专利名称：一种光纤傅立叶变换白光干涉测量法的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种光纤傅立叶变换白 光干涉测量法。
背景技术：
干涉型光纤传感器，如法布里-珀罗(Fabry-Perot，法珀)、马赫 -曾德尔(Mach-Zehnder)、迈克尔逊(Michelson)、萨格纳克(Sagnac)， 具有很高的测量灵敏度，得到广泛的应用。待测量，如应变、温度、 位移或者压力等，作用在传感干涉仪上，引起干涉仪光程差的变化， 从干涉仪的输出干涉信号中解调出光程差，从而实现对被测物理量的白光干涉测量法(WLI)利用宽带光源或波长扫描光源探测传感干 涉仪的输出白光光谱，进行干涉仪光程差的绝对测量。目前已报道了 一些从白光光谱中解调出干涉仪光程差的方法，如波长跟踪法，线性 或者正交解调法，快速傅立叶变换法。波长跟踪法通过探测干涉仪输 出光谱的条纹峰值波长移动测量光程差，具有较高的灵敏度，但是只 适用于光程差较小的情况。当光程差较小时，线性或者正交运算也具 有高灵敏度，但这些方法不能避免光源强度和光纤传输损耗变化所造 成的影响。快速傅立叶变换(FFT)是现在最为流行的一种解调方法，它将信号从波长领域变换到腔长域，通过追踪傅立叶谱的频率峰值位 置来计算光程差，但测量精度比波长跟踪法低很多。实验表明，测量 一个腔长为900um的法珀传感器时，经过FFT变换后的频谱在频域的 一赫兹对应于29um的腔长。
发明内容
本发明的目的是针对傅立叶变换峰值频率测量方法精度低的问 题而提供一种高精度的光纤傅立叶变换白光干涉测量方法。 本发明的技术方案1、 选取傅立叶谱的一组载频分量作反傅立叶变换和取复对数运 算，从中提取出传感干涉仪的相位信息，从而解调出传感干涉仪的绝 对光程差。2、 傅立叶变换谱以干涉仪光程差决定的频率为载频，在频率空 间分开为对称的两组载频分量，滤出其中一组作反傅立叶变换和取复 对数运算。3、 反傅立叶变换和取复对数运算后，传感干涉仪的相位信息为 信号的虚部，从光源光谱和对比度形成的背景中分离。4、 针对运算过程中传感干涉仪的相位信息存在2 H相位跃变， 作相位展开，测量范围不受2TT相位限制。本发明的具体方法是探测传感干涉仪的输出光谱，可以表示为其中^W是干涉仪的光程差(对法珀型传感器，腔长^A〃2); a(A)为光源光谱轮廓引入的背景值；M^)是干涉条纹的对比度。式 (1)是波长/l的周期性函数，中心频率A由方程式(2)决定。对于傅立叶频谱，中心频率的实际位置为^除以a其中a二/;av，《为采样频率，vV为采样点数。 (l)式可以改成如下形式<formula>formula see original document page 5</formula> 其中<formula>formula see original document page 5</formula>然后对(3)式进行快速傅立叶变换，得
<formula>formula see original document page 6</formula>(5)其中*号表示复共轭；其中大写字母表示傅立叶谱。中心频率A可以被认为是载波频率。如果被测光程差足够大，载波频率/o比由S( 2)和6(义)变化引起的频谱展宽大很多。用一般的傅立叶变换法测量光程差，直接探测中心频率A，然后可以利用式(2)计算出光程差A厶 本发明提出了另外一种测量光程差的方法。通过带通滤波器对傅 立叶谱滤波，将0(/-/。)滤出，并对其进行反傅立叶变换，然后得到 了H义)+(/i)exp(何J) (6)对/K"进行复对数运算<formula>formula see original document page 6</formula> (7)射<formula>formula see original document page 6</formula> (8)提取式(7)中的信号虚部，获得相位信息^U)，将其从无用的 光源光谱背景信息a(^)和对比度/K^)中分离出来。运算过程中， 相位0U)变化范围为2ix，会被自动截取到[-、+"]之间，所以， 0U)有不连续的2n相位跃变。被截取到[-Ji， +01]之间的相位信 息通过相位展开恢复出来，从而一个超过2n变化的相位信息可以被 测量出来。当相位信息0U)得到以后，光程差A〗可以通过计算得 到。当扫描波长从A到/l2的时候，可以得到一个相位的变化量A ^ U)， 然后由式(9)计算出腔长。= ^_卸(义) (9)本发明的有益效果本发明方法相对白光光谱峰值测量法和傅立 叶变换峰值频率测量方法，测量精度有很大的提高。
图1是本发明方法应用于外腔式法珀干涉型(EFPI)光纤传感器 的腔长解调的一个具体实施方案； 图2(a)是EFPI的反射光谱； 图2 (b)是EFPI反射光谱的傅立叶谱；图2(C)是选取傅立叶谱的一支作反傅立叶变换的结果；图3是分离出的EFPI的相位信息；图4是本发明方法和傅立叶变换峰值频率测量法的比较测量结果；图5是本发明方法的长期测量结果；图6是本发明方法应用于Mach-Zehnder干涉仪光程差解调的一个具体实施方案；图7是本发明方法应用于Michelson干涉仪光程差解调的一个具体实施方案；图中宽带光源1光隔离器2光纤可调谐法珀滤波器3光纤 耦合器4、 4'光纤标准具5光纤光栅6 EFPI光纤传感器7光电 探测器8 、 8' 信号采集与处理系统9锯齿波发生器10 Mach-Zehnder干涉仪11 Michel son干涉仪12。具体实施方案下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 图1是本发明方法的一个实施例图，结合外腔式法珀干涉型 (EFPI)光纤传感器的腔长测量对本发明方法进行说明；本发明的测量 方法通过实验进行了验证，参见图2 5。宽带光源1发出的光经光隔离器2输入到光纤可调谐法珀滤波器 3，光纤可调谐法珀滤波器3在锯齿波发生器10的驱动下输出波长扫 描窄带光，波长扫描窄带光被光纤耦合器4分成两路，其中一路经通 过标准具5、光纤光栅6，光电探测器8探测标准具5和光纤光栅6 的透射谱；另一路光通过光纤耦合器4'输入到EFPI光纤传感器7， 光电探测器8'探测EFPI光纤传感器7的反射光谱；信号采集与处
理系统9采集探测器8、 8'的输出信号进行处理，并控制锯齿波发生器io输出驱动信号。实验所用器件为光纤法布里-珀罗滤波器(FFP-TF) (Micron Optics Inc.), FFP-TF的自由光谱区(FSR)宽度为65nm，精细度为 200，所以FFP-TF带宽为0. 325nm;标准具的自由光谱区宽度为 0. 8nm(100GHz)，精细度为14，标准具的波长热稳定性为从(TC到70°C 的变化小于0. 7GHz; —个带宽为0. 7nm的光纤光栅(FBG)被串联到标 准具后面，抹掉标准具输出梳状光谱中的一个峰值波长，作为波长标 记识别梳状光谱的各峰值波长。标准具的各个输出峰值波长用以校准 由于压电陶瓷驱动的巨大滞后作用所引起的FFP-TF的输出波长偏 差。EFPI和标准具的输出光谱被采集进计算机。首先通过使用标准 具的透射谱进行波长标定，使EFPI的光谱由采样频率变化到波长频 率，然后进行一个波长间隔为lpm的数字重采样，得到EFPI的步长 lpm的反射光谱。EFPI安装在一个精度为2拜的一维微调台上，EFPI腔长可以通 过从零拉伸法珀腔而粗略得到。当EFPI腔长拉伸到2300pm的时候， 探测其反射光谱，如图2(a)所示。图中义坐标为采样序列，同样表 示波长，其波长步长为lpm，这个信号就是式(1)中的^U)。 gU)的 傅立叶变换结果如图2(b)所示。采样频率/;为lMHz，采样点数vV为 40353点，腔长为2300,，所以傅立叶变换的峰值频率为77Hz，与 图2(b)中所示实验结果相符。将傅立叶谱通过滤波器滤出其中一支， 并进行反傅立叶变换和取复对数运算，得到如图2(c)所示的力U)。 分离虚数部分，得到EFPI的相位信息，如图3所示。波长扫描范围 从1525. 139nm到1565. 491腦，对应采样序列1到40353。从图3中 读出两点的相位变化和相应的波长，通过式(9)计算出EFPI腔长为 2298. 7,。本发明的光纤傅立叶变换白光干涉测量方法比起目前的傅立叶 变换峰值频率测量方法有明显的优势，这两种方法通过实验进行了比 较。EFPI腔长从802pm通过17次调节微调平台拉伸到962,，每次
腔长的伸长量大约为10pm。由于受到微调平台精度的限制，每次拉 伸的EFPI腔长并不是精确的10pm。完成每次调节后都进行100次测 量，通过本发明方法和傅立叶变换峰值频率测量方法同时计算EFPI 腔长，测量结果如图4所示。用本发明方法测量时，当微调平台调节 lO^m的时候测量结果就相应的变化10pni，腔长的测量结果随着微调 平台的拉伸线性增加。傅立叶变换峰值频率测量方法精度不高的特点 表现的非常明显，因为这种测量方法对于10pm的腔长变化量并不敏 感，从图4中可以看出峰值频率测量方法的精度只有29pm。为了验证本发明方法的长期测量稳定性，在超过100分钟的时间 里对EFPI腔长进行了 2000次测量。如图5所示，在持续测量过程中 2298. 7|iim的腔长测量波动为土O. 3,，计算得到的标准差为0. 075pm。 事实上，可以通过一个平均值计算大大的减小测量误差。在图5中， 这些数据被分割成20等份，每份有100个数据点。对每份数据求平 均值作为一次测量的结果，测量腔长波动仅为土0.03um，标准差为 0.015um。如果排除在这100分钟测量过程中由于环境温度缓慢变化 等因素所引起的测量误差，那么测量误差仅为土 10nm。实验结果表明，本发明方法相对傅立叶变换峰值频率测量方法， 测量精度有了很大的提高；同时，连续测量结果表明，本发明方法具 有很好的长期测量稳定性。图6是本发明方法应用于Mach-Zehnder干涉仪光程差解调的一 个具体实施方案；图7是本发明方法应用于Michelson干涉仪光程差 解调的一个具体实施方案。
权利要求
1、一种光纤傅立叶变换白光干涉测量法，其特征在于选取傅立叶谱的一组载频分量作反傅立叶变换和取复对数运算，从中提取出传感干涉仪的相位信息，从而解调出传感干涉仪的绝对光程差；傅立叶变换谱以干涉仪光程差决定的频率为载频，在频率空间分开为对称的两组载频分量，滤出其中一组作反傅立叶变换和取复对数运算；反傅立叶变换和取复对数运算后，传感干涉仪的相位信息为信号的虚部，从光源光谱和对比度形成的背景中分离；测量方法步骤如下探测传感干涉仪的输出光谱，可以表示为
2.如权利要求1所述的一种光纤傅立叶变换白光干涉测量法， 其特征在于针对运算过程中传感干涉仪的相位信息存在2 ii相位跃 变，作相位展开，测量范围不受2:r相位限制；测量另外一种测量光程差的方法是通过带通滤波器对傅立叶谱滤波，将^/-/。)滤出，并对其进行反傅立叶变换，然后得到了/z(;i)+(A)ex (6)对/2(2)进行复对数运算ln,)] = ln[>)] + /W) (7)射p(;i) = 27r/0;i = ^A/ (8)/1提取式(7)中的信号虚部，获得相位信息0U)，将其从无用的 光源光谱背景信息a(义)和对比度ZKW中分离出来；运算过程中， 相位^U)变化范围为2n，会被自动截取到[-it, +兀]之间，所以， 0U)有不连续的2n相位跃变；被截取到[-e， +^]之间的相位信 息通过相位展开恢复出来，从而一个超过2:n变化的相位信息可以被 测量出来；当相位信息^U)得到以后，光程差AJ可以通过计算得 到；当扫描波长从A到/l2的时候，可以得到一个相位的变化量A ^U)， 然后由式(9)<formula>formula see original document page 3</formula>计算出腔长(
全文摘要
一种光纤傅立叶变换白光干涉测量法，对传感干涉仪的输出白光光谱作傅立叶变换，傅立叶谱以干涉仪光程差决定的频率为载频，在频率空间分开为对称的两组载频分量；滤出其中一组分量作反傅立叶变换和取复对数运算，传感干涉仪的相位信息作为信号的虚部从光源光谱轮廓和干涉条纹对比度形成的背景中分离出来；针对运算过程中传感干涉仪的相位信息限制在[-π，π]内，对相位信息的2π相位跃变作相位展开，测量范围不受2π相位限制；从相位信息计算出传感干涉仪的绝对光程差，从而实现测量。本发明方法相对白光光谱峰值测量法和傅立叶变换峰值频率测量方法，测量精度有很大的提高。
文档编号G01J3/28GK101158602SQ20071017783
公开日2008年4月9日 申请日期2007年11月21日 优先权日2007年11月21日
发明者唐才杰, 毅 江 申请人:北京理工大学