CN105865754B - 一种光纤干涉仪臂长差的测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种光纤干涉仪臂长差的测量装置。包括可调谐激光光源模块、被测光纤干涉仪模块、参考光纤干涉仪模块和采集与控制模块，可调谐激光光源模块的两个输出端分别连接被测光纤干涉仪模块和参考光纤干涉仪模块，参考光纤干涉仪模块的输出端和被测光纤干涉仪模块的输出端分别连接采集与控制模块的数据采集卡的不同通道，采集与控制模块的计算机通过与可调谐激光光源和可移动反射镜进行连接实现对其的控制和触发信号的接收。本测量装置可以精确地测量出被测光纤干涉仪的臂长差，具有结构简单、成本低、测量精度高范围广和自动定标等优点。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种光纤传感器性能测量装置，具体涉及的是一种干涉仪臂长差的测量装置。
背景技术
在光纤传感和光纤通讯等领域，Michelson型光纤干涉仪(如图5所示)和Mach-Zehnder型光纤干涉仪(如图6所示)都具有非常重要和广泛地应用。如光纤水听器、磁场计、电流计等感应计的基本结构都为Michelson型光纤干涉仪或者Mach-Zehnder型光纤干涉仪。作为光纤干涉型传感元件的基本原理是：利用光纤长度对温度、压力等外界环境的变化非常敏感这一特性，当被测信号作用于光纤干涉仪的传感臂时会导致干涉信号的相位发生变化，从而改变输出光强。通过一定技术手段检测出光强的变化就可以得到被测信号。由于作为光纤传感器主要元件的光纤干涉仪的两臂差值对于系统的相位噪声、灵敏度和解调分辨率等参量有直接影响，所以光纤干涉仪两臂的臂长差测量具有非常重要的意义。
目前测量光纤干涉仪臂长差的方法主要有以下几种：电流调制和观察干涉仪条纹可见度法、白光干涉法、时域脉冲法、干涉仪干涉谱观测法、光载微波法等方法。
1983年英国的Dandridge在IEEE Journal of LightwaveTechnology.1(3)：514-516上发表文章“Zero Path-Length Difference in Fiber-Optic Interferometers”提出电流调制和观察干涉条纹的方法，该方法首先通过电流来调制光源，利用干涉输出强度与调制电流的关系计算长度大于10mm的臂长差，如果被测臂长差的长度大于10mm，则利用观察干涉条纹，通过查看条纹间距的方法测量，这种方法相对来说技术比较复杂。白光干涉法的基本原理是：在白光干涉仪的一臂末端接上扫描镜，另一臂接被测光纤干涉仪，通过移动扫描镜来引入参考臂长，当参考臂长分别等于被测光纤干涉仪两臂长时，出现的反射峰值最大，分别读出当时的扫描镜距离就可以得出被测光纤干涉仪的臂长差。2007年哈尔滨工程大学杨军等人发表在哈尔滨工程大学学报.28(8)：740-742的文章“光纤Mach-Zehnder干涉仪臂长差的精确测量”，利用这种方法达到了10微米的测量精度，但是这种方法的测量长度主要受限于扫描台的扫描范围，所以可测量的臂长差的长度较短。时域脉冲法的主要原理为：将飞秒激光器输出的光注入被测干涉仪，通过使用高速信号采集仪在信号输出端测量从两臂反射回的信号的时间差，来达到测量光纤干涉仪两臂臂长差的目的。飞秒激光器和高速信号采集仪都比较昂贵，所以使得这种方法的成本非常高。干涉仪干涉谱观测法主要是利用光谱仪观测宽谱光的干涉图像，获得相邻谷值或峰值所对应的波长计算得到光程差。2005年黑龙江大学的余有龙等人发表在黑龙江大学自然科学学报.22(2)：216-218上的文章“非平衡全光纤干涉仪臂长差测量方法的研究”利用这种方法，实现了20微米的测量精度。但是这种测量方法依赖于光谱仪的分辨率，并且和工作波长有关，所以无法测量较长的臂长并且高分辨率光谱仪成本较高。2010年吕武略等人公开了一种光载微波的方法(中国专利申请号：201010603812.5)，通过将臂长差信号调制到光载微波的相位上，解调微波的相位达到了测量臂长差的目的。这种方法的测量范围比较广，能提供较高的测量精度，但是由于引入微波扫频源、高速光电探测器等装置，使得结构稍显复杂，并且成本相对较高。PGC零差调制法需要在光纤干涉仪两臂加上不同的电压来补偿两臂的臂长差，通过测量电压差值计算得出光纤干涉仪两臂的臂长差。由于需要给光纤干涉仪两臂加电压，所以这种方法存在破坏传感器的风险，无法应用于已经封装成型的如水听器等传感装置的臂长差测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低、结构简单、可自动定标、测量范围广和测量精度高的光纤干涉仪臂长差的测量装置。
本发明的目的是这样实现的：包括可调谐激光光源模块、被测光纤干涉仪模块、参考光纤干涉仪模块和采集与控制模块，可调谐激光光源模块的两个输出端分别连接被测光纤干涉仪模块和参考光纤干涉仪模块，参考光纤干涉仪模块的输出端和被测光纤干涉仪模块的输出端分别连接采集与控制模块的数据采集卡的不同通道，采集与控制模块的计算机通过与可调谐激光光源和可移动反射镜进行连接实现对其的控制和触发信号的接收；首先向被测光纤干涉仪和参考光纤干涉仪注入波长线性变化的激光，在参考光纤干涉仪模块静止时，进行一次波长扫描过程后获得的被测光纤干涉仪模块和参考光纤干涉仪模块整个扫描范围内的位相变化量分别为和随后移动可移动反射镜扩大可移动反射镜与自聚焦透镜之间的距离、改变参考光纤干涉仪模块臂长差后测得被测光纤干涉仪模块和参考光纤干涉仪模块的位相变化量分别为和最后根据下面公式可以获得被测干涉仪的臂长差：
其中：x1是可移动反射镜与自聚焦透镜之间距离的两倍，x2为移动之后反射镜与自聚焦透镜之间距离的两倍，n是光纤的折射率，K为类型参数。
本发明的光纤干涉仪臂长差的测量装置还可以包括：
1、被测光纤干涉仪是Michelson型光纤干涉仪或者Mach-Zehnder型光纤干涉仪，如果被测光纤干涉仪为Michelson型则K＝2，如果被测光纤干涉仪为Mach-Zehnder型则K＝1。
2、可调谐激光光源模块由可调谐激光光源和第一光纤耦合器连接构成，被测光纤干涉仪模块由被测光纤干涉仪和光电探测器连接构成，参考光纤干涉仪模块由第二光纤耦合器、光纤环形器、自聚焦透镜、可移动反射镜、第三光纤耦合器和平衡光电探测器连接构成，采集与控制模块包括计算机和数据采集卡。
3、第一光纤耦合器和第二光纤耦合器为1×2或者2×2型光纤耦合器，输出端分光比为50:50。
4、所述的光电探测器是光电倍增管或者光电二极管，其截止频率高于从被测干涉仪输出光信号的差频。
5、平衡光电探测器由两个匹配的光电二极管和一个高速放大器构成，输出电流强度与两个端口输入光信号强度的差值成比例。
本发明的优势在于：1.构成器件如光纤耦合器、光开关和数据采集卡等都为普通光学器件，所以装置总成本低；2.通过引入参考干涉仪提供参考臂长的方法，有效地解决了可调谐激光光源在进行测量时扫波长非线性和位相噪声对测量结果的影响，使用可移动反射镜和自聚焦透镜组成的数控延迟线，可自动定标，解决了微米量级臂长差定标问题；3.测量范围广测量精度高，可以应用于几厘米到几公里光纤干涉仪臂长差的高精度测量并且在测量时不需要对被测干涉仪进行特殊处理，被测干涉仪甚至可以是封装好的。
附图说明
图1为光纤干涉仪臂长差测量装置的结构图；
图2为被测光纤干涉仪为Michelson型光纤干涉仪臂长差测量装置图；
图3光纤干涉仪臂长差测量流程图；
图4为一段时间内被测光纤干涉仪模块和参考光纤干涉仪模块位相变换图；
图5为Michelson型光纤干涉仪结构图；
图6为Mach-Zehnder型光纤干涉仪结构图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明进行详细说明。
结合图1，本发明的种光纤干涉仪臂长差的测量装置包括可调谐激光光源模块10、被测光纤干涉仪模块20、参考光纤干涉仪模块30、采集与控制模块40。
(1)可调谐激光光源模块10由可调谐激光光源101和第一光纤耦合器102构成。
(2)被测光纤干涉仪模块20由被测光纤干涉仪201和光电探测器202组成。
(3)参考光纤干涉仪模块30由第二光纤耦合器301、光纤环形器302、自聚焦透镜303、可移动反射镜304、第三光纤耦合器305和平衡光电探测器306构成。
(4)采集与控制模块40包括计算机401和数据采集卡402。
(5)可调谐激光光源101的输出端连接第一光纤耦合器102的输入端，光纤耦合器102的两个输出端分别连接被测光纤干涉仪模块20和参考光纤干涉仪模块30；参考光纤干涉仪模块30的输出端和被测光纤干涉仪模块20的输出端分别连接数据采集卡402的不同通道，实现模拟信号向数字信号的转变，得到的数字信号存储于计算机401上；计算机401通过与可调谐激光光源101和可移动反射镜进行连接实现对其的控制和触发信号的接收。
(6)首先向被测光纤干涉仪和参考光纤干涉仪注入波长线性变化的激光，在参考光纤干涉仪模块30静止时，进行一次波长扫描过程后获得的被测光纤干涉仪模块20和参考光纤干涉仪模块30整个扫描范围内的位相变化量分别为和随后移动可移动反射镜304扩大其与自聚焦透镜303之间的距离改变参考光纤干涉仪模块30臂长差后测得被测光纤干涉仪模块20和参考光纤干涉仪模块30的位相变化量分别为和最后根据下面公式可以获得被测干涉仪的臂长差：
其中：x1是可移动反射镜与自聚焦透镜之间距离的两倍，x2为移动之后反射镜与自聚焦透镜之间距离的两倍；和分别为移动反射镜之前被测光纤干涉仪和参考光纤干涉仪的相位的变化量，和分别为移动反射镜之后被测光纤干涉仪和参考光纤干涉仪的相位的变化量，n是光纤的折射率，K为类型参数，如果被测光纤干涉仪为Michelson型则K＝2，如果被测光纤干涉仪为Mach-Zehnder型则K＝1。
所述的可调谐激光光源101可以进行波长扫描，也就是说可以输出在一定范围内波长可线性变化的激光，臂长差测量的最大长度与其相干长度相关，可调谐激光光源101开始进行波长扫描和波长扫描结束时都可以发出触发信号。
所述的第一光纤耦合器102和第二光纤耦合器301可以为1×2或者2×2型光纤耦合器，输出端分光比为50:50，可以平分输入光的光强；其中第一光纤耦合器102的输入端与可调谐激光光源101的输出端相连，第一光纤耦合器102两个输出端分别连接第二光纤耦合器301的输入端和被测光纤干涉仪201的输入端，以实现向被测光纤干涉仪模块20和参考光纤干涉仪模块30注入波长可线性变化的激光；第二光纤耦合器301的两个输出端分别连接光纤环形器302的输入端和2×2的第三光纤耦合器305的一个输入臂。
所述的被测光纤干涉仪201可以是Michelson型光纤干涉仪或者Mach-Zehnder型光纤干涉仪。
所述的光电探测器202可以是光电倍增管或者光电二极管，其截止频率要高于从被测干涉仪20输出光信号的差频；平衡光电探测器306由两个匹配的光电二极管和一个高速放大器构成，输出电流强度与两个端口输入光信号强度的差值成比例，具有抑制共模噪声的功能。
所述的数据采集卡402采用采样率大于10MHz的数据采集卡，实现模拟信号向数字信号的转变。
所述的可移动反射镜304可以通过计算机401控制精确地改变与自聚焦透镜303之间的距离，从而改变参考光纤干涉仪模块30两臂的光差程。
所述的2×2的第三光纤耦合器305两臂的分光比为50:50；第三光纤耦合器305的两个输入端分别连接第二光纤耦合器301的一个输出端口和光纤环形器302的输出端。
所述的光纤环形器302为三端口光纤环形器，其输入端连接第二光纤耦合器301的一个输出臂，反射端连接自聚焦透镜303的输入端，输出端与第三光纤耦合器305的一个输入臂相连。
下面结合图2说明本发明的工作原理：
光纤干涉仪臂长差的测量装置由可调谐激光光源101、光纤耦合器102、被测光纤干涉仪201(图中为Michelson型光纤干涉仪)、光电探测器202、光纤耦合器301、光纤环形器302、自聚焦透镜303、可移动反射镜304和二乘二光纤耦合器305、平衡光电探测器306、计算机401和数据采集卡402构成。可调谐激光光源101的GPIB接口和触发信号输出端与计算机401连接以便计算机401对其进行控制和接收其发出的触发信号，其光信号输出端与光纤耦合器102的输入端相连，光纤耦合器102的一个输出臂连接被测光纤干涉仪201的输入端，另一臂连接一乘二光纤耦合器301的输入端，以便可调谐激光光源101发出的激光可以分别进入被测干涉仪模块20和参考干涉仪模块30。被测光纤干涉仪201的输出端与光电探测器202的输入端连接，光电探测器202将光信号转换为电信号，光电探测器202的输出端与数据采集卡402的一个数据采集通道连接，数据采集卡402的数字信号输出端与计算机401连接。光纤耦合器301的一个输出臂与二乘二光纤耦合器305的一个输入臂相连构成参考光纤干涉仪的一臂，另一个输出臂和光纤环形器302的输入端相连，光纤环形器302的反射端与自聚焦透镜303的输入端相连，其输出端与二乘二光纤耦合器305的另一个输入臂相连构成参考光纤干涉仪的另一臂。二乘二光纤耦合器305的两个输出端分别连接平衡光电探测器306的两个光信号输入端。计算机401与移动反射镜304连接从而实现对其和自聚焦透镜303之间光程的控制。
设置好可调谐激光光源的参数，可调谐激光光源101的参数设定如下：起始波长为1520nm，扫波长速率为100nm/s，终止波长为1560nm。使用计算机401控制可调谐激光光源101开始扫描同时控制数据采集卡402进行采集，在测量时间范围内，任意t时刻经Michelson型光纤干涉仪一臂(臂长长的一臂)反射后的光信号的电场表达式为
上式中ω1为t时刻臂长长的一臂光场角频率，φ1为外界环境引起的位相变化和光场初位相之和。则Michelson型光纤干涉仪另一臂反射回的光信号的电场表达式可以写为：
上式中ω2为Michelson型光纤干涉仪t时刻臂长短的一臂光场角频率，φ2为外界环境引起的位相变化和光场初位相之和。
在Michelson型光纤干涉仪的输出端，两臂的光信号在干涉后输出的光强表达式为：
对于参考干涉仪，第三光纤耦合器305两输出端输出的光强分别为I1、I2，被平衡光电探测器306接收。
干涉后的光信号被光电探测器接收，当差频低于光电探测器的截止频率时，光电探测器输出的中频电流为：
IC＝αE1E2 cos[(ω1-ω2)t-(φ1-φ2)]④
上式中α为光电变换比例常数。
可见上述光电流中携带了干涉后的位相信息，求整个扫波长范围内的相位变化时，考虑对上述输出中频电流的相位项进行积分，对积分后的式子近似化简后可得整个测量时间即扫波长持续时间t1内的相位变化量为：
上式中，λ0为设定的激光器的初始波长，Δλ为可调谐激光光源的扫波长速率，n是光纤中的折射率，ΔL为被测光纤干涉仪两臂臂长差。
同理此时参考光纤干涉仪中两臂传输的两路光干涉后产生的光信号在整个扫波长范围t1内相位的变化量为：
上式中L为参考光纤干涉仪两臂光纤长度的精确差值，x1为可移动反射镜和自聚焦透镜之间的距离两倍。
考虑两个相位变化量相比，可得：
记下整个扫描过程中被测光纤干涉仪和参考光纤干涉仪位相变化量和的值。随后通过计算机401控制可移动反射镜304扩大其与自聚焦透镜303之间的距离，此时将可移动反射镜304与自聚焦透镜303之间的距离的两倍记为x2。随后再使用计算机401控制可调谐激光光源101进行第二次波长扫描，同时控制数据采集402卡开始采集，完成第二次位相记录过程，记下被测光纤干涉仪和参考光纤干涉仪在整个扫描过程中位相变化值和如上所述可以得到第二次位相测量过程中被测光纤干涉仪和参考光纤干涉仪的相位变化量的比为：
结合⑤式和⑥式，可以求出被测Michelson型光纤干涉仪臂长差为：
其中：x1是可移动反射镜与自聚焦透镜之间距离的两倍，x2为移动之后反射镜与自聚焦透镜之间距离的两倍；和分别为移动数控延迟线之前测量干涉仪和参考光纤干涉仪的相位的变化量，和分别为移动数控延迟线之后测量干涉仪和参考光纤干涉仪的相位的变化量，n是光纤的折射率，K为类型参数，如果被测光纤干涉仪为Michelson型则K＝2，如果被测光纤干涉仪为Mach-Zehnder型则K＝1。
结合图2和图3，在实际应用中，设置好可调谐激光光源101的参数，可调谐激光光源101的参数设定如下：起始波长为1520nm，扫波长速率为10nm/s，终止波长为1560nm。使用计算机401控制可调谐激光光源101开始进行波长扫描，同时控制数据采集卡402开始进行数据采集。可调谐激光光源101发出的波长变化的激光通过光纤耦合器102输入端输入，在输出端被分为两束，一束进入Michelson型被测光纤干涉仪201，从被测光纤干涉仪201输出端输出的干涉光信号被光电探测器202转换为电信号，从光电探测器202输出的电信号经数据采集卡402转换为数字信号后存储于计算机401上。另一束光经光纤耦合器301的输入端进入参考光纤干涉仪模块30，参考光纤干涉仪模块30中的两束光一束直接进入二乘二光纤耦合器305的一个输入臂，另一束经光纤环形器302和自聚焦透镜303，被可移动反射镜304反射再次经过自聚焦透镜303，从光纤环形器302的输出端进入二乘二光纤耦合器305的另一个输入臂。从二乘二光纤耦合器305的输出端输出的干涉光信号被平衡光电探测器306接收，从平衡光电探测器306输出的电信号经同一块数据采集卡402转换为数字信号后存储于计算机401上。一次扫波长过程结束后，可调谐激光光源101发出一个脉冲信号，接收到信号后计算机401控制数据采集卡402停止采集，完成一次位相记录过程，记下整个扫描过程中被测光纤干涉仪和参考光纤干涉仪的位相变化分别为和附图4为一次测量过程中一段时间被测干涉仪和参考干涉仪的位相变化曲线，图中实线为被测干涉仪模块20产生位相变化曲线，虚线为参考干涉仪模块30产生的位相变化曲线。完成一次位相记录过程后，通过计算机401控制可移动反射镜304，扩大镜面与自聚焦透镜303的距离，扩大距离为10cm。随后再使用计算机401控制可调谐激光光源101进行第二次波长扫描，同时控制数据采集卡开始采集，完成第二次位相记录过程后记下被测光纤干涉仪和参考光纤干涉仪在整个扫描过程中的位相变化分别为和最后根据以下测量公式计算出被测光纤干涉仪臂长差：
其中：x1是可移动反射镜与自聚焦透镜之间距离的两倍，x2为移动之后反射镜与自聚焦透镜之间距离的两倍，此例中x2-x1＝0.2；和分别为移动数控延迟线之前测量干涉仪和参考光纤干涉仪的相位的变化量，和分别为移动数控延迟线之后测量干涉仪和参考光纤干涉仪的相位的变化量，n是光纤的折射率，K为类型参数，由于被测光纤干涉仪为Michelson型所以K＝2。从结果可得被测干涉仪臂长差为10.666m，上述测量精度可达10-5m。
Claims (6)
1.一种光纤干涉仪臂长差的测量装置，包括可调谐激光光源模块、被测光纤干涉仪模块、参考光纤干涉仪模块和采集与控制模块，其特征是：可调谐激光光源模块的两个输出端分别连接被测光纤干涉仪模块和参考光纤干涉仪模块，参考光纤干涉仪模块的输出端和被测光纤干涉仪模块的输出端分别连接采集与控制模块的数据采集卡的不同通道，采集与控制模块的计算机通过与可调谐激光光源和可移动反射镜进行连接实现对其控制和触发信号的接收；首先向被测光纤干涉仪模块和参考光纤干涉仪模块注入波长线性变化的激光，在参考光纤干涉仪模块静止时，进行一次波长扫描过程后获得的被测光纤干涉仪模块和参考光纤干涉仪模块整个扫描范围内的位相变化量分别为和随后移动可移动反射镜扩大可移动反射镜与自聚焦透镜之间的距离、改变参考光纤干涉仪模块臂长差后测得被测光纤干涉仪模块和参考光纤干涉仪模块的位相变化量分别为和最后根据下面公式获得被测干涉仪的臂长差：
其中：x1是可移动反射镜与自聚焦透镜之间距离的两倍，x2为移动之后反射镜与自聚焦透镜之间距离的两倍，n是光纤的折射率，K为类型参数。
2.根据权利要求1所述的光纤干涉仪臂长差的测量装置，其特征是：可调谐激光光源模块由可调谐激光光源和第一光纤耦合器连接构成，被测光纤干涉仪模块由被测光纤干涉仪和光电探测器连接构成，参考光纤干涉仪模块由第二光纤耦合器、光纤环形器、自聚焦透镜、可移动反射镜、第三光纤耦合器和平衡光电探测器连接构成，采集与控制模块包括计算机和数据采集卡。
3.根据权利要求2所述的光纤干涉仪臂长差的测量装置，其特征是：被测光纤干涉仪是Michelson型光纤干涉仪或者Mach-Zehnder型光纤干涉仪，如果被测光纤干涉仪为Michelson型则K＝2，如果被测光纤干涉仪为Mach-Zehnder型则K＝1。
4.根据权利要求3所述的光纤干涉仪臂长差的测量装置，其特征是：第一光纤耦合器和第二光纤耦合器为1×2或者2×2型光纤耦合器，输出端分光比为50:50。
5.根据权利要求4所述的光纤干涉仪臂长差的测量装置，其特征是：所述的光电探测器是光电倍增管或者光电二极管，其截止频率高于从被测干涉仪输出光信号的差频。
6.根据权利要求5所述的光纤干涉仪臂长差的测量装置，其特征是：平衡光电探测器由两个匹配的光电二极管和一个高速放大器构成，输出电流强度与两个端口输入光信号强度的差值成比例。
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| 光纤位移干涉仪的研制及其在Hopkinson压杆实验中的应用;杨军等;《红外与激光工程》;20130131;第42卷(第1期);全文 * |
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