一种步进相移光纤白光干涉测量方法与流程

本发明涉及一种步进相移光纤白光干涉测量方法，属于光纤传感技术领域。

背景技术：

干涉型光纤传感系统主要包括两部分：传感器和信号解调仪器。干涉型光纤传感器有：Fabry-Perot、Mach-Zehnder、Michelson、Sagnac等，待测量作用在干涉仪上时将对干涉仪产生相位调制，从干涉仪的输出干涉信号中解调出干涉仪的相位或相位变化，从而实现对被测物理量的测量。干涉信号的解调技术是光纤干涉测量的核心技术，分为相对测量和绝对测量。相对测量技术测量的是干涉信号相位的变化量，不能测量静态或缓变信号，绝对测量技术可以测量出干涉仪的光程差，因而可以测量静态和缓变信号。

绝对测量使用光纤白光干涉测量法。传统的白光干涉测量法使用扫描干涉仪来补偿光程，系统稳定性差，分辨率低。光谱域白光干涉测量法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。但是在利用光谱域白光干涉测量的过程中还存在着一些问题。光谱域白光干涉测量法包括：峰值探测法(Yi.Jiang，High-resolution interrogation technique for an EFPI by peak to peak method,Appl.Opt.,2008,47(7),925-932)、波长追踪法(Y.J.Rao,M.Deng,D.W.Duan,X.C.Yang,T.Zhu,G.H.Cheng,Micro Fabry-Perot interferometers in silica fiber machined by femtosecond laser,Optics Express,2007.15(21),14123-14128)、利用傅立叶变换的频率分析法(江毅，测量光纤外腔Fabry-Perot干涉仪的白光干涉术，《光子学报》，2006,35(3)：381-384)、相关函数法(Zhen Yang,Min Zhang,Yan biao Liao,A modified cross-correlation method for white-light optical fiber extrinsic Fabry-Perot interferometric hydrogen sensors,Proc.of SPIE Vol.7508,shanghai,China,2009,75081O-1～75081O-8)、基于相位测量技术的光谱域光纤白光干涉测量技术(Yi.Jiang,Fourier Transform White-Light Interferometric for the Measurement of Fiber Optic Extrinsic Fabry-Perot Interferometric Sensors,IEEE Photon.Tech.Lett.,2008,30(2):75-77)、基于3×3耦合器的白光干涉测量方法(Yi Jiang,Peng juan Liang,Phase-shifted white-light interferometry for the absolute measurement of fiber optic Mach-Zehnder interferometers,IEEE Journal of Lightwave Tech.,28(22),3294-3299,2010)。这些方法能够测量出干涉仪的绝对光程差，但是测量范围受限，尤其在光程差较小时，测量精度不高，或者需要操作人员实时观察(如波长追踪法)。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决微型传感器小光程差测量需求的问题，提供一种步进相移光纤白光干涉测量方法，该方法基于对一路白光干涉信号的的相移处理来获得干涉仪的光程差，方法简单，测量动态范围可达50um-10000um，在光程差较小(小于100um)时依然能够高精度测量。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种步进相移光纤白光干涉测量方法，具体步骤如下：

步骤一、干涉仪输出的白光光谱信号表达为其中a(λ)为背景光即直流信号，b(λ)是干涉条纹的对比度，相位其中l是干涉仪的光程差，π由第二端面反射引入。相位其中k是波数，与波数k成线性关系，按照等波数间隔重采样得到新的白光光谱I(k)＝a(k)+b(k)cos(lk+π)，相邻采样点间相位差相等。

步骤二、通过去除直流分量和光源轮廓对白光光谱进行归一化处理，即将步骤一得到的白光光谱I(k)做归一化处理，获得归一化的白光光谱，表达式为：

I(k)＝cos(lk+π)

步骤三、在步骤二所得的归一化的白光光谱上任意截取长度相等、相位差相等的五路信号，则I_n(k)＝cos(lk+π)，n＝1,2,3,4,5；

其中，n＝1、2、3、4、5分别为1、2、3、4、5路信号。五路信号采样点数均为W，并且相邻两路信号之间具有相等的相位差δ(对应的采样点数为M)，即1路信号从k₁₁(采样点N₁₁)扫描到k₁₂(采样点N₁₂)，那么2路信号从k₂₁(采样点N₁₁+M)扫描到k₂₂(N₁₂+M)，3路信号从k₃₁(N₁₁+2M)扫描到k₃₂(N₁₂+2M)，4路信号从k₄₁(N₁₁+3M)扫描到k₄₂(N₁₂+3M)，5路信号从k₅₁(N₁₁+4M)扫描到k₅₂(N₁₂+4M)，实现信号1、2、3、4、5路在相位上相邻两路信号相差δ,因此五路信号的相位为五路信号为

步骤四、用步骤三得到的五路信号I₁、I₂、I₃、I₄、I₅来解调出波长扫描所引起干涉仪的相位变化。首先利用2、3、4路信号得到相位与相邻两路相位差的一半δ/2的关系；

再利用1、3、5路信号得到相位与相邻两路相位差δ的关系；

然后利用上述两个关系式得到相邻两路相位差的一半δ/2的正切值；

则得最后取反正切，得相位信息

步骤五、步骤四所得的相位信息φ在之间，需要进行相位解包裹运算，得到原始的相位根据相位与波数k之间的线性关系微分关系得出干涉仪的光程差即得到待测物理量；其中k₀为等波数采样的相邻两个采样点间的波数间隔。

有益效果

1、本发明提出的步进相移白光干涉测量方法无需频率分析，避免了小光程差时引入较大误差，扩大了测量范围；无需探测峰值、波长追踪，避免操作人员实时观察，实现系统高精度自动测量。

2、本发明能够满足不同光程差的法珀光纤干涉仪绝对测量的要求，尤其是解决目前微型传感器光程差小于100um以内不能精确测量的问题。

附图说明

图1为实施系统原理图；

图2为法珀标准具、光纤光栅、EFPI干涉仪的光谱图，其中(a)法珀标准具的光谱图(b)光纤光栅的光谱图(c)光程差为L1的EFPI干涉仪的光谱图(d)光程差为L2的EFPI干涉仪的光谱图；

图3为采样点对应的波长图；

图4为等波数间隔重采样光谱图，其中(a)光程差为L1(b)光程差为L2；

图5为归一化光谱图，其中(a)光程差为L1(b)光程差为L2；

图6为截取的五路等相位差白光干涉信号，其中(a)光程差为L1(b)光程差为L2；

图7为反正切得到的相位信息φ和原始相位其中(a)光程差为L1的反正切相位信息(b)光程差为L2的反正切相位信息(c)光程差为L1的原始相位(d)光程差为L2的原始相位。

具体实施方式

下面结合说明书附图以及实施例对本发明做进一步的说明。

图1是本发明的一个实施系统原理图。可调谐光纤激光器发出的光经过耦合器分别输入到EFPI传感器、法珀标准具、光纤光栅。EFPI干涉仪中，一路光作为参考光，另一路光作为信号光(包含待测信息)，两路光发生干涉，干涉信号经过光电探测器转化为电信号。法珀标准具的透射信号和光纤光栅的反射信号经过探测器转化为电信号。由A/D卡采集这些转化的电信号并传输到计算机处理系统。图1中，可调谐环形腔掺铒光纤激光器的光谱范围为1515nm到1585nm，线宽0.1nm，功率2mW。光纤光栅的中心波长为1523.679nm，带宽为0.206nm，用来标记波长。法珀标准具的自由光谱区宽度为0.8nm(100GHz)，精细度14，用于将采集到的干涉信号从时间域转化为波长(波数)域。

图2中(a)为法珀标准具的光谱图，(b)为光纤光栅的光谱图，(c)为光程差为L1的EFPI干涉仪的光谱图，(d)为光程差为L2的EFPI干涉仪的光谱图。由光纤光栅和法珀标准具的波长得到EFPI干涉仪对应点的波长，如图3所示采样点与波长的对应关系，从而得到EFPI的波长域光谱

然后对EFPI波长域光谱进行等波数间隔重采样，相邻两点波数间隔为πm^-1，得到如图4所示等波数间隔重采样后EFPI干涉仪的光谱图,其中(a)光程差为L1(b)光程差为L2，

I(k)＝a(k)+b(k)cos(lk+π)

再对等波数间隔重采样后的光谱进行归一化处理，得到如图5所示的EFPI干涉仪的归一化光谱，其中(a)光程差为L1(b)光程差为L2，

I(k)＝cos(lk+π)

在归一化的光谱中截取五路信号，长度W＝35000，相邻两路之间等相位差(对应的采样点点数M＝3200)，

得到如图6所示EFPI干涉仪的五路白光光谱，其中(a)光程差为L1(b)光程差为L2。

利用五路信号I₁、I₂、I₃、I₄、I₅来解调出波长扫描所引起干涉仪的相位变化。首先利用2、3、4路信号得到相位与相邻两路相位差的一半δ/2的关系；

再利用1、3、5路信号得到相位与相邻两路相位差δ的关系；

然后利用上述两个关系式得到相邻两路相位差的一半δ/2的正切值；

则得最后取反正切，得相位信息如图7所示反正切后的相位信息，其中(a)光程差为L1(b)光程差为L2，解包裹运算后得到相位其中(c)光程差为L1(d)光程差为L2，进而得到由于波长扫描所引起的干涉仪相位变化光程差为L1时，相位差光程差为L2时，相位差根据相位与波数之间的关系得到光程差与相位差的关系将W、k₀代入，最终得到光程差L1＝99.9999um，光程差L2＝49.9996um。再利用光程差与待测物理量的关系就可得到待测物理量。

结果表明，本发明提出的步进相移光纤白光干涉测量方法精度高、能够满足大动态范围内的测量要求，尤其是解决了微型传感器绝对光程差小于100um以内的精确测量问题，实用性强。