CN105466621A - 一种高分辨率偏振低相干干涉压力测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高分辨率偏振低相干干涉压力测量装置及方法，依次设置宽带光源(1)、光纤耦合器(2)、光纤法珀传感器(3)、准直透镜(4)、起偏器(5)、带空间倾角的双折射光楔(6)、检偏器(7)、面阵相机(8)以及信号处理单元(9)，所述准直透镜(4)、起偏器(5)、带空间倾角的双折射光楔(6)、检偏器(7)、面阵相机(8)构成干涉解调器；有效地利用双折射效应构成光学杠杆，通过设计带空间倾角的双折射光楔的二维空间楔角，实现低相干干涉条纹在水平和垂直方向上不同程度的缩放；与现有技术相比，引入了双折射光楔在垂直方向上的空间楔角，并利用面阵相机进行信号接收，同时满足大测量范围和高分辨率的压力解调。

Description

一种高分辨率偏振低相干干涉压力测量装置及方法

技术领域

本发明属于光纤传感领域，特别是涉及一种基于面阵相机的高分辨率偏振低相干干涉压力测量装置及方法。

背景技术

1983年Al-Chalabi等人(S.A.Al-Chalabi,B.Culshaw，D.E.N.Davies，Partiallycoherentsourcesininterferometricsensors，FirstInternationalConferenceonOpticalFibreSensors，1983:26-28)首次在光纤传感领域提出了基于低相干干涉的解调方法。基于低相干干涉技术的解调干涉仪主要分为机械扫描型和电子扫描型两类，这两种类型的干涉仪其最终目的都是在时间轴或空间轴上产生一系列的光程差，当解调干涉仪产生的某个光程差与传感器微腔产生的光程差相匹配时，会产生低相干干涉条纹峰值，通过解调计算出峰值位置，就能得到法珀腔长信息，进而得到导致法珀腔长变化的外界物理量的信息。

电子扫描型偏振低相干干涉***利用双折射晶体在空间上产生光程差，这类低相干干涉***没有移动部件，具有结构紧凑、稳定性强的优点。现有电子扫描型偏振型低相干干涉解调***使用线阵光电探测器阵列(如线阵CCD)对低相干干涉条纹进行采集，解调方法也普遍基于一维低相干干涉条纹展开研究，通过光纤法珀压力传感器微腔长度进行压力参量测量时，其测量范围和测量分辨率受到探测器像元尺寸和数量的限制，通常需要在测量范围和测量分辨率这两个重要指标上进行权衡和取舍，很难同时实现大范围和高分辨这两个重要指标，使得偏振型低相干干涉解调***应用范围受限。

发明内容

基于上述现有技术存在的问题，本发明提出了一种高分辨率偏振低相干干涉压力测量装置及方法，基于二维电子扫描型解调干涉仪获取二维低相干干涉条纹信号，利用带空间倾角的双折射光楔的光学杠杆效应实现同时具有大测量范围和高分辨率的光纤压力传感解调方法。

本发明提出的一种高分辨率偏振低相干干涉压力测量装置，从输入端到输出端，该装置依次设置宽带光源1、光纤耦合器2、光纤法珀传感器3、准直透镜4、起偏器5、带空间倾角的双折射光楔6、检偏器7、面阵相机8以及信号处理单元9，其中：光纤耦合器2将宽带光源1发出的光引入到光纤法珀传感器3，并将光纤法珀传感器3返回的光引入到干涉解调光路中；光纤法珀传感器3将压力变化转化为法珀腔腔长变化，不同压力对应不同法珀腔腔长；所述准直透镜4、起偏器5、带空间倾角的双折射光楔6、检偏器7、面阵相机8构成干涉解调器；准直透镜4设置在干涉解调光路最前端，对光束进行会聚准直；起偏器5将准直透镜准直后的输入信号光进行起偏；带空间倾角的双折射光楔6将起偏器5产生的线偏振光再产生两个正交的线偏振光，使这两束正交的线偏振光具有沿光楔厚度变化方向呈线性分布的空间光程差，通过带空间倾角的双折射光楔6的二维空间楔角，实现低相干干涉条纹在水平和垂直方向上不同程度的缩放，在其中一个方向上对干涉条纹进行压缩，实现测量范围的扩大；在另一个方向上对局部干涉条纹进行展宽，实现测量分辨率的提高；检偏器7对经过带空间倾角的双折射光楔6后的两个相互正交的线偏振光进行同一方向的投影并产生干涉；利用面阵相机8对经过检偏器后产生的干涉条纹进行采集；利用信号处理单元9对面阵相机采集的干涉条纹进行处理，最终获取压力测量结果。

本发明还提出了一种高分辨率偏振低相干干涉***的压力测量方法，具体包括以下步骤：

步骤一、宽带光源发出的光经过光纤耦合器到达光纤法珀传感器；

步骤二、被光纤法珀传感器调制过的光信号从耦合器的出口导出，经准直透镜准直后，经起偏器起偏成线偏振光，然后入射到带空间倾角的双折射光楔，起偏器的偏振轴方向与带空间倾角的双折射光楔的光轴方向成45度放置，在带空间倾角的双折射光楔中该偏振光被分解成相互正交的两束线偏振光即o光和e光，两个分量在带空间倾角的双折射光楔中产生光程差

l(x,y)＝d(x,y)·(n_e-n_o)，

其中，x为入射光点至光楔顶点的横向距离，y为入射光点至光楔顶点的纵向距离，n_o和n_e分别为双折射晶体的o光折射率和e光折射率，d(x,y)为入射光点处的光楔厚度，并且表达式如下：

其中，θ和分别为光楔在水平和垂直方向上的楔角，d₀为光楔定点处的光楔厚度；

在其中一个方向通过设计大楔角对干涉条纹进行压缩，实现测量范围的扩大，在另一个方向通过设计微小楔角对局部干涉条纹进行展宽，实现测量分辨率的提高；

步骤三、经过与带空间倾角的双折射光楔的光轴方向成45度放置的检偏器，将透射过带空间倾角的双折射光楔的两束相互垂直的o光和e光重新在检偏方向上进行叠加，产生干涉条纹，利用面阵相机进行接收；

步骤四、信号处理单元对面阵相机输出的二维干涉条纹信号进行处理，通过大楔角方向上的低相干干涉信号得到初步的峰值位置，基于初步的峰值位置所在坐标，通过微小楔角方向上的低相干干涉信号得到精确的条纹峰值位置，最终提取出法珀腔长信息，并得到对应的压力测量结果，实现高分辨率的压力解调。

本发明有效地利用双折射效应构成光学杠杆，通过设计带空间倾角的双折射光楔的二维空间楔角，实现低相干干涉条纹在水平和垂直方向上不同程度的缩放；与现有技术相比，引入了双折射光楔在垂直方向上的空间楔角，并利用面阵相机进行信号接收，可实现同时满足大测量范围和高分辨率的压力解调。

附图说明

图1为基于面阵相机的高分辨率偏振低相干干涉压力测量装置结构示意图；

图2为带空间倾角的双折射光楔结构示意图；

图3为面阵相机接收到的11kPa、55kPa、101kPa、255kPa四个压力点下的单帧实验结果图像；

图4为101kPa压力下某一帧图像第1020行和第1044列的原始数据；

图5为101kPa下150帧图像第1020行数据处理所得结果波动情况；

图6为101kPa下150帧图像第1044列数据处理所得结果波动情况；

附图标记：1、宽带光源2、光纤耦合器3、光纤法珀传感器4、准直透镜5、起偏器6、带空间倾角的双折射光楔7、检偏器8、面阵相机9、信号处理单元。

具体实施方式

实施例1：一种基于面阵相机的高分辨率偏振低相干干涉压力测量装置

如图1所示，宽带光源1发出的光经过光纤耦合器2到达光纤法珀传感器3，被光纤法珀传感器3调制过的光信号从光纤耦合器2的出口导出，经准直透镜4准直后进入解调干涉仪，解调干涉仪由起偏器5、带空间倾角的双折射光楔6和检偏器7组成，由于带空间倾角的双折射光楔6的双折射效应，光信号通过带空间倾角的双折射光楔6形成空间低相干干涉条纹并被面阵相机8接收，信号处理单元9对面阵相机8输出的干涉条纹信号进行处理，当带空间倾角的双折射光楔6引起的光程差和光纤法珀传感器3引起的光程差相匹配时，会在面阵相机8相应的局部区域产生明显的低相干干涉条纹。

在此实验过程中，宽带光源1采用中心波长为750nm的SLED光源模块，光纤耦合器2采用2×2多模耦合器，起偏器5和检偏器7采用格兰汤姆森棱镜，带空间倾角的双折射光楔6采用铌酸锂光楔，采用面阵CCD做为面阵相机8，其像元大小为3.45μm*3.45μm，像元数量为2456*2058。

实施例2：一种基于面阵相机的高分辨率偏振低相干干涉压力测量方法

上述基于面阵相机的高分辨率偏振低相干干涉装置的压力测量方法如下：

步骤一、宽带光源1发出的光经过光纤耦合器2到达光纤法珀传感器3，光纤法珀传感器3用于感受外界大气压力，其法珀腔的两个反射面构成了传感干涉仪，法珀腔两个反射面之间的距离与大气压力成线性关系；

步骤二、被光纤法珀传感器3调制过的光信号从光纤耦合器2的出口导出，经准直透镜准直4后，再经起偏器5起偏成线偏振光，然后入射到带空间倾角的双折射光楔6，起偏器5的偏振轴方向与带空间倾角的双折射光楔6的光轴方向成45度放置，在带空间倾角的双折射光楔6中该偏振光被分解成相互正交的两束线偏振光(o光和e光)，经过相同的传输距离o光和e走过的光程不同，两个分量在带空间倾角的双折射光楔6中中产生光程差l(x,y)＝d(x,y)·(n_e-n_o)，其中，x为入射光点至光楔顶点的横向距离，y为入射光点至光楔顶点的纵向距离，n_o和n_e分别为双折射晶体的o光折射率和e光折射率，d(x,y)为入射光点处的光楔厚度，其中，θ和分别为光楔在水平和垂直方向上的倾角，d₀为光楔定点处的光楔厚度，利用带空间倾角的双折射光楔6的光学杠杆效应，实现低相干干涉条纹在水平和垂直方向上不同程度的缩放，在水平方向通过设计较大的楔角对干涉条纹进行压缩，实现测量范围的扩大，在垂直方向通过设计微小楔角对局部干涉条纹进行展宽，实现测量分辨率的提高；在实验过程中，所用铌酸锂光楔水平方向楔角θ＝4°；垂直方向倾角d₀＝1.5mm，所以面阵相机8接收面上某一点对应的光楔厚度可以表示为：

d(x,y)＝xtan4°+ytan1°+1.5mm≈0.0699x+0.0175y+1.5mm

步骤三、经过与带空间倾角的双折射光楔6的光轴方向成45度放置的检偏器7，将透射过带空间倾角的双折射光楔6的两束相互垂直的o光和e光重新在检偏方向上进行叠加，产生干涉条纹，利用面阵相机8进行接收；

步骤四、信号处理单元9对面阵相机8输出的二维干涉条纹信号进行处理，首先在大楔角方向，即水平方向提取行数据，通过处理大楔角方向上的低相干干涉信号得到初步的峰值位置，基于初步峰值位置所在坐标，在微小楔角方向，即垂直方向上提取列数据，通过微小楔角方向上的低相干干涉信号得到精确的条纹峰值位置，最终提取出法珀腔长信息，并得到对应的压力测量结果，实现高分辨率的压力解调。

实验过程中，将光纤法珀传感器放置在压力舱中，压力变化范围为5kPa～265kPa，变化步长为2kPa，图3为11kPa、55kPa、101kPa、255kPa四个压力点下的单帧实验结果图像，可以看出中央条纹位置随压力变化的单向移动情况。

针对101kPa压力下某一帧图像(图3(c))提取第1020行数据(原始信号如图4(a))，计算得出中央条纹最大值位置为x＝1044，即条纹峰值位置初步定位于该行第1044个像元处附近；基于初步峰值位置，进行垂直方向分析，选择第1044列信号(原始信号如图4(b))进行处理，经计算可得中央条纹最大值的较精确位置在该列第1077个像元处；

对101kpa下所得150帧图像，都取第1020行信号进行数据处理，所得结果如图5所示，中央条纹最大值的位置在该行第1043～1046个像元范围内，对应的法珀腔长变化量为0.03μm，能够初步定位条纹峰值位置；

对101kpa下所得150帧图像，都取第1044列信号进行数据处理，所得结果如图6所示，中央条纹最大值的位置在该列第1077～1079个像元范围内，对应的法珀腔长变化量为0.005μm，测量得到的腔长值波动较小，可以提高解调分辨率。

在本发明的基于面阵相机的高分辨率偏振低相干干涉***中：

宽带光源可以是LED光源，也可以是SLD光源；

双折射晶体可以采用铌酸锂晶体，氟化镁晶体，冰洲石晶体，YVO4晶体；

起偏器和检偏器可以是格兰-泰勒棱镜，格兰-汤姆逊棱镜等偏振棱镜，也可以是偏光片；

面阵相机可以是面阵CMOS相机，也可以是面阵CCD相机；

处理单元除了可采用计算机实现外，也可采用嵌入式***实现；

上述的光纤光学器件部分也可以采用对应的空间光学器件代替。

Claims (2)

1.一种高分辨率偏振低相干干涉压力测量装置，其特征在于，从输入端到输出端，该装置依次设置宽带光源(1)、光纤耦合器(2)、光纤法珀传感器(3)、准直透镜(4)、起偏器(5)、带空间倾角的双折射光楔(6)、检偏器(7)、面阵相机(8)以及信号处理单元(9)，其中：光纤耦合器(2)将宽带光源(1)发出的光引入到光纤法珀传感器(3)，并将光纤法珀传感器(3)返回的光引入到干涉解调光路中；光纤法珀传感器(3)将压力变化转化为法珀腔腔长变化，不同压力对应不同法珀腔腔长；所述准直透镜(4)、起偏器(5)、带空间倾角的双折射光楔(6)、检偏器(7)、面阵相机(8)构成干涉解调器；准直透镜(4)设置在干涉解调光路最前端，对光束进行会聚准直；起偏器(5)将准直透镜准直后的输入信号光进行起偏；带空间倾角的双折射光楔(6)将起偏器(5)产生的线偏振光再产生两个正交的线偏振光，使这两束正交的线偏振光具有沿光楔厚度变化方向呈线性分布的空间光程差，通过带空间倾角的双折射光楔(6)的二维空间楔角，实现低相干干涉条纹在水平和垂直方向上不同程度的缩放，在其中一个方向上对干涉条纹进行压缩，实现测量范围的扩大；在另一个方向上对局部干涉条纹进行展宽，实现测量分辨率的提高；检偏器(7)对经过带空间倾角的双折射光楔(6)后的两个相互正交的线偏振光进行同一方向的投影并产生干涉；利用面阵相机(8)对经过检偏器后产生的干涉条纹进行采集；利用信号处理单元(9)对面阵相机采集的干涉条纹进行处理，最终获取压力测量结果。

2.一种高分辨率偏振低相干干涉***的压力测量方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

步骤一、宽带光源发出的光经过光纤耦合器到达光纤法珀传感器；

步骤二、被光纤法珀传感器调制过的光信号从耦合器的出口导出，经准直透镜准直后，经起偏器起偏成线偏振光，然后入射到带空间倾角的双折射光楔，起偏器的偏振轴方向与带空间倾角的双折射光楔的光轴方向成45度放置，在带空间倾角的双折射光楔中该偏振光被分解成相互正交的两束线偏振光即o光和e光，两个分量在带空间倾角的双折射光楔中产生光程差

l(x,y)＝d(x,y)·(n_e-n_o)，

其中，x为入射光点至光楔顶点的横向距离，y为入射光点至光楔顶点的纵向距离，n_o和n_e分别为双折射晶体的o光折射率和e光折射率，d(x,y)为入射光点处的光楔厚度，并且表达式如下：

其中，θ和分别为光楔在水平和垂直方向上的楔角，d₀为光楔定点处的光楔厚度；

在其中一个方向通过设计大楔角对干涉条纹进行压缩，实现测量范围的扩大，在另一个方向通过设计微小楔角对局部干涉条纹进行展宽，实现测量分辨率的提高；

步骤三、经过与带空间倾角的双折射光楔的光轴方向成45度放置的检偏器，将透射过带空间倾角的双折射光楔的两束相互垂直的o光和e光重新在检偏方向上进行叠加，产生干涉条纹，利用面阵相机进行接收；

步骤四、信号处理单元对面阵相机输出的二维干涉条纹信号进行处理，通过大楔角方向上的低相干干涉信号得到初步的峰值位置，基于初步的峰值位置所在坐标，通过微小楔角方向上的低相干干涉信号得到精确的条纹峰值位置，最终提取出法珀腔长信息，并得到对应的压力测量结果，实现高分辨率的压力解调。