要求1的1)和2);b) 將步驟a)中得到的三路干涉信號(hào)中的1和3兩路進(jìn)行如下處理可得一個(gè)正弦信號(hào) g, = -= 6(A)sin5 ; 2倍的第2路信號(hào)減去1和3路信號(hào)之和后除以系數(shù)3可得到一個(gè)余弦信號(hào)& = —J1 — A = 6(A)cos5 ，與上面所得到的gl信號(hào)相位相差90° ;分別對(duì)gl和g2求導(dǎo)后可得g/ 二b(入)S' C0SS，g2' 二-b(入)S' (t)sinS ;將81、&、81' 、g2' 交叉相乘后再相減得到x = g2g/ -glg2' = b2(A) (sin2S+C0S2S) S ' =b2(A)S';將gl和g2分別平方后相加得y = b2 ( A ) ;x除以y后得到z = ; = ^ 5對(duì)z積分后即可解調(diào)出相位信息S ;2/2頁c)對(duì)步驟b)中得到的相位信息S進(jìn)行相位解包裹運(yùn)算，恢復(fù)原始線性相位信息p;根 據(jù)相位與波長(zhǎng)之間的微分關(guān)系邸-:A;i"D ，干涉儀的光程差D為
全文摘要
本發(fā)明涉及光纖白光干涉測(cè)量方法，特別涉及基于3×3光纖耦合器的相移白光干涉測(cè)量方法，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。該方法由一只2×2光纖耦合器和一只3×3光纖耦合器構(gòu)成光纖M-Z干涉儀，波長(zhǎng)掃描光注入到光纖M-Z干涉儀中。輸出的三路白光干涉光譜信號(hào)幅值相等，在相位上兩兩相差120°。當(dāng)波長(zhǎng)掃描光從λ1掃描到λ2時(shí)，得到三路輸出信號(hào)I1，I2和I3，通過計(jì)算或構(gòu)造和兩路正交的信號(hào)，再利用求導(dǎo)交叉相乘方法解調(diào)出δ；計(jì)算出δ后再對(duì)其進(jìn)行解包裹運(yùn)算解調(diào)出線性相位信息。再利用就可以計(jì)算出干涉儀的絕對(duì)光程差。本發(fā)明能夠高精度、高速度、絕對(duì)測(cè)量光纖干涉儀的光程差。
文檔編號(hào)G01D5/353GK101718563SQ200910249630
公開日2010年6月2日 申請(qǐng)日期2009年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月9日
發(fā)明者梁蓬娟, 江毅 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)