CN102135437B - 用非平衡Mach-Zehnder干涉仪对多信号问讯的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种用非平衡Mach-Zehnder干涉仪对多信号问讯的方法及装置。由宽谱光源、三端口环行器、光电探测器非平衡Mach-Zehnder干涉仪、单模连接光纤、串行光纤传感器阵列组成；所述的宽谱光源与光电探测器通过三端口环行器构成发射和接收的光电器件；所述的非平衡Mach-Zehnder干涉仪，由扫描棱镜、半反半透镜、自聚焦透镜构成；所述的串行光纤传感器阵列，是由一系列长度不等的单模光纤段构成首尾相接的串行阵列。本发明具有结构简单，容易实现；使用方便，造价低廉；可作分布式测量方法的扩展；其动态范围及精度可调整；具有较强的抗干扰性等优点。可对分布式形变、应变、温度、压力等物理量进行传感探测。
Description
技术领域
本发明属于光纤技术领域，具体涉及一种基于非平衡Mach-Zehnder干涉仪实现对多个传感器信号问讯的方法，以及基于此方法构造的一种准分布式光纤白光干涉应变传感解调装置。
背景技术
采用低相干、宽谱光源，例如发光二极管(LED)、超自发辐射光源(ASE)或者超辐射激光二极管(SLD)驱动的光纤干涉仪通常被称为光纤白光干涉仪。典型的光纤白光干涉仪如图1所示，其结构组成为利用光纤搭建Micheslon式干涉仪，并采用宽谱光源LED或者ASE对干涉仪进行驱动，为其提供光能，通过探测器探测白光干涉条纹实现对待测物理量的测量。其工作原理如下，由宽谱光源11发出的宽谱光进入单模光纤后，被3dB单模光纤2×2耦合器13分成两束，一束光进入被作为测量臂的单模光纤14，被其后端的光学反射面15反射后沿原路返回，经过单模光纤14、耦合器13到达光电探测器12，这束光称为测量信号光；由光源11发出的光被耦合器13分路的另外一束光进入作为参考臂的单模连接光纤16、自聚焦透镜17，经过移动反射镜18的反射后沿原路返回到达光电探测器12，这束光被称为参考信号光。测量信号光和参考信号光在探测器表面发生相干叠加，由于宽谱光源的相干长度很短，大约为几微米到几十微米，只有当参考信号光和测量信号光程差小于光源的相干长度时，才会产生相干叠加，输出白光干涉图样(参见附图2)。
如图2所示，白光干涉条纹的特征是有一个主极大值，称为中心条纹，它与零光程差相对应，即对应于参考光束和测量光束光程相等时，称为参考光束与测量光束具有光程匹配关系。通过改变光纤延迟线的延迟量，使参考信号的光程发生变化，可以获得中心干涉条纹。中心条纹的位置为测量提供了一个可靠的绝对位置参考，当测量光束由于外界待测物理量的影响光程发生变化时，只需通过参考臂光程扫描得到的白光干涉条纹的位置变化，即可获得被测量物理量的绝对值。与其他光纤干涉仪相比，除了具有高灵敏度、本质安全、抗电磁场干扰等优点外，最大特点是可对压力、应变、温度等待测量进行绝对测量。因此白光干涉性光纤干涉仪被广泛用于物理量、机械量、环境量、化学量、生物医学量的测量。
[YUAN L B，ZHOU L M，JIN W.Quasi-distributed strain sensing with white-lightinterferometry：a novel approach，Optics Letters，25，1074-1076，2000]中提出的空分复用技术(SDM)，通过分立参考干涉仪进行时间和空间连续光程扫描，即可实现对多传感器的解调和问询，从而很方便的实现多路复用，这种方法结构简单，测量精度高。
申请人于2006年公开了多路复用光纤干涉仪及其嵌套构建方法(中国专利公开号：CA1963399A)，发明了可以构造传感器阵列和网络的全光纤干涉仪及其实现方法，解决光纤干涉仪的多路复用问题；申请人于2007年公开的低相干绞扭式类Sagnac光纤形变传感装置(中国专利公开号：101074867A)，主要用来解决光纤传感器阵列布设过程中的抗毁坏的问题。在上述应用中，特别当白光干涉仪连接有光纤传感器阵列时，本地的解调干涉仪与远端的传感干涉仪的光程通过光程匹配来实现光纤传感器阵列的问讯与解调。这样传感干涉仪阵列可以是完全无源的，其好处是阵列中输出的多个干涉信号对本地解调干涉仪和传感器阵列之间的连接光纤长度的变化不灵敏，增强了测量的稳定性和可靠性。
但在上述基于空分复用的干涉仪结构中，本地的解调干涉仪大多采用Michelson干涉仪、Mach-Zehder干涉仪等分立式干涉仪结构。由于空间光程扫描范围有限，因此要求光纤Michelson干涉仪的两臂(传感臂含有传感器)初始长度大致相同，即使采用Fabry-Perot谐振腔或者光纤环形腔也大体如此。否则，为了匹配干涉仪两臂过大的光程差，扫描信号光将在谐振腔内反射次数过多，损耗过大，会导致信号衰减过大，幅度太小，而无法解调，给实际应用带来一定麻烦。另外，过长的扫描臂对环境温度更加敏感，会影响测量的精度，也不利于***的稳定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、容易实现；使用方便、造价低廉；可实现分布式测量的扩展；其动态范围及精度可调；具有较强的抗干扰性的用非平衡Mach-Zehnder干涉仪对多信号问讯的方法。本发明的目的还在于提供一种用非平衡Mach-Zehnder干涉仪对多信号问讯的准分布式光纤白光干涉应变传感解调装置。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的用非平衡Mach-Zehnder干涉仪对多信号问讯的方法是：通过将宽带光源和光电探测器构成发射与接受的光电器件，使参考光波与测量光波在同一光路中传输，通过使Mach-Zehnder干涉仪两臂的长度发生变化，使传感器反射回的参考光波与测量光波的光程进行匹配，获得白光干涉条纹，实现对多个传感器信号的问讯。
本发明的用非平衡Mach-Zehnder干涉仪对多信号问讯的装置由宽谱光源、三端口环行器、光电探测器非平衡Mach-Zehnder干涉仪、单模连接光纤、串行光纤传感器阵列组成；所述的宽谱光源与光电探测器通过三端口环行器构成发射和接收的光电器件；所述的非平衡Mach-Zehnder干涉仪，由扫描棱镜、半反半透镜、自聚焦透镜构成，非平衡Mach-Zehnder干涉仪器件的两臂的长度可以变化；所述的串行光纤传感器阵列，是由一系列长度不等的单模光纤段构成首尾相接的串行阵列。
用于连接宽谱光源、非平衡Mach-Zehnder干涉仪和光信号探测器的三端口环行器的连接方式是第一端口连接低相干光源，第一端口的输入功率从第二端口输出至非平衡Mach-Zehnder干涉仪，第二端口的输出功率从第三端口输出至光信号探测器，且每端都不会存在反射。
所述的半反半透镜由两个垂直放置的半反半透镜组成，两个半反半透镜分别与自聚焦透镜呈45°角。
本发明提出了一种基于非平衡Mach-Zehnder干涉仪实现对多个传感器信号问讯的方法，基于此方法构造出一种结构简单的分布式光纤白光干涉传感器阵列。这种光纤白光干涉仪具有结构简单，容易实现；使用方便，造价低廉；可作分布式测量方法的扩展；其动态范围及精度可调整；具有较强的抗干扰性等优点。可对分布式形变、应变、温度、压力等物理量进行传感探测。本发明可用于大尺寸的智能结构监测，亦可用于多任务传感、多元传感、局部应变传感以及大尺度形变传感。
本发明的是一种基于非平衡Mach-Zehnder干涉仪实现对多个传感器问讯的分布式光纤白光干涉传感器阵列的构建方法，通过将宽带光源和光电探测器构成发射与接受的光电器件，使参考光波与测量光波在同一光路中传输，通过使Mach-Zehnder干涉仪两臂的长度发生变化，使传感器反射回的参考光波与测量光波的光程进行匹配，获得白光干涉条纹，实现对多个传感器信号的问讯。
这种基于非平衡Mach-Zehnder干涉仪实现问讯的分布式光纤白光干涉传感器阵列，由宽谱光源、三端口环行器、光电探测器非平衡Mach-Zehnder干涉仪、单模连接光纤、串行光纤传感器阵列组成。
所述的宽谱光源与光电探测器通过三端口环行器构成发射和接收的光电器件。
所述的非平衡Mach-Zehnder干涉仪，由扫描棱镜、半反半透镜、自聚焦透镜构成。
所述的非平衡Mach-Zehnder干涉仪器件，其两臂的长度可以发生变化。
所述的光纤传感器组成的阵列，是由一系列长度不等的单模光纤段构成首尾相接的串行阵列。
所述的组成基于非平衡Mach-Zehnder干涉仪实现问讯的分布式光纤白光干涉传感器阵列，由宽谱光源、三端口环行器、光电探测器、非平衡Mach-Zehnder干涉仪、单模连接光纤、串行光纤传感器阵列，都工作在单模状态。
本发明方法的基本原理是低相干、宽谱光(白光)的干涉原理和空分复用原理。最简单的非平衡Mach-Zehnder干涉式准分布光纤白光应变传感器阵列的结构如图3所示，即传感器阵列中只连接一个传感器的情况。白光光源111的出射光束通过一三端口环行器121直接达到非平衡Mach-Zehnder干涉仪2，该光束被干涉仪分束后，产生一定长度的光程差的问询光输出；问询光又分别被传感器411(如图5所示)的左右两个端面反射补偿后沿原路返回，再次经过非平衡Mach-Zehnder干涉仪2，到达光电探测器131。在上述一系列具有不同光程的光信号中，我们将光信号从光源传输到传感器，系列具有不同光程的光信号中，我们将光信号从光源传输到传感器，以及经传感器再反射回探测器的这个过程中，来回都仅经过一次非平衡Mach-Zehnder干涉仪2。对光纤传感器的光程匹配，就是指由传感器两个部分反射端面引入的静态光程差(无应变加载时)，被非平衡的Mach-Zehnder两臂之间引入的光程差所补偿，而Mach-Zehnder干涉仪两臂之间的光程差的变化，可由扫描棱镜的位移的在小范围扫描得到。测量光信号和参考光信号在探测器131表面发生相干叠加，由于宽谱低相干光源的相干长度很短，大约为几微米到几十微米，只有当参考信号和测量信号的光程差小于光源的相干长度时，才会产生相干叠加，根据白光干涉的特性，只有当光纤传感器所产生的光程和非平衡Mach-Zehnder问询干涉仪两光程绝对相等时，才出现干涉条纹的峰值，即由传感器引入的光程差被Mach-Zehnder干涉仪两臂引入光程差所补偿时，探测器将接收到由于干涉而产生的交流信号的峰值，通过光程的动态扫描，对干涉信号的峰值进行跟踪测量，即可实时得到传感器长度改变量的信息。已知埋入传感器的长度，就可以得到光纤传感器的应变值，进而得到基体的应变值。
对于光程差为x的两束部分相干光而言，其干涉可由下式描写
式中：I1、I2为参考光束和测量光束的信号强度，k为波数，x为两干涉信号光程差，φ为初始相位，γ(x)为光源自相关函数。
依据上述讨论，所谓光程匹配，具体到图3的光纤测量***而言，即为测量信号在传感器(4)左右两端面反射所累积的光程与在非平衡的Mach-Zehnder两臂之间引入的光程差相等，所以
nL+nl+L0＝nL+(L0+2X)(2)
其中，L为共光程光纤部分的长度，l为左右反射面之间的光纤传感器的长度，n为光纤纤芯的折射率，非平衡光纤干涉仪的初始光程差的长度为L0，可调的光的光程为2X，其中X为半反半透镜与全反射扫描反射棱镜之间的距离，其值可以通过控制扫描棱镜调节。
基于白光干涉原理的光纤干涉仪的干涉条纹只发生在光程匹配附近的几微米到几十微米之间。利用这个特点，无需利用复杂的时分或者频分复用技术，即可实现传感器的复用。如图7所示，将光纤传感器411首尾相接组成串行阵列4。每个传感器411的端面都具有一定的反射率。如果每个传感器的长度大于光源的相干长度，则测量光与参考光之间产生的干涉条纹在各自相干长度内，只存在单一的白光干涉信号，即干涉条纹互不干扰相互独立；通过对非平衡的Mach-Zehnder两臂进行调节可实现空间光程扫描，对多个传感器加以区分，实现对多个外界物理量的查询与问讯，从而十分方便的实现分布式传感。
可见基于非平衡的Mach-Zehnder干涉仪实现问讯的分布式光纤白光干涉传感器阵列的基本构造思想是由传感器引入的光程差被Mach-Zehnder干涉仪两臂引入光程差所补偿时，发生一一对应的光程匹配，使产生的白光干涉条纹在光程扫描空间上相互独立、互不干扰。
本发明的优点和特点是：
(1)本发明采用非平衡Mach-Zehnder干涉仪构造分布式光纤白光干涉传感器***，极大地简化了测量***的光路结构；同时使测量光路和参考光路实现了共光路，提高了对环境的抗干扰能力。
(2)采用非平衡Mach-Zehnder干涉仪构造分布式光纤白光干涉传感器***，无需采用复杂的时分复用或频分复用技术，只需通过连续的空间光程扫描，即可实现对多个传感器信号的问讯和测量，技术简单，易于实现。
(3)本发明构造的分布式光纤白光干涉传感器阵列，可以实现光纤传感器布设的阵列化，在测量时各传感器互不影响，具有多任务传感、多元传感、局部应变传感与大尺度形变传感的能力。
(4)使用白光光源与光电探测器构成的光电器件，使得测量光路与参考光路复用，极大地简化了***的复杂程度，降低了测试费用，保证了测试***的实时性，提高了测量的可靠性。
(5)本发明采用的光纤材料和器件均为标准光纤通信元件，***格低廉，容易获得，有利于推广。
本发明可对分布式形变、应变、温度、压力等物理量进行传感探测。本发明可用于大尺寸的智能结构监测，亦可用于多任务传感、多元传感、局部应变传感以及大尺度形变传感。
附图说明
图1是典型的白光干涉Michelson干涉仪结构示意图。
图2是典型的白光干涉条纹信号示意图。
图3是基于非平衡Mach-Zehnder干涉仪实现问讯的最简单的光纤白光干涉传感器的结构示意图。
图4是宽谱光源与光电探测器和光纤环形器构成的光电器件示意图。
图5是光纤传感器的结构示意图。
图6是非平衡Mach-Zehnder干涉仪的结构示意图。
图7是基于非平衡Mach-Zehnder干涉仪实现问讯的分布式光纤白光干涉传感器阵列的***结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图举例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例：利用非平衡Mach-Zehnder干涉仪实现问讯构造的分布式光纤白光干涉传感器阵列的方案，如图7所示。由图可见，该分布式光纤白光干涉传感器阵列由光电器件1、非平衡Mach-Zehnder干涉仪2、单模连接光纤3、串行传感器阵列4构成。光电器件1由宽谱光源111、三端口环行器121与光电探测器131组成；如图4示。非平衡Mach-Zehnder干涉仪2由扫描棱镜231、半反半透镜221、自聚焦透镜211构成。阵列传感器4由光纤传感器411串行连接构成。
使用宽带光源111与光电探测器131通过三端口环行器121构成的光电器件1使参考臂与测量臂合二为一。干涉仪工作时，光电器件中宽带光源111的光通过非平衡Mach-Zehnder干涉仪2后直接耦合进入光纤传感器阵列4，经串行阵列中各个光纤传感器411的右端面反射后，形成了一系列具有不同光程的反射测量信号光；光束被串行阵列中各个光纤传感器411的左端面反射后，沿相同的路径经过非平衡Mach-Zehnder干涉仪所构成的光纤延迟线传输回光电器件中的探测端131，形成了一系列具有不同光程的参考测量信号光；参考光束与测量光束的光程匹配和白光干涉条纹的获得是通过二者共同动作实现的，当传感器引入的光程差被Mach-Zehnder干涉仪两臂引入光程差所补偿时，探测器将接收到由于干涉而产生的交流信号的峰值，通过光程的动态扫描，对干涉信号的峰值进行跟踪测量，即可实时得到传感器长度改变量的信息。通过对Mach-Zehnder干涉仪臂长的连续调谐可实现空间光程扫描，可以对多个传感器加以区分，从而实现对多个外界物理量的查询与问讯。
光纤传感器411是由两端具有一定反射率的垂直于光纤端面的一段任意长度的光纤段构成，典型结构如图5所示，每个光纤传感器由长度大致相同的单模光纤504构成，并且两端加装陶瓷插芯501，端面经过抛光处理后，得到垂直于传输光方向的反射率大于等于1％的光纤端面。光纤传感器411可以通过陶瓷套管502与传感器或者光纤连接，陶瓷套管同时起到对传感器端面的保护作用。两个利用光纤套管连接的光纤插芯之间形成了一个光学反射率1％-3％的光学反射面504。若干个光纤传感器411首尾相接就形成一个串行的光纤传感器阵列4。
Claims (1)
1.一种用非平衡Mach-Zehnder干涉仪对多信号问讯的装置，由具有光发射与光探测功能的光电器件（1）、非平衡Mach-Zehnder干涉仪（2）、单模连接光纤（3）、串行光纤传感器阵列（4）组成，其特征在于：
所述的光电器件（1）由宽谱光源（111）、三端口环行器（121）与光电探测器（131）组成；三端口环行器（121）的连接方式是端口1连接宽谱光源（111），端口1的输入功率从端口2输出至非平衡Mach-Zehnder干涉仪（2），端口2的输出功率从端口3输出至光电探测器（131），且每端都不会存在反射；
所述的非平衡Mach-Zehnder干涉仪（2）由两个自聚焦透镜（211）、半反半透镜组（221）、一个全反射扫描反射棱镜（231）组成，所述半反半透镜组（221）由两个垂直放置的半反半透镜组成，两个半反半透镜分别与自聚焦透镜（211）呈45°角，非平衡Mach-Zehnder干涉仪（2）对串行光纤传感器阵列（4）两个部分反射端面所引入的光程差进行补偿，当串行光纤传感器阵列（4）所产生的光程和非平衡Mach-Zehnder干涉仪两光程绝对相等时，出现干涉条纹的峰值，即由串行光纤传感器阵列（4）引入的光程差被Mach-Zehnder干涉仪两臂引入光程差所补偿时，光电探测器将接收到由于干涉而产生的交流信号的峰值；非平衡Mach-Zehnder干涉仪（2）的位置连接在具有光发射与光探测功能的光电器件（1）之后，串行光纤传感器阵列（4）之前；
所述的串行光纤传感阵列（4）由若干个首尾依次串接的光纤传感器（411）组成，每个光纤传感器（411）由一段长度任意、两端加装陶瓷插芯的单模光纤组成，一系列长度不等的单模光纤段构成首尾相接的串行阵列。
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