专利名称：绝对距离测量的波长扫描干涉系统及其信号处理方法
技术领域：
本发明属于精密测量技术领域，特别涉及用于绝对距离的光纤干涉测量技术。
位移或距离的测量在工业生产及科研领域占有重要地位，特别是绝对距离的测量，是目前重要的发展方向而被研究。传统的机械或光学测量方法已不能适应高精度、自动化测量的要求。七十年代以来，国内外主要发展起了以激光为中心的精密测量技术，使测量范围和精度方面都有了很大的提高。归纳起来主要有激光干涉技术，激光外差干涉技术，光纤技术，多普勒技术等。光纤传感技术是七十年代后期，随着光通信技术、纤维光学和集成光学技术的发展，而迅速崛起的新型传感技术。与其它传统的传感器相比光纤传感器具有体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰、适于易燃易爆环境使用及便于多点多参量测量等优点。
按光纤在传感器中的作用，光纤位移传感器可分为功能型和非功能型。在功能型光纤位移传感器中，位移的变化通过相应结构引起光纤的有关物理量发生变化，通过测量这些物理量的变化可知位移。如美国海军实验室N.Lagakis提出的微弯位移测量结构。非功能型光纤位移传感器中，对光的调制方法不同又可分为强度型和相位型两种。如X.P.Liu等提出的强度调制型位移传感器，通过探测物体表面反射回来的光强确定位移。光学中的干涉法是已知的最灵敏的探测技术之一。光纤干涉型位移传感器是利用外界因素引起光纤中光的相位变化来探测位移或距离的变化，属于相位调制型光纤传感器，其特点是灵敏度高。目前用于位移传感的光纤干涉仪主要有Mach-Zehnder型、Michelson型和Fobry-Perot型三种光纤干涉仪。
光纤干涉位移测量一般是采用传统的干涉条纹计数的方案，由于其致命弱点一一干涉条纹必须连续计数，从而使其实际应用受到极大限制或测量需用导轨，或响应速度不高，或位移必须连续等。在此基础上，近来发展起的一些干涉技术如白光干涉技术，线性调频外差干涉、采用小数条纹的多波长干涉技术等使得光纤位移传感器以其广泛的特性、高灵敏度和精度更加引人注意。白光干涉法要求宽光谱的稳定光源和高重复性的机械移动；调频外差技术要求光源中心频率稳定和严格线性的调制；而小数条纹的多波长干涉技术不但要求光源波长稳定，而且测量范围较小。这些因素都给测量带来了很大困难。如果将其应用于绝对距离测量，必须校准作为参考尺度的光源波长。
为克服以往技术的缺点，本申请发明人提出了一种可用于绝对距离测量的波长扫描干涉仪，其结构如
图1所示。扫描光源11通过一个光纤耦合器131将扫描光束分为两路，每路再通过一个光纤耦合器132、133分别与一个参考干涉仪12、传感干涉仪15相连，当光源波长扫描时，探测器141、142分别连接于光纤耦合器132、133的输出端。探测器142接收到参考干涉仪12输出的干涉信号V2，探测器141接收到传感干涉仪15输出的干涉信号V1，分别对其进行处理得到V1、V2的相位变化Δφb和Δφa，按公式
可求出待测腔长。
上述系统对硬件要求高，器件多、损耗大，使精度、可靠性受到影响，且该系统的信号处理方法运算量大，不能实时处理数据，因而实际应用受到限制。
本发明的目的在于为克服已有技术的不足之处，对上述波长扫描干涉系统进行改进，使其结构更加简单合理，减少系统的损耗及干涉噪声，提高了系统的可靠性，同时提出一种新的信号处理方法，使测量精度进一步提高，并使运算时间大大缩短，更好地满足实际应用的需要。
本发明提出一种绝对距离测量的波长扫描干涉系统包括由单模光纤连成一体的扫描光源，光纤耦合器、参考干涉仪及传感干涉仪，与光纤耦合器相连的光信号探测器，对探测器检出的光信号进行转换的光电转换、放大滤波电路、A/D变换器以及对该转换器的输出信号进行实时处理的计算机数据处理单元，所说的参考干涉仪由两个分别连于光纤输入端的共轴1/4节距自聚焦透镜构成，所说的传感干涉仪是由与光纤输出端相连的自聚焦透镜和待测物表面构成。其特征在于所说的扫描光源、参考干涉仪、传感干涉仪通过两个耦合器与光纤构成两级串联结构。
本发明工作原理结合图2说明如下扫描光源21发出波长在一范围内的变化的光束，由连接于耦合器231的两个探测器241，242接收得到信号Va1和经两个自聚焦透镜组成的F-P干涉仪22产生一干涉信号Va2，经处理得到参考干涉信号Va＝Va1/Va2；该波长扫描光束再由连接于耦合器232的两个探测器243，244接收得到信号Vb1和经过由一个自聚焦透镜和探测物表面组成的传感F-P干涉仪25产生传感干涉信号Bb2，经过处理得到传感信号Vb＝Vb1/Vb2。设定扫描波长λ及扫描范围Δλ，则相位变化
。于是有
，la为已知的参考干涉仪腔长，Δφa、Δφb可求出，于是可得到待测长度(即传感干涉仪的腔长的距离)
。由于Δφb、Δφa求解精度有限，lb存在误差。上式所得只能作为进一步精确求解过程的初值。
另外，信号的频率较相位更易求出，因此求lb初值时，可采用下列方法采用FFT方法求Va和Vb频率值，在谱峰处采用二次曲线拟合方法求出最大峰处的频率分别为fa和fb，可解决FFT分辨率不高的问题。
，(0-1mm范围内，精度约为1μm)。获得初值后，再进一步准确求解。
为增加干涉光的强度，减少传输光的损耗，所说的参考干涉仪的两个自聚焦透镜相对两面镀有反射膜形成干涉腔；另外两相背面镀有增透膜，且与光纤轴线形成一小斜角。所说的传感干涉仪中的自聚焦透镜与光纤输出端相连的端面镀有增透膜，并与光纤轴线成一小斜角，该自聚焦镜的另一端面与被测物表面形成干涉腔。
本发明所述扫描系统的信号处理方法为利用FFT方法求被测腔长的初值，再对扫描中心波长及扫描范围进行估计从而获得被测腔长，完成绝对距离的测量。
本扫描干涉系统的信号处理方法，包括以下步骤1)采集扫描干涉系统中四个探测器输出的并经处理成为数字信号的序列值Va1i、Va2i、Vb1i、Vb2i以及参考干涉仪的固定腔长值la；2)将上步骤序列值经过规一化信号处理得到余弦信号值Vai和Vbi；3)采用FFT方法求出Va和Vb的中心频率fa和fb；4)根据lb′＝la·fb/fa得到被测的传感干涉仪的腔长近似值lb′；5)设定扫描过程的中心波长λc的初值为λco得到扫描范围Δλ的初值λ0；6)采用递推方法得到λc和Δλ的精确值；7)利用序列Vbi、λc和Δλ得到lb的准确值。
本发明所述方法利用以下算法步骤1Va′＝Va1/Va2，Vb′＝Vb1/Vb2，按最小二乘法对Vb′和Vb′规一化处理得到Va和Vb。采用FFT方法求其中心频率fa和fb，lb的最初估计值为lb＇＝la·fb/fa(1)lb′的精度仅为1μm。
设波长扫描从
到
，λc为中心波长，Δλ为扫描范围，在一次扫描过程中为常值，但各次扫描中，可能不同。设f0为信号中心频率，则有Δλ=λc22l·f0·N/fs---(2)]]>N为采样点数，fs为采样频率。
表II
从上面结果可以看出式I化合物抑制角质化细胞的增生。因此，式I化合物可用于治疗过度增生性皮肤病如牛皮癣。鼠的钙耐受性试验体内钙平衡的大辐度改变强烈地影响鼠体重增长。
每天给鼠(体重25-30g)皮下注射化合物，连续4天。仅在5天疗程之前和之后记录体重。在这个疗程中引起体重零增长的剂量为“最高耐受剂量”(HTD)。结果示于表III中表III
从上面结果可以看出，式I化合物显示出与1，25-二羟基胆钙化甾醇近似相同的HTD值。
下面实施例进一步描述本发明，但丝毫不限定本发明。
包含本发明式I化合物的口服剂型可与可药用载体物质一起包含在胶囊，片剂等之内。
可包含在胶囊之内的可药用载体的实例如下粘合剂如黄蓍胶，阿拉伯胶，玉米淀粉，或明胶；赋形剂如磷酸二钙；崩解剂如玉米淀粉；马铃薯淀粉，藻酸等；润滑剂如硬脂酸镁，甜味剂如蔗糖，乳糖或糖精；光栅平面的夹角为θ，当电机35通过凸轮34带动光栅往复转动时，θ发生变化，实现输出激光波长的连续扫描。对于λ＝1.3μm的LD，采用d＝1/1200mm的光栅，按光栅反馈公式44dsinθ＝λ (5)可求出θ≈23°。当光栅转动角度1°，可使输出波长扫描范围超过40nm.LD输出的激光谱宽0.001A，输出功率超过0.5mw。电机转速为3000-4800转/分，则波长的扫描频率为100-160Hz。
耦合透镜33由自聚焦透镜组成，内含有光隔离器(属成熟技术)，耦合效率20-50％。
系统中采用了两个光纤耦合器，这里所用均为单模光纤，(防止多模光纤中的模式色散，提高测量精度)，耦合器为2×2型(X型)，分光比为1∶1，光纤各臂长度为1.5m-2m长。
本实施例的参考F-P干涉仪结构如图4所示。在输入光纤411和输出光纤412末端分别接上1/4节距自聚焦镜421，422，其外套一准直套管423，将光纤的出射发散光转变为平行光束，在F-P腔内进行干涉。421、422与光纤端面接触处镀增透膜，并采用8°斜角结构，为了减少此接触面的反射光进入探测器，以及减少传输光的损耗(菲涅尔损耗)，两个自聚焦透镜421、422相对端面镀反射膜(反射系数r1和r2)，目的是增加干涉光的强度，本实施例取0.2≤r1≤0.3，0.3≤r2≤0.4。腔长la取0.9-1mm。
本实施例的传感器F-P干涉仪结构如图5所示，由单模光纤51输出端相连的自聚焦透镜构成的探头52与被测物表面组成，被测物表面可贴反射面，也可直接用其表面作为反射面。透镜52的端面镀有反射膜，另一端与光纤相连的面镀有增透膜，并与光纤轴线成8°斜角。
本实施例在二个光耦合器输出端分别连接二个光探测器241-244，分别得到两个干涉仪的干涉信号Va1，Va2，Vb1，Vb2，各信号经过转换，放大滤波电路进行处理，其电路如图6所示。
经过转换处理的信号送入微机进行数据处理，本实施例的数据处理程序如图7所示，处理步骤为1)探测器241-244的输出信号经处理后成为数字信号序列Va1，Va2，Vb1，Vb2，输入本处理程序中，固定腔长la已知。
2)经过规一化信号处理，得到余弦信号Va′和Vb′。Va′＝Va1/Va2，Vb′＝Vb1/Vb2，Va′，Vb′经幅度规一化处理后为Va和Vb。
3)采用FFT方法求Va和Vb的中心频率fa和fb。
4)按lb′＝la·fb/fa，求出待测腔长的一个初值。
5)设本次扫描过程的中心波长为λc0＝1310nm(初值)，利用(2)式求出扫描范围的初值Δλ0，
6)假设在已知Δλi的情况下，i＝0，1，2……求式(3)的极小值，对应的λc记为λci+1，并利用式(2)求出Δλi+1。在求极小值时，λc在λci-ελ到λci+ελ，ελ取2nm。λc步进小于0.1nm。
7)搜索范围，判断|λci+1-λci|是否小于0.2nm，若不满足，则将Δλi+1代入式(2)重复执行过程6。
8)若满足，则将所得Δλi+1和λci+1(算法执行了i+1次)，代入(4)式，求函数的极小值，此时l的搜索范围是[lb′-εb，εb+lb′]，lb′已在过程4中求得。函数极小值对应l即为待测腔长lb。
9)输出lb。
上述程序予先存贮在计算机的存贮器中，本程序在586机上执行时间少于100ms，对于扫描性能一般的外腔激光器，精度0.2μm，而对于较好性能的光源，精度可优于0.05μm。算法分辨率取决于式(4)的搜索步进，一般为0.02μm，本实施例中，精度在0.1μm。
权利要求
1.一种绝对距离测量的波长扫描干涉系统包括由单模光纤连成一体的扫描光源，光纤耦合器、参考干涉仪及传感干涉仪，与光纤耦合器相连的光信号探测器，对探测器检出的光信号进行转换的光电转换、放大滤波电路、A/D变换器以及对该转换器的输出信号进行实时处理的计算机数据处理单元，所说的参考干涉仪由两个分别连于光纤输入端的共轴1/4节距自聚焦透镜构成，所说的传感干涉仪是由与光纤输出端相连的自聚焦透镜和待测物表面构成。其特征在于所说的扫描光源、参考干涉仪、传感干涉仪通过两个耦合器与光纤构成两级串联结构。
2.如权利要求1所述的干涉系统，其特征在于所说的参考干涉仪的两个自聚焦透镜相对两面镀有反射膜形成干涉腔，另外两相背面镀有增透膜，且与光纤轴线形成一小斜角；所说的传感干涉仪中的自聚焦透镜与光纤输出端相连的端面镀有增透膜，并与光纤轴线成一小斜角，该自聚焦镜的另一端面与被测物表面形成干涉腔。
3.如权利要求1所述的系统信号处理方法，其特征在于，利用FFT方法求被测腔长的初值，对扫描的中心波长及扫描范围进行估计从而获得被测腔长，完成绝对距离的测量。
4.一种用于如权利要求3所述的扫描干涉系统的信号处理方法，包括以下具体步骤1)采集扫描干涉系统中四个探测器输出的并经处理成为数字信号序列值Va1i、Va2i、Vb1i、Bb2i以及参考干涉仪的固定腔长度值la；2)将上步骤所述值经过规一化信号处理得到余弦信号值Vai和Vbi；3)采用FFT方法求出Va和Vb的中心频率fa和fb；4)根据lb′＝la·fb/fa得到被测的传感干涉仪的腔长近似值lb′；5)设定扫描过程的中心波长λc的初值为λco得到扫描范围Δλ的初值Δλ0；6)采用递推方法得到λc和Δλ的精确值；7)利用序列Vbi、λc和Δλ得到lb的准确值。
全文摘要
本发明属于精密测量技术领域。包括由单模光纤连成一体的扫描光源,光纤耦合器、参考干燥仪及传感干涉仪,探测器,以及光电转换、放大滤波电路、A/D变换器,计算机数据处理单元。本发明使其结构更加简单合理,减少系统的损耗及干涉噪声,提高了系统的可靠性,同时提出一种新的信号处理方法,提高了测量精度,并使运算时间大大缩短,更好地满足实际应用的需要。
文档编号G01B9/02GK1201901SQ9810103
公开日1998年12月16日 申请日期1998年3月20日 优先权日1998年3月20日
发明者廖延彪, 王勇, 田芊 申请人:清华大学