專利名稱：一種基于3×3耦合器的波長掃描白光干涉測量方法
技術領域：
本發明涉及光纖傳感技術領域，具體涉及一種基于3x3耦合器的波長掃描 白光干涉測量技術。
背景技術：
與光纖零差和外差千涉測量法相比，光纖白光千涉測量法能夠實現干涉儀 光程差的絕對測量，在測量靜態和緩變的物理量方面具有顯著的優勢。光譜域 白光干涉測量法通過探測干涉儀的輸出白光光譜來獲得千涉儀的光程差，有兩 種方法可以獲得干涉儀的白光干涉光譜 一種方法就是采用寬帶光輸入干涉儀， 然后用光譜儀探測千涉儀的輸出光譜；另一種方法就是采用波長掃描窄帶光輸 入千涉儀，然后用光電二極管探測干涉儀的輸出光。其中第二種方法成本較低、 使用方便，同時具有較高的分辨率，更適合于制作實用的測量儀器。目前已報 道了一些從干涉儀輸出白光干涉光譜中解調出干涉儀光程差的方法。如通過測 量干涉儀輸出白光干涉光譜的透射峰的波長來計算干涉儀的光程差(B. Qi， G. R. Pickrell, J> C. Xu, et al. Novel data processing techniques for dispersive whke light interferometer. Optical Engineering, 2003,42(11): 3165-3171)。但是，由于干涉儀的 白光千涉光譜是正弦曲線，透射峰值波長的探測精度不高。另一種解調方法就 是傅立葉變換白光千涉相位測量法(中國專利， 一種光纖傅立葉變換白光干涉測 量法，申請號200710177837.3，公開號CN101158602),通過傅立葉變換得到由 波長掃描引起的相位變化，從而計算出干涉儀的光程差。但是采用這種技術， 帶通濾波器的參數需要根據不同的白光干涉光譜進行調整，并且傅立葉變換和 傅立葉變換費時間，這就限制了它在高速測量中的應用。
基于3x3耦合器的千涉儀，三路輸出千涉信號的相位兩兩互成120。，由此發 展了無源相位解調算法(D. A. Brown, C. B. Cameron, R. M. Keoiian， D. L. Gardner, and S. L. Garrett, "A symmetric 3x3 coupler based demodulator for fiber optic interferometric sensors," in 57Y￡/Y6er (9p"'c Laser Smra^y/X， vol.1584, pp. 328-335, 1991),可以快速、精確地解調出干涉儀的輸出相位變化。目前，基于3x3 耦合器的干涉儀和無源相位解調算法廣泛的應用于動態量的測量采用固定波長的準單色光輸入干涉儀，動態量(如超聲、水聲)作用在干涉儀的一個臂上，使
干涉儀的光程差和輸出相位發生變化；從干涉儀的三路輸出干涉信號中解調出 該相位變化，從而獲得待測量。但是，這種方法只能測量干涉儀光程差的相對 變化，即只能實現對動態量的相對測量，不能用于干涉儀光程差的絕對測量。
發明內容
本發明的目的是針對白光干涉峰值波長測量法精度不高和傅立葉變換白光 干涉相位測量法不適合高速測量的問題，而提供一種可以高精度、高速測量干 涉儀光程差的基于3x3耦合器的波長掃描白光干涉測量方法。
本發明的技術方案如下-
本發明的目的是通過下述技術方案實現的。
實現本發明一種基于3 X 3耦合器的波長掃描白光干涉測量技術的裝置包括 寬帶光源、可調諧光纖法珀濾波器、耦合器、彈性柱、3x3耦合器、標準具、光 纖光柵、光電探測器、A/D采集卡、計算機；其中寬帶光源發出的光輸入可調 諧光纖法珀濾波器(FFP-TF)，可調諧光纖法珀濾波器在鋸齒波電壓信號驅動下輸 出波長掃描的窄帶光。波長掃描窄帶光被一只耦合器分成兩路，其中一路光注 入一個基于3x3耦合器的干涉儀，三路輸出干涉信號分別由三只光電探測器探 領lj;另一路光輸入串聯的一只標準具(etalon)和一只光纖光柵(FBG)，透射光被另 一光電探測器探測。四路光電探測信號被采集輸入計算機。
干涉儀的輸入光為波長掃描窄帶光，波長掃描引起干涉儀的輸出相位變化。 而波長掃描引起的干涉儀輸出相位變化，是用基于3X3耦合器的無源相位解調 算法解調出來的。波長掃描時，探測到干涉儀的三路輸出干涉信號為白光干涉 光譜；確定波長掃描測量的起止波長，由波長掃描測量的起止波長和波長掃描 引起的干涉儀輸出相位變化計算出干涉儀的光程差。
波長測量的起止波長由如下方法確定波長掃描窄帶光被耦合器分成兩路， 其中一路波長掃描窄帶光輸入基于3X3耦合器的干涉儀；另一路波長掃描窄帶 光輸入串聯的一只標準具和一只光纖光柵，波長掃描測量的起止波長由標準具 和光纖光柵透射譜中的兩個透射峰確定。
標準具的透射譜具有一系列確定波長的透射峰；光纖光柵的反射波長和標準具的一個透射峰重合，抹去了標準具透射譜的一個透射峰，由此標記可以識 別出各個透射峰的波長，從而確定波長掃描的起止波長4和^ 。
3x3耦合器的三路輸出干涉信號在相位上兩兩相差120°，掃描波長時三路 輸出干涉信號為白光干涉光譜，可以表示成
gt (義)=+ c(義)cos
A 3
A=0， 1， 2 (1)
其中6(義)是由光源光譜形狀引入的背景信號，c(;i)是干涉儀的偏振態和耦合 器分光比決定的干涉信號的對比度。n是干涉儀兩臂的折射率，"是干涉儀兩臂 的長度差，因此"D就是干涉儀兩臂的光程差。ho， i， 2，是干涉儀三路輸出信 號的序號。
式(l)中的相位信號-(A)-，wi)通過基于3x3耦合器的無源相位解調算法從
三路干涉信號中解調出來，獲得當波長從A掃描到A時干涉儀的輸出相位變化 AWA)，從而計算出干涉儀兩臂的長度差"
"=， (2)
有益效果
本發明方法通過基于3x3耦合器的無源解調算法解調波長掃描引起的干涉 儀輸出相位變化，不需要對干涉儀的輸出白光干涉信號進行傅立葉變換和反傅 立葉變換，相位變化的測量速度由基于3x3耦合器的無源解調算法決定；而基 于3x3耦合器的無源相位解調算法所采用的組成元器件都是無源器件，相位變 化測量速度僅由電子器件的響應速度決定；所以本發明方法可以實現高速測量。
本發明方法所采用的基于3x3耦合器的無源相位解調算法具有高的靈敏度， 從而可以實現干涉儀光程差的高精度測量。
本發明方法通過探測標準具和光纖光柵透射譜中的兩個透射峰來確定掃描 測量的起止波長，不需要對干涉儀的輸出白光干涉信號進行波長較準，從而可 以快速的確定掃描測量的起止波長；同時，標準具的熱穩定性好、透射峰譜線 窄，掃描測量的起止波長精度高。
圖1是本發明方法應用于基于3x3耦合器的光纖馬赫-曾德爾干涉儀的光程差測量的一個具體實施方案；
圖2(a)是基于3x3耦合器的馬赫-曾德爾干涉儀的三路輸出白光干涉光譜； 圖2(b)是串聯的標準具和光纖光柵的透射光譜；
圖3是基于3x3耦合器的馬赫-曾德爾干涉儀的任意兩路輸出白光干涉光譜 的李薩如圖4是波長從1525.649nm掃描到1563.851nm時用本發明方法解調出的干 涉儀輸出相位變化；
圖5是本發明方法連續測量馬赫-曾德爾干涉儀兩臂長度差的結果； 圖6是本發明方法用于測量物體重量的實驗結果；
圖7是本發明方法應用于基于3x3耦合器的光纖邁克爾遜干涉儀的光程差 測量的一個具體實施方案；
圖8是本發明方法應用于基于3x3耦合器的光纖薩格納克干涉儀測量的一 個具體實施方案；
圖中1—寬帶光源、2—可調諧光纖法珀濾波器、3—耦合器、4—彈性柱 5^3x3耦合器、6—標準具、7—光纖光柵、8—光電探測器、9一A/D采集卡、 IO—計算機、ll一高反射鏡。
具體實施方案
下面結合說明書附圖和實施例對本發明作進一步說明。 實施例l
本發明方法應用于基于3x3耦合器的馬赫-曾德爾干涉儀光程差測量的具體 實施方案如下所述。
寬帶光源1發出的光輸入到可調諧光纖法珀濾波器2，可調諧光纖法珀濾波 器2在鋸齒波信號的驅動下輸出波長掃描窄帶光。波長掃描窄帶光被一只耦合 器3分成兩路，其中一路波長掃描窄帶光輸入由一只耦合器3和一只3x3耦合 器5構成的馬赫-曾德爾干涉儀，3x3耦合器5的三路輸出光分別由三只光電探 測器8探測;另一路波長掃描窄帶光輸入串聯的一只標準具6和一只光纖光柵7， 透射光由另一只光電探測器8探測。四路光電探測信號由A/D采集卡9采集輸 入計算機10進行測量。實施方案中，寬帶光源1為ASE光源，光譜范圍覆蓋從1525nm到1565nm; 可調諧光纖法珀濾波器2的自由光譜區范圍(FSR)為65nm，精細度為200;標準 具6的自由光譜區范圍為0.8nm(100GHz)，精細度為14，波長熱穩定性為從0°C 到7(TC的透射峰位置變化小于0.7GHz;光纖光柵7的中心波長為1535.026nm， 帶寬為0.7nm。
采集的馬赫-曾德爾干涉儀的三路輸出白光干涉光譜信號如圖2(a)所示，^軸 坐標為采樣數據的序號。ASE光源的光譜形狀決定了三路白光干涉光譜的包絡 形狀，三路白光干涉光譜信號的幅度相等，兩兩相位相差120。，可以通過圖3 所示的李薩如圖形清楚的觀察到。串聯的標準具6和光纖光柵7的透射譜如圖 2(b)所示，標準具6的透射譜為一系列具有確定透射峰的梳妝光譜，其中波長為 1535.026nm的透射峰被串聯的光纖光柵7抹去，作為波長標記識別出梳狀光譜 的各峰值波長；波長為1525.649nm和1563.861nm的兩個透射峰被選中，作為 波長掃描的起止波長。由于濾波器掃描的范圍大于寬帶光源1的光譜范圍，三 路白光干涉光譜從1525.649nm到1563.861nm的部分被截取出來，利用基于3x3 耦合器的無源相位解調算法計算出相位變化，如圖4所示。由(2)式計算出干涉 儀兩臂的長度差為1358.8,。
連續測量以檢驗測量系統的穩定性和測量分辨率。將干涉儀放置在隔振平 臺上，不受應力作用，同時維持環境溫度不變，在80分鐘的連續測量過程中， 干涉儀臂長差的測量平均值為1777450nm，波動范圍為士20nm，可得干涉儀臂長 差的測量分辨率為20nm。
本發明方法可以實現靜態量的高精度測量，如應變的測量。將干涉儀的一 個臂作為傳感臂，測量應變；另一個臂不受應變影響，作為參考臂靠近傳感臂 放置，減小溫度對應變測量的影響。光纖干涉臂的長度為10m，臂長差測量波 動士20nm，則對應應變測量波動為士2xl(T3/^。干涉儀的臂長差為1.4mm，則兩 臂的溫度靈敏度之差為8.82nmTC;因此，溫度變化3(TC，引起干涉儀的臂長差 變化為264nm，這個長度變化量對應應變為0.0246/^ ，由此看出溫度對應變測 量結果的影響小。
本發明方法應用于重量測量的具體實施方案如圖1所示，干涉儀的一個臂 纏繞在一個直徑為30mm的彈性柱4上面作為傳感臂。待測物放置在彈性柱4的上面，使傳感臂產生應變，從而改變了干涉儀兩臂的長度差，通過本發明方 法解調出干涉儀臂長差的變化，就可以實現待測物的重量測量。待測物每次增
加100g，當待測物從0g增加到800g時，干涉儀的臂長差從1358.8nm增加到 1711pm，如圖6所示，臂長差隨待測物重量的增加線性變化，臂長差-重量靈敏 度為0.3952pm/g。干涉儀臂長差的測量分辨率為20nm，由此可得質量測量分辨 率為0.05g。 實施例2
本發明方法應用于基于3x3耦合器的邁克爾遜干涉儀的光程差測量的實施 例如說明書附圖7所示。 實施例3
本發明方法應用于基于3x3耦合器的薩格納克干涉儀測量的實施例如說明 書附圖8所示。
權利要求
1、一種基于3×3耦合器的波長掃描白光干涉測量技術，探測基于3×3耦合器的干涉儀的三路輸出干涉信號，用基于3×3耦合器的無源相位解調算法解調出干涉儀的輸出相位變化，其特征在于干涉儀的輸入光為波長掃描窄帶光，波長掃描時，探測到干涉儀的三路輸出干涉信號為白光干涉光譜；確定波長掃描測量的起止波長，由波長掃描測量的起止波長和波長掃描引起的干涉儀輸出相位變化計算出干涉儀的光程差。
2、 根據權利要求1所述的基于3X3耦合器的波長掃描白光干涉測量技術， 其特征在于干涉儀的輸入光為波長掃描窄帶光，波長掃描引起干涉儀的輸出 相位變化。
3、 根據權利要求1所述的基于3X3耦合器的波長掃描白光干涉測量技術， 其特征在于波長掃描引起的干涉儀輸出相位變化，是用基于3X3耦合器的無 源相位解調算法解調出來的。
4、 根據權利要求1所述的基于3X3耦合器的波長掃描白光干涉測量技術， 其特征在于波長測量的起止波長由如下方法確定波長掃描窄帶光被耦合器分 成兩路，其中一路波長掃描窄帶光輸入基于3X3耦合器的干涉儀；另一路波長掃描窄帶光輸入串聯的一只標準具和一只光纖光柵，波長掃描測量的起止波長 由標準具和光纖光柵透射譜中的兩個透射峰確定。
全文摘要
本發明涉及光纖傳感技術領域，具體涉及一種基于3×3耦合器的波長掃描白光干涉測量技術。波長掃描窄帶光被一只耦合器分成兩路，其中一路光輸入基于3×3耦合器的干涉儀，另一路光輸入串聯的一只標準具和一只光纖光柵。掃描波長時，探測干涉儀的三路輸出白光干涉光譜，以及標準具和光纖光柵的透射譜。由標準具和光纖光柵的透射譜確定波長掃描的起止波長；三路白光干涉光譜信號在相位上兩兩相差120°，利用基于3×3耦合器的無源相位解調算法直接解調出波長掃描引起的干涉儀輸出相位變化，從而計算出干涉儀的絕對光程差。本發明方法測量精度高，同時可以實現高速測量。
文檔編號G01D5/353GK101458101SQ200810183240
公開日2009年6月17日 申請日期2008年12月12日 優先權日2008年12月12日
發明者唐才杰, 毅 江 申請人:北京理工大學