CN101718563A - 基于3×3光纤耦合器的相移白光干涉测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤白光干涉测量方法，特别涉及基于3×3光纤耦合器的相移白光干涉测量方法，属于光纤传感技术领域。该方法由一只2×2光纤耦合器和一只3×3光纤耦合器构成光纤M-Z干涉仪，波长扫描光注入到光纤M-Z干涉仪中。输出的三路白光干涉光谱信号幅值相等，在相位上两两相差120°。当波长扫描光从λ₁扫描到λ₂时，得到三路输出信号I_1，I₂和I₃，通过计算或构造和

两路正交的信号，再利用求导交叉相乘方法解调出δ；计算出δ后再对其进行解包裹运算解调出线性相位信息

。再利用

就可以计算出干涉仪的绝对光程差。本发明能够高精度、高速度、绝对测量光纤干涉仪的光程差。

Description

基于3×3光纤耦合器的相移白光干涉测量方法

技术领域

本发明涉及光纤白光干涉测量方法，特别涉及基于3×3光纤耦合器的相移白光干涉测量方法，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)等，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测量。

干涉测量法是测量很多参数(如温度，压力，应变等)非常重要的一种方法，经常使用干涉仪的一个臂作为参考光(未经过含有所需测量参数的环境)，另一个臂作为信号光(经过含有所需测量参数的环境)，解调出两臂之间的相位差，就可以获得需要测量的参数。因此干涉信号的解调技术是光纤干涉测量术的核心技术。干涉解调技术主要分为相对测量技术和绝对测量技术。相对测量技术只能测量信号的变化量，不能测量静态或缓变信号，而绝对测量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。

绝对测量一般使用光纤白光干涉测量法(WLI)。传统的白光干涉测量法使用扫描干涉仪来补偿光程，但这样的***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，通过光谱中相位相差2π的两个波长来绝对测量干涉仪的光程差。若使用宽带光注入干涉仪，则用光谱分析仪来探测干涉仪的白光光谱；若使用波长扫描光注入干涉仪，则用一只光电二极管就可以获得干涉仪的白光光谱。目前已报道了一些光谱域白光干涉测量法，比如傅里叶变换白光干涉测量法(Yijiang，可得一个正弦信号

2倍的第2路信号减去1和3路信号之和后除以系数3可得到一个余弦信号

与上面所得到的g₁信号相位相差90°；将g₁和g₂这两路正交信号相除后取反余弦可得到干涉仪的相位信息 $\mathrm{\δ}=\mathrm{arctg}(-\sqrt{3}\frac{I_1-I_3}{{2I}_2-I_1-I_3}).$

4)步骤3中提取出相位信息δ是通过反正切算法得到的，相位范围在

之间，不连续。为了获取连续相位信息，需要对相位进行解包裹运算。方法是：先给解调出的相位信息δ都乘以2，将其范围扩展到【-π，π】之间，再进行相位解包裹运算，然后再除以2，恢复到原始的线性相位信息

根据线性相位信息

与波长之间的微分关系

干涉仪的光程差D就可通过下式直接得到：

如上所述的基于3×3光纤耦合器的相移白光干涉测量方法，还可通过下述方法实现：

方法二，具体实现步骤如下：

a)与方法一中的步骤1)和2)相同；

b)将步骤a中得到的三路干涉信号中的1和3两路进行如下处理可得一个正弦信号

2倍的第2路信号减去1和3路信号之和后除以系数3可得到一个余弦信号

与上面所得到的g₁信号相位相差90°；分别对g₁和g₂求导后可得g₁＝b(λ)δ′cosδ，g₂′＝-b(λ)δ′(t)sinδ；将g₁、g₂、g₁、“Fourier Transform White_Light Interferometry for theMeasurement of Fiber_Optic Extrinsic Fabry_PerotInterferometric Sensors，”Opt Lett.，Vol.33，NO.16)，软件解调法(Yijiang，“Wavelength_scanning white-light interferometrywith a 3*3coupler based interferometer，”OptLett.，Vol.20，NO.2)，这些方法测量精度高，动态范围大，但是算法比较复杂，测量一次时间约为130us。

发明内容

本发明的目的是为了更好的解决快速、高效解调干涉仪绝对光程差的问题，提出一种简单高速的方法来测量光纤干涉仪绝对光程差，具有精度高、速度快、能绝对测量等优点。

本发明的基于3×3光纤耦合器的相移白光干涉测量方法，是通过下述技术方案实现的：

方法一，具体实现步骤如下：

1)应用一只2×2耦合器和一只3×3耦合器构成光纤M-Z干涉仪；将波长扫描光入射到干涉仪，使干涉仪的输出端得到三路白光干涉光谱。

2)若3×3耦合器对称，干涉仪的三路输出端互成120°。定义3×3耦合器输出的三路干涉信号为：

其中，定义K＝1时为1路信号，K＝2时为2路信号，K＝3时为3路信号，a(λ)为光源光谱轮廓引入的背景光(即直流信号)，b(λ)是干涉条纹的对比度，线性相位信息

(式中m取值为整数，-π≤δ≤π)，D是干涉仪两臂之间的光程差。

3)将步骤2中得到的三路干涉信号中的1和3两路做如下处理g₂′交叉相乘后再相减得到x＝g₂g₁′-g₁g₂′＝b²(λ)(sin²δ+cos²δ)δ′＝b²(λ)δ′；将g₁和g₂分别平方后相加得y＝b²(λ)；x除以y后得到

对z积分后即可解调出相位信息δ；

c)对步骤b中得到的相位信息δ进行相位解包裹运算，恢复原始线性相位信息

线性相位信息

是光源波长从λ₁扫描到λ₂所引起的干涉仪的相位变化，根据相位与波长之间的微分关系

干涉仪的光程差D就可通过(2)式直接得到：

通过上述两种方法实现了绝对测量光程差的目的。

有益效果：

本发明方法所提出的基于3×3耦合器的相移白光干涉测量术具有灵敏度高，精度高，动态范围大，算法简单，速度快等特点，满足高速绝对测量的要求。

附图说明

图1为本发明方法应用于基于3×3耦合器的白光扫描干涉测量的一个具体实施方案；

图2为三路白光干涉光谱信号中的一路；

图3为用来校正波长的标准具的光谱；

图4为方法一解调出来随波长变化的线性相位信息

图5为构造出来的I₁-I₃和2I₂-I₁-I₃两路正交信号的李萨茹图；

图6为方法二解调出来的线性相位信息

图7为本发明的两种方法解调出的相位与傅立叶变换白光干涉测量法的比较；

图中，1-宽带光源、2-光隔离器、3-光纤可调谐法珀滤波器、4-2×2耦合器、5-弹性柱、6-3×3耦合器、7-光电探测器、8-信号采集与处理***、9-锯齿波发生器、10-法珀标准具、11-光纤光栅、12-光电探测器。

具体实施方案

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

本发明的测量方法通过实验进行了验证。图1是本发明方法的一个实施原理图，结合Mach-Zehnder干涉仪的两臂之间光程差的测量对本发明方法进行说明。

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9的驱动下输出波长扫描窄带光，波长扫描窄带光被2×2耦合器4分成两路，其中一路光通过法珀标准具10、光纤光栅11，光电探测器12，用以探测法珀标准具10和光纤光栅11的透射谱；另外一路光注入干涉仪；干涉仪中，一路光作为参考光，另一路作为信号光(包含有待测量信息的光)，两路光在3×3耦合器6处发生干涉，三路输出的干涉信号经过光电探测器7转化为电信号，信号采集与处理***8用来采集探测器7和探测器12的输出信号，并进行处理，同时控制锯齿波发生器9输出驱动信号。

图1实例中，宽带光源1为ASE光源，光谱范围覆盖从1525nm到1565nm，光纤可调谐法珀滤波器3的自由光谱区(FSR)宽度为65nm，精细度为200，所以带宽为0.325nm；法珀标准具10的自由光谱区宽度为0.8nm(100GHz)，精细度为14，法珀标准具10的波长热稳定性为从0℃到70℃的变化小于0.7GHz；一个带宽为0.7nm的中心波长为1535.027nm的光纤光栅11被串联到法珀标准具10后面，用于抹掉法珀标准具10输出梳状光谱中的一个峰值波长，作为波长标记，而这个被抹掉的峰值波长就是光纤光栅的11中心波长。法珀标准具10用于将采集到的干涉信号从时间域转化为波长域，进而取代笨重昂贵的光谱分析仪。

采集的三路白光干涉光谱的幅值相等，相位相互相差120°。其中一路的白光光谱如图2所示，实际上就是在ASE光源的轮廓上叠加了一个白光干涉条纹，所以在处理信号的时候，先对干涉信号做归一化处理，除掉光源轮廓的影响，减小光源波动带给测量的误差。波长校正时，选取了法珀标准具10上1525.649nm和1564.676nm这两个透射峰值点之间的一段信号对干涉信号来进行波长校正，法珀标准具10的输出信号如图3所示，同时确定了波长扫描的起止波长为1525.649nm和1564.676nm。

然后分别利用上述的两种方法进行相位解调。利用方法一解调出来的相位信息如图4所示。利用方法二，构造出来的两路正交信号的李萨茹图如图5所示，从图中可看出获得的两路信号是正交的，解调出来的相位信息如图6所示。

与江毅等提出的“傅里叶变换白光干涉术”(专利申请号：200710177837.3)进行比较，三种方案解调出来的相位随扫描波长变化如图7所示，使用公式(2)，可以计算出来的干涉仪的绝对光程差为2996.19um，运行一次时间约为30us。可见本申请提出的方法获得的结果与其它方法测量得到的结果完全相同，但是运行速度却远远比其它方法提高了四五倍，更易于实现实时高速测量的要求。

Claims (2)

1.)一种基于3×3光纤耦合器的相移白光干涉测量方法，其特征在于具体实现步骤如下：

1)应用一只2×2耦合器和一只3×3耦合器构成光纤M-Z干涉仪；将波长扫描光入射到干涉仪，使干涉仪的输出端得到三路白光干涉光谱；

2)若3×3耦合器对称，干涉仪的三路输出端互成120°，定义3×3耦合器输出的三路干涉信号为：

k＝1，2，3

其中，定义K＝1时为1路信号，K＝2时为2路信号，K＝3时为3路信号，a(λ)为光源光谱轮廓引入的背景光即直流信号，b(λ)是干涉条纹的对比度，线性相位信息

式中m取值为整数，-π≤δ≤π，D是干涉仪两臂之间的光程差；

3)将步骤2)中得到的三路干涉信号中的1和3两路做如下处理可得一个正弦信号

2倍的第2路信号减去1和3路信号之和后除以系数3可得到一个余弦信号与上面所得到的g₁信号相位相差90°；将g₁和g₂这两路正交信号相除后取反余弦可得到干涉仪的相位信息

4)步骤3)中提取出相位信息δ是通过反正切算法得到的，相位范围在

之间，不连续；为了获取连续相位信息，需要对相位进行解包裹运算，方法是：先给解调出的相位信息δ都乘以2，将其范围扩展到【-π，π】之间，再进行相位解包裹运算，然后再除以2，恢复到原始的线性相位信息

根据线性相位信息

与波长之间的微分关系

干涉仪的光程差D就可通过下式直接得到：

2.根据权利要求1所述的一种基于3×3光纤耦合器的相移白光干涉测量方法，其特征在于还可通过下述方法实现：

a)前两个步骤同权利要求1的1)和2)；

b)将步骤a)中得到的三路干涉信号中的1和3两路进行如下处理可得一个正弦信号

2倍的第2路信号减去1和3路信号之和后除以系数3可得到一个余弦信号

与上面所得到的g₁信号相位相差90°；分别对g₁和g₂求导后可得g₁′＝b(λ)δ′cosδ，g₂′＝-b(λ)δ′(t)sinδ；将g₁、g₂、g₁′、g₂′交叉相乘后再相减得到x＝g₂g₁′-g₁g₂′＝b²(λ)(sin²δ+cos²δ)δ′＝b²(λ)δ′；将g₁和g₂分别平方后相加得y＝b²(λ)；x除以y后得到

对z积分后即可解调出相位信息δ；

c)对步骤b)中得到的相位信息δ进行相位解包裹运算，恢复原始线性相位信息

根据相位与波长之间的微分关系

干涉仪的光程差D为

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