交流調制型低相干干涉解調系統(tǒng)及其解調方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種交流調制型低相干干涉解調系統(tǒng)及其解調方法，包括寬帶光源（1）、耦合器（2）、F-P傳感器（3）、自聚焦準直透鏡（4）、起偏器（5）、交流信號源（6）、可調制雙折射光楔（7）、檢偏器（8）和線陣CCD（9），當可調制雙折射光楔（7）引起的光程差和F-P傳感器（3）引起的光程差相匹配時，在線陣CCD（9）的局部區(qū)域產(chǎn)生低相干干涉條紋；交流信號源（6）為可調制雙折射光楔（7）提供正弦形交變電壓，實現(xiàn)其中o光與e光的折射率差的調制，進而改變作為調制結果的低相干干涉條紋在線陣CCD（9）上的位置。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明提高了傳感精度；除用于低相干干涉解調，還用于利用曲線極值點進行傳感的解調，且該極值點可受調制。
【專利說明】交流調制型低相干干涉解調系統(tǒng)及其解調方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖傳感領域，特別是涉及一種基于可調制雙折射晶體光楔的低相干干涉解調方法。
【背景技術】
[0002]低相干干涉能夠克服激光干涉中存在的相位模糊問題，測量范圍不再局限于λ/4，理論上具有不限的測量范圍，能夠對很多絕對物理量進行高精度、大量程測量，使得低相干干涉技術在光纖傳感領域得到了廣泛的應用，例如靜態(tài)物理量(溫度、壓力、位移和折射率)的測量，物體三維相貌檢測和光學相干層析技術等。
[0003]定位低相干干涉條紋的包絡峰值位置或中心波峰位置是通常采用的獲得干涉條紋平移信息的方法，這些方法都是從干涉條紋中直接獲取平移信息進行解調。除此之外，相位信息同樣可以用于解調，空間頻域算法(SFDA)、相移法和雙波長算法等都是基于相位提出的解調方法。通常來講，如果可以精確獲得低相干干涉條紋中各極值點位置，便可精確測量待測壓力。然而由于低相干干涉條紋中曲線半高寬度較大，極值點附近曲線較平坦，所以僅通過包絡法、質心法等方法往往測量精度較低。分析低相干干涉條紋可知，條紋極值點與條紋曲線一階導數(shù)零點一一對應，因而可以通過尋找條紋曲線一階導數(shù)零點的方法來精確確定低相干干涉條紋各極值點位置，最終提高低相干干涉解調精度。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]為了克服現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于可調制雙折射光楔的低相干干涉解調系統(tǒng)及其解調方法，利用具有電光效應的雙折射晶體制作光楔，并通過外加交流電場對低相干干涉條紋在線陣CCD上的位置進行調制，計算低相干干涉條紋一階導數(shù)零點的方法，精確獲得低相干干涉條紋極值點位置，實現(xiàn)對壓力的高精度測量，提高低相干干涉解調方法的精度。
[0005]本發(fā)明提出了一種交流調制型低相干干涉解調系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括寬帶光源系統(tǒng)1、耦合器2、F-P傳感器3、自聚焦準直透鏡4、起偏器5、交流信號源6、可調制雙折射光楔7、檢偏器8和線陣(XD9，其中:寬帶光源I發(fā)出的光經(jīng)過耦合器2導入F-P傳感器3，F(xiàn)-P傳感器3作為感受外界大氣壓力的敏感元件將大氣壓強的變化轉換為光程差，F(xiàn)-P腔的兩個面構成傳感干涉儀，被F-P傳感器調制過的光信號從耦合器2的出口導出，并依次透射自聚焦準直透鏡4、起偏器5、可調制雙折射光楔7和檢偏器8，最終到達線陣CCD9 ;當可調制雙折射光楔7引起的光程差和F-P傳感器3引起的光程差相匹配時，在線陣CCD9相應的局部區(qū)域產(chǎn)生明顯的低相干干涉條紋；交流信號源6為可調制雙折射光楔7提供正弦形交變電壓，實現(xiàn)可調制雙折射光楔7中ο光與e光的折射率差的調制，進而改變作為調制結果的低相干干涉條紋在線陣(XD9上的位置。
[0006]所述可調制雙折射光楔7用鈮酸鋰制作，并在上、下表面鍍金屬電極。
[0007]本發(fā)明提出了一種交流調制型低相干干涉解調方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:
[0008]步驟1、利用交流信號源6外加周期性變化的電場實現(xiàn)可調制雙折射光楔7中ο光與e光的折射率差的調制，進而改變作為調制結果的低相干干涉條紋在線陣CCD9上的位置；
[0009]步驟2、記錄線陣CCD9上各點光強隨外加交流電信號的變化情況，繪制變化曲線，并對此曲線進行傅立葉變換，求出其中的二倍頻分量強度與基頻分量強度之比值；
[0010]步驟3、對線陣(XD9上各點重復步驟2，繪制“二倍頻分量強度與基頻分量強度之比值”與“線陣CCD上位置”之間關系的曲線，此曲線上各極大值點與無外加電壓時的低相干干涉條紋中各極值點一一對應；
[0011]步驟4、通過步驟3獲得的低相干干涉條紋曲線各極值點位置，重構無外加電壓時的低相干干涉條紋，還原F-P傳感器的腔長信息，最終實現(xiàn)對外界壓力值的測量。
[0012]本發(fā)明的有益效果及優(yōu)點在于:
[0013]1、相比于普通包絡法、質心法等低相干干涉解調方法，本發(fā)明利用具有電光特性的雙折射晶體制作光楔，通過分析線陣CCD上低相干干涉條紋變化情況，可以進一步提高傳感精度。
[0014]2、本發(fā)明方法的推導以高斯分布的寬帶光源為基礎，但同樣適用于其他分布的寬帶光源；
[0015]3、本發(fā)明除可應用于低相干干涉解調，還可應用于所有利用曲線極值點進行傳感，并且該極值點可受調制的系統(tǒng)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為交流調制型低相干干涉光纖傳感大氣壓力解調系統(tǒng)示意圖；
[0017]圖1中:1、寬帶光源，2、光耦合器，3、F_P傳感器，4、自聚焦準直透鏡，5、起偏器，6、交流信號源，7、可調制雙折射光楔，8、檢偏器，9、線陣CCD ；
[0018]圖2為在外加交流電信號作用下，低相干干涉條紋移動情況曲線示意圖；
[0019]圖3為本發(fā)明的解調方法處理后的譜線示意圖；
[0020]即線陣CCD上各點“低相干干涉光強在交流電信號作用下變化中的二倍頻分量與基頻分量之比”與“線陣CXD上位置”關系譜線；
[0021]圖4為外加電壓信號為零時，線陣CCD上的低相干干涉譜線示意圖；
[0022]圖5為圖3在縱坐標[0，I]區(qū)間的局部放大圖；
[0023]圖6為圖3在某一極值點附近區(qū)域放大圖；
[0024]其中實線為低相干干涉條紋曲線，虛線為線陣CCD上各點低相干干涉光強在交流電信號作用下變化中的二倍頻分量與基頻分量之比譜線。(a)圖為所選極值點附近±0.65mm區(qū)域局部放大圖；(b)圖為所選極值點附近±0.065mm區(qū)域的局部放大圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖和實施例，進一步詳細說明本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0026]如圖1所示，是本發(fā)明的利用具有電光特性的雙折射晶體進行低相干干涉解調系統(tǒng)圖，此處將結合外界大氣壓力的測量，對本方法進行說明。[0027]寬帶光源系統(tǒng)LED) I發(fā)出的光經(jīng)過耦合器2導入F-P傳感器3，F(xiàn)-P傳感器作為感受外界大氣壓力的敏感元件將大氣壓強的變化轉換為光程差，F(xiàn)-P腔的兩個面構成傳感干涉儀，被F-P傳感器調制過的光信號從耦合器2的出口導出，并依次透射自聚焦準直透鏡
4、起偏器5、可調制雙折射光楔7和檢偏器8，最終到達線陣CCD9，可調制雙折射光楔7可以看作為空間分布的F-P傳感器構成接收干涉儀，當可調制雙折射光楔7引起的光程差和F-P傳感器3引起的光程差相匹配時，會在線陣CCD9相應的局部區(qū)域產(chǎn)生明顯的低相干干涉條紋。
[0028]用鈮酸鋰制作可調制雙折射光楔7，并在上下表面鍍金屬電極，6為交流電源，為可調制雙折射光楔7提供正弦形交變電壓，利用鈮酸鋰的電光效應調制其折射率，由于鈮酸鋰中ο光與e光的折射率隨外加電壓信號響應是不同的，所以外加交流電壓信號將改變ο光與e光之間的光程差，進而實現(xiàn)對低相干干涉條紋的調制。
[0029]以下以具體參數(shù)實施說明，鈮酸鋰的光軸方向與電場方向平行，當光楔厚度為0.5mm，外加交流電壓振幅為100V時，由電光系數(shù)r13=10X 10_12m/V，可知此時ο光與e光折射率之差改變約為2X 10_6。光楔楔角為2°，F(xiàn)P腔傳感器3腔長為長40 μ m，光源中心頻率5X IO14Hz,光源光譜寬度1014Hz。在V=Sin (2 π ft)外加交流電壓作用下，線陣CXD上的低相干干涉條紋變化如圖2，其中橫坐標為毫米，縱坐標為光強，可見外加交流電壓使得條紋在左右兩條虛線之間來回移動，其頻率為f。
[0030]對線陣CCD上每個點的光強在外加交流電壓作用下的變化情況，利用“本發(fā)明的
理論依據(jù)”中所述解調方法，對線陣CCD上每個點做傅立葉展開，求
【權利要求】
1.一種交流調制型低相干干涉解調系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括寬帶光源系統(tǒng)(I)、耦合器系統(tǒng)(2)、F-P傳感器(3)、自聚焦準直透鏡(4)、起偏器(5)、交流信號源(6)、可調制雙折射光楔(7)、檢偏器(8)和線陣CXD (9)，其中:寬帶光源(I)發(fā)出的光經(jīng)過耦合器(2)導入F-P傳感器(3 )，F(xiàn)-P傳感器(3 )作為感受外界大氣壓力的敏感元件將大氣壓強的變化轉換為光程差，F(xiàn)-P腔的兩個面構成傳感干涉儀，被F-P傳感器調制過的光信號從耦合器(2)的出口導出，并依次透射自聚焦準直透鏡(4)、起偏器(5)、可調制雙折射光楔(7)和檢偏器(8)，最終到達線陣CXD (9);當可調制雙折射光楔(7)引起的光程差和F-P傳感器(3)引起的光程差相匹配時，在線陣CCD (9)相應的局部區(qū)域產(chǎn)生明顯的低相干干涉條紋；交流信號源(6)為可調制雙折射光楔(7)提供正弦形交變電壓，實現(xiàn)可調制雙折射光楔(7)中ο光與e光的折射率差的調制，進而改變作為調制結果的低相干干涉條紋在線陣CCD (9)上的位置。
2.如權利要求1所述的交流調制型低相干干涉解調系統(tǒng)，其特征在于，所述可調制雙折射光楔(7 )用鈮酸鋰制作，并在上、下表面鍍金屬電極。
3.一種交流調制型低相干干涉解調方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 步驟(I)、利用交流信號源(6)外加周期性變化的電場實現(xiàn)可調制雙折射光楔(7)中ο光與e光的折射率差的調制，進而改變作為調制結果的低相干干涉條紋在線陣CCD (9)上的位置； 步驟(2)、記錄線陣CCD (9)上各點光強隨外加交流電信號的變化情況，繪制變化曲線，并對此曲線進行傅立葉變換，求出其中的二倍頻分量強度與基頻分量強度之比值； 步驟(3)、對線陣CXD (9)上各點重復步驟(2)，繪制“二倍頻分量強度與基頻分量強度之比值”與“線陣CCD上位置”之間關系的曲線，此曲線上各極大值點與無外加電壓時的低相干干涉條紋中各極值點一一對應； 步驟(4)、通過步驟(3)獲得的低相干干涉條紋曲線各極值點位置，重構無外加電壓時的低相干干涉條紋，還原F-P傳感器的腔長信息，最終實現(xiàn)對外界壓力值的測量。
4.如權利要求1所述的交流調制型低相干干涉解調系統(tǒng)，其特征在于，所述可調制雙折射光楔(7 )用鈮酸鋰制作，并在上、下表面鍍金屬電極。
【文檔編號】G01D5/26GK103542870SQ201310476322
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月12日 優(yōu)先權日:2013年10月12日
【發(fā)明者】劉鐵根, 江俊峰, 張學智, 劉琨, 王雙, 尹金德 申請人:天津大學