专利名称：基于低相干干涉的光纤杨氏干涉光程差解调装置及方法
技术领域：
本发明涉及于光纤传感领域，特别是涉及一种光程差解调方法及装置。
背景技术：
低相干干涉技术用于光程差解调其原理在于，利用解调干涉仪光程差与传感干涉仪光程差进行扫描匹配，在两者光程差严格匹配的条件下，输出最强低相干干涉信号，最后通过精确定位低相干干涉信号包络峰值的方式实现待测光程差的高精度解调。低相干干涉技术作为光程差解调方法主要有时间扫描式和空间扫描式。时间扫描式是光程差随时间变化扫描。如Junfeng Jiang等(Parallel demodulation systemandsignal-processing method for extrinsic Fabry-Perot interferometer and fiberBragg gratingsensors, Optics Letters, 2005，30:604-606)通过电机控制 Michelson干涉仪的其中一臂的移动，进行光程差扫描，从而匹配出待测光程差。空间扫描式是光程差沿空间位置呈线性分布，利用线阵相机接收实现光程差的空间扫描。如J. Schwider(White-lightFizeau interferometer, Applied Optics,1997，36:1433-1437)在 1997年提出Fizeau白光干涉仪结构，利用Fizeau干涉仪构成的光楔实现光程差空间分布。Marshall 等(Marshall, R.，et al.，A novel electronically scanned white-lightinterferometer using aMach—Zehnder approach. Lightwave Technology, Journal of,1996. 14(3) :397-402)在1996年提出采用Mach-Zehnder干涉仪结构实现光程差的空间分布。时间扫描式虽然测量范围大，但是系统存在机械运动，若长期使用稳定性和测量精度均受其影响，测量精度相对较低只能在微米量级。空间扫描式无机械运动，长期使用稳定性高，其解调精度主要受线阵相机像元数影响，测量精度可达纳米量级。但是，空间光程差扫描范围受系统结构限制，测量范围小。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提出一种基于低相干干涉的光纤杨氏干涉光程差解调装置及方法，结合空间扫描方式和时间扫描方式进行低相干干涉光程差解调，本发明的光程差解调方法还可用于实现位移、压力、应变、温度、折射率等可转化为光程差变化的物理量的高精度传感与解调。本发明提出了一种基于低相干干涉的光纤杨氏干涉光程差解调装置，该解调装置包括宽带光源、3dB耦合器、传感干涉仪、解调干涉仪、校正干涉仪和线阵相机，各部件依序组成的光路之间采用多模光纤进行光信号传输，其特征在于，所述传感干涉仪采用迈克尔逊干涉仪，解调干涉仪采用光纤杨氏干涉仪以及校正干涉仪采用光程差可调节的马赫泽德干涉仪宽带光源发出的光通过2X2 3dB耦合器均分为两路光，两路光分别通过过迈克尔逊干涉仪一号臂和二号臂，并分别由迈克尔逊干涉仪一号臂反射端面和二号臂反射端面反射回来后，再次通过2X2 3dB耦合器合成一束光，并传输到2X1 3dB耦合器，2X13dB耦合器再次将光分为两路，分别为马赫泽德干涉仪一号臂和二号臂；存在于马赫泽德干涉仪一号臂上的光程差校正装置包括第一自聚焦透镜、第二自聚焦透镜、纳米位移台由第一自聚焦透镜输出的空间准直光束，在空气中传播一段距离之后，通过第二自聚焦透镜回到多模光纤之中，移动纳米位移台改变空间准直光束在空气中的传播距离，从而调节马赫泽德干涉仪光程差；马赫泽德干涉仪两臂光纤末端并排，由光纤阵列固定，构成光纤杨氏干涉仪；光纤端面与光纤阵列后面的柱面镜焦面重合，通过柱面镜压缩呈光带的光由线阵相机接收，线阵相机接收面上的光程差呈线性分布，实现光程差空间线性扫描。所述解调干涉仪采用光纤法-珀干涉仪沿光纤传输的光在光纤法-珀干涉仪光纤端面发生部分反射，形成参考反射光；透射光通过与光纤端面距离AL2的反射镜反射后再次耦合到光纤，形成传感反射光，参考反射光与传感反射光合成一束光后，包含了 2 Δ L2的光程差信息，改变反射镜距离光纤端面的距离，即改变了光程差传感量。根据线阵相机的感光要求，所述宽带光源选择白光LED光源、卤素灯、氙气灯或
ASE光源。所述3dB耦合器选择多模光纤耦合器，所述线阵相机选择线阵CCD相机。此外，根据选择光源光谱波段，选择其他线阵相机，有线阵CMOS，线阵砷化镓铟光电探测器。本发明还提出了一种基于低相干干涉的光纤杨氏干涉光程差解调方法，其特征在于，该方法包括以下步骤步骤一，将宽带光源发出的光通过2X2 3dB耦合器均分为两路光，分别经过迈克尔逊干涉仪一号臂和二号臂，两路光分别由迈克尔逊干涉仪一号臂反射端面和二号臂反射端面反射回来后，再次通过2X2 3dB f禹合器合成一束光；将反射光中存在光程差信息
2Δ L1传输到2X1 3dB耦合器，实现光程差传感；步骤二，将步骤一中的反射光通过2X I 3dB耦合器光分为两路，分别经过马赫泽德干涉仪一号臂和二号臂并得到两臂对应的光程；由存在于马赫泽德干涉仪一号臂上由第一自聚焦透镜、第二自聚焦透镜、纳米位移台组成的光程差校正装置执行以下操作第一自聚焦透镜输出的空间准直光束在空气中传播一段距离之后，通过第二自聚焦透镜回到多模光纤之中，移动纳米位移台改变空间准直光束在空气中的传播距离，从而调节马赫泽德干涉仪一号臂光程；经前述操作，输出光信号及其光程差信息；步骤三、将马赫泽德干涉仪一号臂和二号臂的光纤末端并排由光纤阵列固定，构成杨氏干涉仪马赫泽德干涉仪光纤端面与光纤阵列后面的柱面镜焦面重合；通过柱面镜压缩呈光带的光由线阵相机接收；两光纤末端间距为山光纤端面距离线阵相机的距离为D，两束光输出到线阵相机的光重叠区域上产生最终的干涉条纹，并由线阵相机接收；在d远远小于D条件下，光程差在光重叠区域上呈线性分布，满足公式Δ = xd/D,其中X表示对应线阵相机位置；步骤四，进行干涉光程差校正，将光程差表示为Λ ' =2 AL1-(I1-12)-XdZD, I1, I2分别表示马赫泽德干涉仪一号臂和二号臂；当Λ' =0时，对应X位置处，输出低相干干涉信号包络峰值；校正干涉仪调整完成后，I1-12为常数，X随λ L1而变化，而且存在一一对应关系，通过精确定位X值，即可实现待测光程差的高精度解调。所述步骤四还包括调节马赫泽德干涉仪一号臂和二号臂两臂长之间的距离1ι_12 实现不同光程差区间解调。所述步骤一采用光纤法-珀干涉仪实现光程差传感，其干涉光程差传感流程包含以下操作将宽带光源发出的光通过2X2 3dB稱合器,沿光纤传输的光在光纤端面发生部分反射，形成参考反射光；透射光通过与光纤端面距离AL2的反射镜反射后再次耦合到光纤，形成传感反射光，参考反射光与传感反射光合成一束光后，包含了 2 AL2的光程差信息， 改变反射镜距离光纤端面的距离，即改变了光程差传感量。与现有技术相比，本发明结合了空间扫描与时间扫描的方式进行低相干干涉光程
差解调I、在解调干涉仪部分，采用杨氏干涉形成光程差的空间线性分布扫描，线阵相机直接接收光程差扫描后输出的低相干干涉条纹，无机械运动，稳定性高。相比于时间扫描，该系统解调精度不受扫描电机移动精度影响，选择系统参数，实现纳米量级的高精度解调；2、在校正干涉仪部分，通过调节马赫泽德干涉仪其中一臂的光程差，实现对整个系统光程差校正的目的。通过高精度的纳米位移台有效控制马赫泽德干涉仪的输出光程差，叠加到整个系统中，修正整个系统的光程差解调区间；3、采用光纤干涉仪结构型式，系统调节方便，工作稳定性高。
图1是基于低相干干涉的光纤杨氏干涉光程差解调装置图；图2是迈克尔逊传感干涉仪两臂光程差示意图；图3是法-珀传感干涉仪两臂光程差示意图；图4是杨氏解调干涉仪光程差空间分布扫描解调示意图；图5是系统输出的低相干干涉条纹归一化模拟光强曲线；图6是马赫泽德校正干涉仪两臂光程差校正不意图；图7是系统光程差扫描范围与扫描区间校正分析示意图。图中，I、宽带光源，2、2X2 3dB耦合器，3、迈克尔逊干涉仪I号臂，4、迈克尔逊干涉仪一号臂反射端面，5、迈克尔逊干涉仪二号臂，6、迈克尔逊干涉仪2号臂反射端面，7、2X1 3dB耦合器，8、马赫泽德干涉仪一号臂，9、马赫泽德干涉仪二号臂，10、第一自聚焦透镜，11、第二自聚焦透镜，12、空间准直光束，13、纳米位移台，14、光纤阵列，15、线阵相机，16、光重叠区域，17、光纤端面(法-珀干涉仪第一个反射面)，18、反射端面(法-珀干涉仪第二个反射面)，19、法-珀干涉仪第一反射光束，20、法-珀干涉仪第二反射光束。21、线阵相机位置，22、马赫泽德干涉仪光程差，23、杨氏干涉仪光程差，24、系统扫描光程差，25、马赫泽德干涉仪光程差分布曲线，26、杨氏干涉仪光程差分布曲线，27、第一个光程差对应的解调低相干干涉条纹模拟光强曲线，28、第二个光程差对应的解调低相干干涉条纹模拟光强曲线，29、柱面镜。
具体实施例方式下面将结合附图对本发明的具体实施方式
进行详细描述，这些实施方式若存在示例性的内容，不应解释成对本发明的限制。实施例1:基于低相干干涉的光纤杨氏干涉光程差解调装置该系统组成部分包括宽带光源，3dB耦合器，传感干涉仪，解调干涉仪，校正干涉仪和线阵相机六大部件，各部件之间采用多模光纤进行光信号传输。如图1所示，宽带光源I发出的光通过2X2 3dB耦合器2均分为两路光，两路光分别经过迈克尔逊干涉仪I号臂3和2号臂5，分别由迈克尔逊干涉仪I号臂反射端面4和2号臂反射端面6反射回来后,再次通过2X2 3dB稱合器2合成一束光,并传输到2X1 3dB耦合器7 ;2X1 3dB耦合器7再次将光分为两路，分别经过马赫泽德干涉仪一号臂8和二号臂9，设置于马赫泽德干涉仪I号臂8上的光程差校正装置包括第一自聚焦透镜10、第二自聚焦透镜11、纳米位移台13。由第一自聚焦透镜10输出的空间准直光束12，在空气中传播一段距离之后，通过第二自聚焦透镜11回到多模光纤之中，移动纳米位移台13改变空间准直光束12在空气中的传播距离，从而调节马赫泽德干涉仪光程差。该两臂的光纤末端并排，由光纤阵列14固定，构成光纤杨氏干涉仪。光纤端面与光纤阵列14后面的柱面镜29焦面重合，通过柱面镜29压缩呈光带的光由线阵相机15接收，线阵相机15接收面上的光程差呈线性分布，实现光程差空间线性扫描。上述解调装置中的元件具体为宽带光源，根据线阵相机的感光要求，选择白光LED光源，齒素灯,氣气灯，ASE光源；3dB稱合器,选择多模光纤稱合器,起到分光束与合光束的作用；传感干涉仪，产生待测光程差，选择迈克尔逊干涉仪和法-珀干涉仪作为传感干涉仪均可；解调干涉仪，采用光纤杨氏干涉仪，利用其光程差空间分布特性，扫描匹配待测光程差。其光纤输出后端放置柱面镜，光纤端面位于柱面镜焦点处，柱面镜作用在于将光压缩呈一条光带，提高后端线阵相机对光信号接收效率；校正干涉仪采用光程差可调节的马赫泽德干涉仪，调节与校正后端的解调干涉仪光程差分布扫描范围，使其完全覆盖待测光程差的变化范围；线阵相机选择线阵CCD相机。此外，根据选择光源光谱波段，选择其他线阵相机，有线阵CMOS，线阵砷化镓铟光电探测器供选择。实施例2 :基于低相干干涉的光纤杨氏干涉光程差传感方法基于光纤迈克尔逊干涉仪的光程差传感方法如图2所示，2X2 3dB耦合器2将光均分成两路，分别输入到迈克尔逊干涉仪一号臂3和二号臂5，并在两臂端面分别反射后，再次合成一束光，此时，由于两臂长的差异而使得光信号中包含了 2 AL1的光程差信息，改变其中一条臂的长度，即改变光程差传感量。除了采用光纤迈克尔逊干涉仪之外，光纤法-珀干涉仪同样适用，如图3所示沿光纤传输的光在光纤端面17发生部分反射，形成参考反射光19。透射光通过与光纤端面17距离Λ L2的反射镜18反射后再次耦合到光纤，形成传感反射光20,参考反射光19与传感反射光20合成一束光后,包含了 2AL2的光程差信息，改变反射镜18距离光纤端面17的距离，即改变了光程差传感量。该方法适用于可转化为光程差变化的任何物理量的传感，比如位移、压力、温度、折射率等。实施例3 :基于低相干干涉的光纤杨氏干涉光程差解调方法如图4所示，光纤杨氏干涉仪两光纤末端间距为d，光纤端面距离线阵相机的距离为D，两束光输出到线阵相机15的光重叠区域16上产生最终的干涉条纹，并由线阵相机15接收。在d远远小于D条件下，光程差在光重叠区域16上呈线性分布，满足公式Λ =xd/
D，其中X表示位置。则解调低相干干涉条纹归一化光强可表示为
权利要求
1.一种基于低相干干涉的光纤杨氏干涉光程差解调装置，该解调装置包括宽带光源、 3dB耦合器、传感干涉仪、解调干涉仪、校正干涉仪和线阵相机，各部件依序组成的光路之间采用多模光纤进行光信号传输，其特征在于，所述传感干涉仪采用迈克尔逊干涉仪，所述解调干涉仪采用光纤杨氏干涉仪，以及所述校正干涉仪采用光程差可调节的马赫泽德干涉仪宽带光源发出的光通过2 X 23dB耦合器均分为两路光，两路光分别通过迈克尔逊干涉仪一号臂和二号臂，并分别由迈克尔逊干涉仪一号臂反射端面和二号臂反射端面反射回来后，再次通过2X23dB耦合器合成一束光，并传输到2X 13dB耦合器，2X 13dB耦合器再次将光分为两路，分别为马赫泽德干涉仪一号臂和二号臂；存在于马赫泽德干涉仪一号臂上的光程差校正装置包括第一自聚焦透镜、第二自聚焦透镜、纳米位移台由第一自聚焦透镜输出的空间准直光束，在空气中传播一段距离之后，通过第二自聚焦透镜回到多模光纤之中，移动纳米位移台改变空间准直光束在空气中的传播距离，从而调节马赫泽德干涉仪光程差；马赫泽德干涉仪两臂光纤末端并排，由光纤阵列固定，构成光纤杨氏干涉仪；光纤端面与光纤阵列后面的柱面镜焦面重合，通过柱面镜压缩呈光带的光由线阵相机接收，线阵相机接收面上的光程差呈线性分布，实现光程差空间线性扫描。
2.如权利要求I所述的基于低相干干涉的光纤杨氏干涉光程差解调装置，其特征在于，所述传感干涉仪采用光纤法-珀干涉仪沿光纤传输的光在光纤法-珀干涉仪光纤端面发生部分反射，形成参考反射光；透射光通过与光纤端面距离AL2的反射镜反射后再次耦合到光纤，形成传感反射光，参考反射光与传感反射光合成一束光后，包含了 2 AL2的光程差信息，改变反射镜距离光纤端面的距离，即改变了光程差传感量。
3.如权利要求I或2所述的基于低相干干涉的光纤杨氏干涉光程差解调装置，其特征在于，根据线阵相机的感光要求，所述宽带光源选择白光LED光源、卤素灯、氙气灯或ASE光源。
4.如权利要求I或2所述的基于低相干干涉的光纤杨氏干涉光程差解调装置，其特征在于，所述3dB耦合器选择多模光纤耦合器，所述线阵相机选择线阵CCD相机。此外，根据选择光源光谱波段，选择其他线阵相机，有线阵CMOS，线阵砷化镓铟光电探测器。
5.一种基于低相干干涉的光纤杨氏干涉光程差解调方法，其特征在于，该方法包括以下步骤步骤一，将宽带光源发出的光通过2X2 3dB耦合器均分为两路光，分别经过迈克尔逊干涉仪一号臂和二号臂，两路光分别由迈克尔逊干涉仪一号臂反射端面和二号臂反射端面反射回来后，再次通过2X2 3dB f禹合器合成一束光；将反射光中存在光程差信息2 Δ L1传输到2X1 3dB耦合器，实现光程差传感；步骤二，将步骤一中的反射光通过2X1 3dB耦合器光分为两路，分别经过马赫泽德干涉仪一号臂和二号臂并得到两臂对应的光程；由存在于马赫泽德干涉仪一号臂上由第一自聚焦透镜、第二自聚焦透镜、纳米位移台组成的光程差校正装置执行以下操作第一自聚焦透镜输出的空间准直光束在空气中传播一段距离之后，通过第二自聚焦透镜回到多模光纤之中，移动纳米位移台改变空间准直光束在空气中的传播距离，从而调节马赫泽德干涉仪一号臂光程；经前述操作，输出光信号及其光程差信息；步骤三、将马赫泽德干涉仪一号臂和二号臂的光纤末端并排由光纤阵列固定，构成杨氏干涉仪马赫泽德干涉仪光纤端面与光纤阵列后面的柱面镜焦面重合；通过柱面镜压缩呈光带的光由线阵相机接收；两光纤末端间距为d，光纤端面距离线阵相机的距离为D，两束光输出到线阵相机的光重叠区域上产生最终的干涉条纹，并由线阵相机接收；在d远远小于D条件下，光程差在光重叠区域上呈线性分布，满足公式Δ = xd/D,其中X表示对应线阵相机位置；步骤四，进行干涉光程差校正，将光程差表示为Λ ' = 2 AL1-(I1-I2)-xd/D, 112分别表示马赫泽德干涉仪一号臂和二号臂；当Λ' =O时，对应X位置处，输出低相干干涉信号包络峰值；校正干涉仪调整完成后， I1-I2S常数，X随AL1而变化，而且存在一一对应关系，通过精确定位X值，即可实现待测光程差的高精度解调。
6.如权利要求5所述的基于低相干干涉的光纤杨氏干涉光程差解调方法，其特征在于，所述步骤四还包括调节马赫泽德干涉仪一号臂和二号臂两臂长之间的距离^-、，实现不同光程差区间解调。
7.如如权利要求5所述的基于低相干干涉的光纤杨氏干涉光程差解调方法，其特征在于，所述步骤一采用光纤法-珀干涉仪实现光程差传感，其干涉光程差传感流程包含以下操作将宽带光源发出的光通过2X2 3dB稱合器,沿光纤传输的光在光纤端面发生部分反射，形成参考反射光；透射光通过与光纤端面距离Λ L2的反射镜反射后再次耦合到光纤，形成传感反射光，参考反射光与传感反射光合成一束光后，包含了 2 AL2的光程差信息,改变反射镜距离光纤端面的距离，即改变了光程差传感量。
全文摘要
本发明公开了一种基于低相干干涉的光纤杨氏干涉光程差解调装置，该解调装置包括宽带光源、3dB耦合器、传感干涉仪、解调干涉仪、校正干涉仪和线阵相机，各部件依序组成的光路之间采用多模光纤进行光信号传输；解调方法主要包括光程差传感、光程差解调和光程差校正。与现有技术相比，本发明结合了空间扫描与时间扫描的方式进行低相干干涉光程差解调，无机械运动，稳定性高；相比于时间扫描，解调精度不受扫描电机移动精度影响，可实现纳米量级的高精度解调；通过调节光程差，实现对整个系统光程差校正；并且，通过纳米位移台有效控制输出光程差，修正整个系统的光程差解调区间；采用光纤干涉仪结构型式，系统调节方便，工作稳定性高。
文档编号G01D5/26GK102980601SQ20121052993
公开日2013年3月20日 申请日期2012年12月7日 优先权日2012年12月7日
发明者江俊峰, 刘铁根, 尹金德, 刘琨, 王双, 张以谟, 吴凡, 秦尊琪, 邹盛亮 申请人:天津大学