CN102353520A - 一种用于光纤延迟线测量***的延迟量测量方法及其实现装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光纤延迟线测量***的延迟量测量方法及其实现装置，属于光纤测量技术领域，所述的测量方法首先将宽谱光源发出的光经3dB耦合器分成两路光，第一路通过光纤，第二路通过微位移测长模块，通过两路光两次干涉情况，获得待测光纤的延迟量，实现装置中采用一个图像记录传感器，既作为图像记录传感器又作为成像屏，避免了由于记录方向问题导致的大幅度测量误差，然后将结果送入计算机进行处理。本发明采用反馈控制，利用图像记录传感器的干涉结果来控制微位移测长模块的移动状态，处理速度快，精度高，可实现自动化调节，易于实现高精度的测量。

Description

一种用于光纤延迟线测量***的延迟量测量方法及其实现装置

技术领域

本发明涉及机械、传感器及自动化技术领域的测量方法，具体地说，是指一种应用于光纤延迟线测量***的基准或高精度的光纤延迟线测量方法及其实现装置。

背景技术

目前报道的光纤延迟线延迟量的测量方法主要是电子测量方法和光学测量的方法。电子测量方法适用于具有电-光-电转换功能的微波光纤延迟线组件，测量结果由高速示波器或者矢量网络分析仪获得，由于仪器精度的限制，用示波器观察时延波形图只能看到较长时延下的波形。对于全光光纤延迟线，按照测量原理中是否利用干涉可将光学测量方法分为低相干测量法和相干测量法，这两种测量法的区别在于采用光源的相干性不同，其基本结构主要是常用的各种光学干涉仪，例如在相干测量法中，基于迈克尔逊干涉仪的有光频域反射、光相干域反射、光低相干反射和全光纤任意反射面速度干涉***。迈克尔逊干涉仪通过改变虚平板的厚度和楔角可以实现等倾干涉和等厚干涉，通过测量条纹的变化来实现以光波的波长为单位进行测量。杨氏干涉仪的干涉计量主要检测的是干涉条纹，通过检测条纹位置、形状、间距等的变化，精确测定一些物理量的微小量值。

专利申请号为200910084770.8，发明名称为一种光纤延迟量的低相干测量方法及***的专利申请已经提出了基于红外宽谱光源的光低相干杨氏干涉仪，将延迟量测量由时间量的测量转变为长度测量，结合干涉零级条纹定位和精密可变光程器件，实现了对光纤延迟线延迟量的测量。其中的精密可变光程器件主要依靠手动调节和肉眼读数并且测量范围小，所以，误差较大，测量精度难以保证。

发明内容

本发明为了解决现有技术中光纤延迟线延迟量的测量误差大，精度低的问题，提出一种可应用于光纤延迟线测量***的延迟量测量方法及其实现装置，所述的测量方法可以作为一种光纤延迟线测量***的基准。

本发明提供的测量方法利用低相干光学干涉条纹的特征进行零位和测量位置的标记，不仅精度高，而且同时能够实现大量程的在线测量，具体包括如下步骤：

第一步，将宽谱光源发出的光经3dB耦合器分成两路光，其中第一路作为测量臂进入预定长度的光纤延迟线，第二路接入微位移测长模块；

所述的微位移测长模块包括位移传感器、输入光纤和输出光纤，其中位移传感器由固定部件、可运动部件构成，固定部件上连接输入光纤，用于接收第二路光，可运动部件上连接输出光纤，输出光纤与输入光纤位于同一直线上，输入光纤的光可以被输出光纤接收并实现传播，其中的可运动部件相对固定部件发生位移；通过设置位移传感器，可运动部件相对于固定部件的位移信息直接输出至数据采集及处理模块进行保存和处理；可运动部件上连接驱动控制模块用于控制可运动部件的运动；

第二步，驱动控制模块驱动微位移测长模块调整第二路光的光程，并使两路光产生干涉条纹，标记所述的干涉条纹的零级中心条纹，并记录此时微位移测长模块输出的第一位移数据S1；

所述的驱动控制模块连接在微位移测长模块的可运动部件和计算机之间，计算机根据两路光的干涉条纹，发给驱动控制模块相应的控制指令；

第三步，改变第一路光通过的光纤延迟线的长度，通过驱动控制模块驱动微位移测长模块调整第二路光的光程，再次使得两路光产生干涉条纹，并使得两路光产生的干涉条纹的零级中心条纹的位置与第二步中标记的干涉条纹的零级中心条纹的位置重合，并记录此时微位移测长模块输出的第二位移数据S2；

第四步，根据微位移测长模块的第一位移数据S1和第二位移数据S2，确定待测光纤延迟线的延迟量；

根据公式：

$\mathrm{\Δt}=\frac{S_0}{c}=\frac{S_2-S_1}{c}$

其中，S₀为第二路光的光程改变量，c为光速，Δt为待测光纤延迟线的延迟量。

本发明的优点在于：

1、本发明中采用一个图像记录传感器，既作为图像记录传感器又作为成像屏，避免了由于记录方向问题导致的大幅度测量误差，然后将结果送入计算机进行处理。

2、本发明采用了反馈控制，利用监测CCD光学的干涉结果来控制微位移测长模块的移动状态，处理速度快，精度高，可实现自动化调节，易于实现高精度的测量。

3、本发明中利用低相干光学干涉条纹的特征进行零位和测量位置的标记，不仅精度高，而且同时能够实现大量程的在线测量。

4、通过改变微位移测长模块的测量精度，可以实现从毫微秒量级到10^-18秒量级不同精度的延迟的测量。

5.采用位移传感器和数据采集及处理模块进行数据采集和储存处理，并采用数字显示，读数更加准确，能够保证高精度测量以及显示速度快，能够在***的测量范围内实现在线的测量。

6、本发明提出的测量方法能够根据具体精度要求，采用不同的微位移测长模块，达到需要的精度，因此本方法既可以作为测量***的基准***，也可以作为较高精度的测量***。

附图说明

图1为本发明提供的延迟量测量实现装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明提供的测量方法及其实现装置进行详细说明。

本发明首先提供一种用于光纤延迟线测量***的延迟量测量方法，所述的测量方法具体通过如下步骤实现：

第一步，将宽谱光源发出的光经3dB耦合器分成两路光，其中第一路作为测量臂进入预定长度的光纤延迟线，第二路接入微位移测长模块的输入光纤，所述的微位移测长模块的输出光纤与预定长度光纤延迟线通过夹具固定后，连入图像记录传感器，所述的图像记录传感器采用具有图像记录功能的传感器CCD或者CMOS。

所述的微位移测长模块包括输入光纤、输出光纤和位移传感器，其中所述的位移传感器由固定部件和可运动部件构成，所述的固定部件上连接输入光纤，用于接收第二路光，可运动部件上连接输出光纤，输出光纤与输入光纤位于同一直线上，输入光纤的光可以被输出光纤接收并实现传播。其中的可运动部件可以相对固定部件发生位移，可运动部件相对于固定部件的位移信息直接输出至数据采集及处理模块进行保存和处理，可运动部件上连接驱动控制模块用于控制可运动部件的运动。

所述的宽谱光源的波长范围为300nm-1300nm，采用中心波长为1064nm的掺镱光纤放大器，相干长度约为60μm。

第二步，通过微位移测长模块调整第二路光的光程，并使两路光产生干涉条纹，标记所述的干涉条纹的零级中心条纹，并记录此时微位移测长模块输出的第一位移数据S1。

干涉条纹的零级中心条纹的标记通过如下方式实现：

两路光的干涉条纹照射在图像记录传感器上，形成低相干干涉条纹图像输出给计算机，由计算机进行零级中心条纹的提取：首先，计算机对图像记录传感器传输的图像进行二值化方法处理，获得二值化图像输，所述的二值化图像中含有部分中心条纹信息的黑白图像。然后计算机采用函数cvFindContours在二值化图像中寻找轮廓，然后将寻找到的条纹轮廓进行二维面积的大小比较，从而获得最大的轮廓S；采用二维轮廓关系式 $x=\frac{x_1+x_2+\·\·\·+x_{N-1}+x_N}{N},$ $y=\frac{y_1+y_2+\·\·\·+y_{N-1}+y_N}{N},$ 对面积最大的轮廓S进行参考点坐标的计算，从而得到低相干干涉条纹的中心条纹信息。其中的N为组成面积最大的轮廓S的总像素点数，x为所有像素点的x坐标的均值，xi为每一个像素点的x坐标值，y为所有像素点的y坐标的均值，y_i为每一个像素点的y坐标值，其中i＝1，2，……，N。

第三步，改变第一路光通过的光纤延迟线的长度，即将预定长度的光纤延迟线改为待测光纤延迟线，通过微位移测长模块调整第二路光的光程，再次使得两路光产生干涉条纹，并使得两路光产生的干涉条纹的零级中心条纹的位置与第二步中标记的干涉条纹的零级中心条纹的位置重合，并记录此时微位移测量模块输出的第二位移数据S2。

所述的微位移测长模块调整第二路光的光程是通过驱动控制模块接收的计算机的指令来实现的。驱动控制模块根据计算机的控制指令，驱动微位移测长模块中的可运动部件相对于固定部件的运动，改变输入光纤与输出光纤之间的距离，实现对光程的改变。

第四步，根据微位移测长模块的第一位移数据S1和第二位移数据S2，确定待测光纤延迟线的延迟量。

延迟量根据如下公式：

$\mathrm{\Δt}=\frac{S_0}{c}=\frac{S_2-S_1}{c}$

其中，S₀为第二路光的光程改变量，c为光速，Δt为待测光纤延迟线的延迟量。

本发明还提供一种用于实现上述的测量方法的实现装置，如图1所示，所述的实现装置包括宽谱光源、耦合器、微位移测长模块、驱动控制模块、计算机、图像记录传感器、数据采集及处理模块、数字显示模块和光纤延迟线，所述的耦合器用于将宽谱光源发出的光分为两路，其中一路通过光纤延迟线，另一路通过微位移测长模块。所述的微位移测长模块包括输入光纤、输出光纤和位移传感器，所述的位移传感器由可运动部件和固定部件构成，所述的输入光纤与固定部件连接，输出光纤与可运动部件连接，可运动部件可以在驱动控制模块的驱动控制下相对于固定部件发生位移，并且位移信息直接传输至数据采集及处理模块，数据采集及处理模块与数字显示模块连接，可以将数据采集及处理模块中处理得到的延迟量数据直接显示在数字显示模块中。所述的驱动控制模块连接在可运动部件上，在计算机的控制下驱动可运动运动。所述的光纤延迟线与所述的输出光纤经夹具固定后，连接图像记录传感器，图像记录传感器与计算机连接。

所述的图像记录传感器采用具有图像记录功能的传感器测量CCD或者CMOS，可以实时的将光纤延迟线与输出光纤中两路光的干涉情况发送给计算机，计算机根据图像信息，分离并标记零级中心条纹，并且可以控制驱动控制模块来驱动可运动部件的运动。

应用上述的实现装置进行延迟量的测量，具体过程为：

首先将等光强(由同一个宽谱光源发出)的两路光中的第一路光通过预定长度的光纤，启动驱动控制模块，使其控制可运动部件相对于固定部件作运动，带动了输出光纤相对于输入光纤做直线运动，从而调整了第二路光的光程，使两路光分别经过相同的路程后在图像记录传感器相遇相干，在视场内得到一套作为基准的双光束干涉条纹，这时，计算机将实时采集到的图像记录传感器的图像信息进行判断和零级中心条纹的寻找和标记，记录下此时的微位移测长模块的位置信息，作为测量的零点，并将位置信息输出给数据采集及处理模块进行储存和处理。

改变第一路光通过的光纤的长度，即将预定长度光纤改为待测光纤，此时图像记录传感器上的干涉条纹发生改变，计算机输出给驱动控制模块开始运动的方向信号，并使得驱动控制模块驱动可运动部件开始相对于固定部件做预定方向的运动，进而改变输入光纤和输出光纤之间的距离，调整了第二路光的光程，直到在图像记录传感器上二次出现干涉条纹，并且干涉条纹的零级中心条纹的位置与第一次标记的零级中心条纹的位置重合时，则记录下此时的微位移测长模块的位置信息，并将位置信息输出给数据采集及处理模块进行储存和处理。在数据采集及处理模块中，前后两次的位移数据进行运算处理后，在数字显示模块中显示出最终的延迟量的结果Δt。

其中，数据采集及处理模块中进行的运算公式为：

$\mathrm{\Δt}=\frac{S_0}{c}=\frac{S_2-S_1}{c}$

S₀表式第二路光在第二次调整过程中的光程改变量，c表示光在真空中的传播速度，Δt表示待测光纤对应的延迟量。

多组实验结果表明，应用本发明提供的测量方法及其实现装置，延迟量的测量精度达到0.07ps，微位移测长模块的测量范围可以从0mm到50cm。

Claims (6)

1.一种用于光纤延迟线测量***的延迟量测量方法，其特征在于：所述的延迟量测量方法利用低相干光学干涉条纹的特征进行零位和测量位置的标记，不仅精度高，而且同时能够实现大量程的在线测量，具体包括如下步骤：

第一步，将宽谱光源发出的光经3dB耦合器分成两路光，其中第一路作为测量臂进入预定长度的光纤延迟线，第二路接入微位移测长模块；

所述的微位移测长模块包括位移传感器、输入光纤和输出光纤，其中位移传感器由固定部件、可运动部件构成，固定部件上连接输入光纤，用于接收第二路光，可运动部件上连接输出光纤，输出光纤与输入光纤位于同一直线上，输入光纤的光被输出光纤接收并实现传播，其中的可运动部件能够相对固定部件发生位移；通过设置位移传感器，可运动部件相对于固定部件的位移信息直接输出至数据采集及处理模块进行保存和处理；可运动部件上连接驱动控制模块用于控制可运动部件的移动；

第二步，驱动控制模块驱动微位移测长模块调整第二路光的光程，并使两路光产生干涉条纹，标记所述的干涉条纹的零级中心条纹，并记录此时微位移测量模块输出的第一位移数据S1；

所述的驱动控制模块连接在微位移测长模块的可运动部件和计算机之间，计算机根据两路光的干涉条纹，发给驱动控制模块相应的控制指令；

第三步，改变第一路光通过的预定长度的光纤延迟线为待测光纤延迟线，通过驱动控制模块驱动微位移测长模块调整第二路光的光程，再次使得两路光产生干涉条纹，并使得两路光产生的干涉条纹的零级中心条纹的位置与第二步中标记的干涉条纹的零级中心条纹的位置重合，并记录此时微位移测长模块输出的第二位移数据S2；

第四步，根据微位移测长模块的第一位移数据S1和第二位移数据S2，确定待测光纤延迟线的延迟量；

根据公式：

$\mathrm{\Δt}=\frac{S_0}{c}=\frac{S_2-S_1}{c}$

其中，S₀为第二路光的光程改变量，c为光速，Δt为待测光纤延迟线的延迟量。

2.根据权利要求1所述的用于光纤延迟线测量***的延迟量测量方法，其特征在于：第二步中所述的标记所述的干涉条纹的零级中心条纹，具体通过如下方式实现：两路光的干涉条纹照射在图像记录传感器上，形成低相干干涉条纹图像输出给计算机，由计算机进行零级中心条纹的提取：首先，计算机对得到的低相干干涉图像进行二值化方法处理，获得二值化图像，所述的二值化图像是含有中心条纹信息的黑白图像；然后计算机采用函数cvFindContours在二值化图像中寻找轮廓，然后将寻找到的条纹轮廓进行二维面积的大小比较，从而获得最大的轮廓S；采用二维轮廓关系式 $x=\frac{x_1+x_2+\·\·\·+x_{N-1}+x_N}{N},$ $y=\frac{y_1+y_2+\·\·\·+y_{N-1}+y_N}{N},$ 对面积最大的轮廓S进行参考点坐标的计算，从而得到低相干干涉条纹的中心条纹信息；其中的N为组成面积最大的轮廓S的总像素点数，x为所有像素点的x坐标的均值，x_i为每一个像素点的x坐标值，y为所有像素点的y坐标的均值，y_i为每一个像素点的y坐标值，其中i＝1，2，……，N。

3.根据权利要求1所述的用于光纤延迟线测量***的延迟量测量方法，其特征在于：所述的宽谱光源的波长范围为300nm-1300nm。

4.一种用于实现权利要求1所述的测量方法的实现装置，其特征在于：所述的实现装置包括宽谱光源、耦合器、微位移测长模块、驱动控制模块、计算机、图像记录传感器、数据采集及处理模块、数字显示模块和光纤延迟线，所述的耦合器用于将宽谱光源发出的光分为两路，其中第一路通过光纤延迟线，第二路通过微位移测长模块；所述的微位移测长模块包括输入光纤、输出光纤和位移传感器，位移传感器由固定部件和可运动部件构成，所述的输入光纤与固定部件连接，输出光纤与可运动部件连接，固定部件与数据采集及处理模块连接，数据采集及处理模块与数字显示模块连接；所述的驱动控制模块连接在可运动部件上，在计算机的控制下控制可运动部件的运动；所述的光纤延迟线与所述的输出光纤经夹具固定后，连接图像记录传感器，图像记录传感器与计算机连接。

5.根据权利要求4所述的实现装置，其特征在于：图像记录传感器采用具有图像记录功能的传感器CCD或者CMOS。

6.根据权利要求4所述的实现装置，其特征在于：所述的图像记录传感器既作为图像记录用途，同时又作为成像屏。

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