CN104197844A - 一种全光纤频域干涉绝对距离测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及绝对距离精密测量***，尤其是一种全光纤频域干涉绝对距离测量方法及装置。本发明针对现有技术存在的问题，提供一种全光纤频域干涉绝对距离测量装置及对应测量方法，该装置方便易操作，能够高分辨力地测量反射体表面与光纤探头光出射端面的绝对距离，测量精度优于10nm，测量量程可达到100cm。本装置包括宽带光源、阵列光纤滤波器、光纤环形器、光纤探头、可调光纤滤波器等；所述宽带光源、阵列光纤滤波器与光纤环形器第一端口依次连接，光纤环行器的第二端与光纤探头连接，光纤探头将光波照射在反射体表面并同时接收从反射体表面返回的反射光波，光纤环行器的第三端口、可调光纤滤波器、光纤放大器、光纤光谱仪和计算机依次连接。

Description

一种全光纤频域干涉绝对距离测量方法及装置

技术领域

本发明涉及绝对距离精密测量***，尤其是具备微纳米级分辨能力的一种全光纤频域干涉绝对距离测量方法及装置。

背景技术

作为物理学的第一个基本物理量，距离(或长度)在科技研究、工程应用和仪器制造等领域中具有广泛的用途，距离的测量所涉及的范围相当广泛，其中，精密距离测量涉及精密计量与微机电***等，通过测量距离及其变化可以间接检测到很多物理量，如加速度、压强和应力等。目前，通常用电感式、光栅式、涡流式和扫描式等传感器来精密测距。电感式传感器带有无滑动触点，虽然工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，但是测量对象必须是金属导体，此外由于是接触测量，因此可能会对被测对象带来负面影响。光栅式传感器虽具有易实现数字化、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，但是测量精度一般在微米级，且大多数光栅传感器只能测量物体运动过程中产生的距离改变值(即位移)，不能测量静态下物体相对于某一原点的绝对距离。涡流式传感器利用电涡流效应能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面距离，但是被测体必须是金属导体，这个缺点限制了它的广泛应用。扫描式传感器包括波长扫描式、时间扫描式和空间扫描式，扫描式位移传感器难以兼顾测量精度和测量范围，***的抗干扰能力较差，例如基于白光干涉原理的低相干干涉位移传感器就是一种典型的波长扫描式位移传感器，其测量精度可达到纳米，但测量量程只有几个毫米。综上所述，目前的精密测距技术难以兼顾测距精度和测量量程，难以满足精密计量与微机电***等方面日益发展的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，为了对针对金属与非金属物体进行微纳米精度的距离测量，提供一种全光纤频域干涉绝对距离测量装置及对应测量方法，该装置方便易操作，能够高分辨力地测量反射体表面与光纤探头光出射端面的绝对距离，测量精度优于10nm，测量量程可达到100cm。

本发明采用的技术方案如下：

一种全光纤频域干涉绝对距离测量方法包括：

步骤1：宽带光源产生光波通过阵列光纤滤波器后，光波通过光纤环形器第一端口入射至光纤环形器，光波通过光纤环形器第二端口后入射至光纤探头尾纤，光纤探头光出射端面出射光波并照射在反射体上，光纤探头4光出射端面同时接收从反射体表面返回的反射光波；

步骤2：光波从光纤探头光出射端面发射时，由于菲涅耳效应，部分光从光纤探头光出射端面直接反射回来，成为参考光束，另一部分光波照射在反射体表面上发生反射，并由光纤探头光出射端面收集返回，叫做探测光束；宽带光源输出的光强度随光波频率f的分布函数为I₀(f)，其电场强度随光波频率f的分布函数为E₀(f)，两者关系为：

I₀(f)＝|E₀(f)|²  (1)

参考光束的光强度随光波频率f的分布函数I_r(f)为：

I_r(f)＝a₁I₀(f)＝a₁|E₀(f)|²  (2)

其中a₁为光纤探头光出射端面反射率，0<a₁≤1；假设光纤探头光出射端面到反射体表面的距离为d，探测光束相对于参考光束多传播的时间为(c为真空中光速)，所以探测光束电场强度相对于参考光束产生exp(2πTf)的相位延迟，其光强度随光波频率f的分布函数I_d(f)为：

I_d(f)＝(1-a₁)a₂I₀(f)＝(1-a₁)a₂|E₀(f)exp(2πTf)|²

                                                                 (3)

＝(1-a₁)a₂|E₀(f)exp(4πdf/c)|²

其中a₂为反射体反射效率，0<a₂≤1，探测光束和参考光束在光纤探头中相遇后产生频域干涉；

步骤3：参考光束和探测光束在光纤探头中相遇后产生频域干涉信号并一起通过光纤探头尾纤返回到光纤环行器的第二端口，再经光纤环行器的第三端口依次输送至可调光纤滤波器、光纤放大器；

步骤4：光纤放大器将频域干涉信号放大后传输到光纤光谱仪；由光纤光谱仪记录的频域干涉光强Ι(f)的数学表达式可以写为：

$\begin{array}{c}I\left(f\right)={|\sqrt{a_1}{E}_0\left(f\right)+\sqrt{(1-a_1)a_2}{E}_0\left(f\right)\exp (4\mathrm{\&pi;df}/c)|}^2\\ =I_r\left(f\right)+I_d\left(f\right)+2\sqrt{I_r\left(f\right)\&CenterDot;I_d\left(f\right)}\cos (4\mathrm{\&pi;df}/c)\\ =I_0\left(f\right)\&CenterDot;[a_1+a_2-a_1{a}_2+2\sqrt{(1-a_1)a_1{a}_2}\cos (4\mathrm{\&pi;df}/c)]\end{array}---\left(4\right)$

对(4)式取傅立叶变换可得以时间t为横坐标的频域干涉光的功率谱函数G(t)：

$\begin{array}{c}G\left(t\right)=F\left[I\left(f\right)\right]\\ =F\left[I_0\left(f\right)\right]*F\left\{\right[a_1+a_2-a_1{a}_2+2\sqrt{(1-a_1)a_1{a}_2}\cos (4\mathrm{\&pi;df}/c)\left]\right\}\\ =G_0\left(t\right)*[(a_1+a_2-a_1{a}_2)\mathrm{\&delta;}\left(t\right)+\sqrt{(1-a_1)a_1{a}_2}\mathrm{\&delta;}(t+2d/c)+\sqrt{(1-a_1)a_1{a}_2}\mathrm{\&delta;}(t-2d/c)]\\ =(a_1+a_2-a_1{a}_2)G_0\left(t\right)+\sqrt{(1-a_1)a_1{a}_2}{G}_0(t+2d/c)+\sqrt{1-\left(a_1\right)a_1{a}_2}{G}_0(t-2d/c)\\ =b_1{G}_0\left(t\right)+b_2{G}_0(t+2d/c)+b_2{G}_0(t-2d/c)\end{array}---\left(5\right)$

式中b₁＝(a₁+a₂-a₁a₂)和为常数，G₀(t)是I₀(f)经傅立叶变换后的功率谱函数；

步骤5：计算机中计算距离d，具体过程：当G₀(t)函数的特征时间点，即G₀(t)的极大值点位于t＝0时，式(5)在功率谱中表现为特征时间点在坐标t＝0、和的三个极大值点，依次称为第1特征时间点、第2特征时间点和第3特征时间点；通过判读第2、第3特征时间点的在时间坐标上的位置，即可得到的值，进而得到距离d。

进一步的，所述光纤探头是平头石英光纤或者是光纤自聚焦透镜棒；平头石英光纤光出射端面镀增透膜，光纤自聚焦透镜棒光出射端面镀增反膜；从光纤探头光出射端面菲涅耳反射的参考光波与反射体表面反射的探测光波以共轴方式在光纤探头的尾纤中传输。

进一步的，当待测距离不大于10mm时，要求可调光纤滤波器和光纤光谱仪的带宽大于60nm，当待测距离大于10mm时，要求可调光纤滤波器和光纤光谱仪的带宽大于2nm。

进一步的，所述距离测量值d’与真值d之间的误差Δd满足：t₀与宽带光源的调制频率有关；Δd的具体计算过程是：

步骤21：对于常用的宽带光源，其光强函数I0(f)的光谱平坦度较差，导致函数I0(f)经傅立叶变换后的G₀(t)的特征时间点偏离坐标t＝0的位置，并且随着电流、温度等外部环境的波动，表现为：光谱平坦度越差，则特征时间点的位置的波动就越大，导致第2、第3特征时间点相对于坐标和出现与第1特征时间点相同的位置偏差，使得距离d的测量结果出现误差；设宽谱光源输出的光强I₀(f)的函数表达式为：

I₀(f)＝I₀cos(2πft₀+φ)  (6)

即光强I₀(f)在频率f坐标轴下表现为受时间t₀调制的余弦函数，I₀为大于0的常数，φ为随机相位，通过傅里叶变化可知，其功率谱函数为G₀(t)：

$G_0\left(t\right)=\frac{I_0}{2}[\mathrm{\&delta;}(t+t_0)+\mathrm{\&delta;}(t-t_0)]---\left(7\right)$

由式(7)可知，G₀(t)的特征时间点相对于坐标t＝0的偏离量为±t₀；

步骤22：根据式(5)，频域干涉光的功率谱函数G(t)的第1特征时间点、第2特征时间点和第3特征时间点将出现在t＝±t₀、和的位置，导致判读的困难；因此需要对光源输出光强进行整形，以获取较好平坦度的光强函数I₀(f)；通过调整阵列光纤滤波器中各个单滤波器的衰减值，从而消除光强函数I₀(f)曲线中的波动；根据式(5)和式(7)推导，宽带光源的调制频率为t₀时，距离测量值d'与真值d之间的误差Δd满足：

$\mathrm{\&Delta;d}=d^{\&prime;}-d=\frac{{\mathrm{ct}}_0}{2}---\left(8\right)$

一种全光纤频域干涉绝对测量距离装置，包括宽带光源、阵列光纤滤波器、光纤环形器、光纤探头、可调光纤滤波器、光纤放大器、光纤光谱仪、计算机；所述宽带光源、阵列光纤滤波器与光纤环形器第一端口依次连接，光纤环行器的第二端与光纤探头连接，光纤探头将光波照射在反射体表面并同时接收从反射体表面返回的反射光波，光纤环行器的第三端口、可调光纤滤波器、光纤放大器、光纤光谱仪、计算机依次连接，其中宽带光源、阵列光纤滤波器、光纤环形器、光纤探头、可调光纤滤波器、光纤放大器、光纤光谱仪的尾纤之间通过法兰盘或者熔接法连接。

进一步的，所述光纤探头是平头石英光纤或者是光纤自聚焦透镜棒，平头石英光纤光出射端面镀增透膜，光纤自聚焦透镜棒光出射端面镀增反膜；从光纤探头端面菲涅耳反射的参考光波与反射体表面反射的探测光波以共轴方式在光纤探头的尾纤中传输。

进一步的，所述当待测距离不大于10mm时，可调光纤滤波器和光纤光谱仪的带宽大于60nm，当待测距离大于10mm时，可调光纤滤波器和光纤光谱仪的带宽大于2nm。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明提出的全光纤频域干涉绝对距离测量***是根据理论研究结果，通过设计特殊结构的阵列光纤滤波器以改善宽带光源的输出光谱平坦度，使其功率谱函数G₀(t)的特征时间点相对于坐标t＝0的偏离量小于0.067fs；通过光纤滤波器和光强放大器以改善频域干涉信号的信噪比，有效提高了传统频域干涉***的测量精度和测量量程；使用频谱分辨力r不小于150MHz的光纤光谱仪。该光纤频域干涉绝对距离测量***的测量精度可优于10nm，测量量程不大于100cm。

2、根据待测反射体表面的反射率，优化光纤探头端面的反射光强，以提高频域干涉条纹的对比度，为提高待测距离测量精度提供保障。频域干涉条纹(光纤光谱仪测到的)对比度V的数学表达式可以写为：

$\begin{array}{c}V=\frac{I_{\max }-I_{\min }}{I_{\max }+I_{\min }}\\ =\frac{2\sqrt{(1-a_1)a_1{a}_2}}{a_1+a_2-a_1{a}_2}\end{array}---\left(9\right)$

其中0≤V≤1，对比度V越高，则干涉条纹经傅立叶变换后的特征时间值的精度就越高，由(2)、(3)式可知，当光纤探头光出射端面反射率a1和反射体反射率a2满足：

a₁-a₂+a₁a₂＝0  (10)

此时，条纹对比度最高。对于本发明***，由于不同反射体表面的反射率差异较大，而光纤探头光出射端面的反射率为定值，因此难以获得较好的条纹对比度，需要在光纤探头光出射端面镀膜，通过改变光纤探头光出射端面的反射率以匹配参考光束和探测光束的光强，使其对比度不小于0.01(经验值)，通过对频域干涉条纹进行傅里叶变换，得到的距离d误差小于10nm(经验值)。由于本发明针对的金属或非金属反射体的反射效率a2一般介于0.0001％～50％，根据反射体的不同对光纤探头光出射端面进行镀膜处理可使光纤探头光出射端面反射率a1介于0.1％～1％，使频域干涉条纹对比度不小于0.01，一般设计为1％、0.5％和0.1％三种。过高的反射率会抬高光纤光谱仪中探测器的本底信号，减小了光强动态范围；过低的反射率会增加本发明***的调试难度。

3、本发明***采用了全光纤元器件，结构紧凑，抗振动，可靠性高，有利于推广应用，有望为科学研究、工程应用和仪器制造提供精确的大范围绝对距离测量。

4、本发明中所使用的光纤光谱仪，其频谱分辨力r不小于150MHz之间。式(4)中频域干涉条纹的周期A为：

A＝c/2d＝150MHz  (11)

当频域干涉条纹的周期A与光纤光谱仪分辨力r相等时，则达到该发明的测量极限，此时，所以测量量程不大于100cm。

5、经过反复的实验验证具备测量微纳米级距离分辨能力，反射体(即被测物体)可以是金属和非金属，突破了当前一些传感器无法测量非金属对象这一限制。本发明的装置中所有器件都采用全光纤结构器件，大大降低装置调试和操作难度，有利于装置的推广使用。从技术方案阐述可知，本发明***中的参考光束和探测光束经过相同的路径传输到光纤光谱仪记录，这种共轴式结构有助于避开环境温度震动等因素对测量的影响，抗干扰能力强。本发明的***为非接触式的绝对距离测量***，能在线式测量被测物体表面与探头端面的距离。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明全光纤频域干涉绝对距离测量***的结构示意图。

1-宽带光源    2-阵列光纤滤波器  3光纤环形器

4-光纤探头    5-反射体          6-可调光纤滤波器

7-光纤放大器  8-光纤光谱仪      9-计算机。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明相关说明：

1、光纤探头4尾纤与环形器3第二端口Ⅱ连接，光纤探头4光出射端面将光波照射在反射体表面并同时接收从反射体表面返回的反射光波。通过光纤探头4尾纤将接收的反射光波输入至可调光纤滤波器6。光纤探头尾纤所在的端面与光纤探头光出射端面不是同一端面。

2、根据式可知，当G₀(t)的特征时间点相对于坐标t＝0的偏离量小于0.067fs(飞秒)时，测量误差小于10nm。通过阵列光纤滤波器调谐，至光源功率谱函数特征时间点相对于坐标t＝0的偏离量应远小于0.067fs时，可以达到10nm的测量误差。

3、宽带光源1的谱线宽度大于2nm，光纤环行器和光纤光谱仪的带宽范围与宽带光源的带宽一致。

4、光纤环行器3是三端口环形器，从第一端口Ⅰ输入的光由第二端口Ⅱ输出，从第二端口Ⅱ输入的光由第三端口Ⅲ输出，第一端口Ⅰ与第三端口Ⅲ高度隔离；

5、光纤探头4可以是一根平头石英光纤，也可以是一根光纤自聚焦透镜棒，光纤探头将光波照射在反射体表面，同时接收从反射体表面反射的光波，采用这种共轴结构是为了消除外部环境波动对测量结果的影响。平头石英光纤光出射端面镀增透膜，以减少其端面的菲涅耳反射光强，石英光纤端面的镀膜介质和反射率需根据反射体表面反射率而确定；光纤自聚焦透镜棒光出射端面镀增反膜，以提高其端面的菲涅耳反射光强，自聚焦透镜棒端面的镀膜介质和反射率根据反射体表面反射率而确定。从光纤探头端面菲涅耳反射的参考光波与反射体表面反射的探测光波以共轴方式在光纤探头的尾纤中传输。

6、可调光纤滤波器6的带宽大于2nm，其中心波长是频域干涉条纹中光强最大值所对应的波长，这种设计方式是为了提高频域干涉条纹的光强值。例如dBm optics公司的FBTF&ILF系列的可调光纤滤波器(可调滤波器)。

7、阵列光纤滤波器2是由若干个带宽和中心波长固定的可调光纤滤波器并联组成，若干个可调光纤滤波器(或者是可调滤波器)带宽和中心波长都不相同，每个可调光纤滤波器(或者是可调滤波器)强度都是可调的。

8、光纤光谱仪8，波长响应范围包含宽带光源1的光谱范围。

本装置连接关系：如图1所示，宽带光源与阵列光纤滤波器、光纤环形器第一端口Ⅰ依次连接，光纤环行器的第二端口Ⅱ与光纤探头连接，光纤探头可以是一根平头石英光纤，也可以是一根光纤自聚焦透镜棒，光纤探头将光波照射在反射体表面并同时接收反射体表面的反射光波，光纤环行器的第三端口Ⅲ与可调光纤滤波器、光纤放大器、光纤光谱仪依次连接，宽带光源1、阵列光纤滤波器2、光纤环形器3、光纤探头4、可调光纤滤波器6、光纤放大器7、光纤光谱仪8的尾纤之间通过法兰盘或者熔接法连接，光纤光谱仪采集的光谱信号经计算机实时处理得到光纤探头端面至反射体的距离。

工作原理：宽带光源输出光束经阵列光纤滤波器整形后输送至光纤环行器的第一端口Ⅰ，并经光纤环行器的第二端口Ⅱ输送至光纤探头。光波从光纤探头光出射端面发射时，由于菲涅耳效应，部分光从光出射端面直接反射回来，成为参考光束，另一部分光照射在反射体表面上发生反射，并由光纤探头收集返回，叫做探测光束。参考光束和探测光束在光纤探头中相遇后产生频域干涉信号并一起通过光纤返回到光纤环行器的第二端口Ⅱ，再经光纤环行器的第三端口Ⅲ依次输送至光纤滤波器和光纤放大器，光纤放大器将频域干涉信号放大后传输到光纤光谱仪，计算机实时分析光纤光谱仪输出的数字信号而得到光纤探头端面与反射体表面的绝对距离。由于参考光束和探测光束都是宽带光束，而且存在一定量的光程差，所以光纤光谱仪记录的光谱上会出现随波长变化的干涉条纹，即频域干涉条纹，通过计算机对频域干涉条纹数据进行傅立叶变换得到光纤探头端面与反射体表面的距离。

本发明的全光纤频域干涉绝对距离测量***的测量过程是：第一步，按照图1连接所有器件，开启宽带光源1、光纤放大器7、光纤光谱仪8和计算机9的电源；第二步，将光纤探头4的光出射端面对准反射体5，调节光纤探头4的对准角度，直到光纤光谱仪8中出现对比度大于0.01的干涉条纹，改变可调光纤滤波器，使频域干涉条纹光谱范围内的光强值最大；第三步，将光纤光谱仪8记录的干涉光谱数据传输至计算机9终端，计算机终端对干涉光谱数据进行傅立叶变换运算得出频域干涉光的功率谱函数G(t)，判读第2、第3特征时间点的在时间坐标上的位置，即可得到的值，进而得到光纤探头光出射端面到反射体的距离d。具体过程为：

宽带光源输出光波经阵列光纤滤波器整形后输送至光纤环行器的端口Ⅰ，并经光纤环行器的端口Ⅱ输送至光纤探头。光波从光纤探头光出射端面发射时，由于菲涅耳效应，部分光从光出射端面直接反射回来，成为参考光束，另一部分光照射在反射体表面上发生反射，并由光纤探头收集返回，叫做探测光束。参考光束和探测光束在光纤探头中相遇后产生频域干涉信号并一起通过光纤返回到光纤环行器的端口Ⅱ，再经光纤环行器的端口Ⅲ输送至光纤滤波器和光纤放大器，光纤放大器将频域干涉信号放大后传输到光纤光谱仪，计算机实时分析光纤光谱仪输出的数字信号而得到光纤探头端面与反射体表面的绝对距离。由于参考光束和探测光束都是宽带光束，而且存在一定量的光程差，所以光纤光谱仪记录的光谱上会出现随光波频率变化的干涉条纹，即频域干涉条纹，通过计算机对频域干涉条纹数据进行傅立叶变换得到光纤探头端面与反射体表面的距离。

记光纤探头端面到反射体表面的距离为d，宽带光源输出的光波光强度随光波频率f的分布函数为I₀(f)，其电场强度随光波频率f的分布函数为E₀(f)，两者关系为；

I₀(f)＝|E₀(f)|²  (1)

参考光束的光强度随光波频率f的分布函数I_r(f)为：

I_r(f)＝a₁I₀(f)＝a₁|E₀(f)|²  (2)

其中a₁(0<a₁≤1)为光纤探头光出射端面反射率。由于光纤探头光出射端面到反射体表面的距离为d，探测光束相对于参考光束多传播的时间为(c为真空中光速)，所以其电场强度相对于参考光束产生exp(2πTf)的相位延迟，其光强度随光波频率f的分布函数I_d(f)为：

I_d(f)＝(1-a₁)a₂I₀(f)＝(1-a₁)a₂|E₀(f)exp(2πTf)|²  (3)

＝(1-a₁)a₂|E₀(f)exp(4πdf/c)|²

其中a₂(0<a₂≤1)为反射体反射效率，探测光束和参考光束在光纤探头中相遇后产生频域干涉，由光纤光谱仪记录的频域干涉光强Ι(f)的数学表达式可以写为：

$\begin{array}{c}I\left(f\right)={|\sqrt{a_1}{E}_0\left(f\right)+\sqrt{(1-a_1)a_2}{E}_0\left(f\right)\exp (4\mathrm{\&pi;df}/c)|}^2\\ =I_r\left(f\right)+I_d\left(f\right)+2\sqrt{I_r\left(f\right)\&CenterDot;I_d\left(f\right)}\cos (4\mathrm{\&pi;df}/c)\\ =I_0\left(f\right)\&CenterDot;[a_1+a_2-a_1{a}_2+2\sqrt{(1-a_1)a_1{a}_2}\cos (4\mathrm{\&pi;df}/c)]\end{array}---\left(4\right)$

对(4)式取傅立叶变换可得以时间t为横坐标的频域干涉光的功率谱函数G(t)：

$\begin{array}{c}G\left(t\right)=F\left[I\left(f\right)\right]\\ =F\left[I_0\left(f\right)\right]*F\left\{\right[a_1+a_2-a_1{a}_2+2\sqrt{(1-a_1)a_1{a}_2}\cos (4\mathrm{\&pi;df}/c)\left]\right\}\\ =G_0\left(t\right)*[(a_1+a_2-a_1{a}_2)\mathrm{\&delta;}\left(t\right)+\sqrt{(1-a_1)a_1{a}_2}\mathrm{\&delta;}(t+2d/c)+\sqrt{(1-a_1)a_1{a}_2}\mathrm{\&delta;}(t-2d/c)]\\ =(a_1+a_2-a_1{a}_2)G_0\left(t\right)+\sqrt{(1-a_1)a_1{a}_2}{G}_0(t+2d/c)+\sqrt{1-\left(a_1\right)a_1{a}_2}{G}_0(t-2d/c)\\ =b_1{G}_0\left(t\right)+b_2{G}_0(t+2d/c)+b_2{G}_0(t-2d/c)\end{array}---\left(5\right)$

式中b₁＝(a₁+a₂-a₁a₂)和为常数，G₀(t)是I₀(f)经傅立叶变换后的功率谱函数。当G₀(t)函数的特征时间点，即G₀(t)的极大值点位于t＝0时，式(5)在功率谱中表现为特征时间点在坐标t＝0、和的三个极大值点，依次称为第1特征时间点、第2特征时间点和第3特征时间点。通过判读第2、第3特征时间点的在时间坐标上的位置，即可得到的值，进而得到距离d。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.一种全光纤频域干涉绝对距离测量方法，其特征在于包括：

步骤1：宽带光源产生光波通过阵列光纤滤波器后，光波通过光纤环形器第一端口入射至光纤环形器，光波传播至光纤环形器第二端口后入射至光纤探头尾纤，光纤探头光出射端面出射光波并照射在反射体上，光纤探头光出射端面同时接收从反射体表面返回的反射光波；

步骤2：光波从光纤探头光出射端面发射时，由于菲涅耳效应，部分光从光纤探头光出射端面直接反射回来，成为参考光束，另一部分光波照射在反射体表面上发生反射，并由光纤探头光出射端面收集返回，叫做探测光束；宽带光源输出的光强度随光波频率f的分布函数为I₀(f)，其电场强度随光波频率f的分布函数为E₀(f)，两者关系为：

I₀(f)＝|E₀(f)|²  (1)

参考光束的光强度随光波频率f的分布函数I_r(f)为：

I_r(f)＝a₁I₀(f)＝a₁|E₀(f)|²  (2)

其中a₁为光纤探头光出射端面反射率，0<a₁≤1；假设光纤探头光出射端面到反射体表面的距离为d，探测光束相对于参考光束多传播的时间为c为真空中光速，所以探测光束电场强度相对于参考光束产生exp(2πTf)的相位延迟，其光强度随光波频率f的分布函数I_d(f)为：

I_d(f)＝(1-a₁)a₂I₀(f)＝(1-a₁)a₂|E₀(f)exp(2πTf)|²

                                                                   (3)

＝(1-a₁)a₂|E₀(f)exp(4πdf/c)|²

其中a₂为反射体反射效率，0<a₂≤1，探测光束和参考光束在光纤探头中相遇后产生频域干涉；

步骤3：参考光束和探测光束在光纤探头中相遇后产生频域干涉信号并一起通过光纤探头尾纤返回到光纤环行器的第二端口，再经光纤环行器的第三端口依次输送至可调光纤滤波器、光纤放大器；

步骤4：光纤放大器将频域干涉信号放大后传输到光纤光谱仪；由光纤光谱仪记录的频域干涉光强Ι(f)的数学表达式可以写为：

$\begin{array}{c}I\left(f\right)={|\sqrt{a_1}{E}_0\left(f\right)+\sqrt{(1-a_1)a_2}{E}_0\left(f\right)\exp (4\mathrm{\&pi;df}/c)|}^2\\ =I_r\left(f\right)+I_d\left(f\right)+2\sqrt{I_r\left(f\right)\&CenterDot;I_d\left(f\right)}\cos (4\mathrm{\&pi;df}/c)\\ =I_0\left(f\right)\&CenterDot;[a_1+a_2-a_1{a}_2+2\sqrt{(1-a_1)a_1{a}_2}\cos (4\mathrm{\&pi;df}/c)]\end{array}---\left(4\right)$

对(4)式取傅立叶变换可得以时间t为横坐标的频域干涉光的功率谱函数G(t)：

$\begin{array}{c}G\left(t\right)=F\left[I\left(f\right)\right]\\ =F\left[I_0\left(f\right)\right]*F\left\{\right[a_1+a_2-a_1{a}_2+2\sqrt{(1-a_1)a_1{a}_2}\cos (4\mathrm{\&pi;df}/c)\left]\right\}\\ =G_0\left(t\right)*[(a_1+a_2-a_1{a}_2)\mathrm{\&delta;}\left(t\right)+\sqrt{(1-a_1)a_1{a}_2}\mathrm{\&delta;}(t+2d/c)+\sqrt{(1-a_1)a_1{a}_2}\mathrm{\&delta;}(t-2d/c)]\\ =(a_1+a_2-a_1{a}_2)G_0\left(t\right)+\sqrt{(1-a_1)a_1{a}_2}{G}_0(t+2d/c)+\sqrt{1-\left(a_1\right)a_1{a}_2}{G}_0(t-2d/c)\\ =b_1{G}_0\left(t\right)+b_2{G}_0(t+2d/c)+b_2{G}_0(t-2d/c)\end{array}---\left(5\right)$

式中b₁＝(a₁+a₂-a₁a₂)和为常数，G₀(t)是I₀(f)经傅立叶变换后的功率谱函数；

步骤5：计算机中计算距离d，具体过程：当G₀(t)函数的特征时间点，即G₀(t)的极大值点位于t＝0时，式(5)在功率谱中表现为特征时间点在坐标t＝0、和的三个极大值点，依次称为第1特征时间点、第2特征时间点和第3特征时间点；通过判读第2、第3特征时间点的在时间坐标上的位置，即可得到的值，进而得到距离d。

2.根据权利要求1所述的一种全光纤频域干涉绝对距离测量方法，其特征在于所述光纤探头是平头石英光纤或者是光纤自聚焦透镜棒；平头石英光纤光出射端面镀增透膜，光纤自聚焦透镜棒光出射端面镀增反膜；从光纤探头光出射端面菲涅耳反射的参考光波与反射体表面反射的探测光波以共轴方式在光纤探头的尾纤中传输。

3.根据权利要求1所述的一种全光纤频域干涉绝对距离测量方法，其特征在于当待测距离不大于10mm时，要求可调光纤滤波器和光纤光谱仪的带宽大于60nm，当待测距离大于10mm时，要求可调光纤滤波器和光纤光谱仪的带宽大于2nm。

4.根据权利要求1所述的一种全光纤频域干涉绝对距离测量方法，其特征在于所述距离测量值d’与真值d之间的误差Δd满足：t₀与宽带光源的调制频率有关；Δd的具体计算过程是：

步骤21：对于常用的宽带光源，其光强函数I₀(f)的光谱平坦度较差，导致函数I₀(f)经傅立叶变换后的G₀(t)的特征时间点偏离坐标t＝0的位置，并且随着电流、温度等外部环境的波动，表现为：光谱平坦度越差，则特征时间点的位置的波动就越大，进而第2、第3特征时间点相对于坐标和出现与第1特征时间点相同的位置偏差，使得距离d的测量结果出现误差；设宽谱光源输出的光强I₀(f)的函数表达式为：

I₀(f)＝I₀cos(2πft₀+φ)  (6)

即光强I₀(f)在频率f坐标轴下表现为受时间t₀调制的余弦函数，I₀为大于0的常数，φ为随机相位，通过傅里叶变化可知，其功率谱函数为G₀(t)：

$G_0\left(t\right)=\frac{I_0}{2}[\mathrm{\&delta;}(t+t_0)+\mathrm{\&delta;}(t-t_0)]---\left(7\right)$

由式(7)可知，G₀(t)的特征时间点相对于坐标t＝0的偏离量为±t₀；

步骤22：根据式(5)，频域干涉光的功率谱函数G(t)的第1特征时间点、第2特征时间点和第3特征时间点将出现在t＝±t₀、和的位置，导致判读的困难；因此需要对光源输出光强进行整形，以获取较好平坦度的光强函数I₀(f)；通过调整阵列光纤滤波器中各个单滤波器的衰减值，从而消除光强函数I₀(f)曲线中的波动；根据式(5)和式(7)推导，宽带光源的调制频率为t₀时，距离测量值d'与真值d之间的误差Δd满足：

$\mathrm{\&Delta;d}=d^{\&prime;}-d=\frac{{\mathrm{ct}}_0}{2}---\left(8\right).$

5.根据权利要求1所述的一种全光纤频域干涉绝对测量距离装置，其特征在于所述包括宽带光源、阵列光纤滤波器、光纤环形器、光纤探头、可调光纤滤波器、光纤放大器、光纤光谱仪、计算机；所述宽带光源、阵列光纤滤波器与光纤环形器第一端口依次连接，光纤环行器的第二端与光纤探头连接，光纤探头将光波照射在反射体表面并同时接收从反射体表面返回的反射光波，光纤环行器的第三端口、可调光纤滤波器、光纤放大器、光纤光谱仪、计算机依次连接，其中宽带光源、阵列光纤滤波器、光纤环形器、光纤探头、可调光纤滤波器、光纤放大器、光纤光谱仪的尾纤之间通过法兰盘或者熔接法连接。

6.根据权利要求5所述的一种全光纤频域干涉绝对测量距离装置，其特征在于所述光纤探头是平头石英光纤或者是光纤自聚焦透镜棒，平头石英光纤光出射端面镀增透膜，光纤自聚焦透镜棒光出射端面镀增反膜；从光纤探头端面菲涅耳反射的参考光波与反射体表面反射的探测光波以共轴方式在光纤探头的尾纤中传输。

7.根据权利要求6所述的一种全光纤干涉绝对距离测量装置，其特征在于所述当待测距离不大于10mm时，可调光纤滤波器和光纤光谱仪的带宽大于60nm，当待测距离大于10mm时，可调光纤滤波器和光纤光谱仪的带宽大于2nm。