一種光纖干涉儀臂長差的測量裝置及測量方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的是一種光纖干涉儀臂長差的測量裝置及測量方法。包括激光光源模塊、被測光纖干涉儀模塊、參考干涉儀模塊和采集與控制模塊。可調(diào)諧激光器發(fā)出波長線性變化的光進入被測干涉儀和參考干涉儀模塊、使用計算機控制模擬量輸出板卡驅(qū)動繞好光纖的壓電陶瓷，解調(diào)得到的信號后獲得兩模塊精確的位相變化量；改變參考干涉儀模塊兩臂光程差同時使用光源模塊中的分布式反饋激光器結(jié)合PGC算法解調(diào)出光程差變化量；改變參考干涉儀兩臂光程差后重復第一步；依據(jù)臂長差測量公式計算出被測光纖干涉儀臂長差。本發(fā)明通過引入壓電陶瓷、分布式反饋激光器等，運用PGC算法可精確測得被測光纖干涉儀的臂長差，具有測量精度高、范圍廣和自動定標等優(yōu)點。
【專利說明】一種光纖干涉儀臂長差的測量裝置及測量方法 技術(shù)領(lǐng)域 本發(fā)明涉及的是一種光纖傳感器性能測量裝置，本發(fā)明還涉及一種光纖傳感器性能測 量方法。具體地說是一種光纖干涉儀臂長差的測量裝置及測量方法。 【背景技術(shù)】 隨著光通訊技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感技術(shù)由于其不受電磁干擾、結(jié)構(gòu)緊湊和靈敏度高等 優(yōu)點，也得到了迅速的發(fā)展。Mach-Zehnder型干涉儀(如圖4)和Machelson型干涉儀(如圖5) 作為主要的傳感元，可直接用于檢測水聲、電流、磁場、溫度等物理量。目前的光纖干涉儀可 以根據(jù)兩臂臂長差是否相等分為平衡型和非平衡型兩種，平衡型光纖干涉儀由于其零臂差 結(jié)構(gòu)可以有效減小噪聲。但是在頻率調(diào)制相位發(fā)生載波系統(tǒng)中，為了利于信號處理光纖干 涉儀要有臂差。而且光纖干涉儀的主要傳感原理為:被測信號作用于光纖干涉儀的一臂引 起臂長的改變，導致光纖內(nèi)的光波的相位發(fā)生變化，而位相的改變會導致干涉后的輸出光 強發(fā)生變化，檢測輸出光強的變化就可以得到待測信號的信息。所以干涉儀的臂長差決定 了傳感器的性能與靈敏度。綜上所述，精確測量光纖干涉儀臂長差具有非常重要的意義。 目前測量光纖干涉儀臂長差的方法主要有以下幾種：電流調(diào)制和觀察干涉儀條紋可見 度法、白光干涉法、時域脈沖法、干涉儀干涉譜觀測法、光載微波法等方法。1983年英國的 Dandridge在IEEE Journal of LightwaveTechnology · 1 (3): 514-516上發(fā)表文章 "Zero Path-Length Difference in Fiber-Optic Interferometers"提出電流調(diào)制和觀察干涉 條紋的方法，該方法首先通過電流來調(diào)制光源，利用干涉輸出強度與調(diào)制電流的關(guān)系計算 長度大于1〇_的臂長差，如果被測臂長差的長度大于1〇_，則利用觀察干涉條紋，通過查看 條紋間距的方法測量，這種方法相對來說技術(shù)比較復雜。白光干涉法的基本原理是:在白光 干涉儀的一臂末端接上掃描鏡，另一臂接被測光纖干涉儀，通過移動掃描鏡來引入?yún)⒖急?長，當參考臂長分別等于被測光纖干涉儀兩臂長時，出現(xiàn)的反射峰值最大，分別讀出當時的 掃描鏡距離就可以得出被測光纖干涉儀的臂長差。2007年哈爾濱工程大學楊軍等人發(fā)表在 哈爾濱工程大學學報.28(8) :740-742的文章"光纖Mach-Zehnder干涉儀臂長差的精確測 量"利用這種方法，達到了 10微米的測量精度，但是這種方法的測量長度主要受限于掃描臺 的掃描范圍，所以可測量的臂長差的長度較短。時域脈沖法的主要原理為:將飛秒激光器輸 出的光注入被測干涉儀，通過使用高速信號采集儀在信號輸出端測量從兩臂反射回的信號 的時間差，來達到測量光纖干涉儀兩臂臂長差的目的。飛秒激光器和高速信號采集儀都比 較昂貴，所以使得這種方法的成本非常高。干涉儀干涉譜觀測法主要是利用光譜儀觀測寬 譜光的干涉圖像，獲得相鄰谷值或峰值所對應的波長計算得到光程差。2005年黑龍江大學 的余有龍等人發(fā)表在黑龍江大學自然科學學報.22(2): 216-218上的文章"非平衡全光纖干 涉儀臂長差測量方法的研究"利用這種方法，實現(xiàn)了 20微米的測量精度。但是這種測量方法 依賴于光譜儀的分辨率，并且和工作波長有關(guān)，所以無法測量較長的臂長并且高分辨率光 譜儀成本較高。2010年呂武略等人公開了一種光載微波的方法（中國專利申請?zhí)枺?201010603812.5)，通過將臂長差信號調(diào)制到光載微波的相位上，解調(diào)微波的相位達到了測 量臂長差的目的。這種方法的測量范圍比較廣，能提供較高的測量精度，但是由于引入微波 掃頻源、高速光電探測器等裝置，使得結(jié)構(gòu)稍顯復雜，并且成本相對較高。PGC零差調(diào)制法需 要在光纖干涉儀兩臂加上不同的電壓來補償兩臂的臂長差，通過測量電壓差值計算得出光 纖干涉儀兩臂的臂長差。由于需要給光纖干涉儀兩臂加電壓，所以這種方法存在破壞傳感 器的風險，無法應用于已經(jīng)封裝成型的如水聽器等傳感裝置的臂長差測量。
【發(fā)明內(nèi)容】
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、可自動定標、測量范圍廣和測量精度高的光纖 干涉儀臂長差的測量裝置。本發(fā)明的目的還在于提供一種光纖干涉儀臂長差的測量方法。 本發(fā)明的光纖干涉儀臂長差的測量裝置包括激光光源模塊10、被測光纖干涉儀模塊 20、參考干涉儀模塊30和采集與控制模塊40; 所述的光源模塊由可調(diào)諧激光光源101、分布式反饋激光器102、第一光隔離器103、第 二光隔離器103 '和1 X 2光纖耦合器104構(gòu)成； 所述的參考干涉儀模塊30包括第一2 X 2光纖親合器301、第二2 X 2光纖親合器301 '、第 一光開關(guān)302、第二光開關(guān)302'、光纖環(huán)形器303、自聚焦透鏡304、可移動反射鏡305、第二繞 好光纖的壓電陶瓷306、第二模擬量輸出板卡307和平衡光電探測器308;第一 2X2光纖耦合 器301的第一端口 301a與1 X 2光纖耦合器104的第三端口 104c相連、第二端口 301b與第二光 隔離器103'的輸出端相連、第三端口 301c連接第一光開關(guān)302的單通道端、第四端口 301d連 接光纖環(huán)形器303的輸入端;第一光開關(guān)302的多通道端的三個通道分別與第二光開關(guān)302' 的多通道端對應三個通道連接，第二光開關(guān)302 '的單通道端與第二2 X 2光纖耦合器30Γ的 第一端口 301'a相連，構(gòu)成參考干涉儀一臂，通過選擇光開關(guān)302和302 '之間的不同通道，可 以降低硬件開銷;光纖環(huán)形器303的反射端與自聚焦透鏡304相連，光纖環(huán)形器303出射端與 繞好光纖的壓電陶瓷306的光纖輸入端相連，壓電陶瓷306的光纖輸出端與第二2 X 2光纖親 合器301'的第二端口 301'b相連;第二2X2光纖耦合器301'的第三端口 301'c和第四端口 301' d分別連接平衡光電探測器308的兩個光信號輸入端； 所述的被測光纖干涉儀模塊20包括被測光纖干涉儀201和光電探測器202,被測光纖干 涉儀201可以是Mach-Zehnder型或者Michelson型，被測光纖干涉儀一臂連接第一繞好光纖 的壓電陶瓷201a，第一繞好光纖的壓電陶瓷201a由第一模擬量輸出板卡201b驅(qū)動； 從光電探測器202和平衡光電探測器308的輸出的信號由采集與控制模塊40采集。 本發(fā)明的光纖干涉儀臂長差的測量裝置還可以包括： 1、 所述的分布式反饋激光器102內(nèi)置布拉格光柵。 2、 第一光隔離器103和第二光隔離器103'具有單向通光性，第一光隔離器103的輸入端 與可調(diào)諧激光光源的輸出端相連、輸出端與1 X 2光纖親合器104的第一端口 104a相連，第二 光隔離器103'的輸入端與分布式反饋激光器102的輸出端相連、輸出端連接第一2 X 2光纖 耦合器301的第二端口 301b。 3、 所述的光電探測器202是光電倍增管或者光電二極管，截止頻率高于從被測光纖干 涉儀201輸出光信號的差頻;平衡光電探測器308由兩個匹配的光電二極管和一個放大器構(gòu) 成，輸出電流強度與兩個端口輸入光信號強度的差值成比例。 4、 第一2 X 2光纖耦合器301和第二2 X 2光纖耦合器301'的分光比都為50:50，1 X 2光纖 親合器104為3dB光纖親合器，以便平分輸入光的光強。 5、所述的第二繞好光纖的壓電陶瓷306和第一繞好光纖的壓電陶瓷201a由計算機401 控制第一、第二模擬量輸出板卡307和201b驅(qū)動，驅(qū)動信號使用正弦波形。 基于本發(fā)明的光纖干涉儀臂長差的測量裝置的測量方法為： 第一步:設置好可調(diào)諧激光光源101的參數(shù)，使用計算機401控制可調(diào)諧激光光源101進 行一次波長掃描，使用示波器代替數(shù)據(jù)采集卡觀察被測干涉儀模塊20和參考干涉儀模塊30 產(chǎn)生的差頻信號，根據(jù)在任意測量時間段內(nèi)兩信號在示波器上顯示的余弦曲線的周期個數(shù) 是否相差十倍，來選擇合適的第一光開關(guān)302和第二光開關(guān)302 '之間的通道； 第二步:選擇好通道后，使用計算機401控制可調(diào)諧激光光源101進行第二次波長掃描， 同時第一和第二控制模擬量輸出板卡307和201b驅(qū)動第一和第二纏繞好光纖的壓電陶瓷 306和201a或者對可調(diào)諧激光光源101進行調(diào)頻，被測干涉儀模塊20和參考干涉儀模塊30產(chǎn) 生的差頻信號經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后存儲于計算機401上，對存儲的數(shù)據(jù)運用 PGC算法進行處理后得到整個掃描范圍內(nèi)產(chǎn)生被測干涉儀模塊20和參考干涉儀模塊30由于 波長掃描引起的位相變化量分別為Δ釣和Δ% ; 第三步:關(guān)閉可調(diào)諧激光器101，打開分布反饋式激光器102,使用計算機401控制第二 模擬量輸出板卡307驅(qū)動第二繞好光纖的壓電陶瓷306,移動可移動反射鏡305,擴大可移動 反射鏡305與自聚焦透鏡之間的距離，整個過程參考干涉儀模塊30產(chǎn)生的位相變化量記為 Δ心使用PGC算法對位相數(shù)據(jù)Δρ進行處理后得到移動距離a; 第四步:關(guān)閉分布反饋式激光器102，打開可調(diào)諧激光器101，在不改變可調(diào)諧激光器參 數(shù)的情況下，使用計算機401控制可調(diào)諧激光器101進行波長掃描，同時控制第二和第一擬 量輸出板卡307和201b驅(qū)動兩個纏繞好光纖的壓電陶瓷306和201a或者對可調(diào)諧激光光源 101進行調(diào)頻，通過使用PGC算法得到的整個掃描過程被測干涉儀模塊20和參考干涉儀模塊 30由于波長掃描產(chǎn)生的位相變化量分別為△約和△%，最后計算機依據(jù)下面臂長差計算公 式計算被測光纖干涉儀的臂長差：
其中：X1是可移動反射鏡與自聚焦透鏡之間距離的兩倍，X2為移動之后反射鏡與自聚 焦透鏡之間距離的兩倍；η是光纖的折射率，K為類型參數(shù)。如果被測光纖干涉儀為 Michelson型則Κ = 2，如果被測光纖干涉儀為Mach-Zehnder型則Κ = 1 〇 本發(fā)明的優(yōu)點在于：1.通過引入?yún)⒖几缮鎯x提供參考臂長的方法，有效地解決了可調(diào) 諧激光光源在進行測量時掃波長非線性和位相噪聲對光纖干涉儀臂長差測量的影響;2.通 過使用可移動反射鏡和自聚焦透鏡組成的數(shù)控延遲線，可自動定標，解決了微米量級臂長 差定標問題;3.測量范圍廣，測量精度高。通過加入分布式反饋激光器，壓電陶瓷和模擬量 輸出板卡，應用PGC解調(diào)算法可以精確測量被測光纖干涉儀和參考光纖干涉儀在測量過程 中差生的位相差(位相測量精度可達l(T 7m)，從而可以有效提升該測量裝置的測量精度。 【附圖說明】 圖1為光纖干涉儀臂長差測量裝置的第一種實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為光纖干涉儀臂長差測量裝置的第二種實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為光纖干涉儀臂長差測量方法的流程圖； 圖4為Michel son型光纖干涉儀結(jié)構(gòu)圖； 圖5為Mach-Zehnder型光纖干涉儀結(jié)構(gòu)圖。 【具體實施方式】 本發(fā)明的光纖干涉儀臂長差的測量裝置包括激光光源模塊10、被測光纖干涉儀模塊 20、參考干涉儀模塊30和采集與控制模塊40; 光源模塊包括可調(diào)諧激光光源101、分布式反饋激光器102、光隔離器103和103 '和1 X 2 光纖親合器104; 參考干涉儀模塊30包括兩個2X2光纖耦合器301和301'、光開關(guān)302和302'、光纖環(huán)形 器303、自聚焦透鏡304、可移動反射鏡305、繞好光纖的壓電陶瓷306、模擬量輸出板卡307和 平衡光電探測器308; 2 X 2光纖耦合器301的301a端口與1 X 2光纖耦合器104的104c端口相 連，301b端口與光隔離器103'的輸出端相連，301c端口連接光開關(guān)302的單通道端，301d端 口連接光纖環(huán)形器303的輸入端;光開關(guān)302的多通道端的三個通道分別與光開關(guān)302'的多 通道端對應三個通道連接，光開關(guān)302 '的單通道端與2 X 2光纖耦合器301的301'a端相連， 構(gòu)成參考干涉儀一臂，通過選擇光開關(guān)302和302'之間的不同通道，可以降低硬件開銷;光 纖環(huán)形器303的反射端與自聚焦透鏡304相連，光纖環(huán)形器303出射端與繞好光纖的壓電陶 瓷306的光纖輸入端相連，壓電陶瓷306的光纖輸出端與2 X 2光纖親合器301 'b端口相連;2 X 2光纖耦合器301'的301' c端口和301' d端口分別連接平衡光電探測器308的兩個光信號 輸入端。 分布式反饋激光器102內(nèi)置布拉格光柵，具有良好的單色性;可調(diào)諧激光光源101可以 進行波長掃描，也就是說可以輸出在一定范圍內(nèi)波長可線性變化的激光，并且可以通過外 界信號對其進行調(diào)頻，臂長差測量的最大長度與其相干長度相關(guān)，可調(diào)諧激光光源101開始 進行波長掃描和波長掃描結(jié)束時都可以發(fā)出觸發(fā)信號。 光隔離器103和103'具有單向通光性，光隔離器103的輸入端與可調(diào)諧激光光源的輸出 端相連，輸出端與1 X 2光纖親合器104的104a端口相連;光隔離器103'的輸入端與分布式反 饋激光器102的輸出端相連，輸出端連接二乘二光纖耦合器301的301b端口；光隔離器103和 103'可以起到保護可調(diào)諧激光光源101和分布式反饋激光器102的作用。 被測光纖干涉儀模塊20包括被測光纖干涉儀201和光電探測器202,被測干涉儀201可 以是Mach-Zehnder型或者Michel son型，被測光纖干涉儀一臂連接繞好光纖的壓電陶瓷 201a，繞好光纖的壓電陶瓷201a由模擬量輸出板卡201b驅(qū)動。 光電探測器202可以是光電倍增管或者光電二極管，其截止頻率要高于從被測干涉儀 40輸出光信號的差頻;平衡光電探測器308由兩個匹配的光電二極管和一個高速放大器構(gòu) 成，輸出電流強度與兩個端口輸入光信號強度的差值成比例，具有抑制共模噪聲的功能。 2 X 2光纖耦合器301和301'的分光比都為50 : 50，1 X 2光纖耦合器104為3dB光纖耦合 器，以便平分輸入光的光強。 繞好光纖的壓電陶瓷306和201a由計算機401控制模擬量輸出板卡307和201b驅(qū)動，驅(qū) 動信號使用正弦波形。 結(jié)合圖3,光纖干涉儀臂長差的測量方法的測量過程分四步進行，第一步設置好可調(diào)諧 激光光源101的參數(shù)，使用計算機401控制可調(diào)諧激光光源101進行一次波長掃描，使用示波 器代替數(shù)據(jù)采集卡觀察被測干涉儀模塊20和參考干涉儀模塊30產(chǎn)生的差頻信號，根據(jù)在任 意測量時間段內(nèi)兩信號在示波器上顯示的余弦曲線的周期個數(shù)是否相差十倍，來選擇合適 的光開關(guān)302和302'之間的通道;第二步，選擇好通道后，使用計算機401控制可調(diào)諧激光光 源101進行第二次波長掃描，同時控制模擬量輸出板卡307和201b驅(qū)動纏繞好光纖的壓電陶 瓷306和201a或者對可調(diào)諧激光光源101進行調(diào)頻，被測干涉儀模塊20和參考干涉儀模塊30 產(chǎn)生的差頻信號經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后存儲于計算機401上，對存儲的數(shù)據(jù)運 用PGC算法進行處理后可得整個掃描范圍內(nèi)產(chǎn)生被測干涉儀模塊20和參考干涉儀模塊30產(chǎn) 生的位相變化量分別為Δ的和Δρ 2;第三步關(guān)閉可調(diào)諧激光器1〇1，打開分布反饋式激光器 102,使用計算機401控制模擬量輸出板卡307驅(qū)動繞好光纖的壓電陶瓷306,此時移動可移 動反射鏡305,擴大其與自聚焦透鏡之間的距離，整個過程參考干涉儀模塊30產(chǎn)生的位相變 化量記為Δ0，使用PGC算法對位相數(shù)據(jù)進行處理后可以精確得到移動距離a。第四步關(guān)閉分 布反饋式激光器102,打開可調(diào)諧激光器101，在不改變可調(diào)諧激光器參數(shù)的情況下，使用計 算機401控制其進行波長掃描，同時控制擬量輸出板卡307和201b驅(qū)動纏繞好光纖的壓電陶 瓷306和201a或者對可調(diào)諧激光光源101進行調(diào)頻，此時通過使用PGC算法得到的整個掃描 過程被測干涉儀模塊20和參考干涉儀模塊30產(chǎn)生的位相變化量分別為八約和八％，最后計 算機依據(jù)下面臂長差計算公式計算被測光纖干涉儀的臂長差：
其中：X1是可移動反射鏡與自聚焦透鏡之間距離的兩倍，X2為移動之后反射鏡與自聚 焦透鏡之間距離的兩倍;△約和力?%分別為移動反射鏡之前被測光纖干涉儀和參考光纖干涉 儀的相位的變化量，_Α_?^3和分別為移動反射鏡之后被測光纖干涉儀和參考光纖干涉儀 的相位的變化量，η是光纖的折射率，Κ為類型參數(shù)，如果被測光纖干涉儀為Michelson型則Κ =2，如果被測光纖干涉儀為Mach-Zehnder型則K = 1。 結(jié)合圖1本發(fā)明的測量裝置的測量原理為： 光纖干涉儀臂長差的測量裝置包括可調(diào)諧激光光源101、分布式反饋激光器102、光隔 離器103和103'、1Χ2光纖耦合器104、被測光纖干涉儀201 (圖中為Michelson型光纖干涉 儀）、光電探測器202、2X 2光纖耦合器301和301'、光開關(guān)302和302'、光纖環(huán)形器303、自聚 焦透鏡304、可移動反射鏡305、纏繞好光纖的壓電陶瓷306和201a、模擬量輸出板卡307和 201b、數(shù)據(jù)采集卡402和計算機401組成。計算機401與可調(diào)諧激光光源101的GPIB接口和觸 發(fā)接口連接，實現(xiàn)對可調(diào)諧激光光源101的控制和接收觸發(fā)信號，與可移動反射鏡305連接 控制其移動，與模擬量輸出板卡307和201b連接以便驅(qū)動壓電陶瓷306和201a，與數(shù)據(jù)采集 卡402連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和處理?？烧{(diào)諧激光光源101的輸出端與光隔離器103的輸入端 連接，光隔離1 〇3的輸出端與1 X 2光纖耦合器104的104a端口連接，1 X 2光纖耦合器104的 104b端口與被測干涉儀201的輸入端相連，被測干涉儀一臂連接纏繞好光纖的壓電陶瓷 201a，被測光纖干涉儀201的輸出端與光電探測器202相連實現(xiàn)光信號向電信號的轉(zhuǎn)換，光 電探測器的電信號輸出端與數(shù)據(jù)采集卡402的一個輸入通道相連；1X2光纖耦合器104的 104c端與2 X 2光纖耦合器301的301a端連接，2 X 2光纖耦合器301的301c端與光開關(guān)302的 單通道相連，光開關(guān)302的多通道端三個通道通過使用不同的長度的單模光纖與光開關(guān) 302'的多通道端對應三個通道連接，光開關(guān)302'的單通道端與2 X 2光纖耦合器301'的301' a端連接;2 X 2光纖耦合器301的301d端口與光纖環(huán)形器303的輸入端相連，光纖環(huán)形器303 的反射端與自聚焦透鏡的輸入端連接，輸出端與繞好光纖的壓電陶瓷306的光纖輸入端連 接，繞好光纖的壓電陶瓷306的光纖輸出端與2 X 2光纖耦合器301'的301'b端口連接;2 X 2 光纖耦合器301'的301'c和301'd端口分別連接平衡光電探測器308的兩個光信號輸入端， 平衡光電探測器308的電信號輸出端連接數(shù)據(jù)采集卡402的另一個輸入通道;分布式反饋激 光器102的輸出端與光隔離器103'的輸入端相連，光隔離器103'的輸出端連接2 X 2光纖親 合器301的30 lb端口。 在測量時間范圍內(nèi)，任意t時刻經(jīng)Michelson型光纖干涉儀一臂(臂長長的一臂)反射后 的光信號的電場表達式為
上式中時刻臂長長的一臂光場角頻率，巾：為環(huán)境引起的位相變化。則 Michelson型光纖干涉儀另一臂反射回的光信號的電場表達式可以寫為：
上式中c^SMichelson型光纖干涉儀t時刻臂長短的一臂光場角頻率，φ2為環(huán)境引起 的位相變化。 在Mi che 1 son型光纖干涉儀的輸出端，兩臂的光信號在干涉后輸出的光強表達式為： I =A+Bcos[Ccos ω 0t+( ωι-ω2)?-(Φι_Φ2)] 上式中Α正比于光源功率，Β與條紋可見度有關(guān)，Ceos ω Qt為載波信號。 對于參考干涉儀，2 X 2光纖親合器301'兩輸出端輸出的光強可以分別表不為Ιι、12，被 平衡光電探測器308接收。 干涉后的光信號被光電探測器接收，當差頻低于光電探測器的截止頻率時，光電探測 器輸出的差頻電流為： Ic = aBcos[Ccos ω 0t+( c0i-c02)t_( Φ1-Φ2)] 上式中a為光電變換比例常數(shù)。 可見上述光電流中攜帶了干涉后的位相信息，求整個掃波長范圍內(nèi)的相位變化時，考 慮對上述輸出差頻電流的相位項進行積分，對積分后的式子近似化簡和運用PGC算法處理 后可得整個測量時間ti內(nèi)的相位變化量為：
上式中，λ〇為設定的激光器的初始波長，△ λ為可調(diào)諧激光光源的掃波長速率，n是光纖 中的折射率，AL為被測光纖干涉儀兩臂臂長差。
[0020]同理此時參考光纖干涉儀中兩臂傳輸?shù)膬陕饭飧缮婧螽a(chǎn)生的光信號在整個掃波 長范圍ti內(nèi)相位的變化量為：
上式中L為參考光纖干涉儀兩臂光纖長度的精確差值，X1為可移動反射鏡和自聚焦透 鏡之間的距離兩倍。 考慮兩個相位變化量相比，可得：
如上所述，擴大可移動反射鏡與自聚焦透鏡之間的距離，擴大后的可移動反射鏡與自 聚焦透鏡之間距離的兩倍記為X2。移動過程中運用PGC算法對干涉后的位相信息進行解調(diào)， 根據(jù)位相數(shù)據(jù)計算可移動反射鏡移動的距離的兩倍記為a，易知 X2_X1 = a。隨后再進行一次 波長掃描可得被測干涉儀模塊和參考干涉儀模塊的位相變化量為，同理考慮兩 個位相變化量的比可以得到下述表達式：
聯(lián)立方程①和②可得被測光纖干涉儀臂長差的計算公式為：
其中：a是可移動反射鏡移動距離的兩倍，a = x2-x;A奶和Δ%分別為移動數(shù)控延遲線之 前測量干涉儀和參考光纖干涉儀相位的變化量，Δ色和分別為移動數(shù)控延遲線之后測量 干涉儀和參考光纖干涉儀相位的變化量，η是光纖的折射率，由于被測光纖干涉儀為 皿;[(311618011型所以1( = 2，如果被測光纖干涉儀為1&1(311-261111(161'型則1( = 1。
[0030]為清楚地說明本測量裝置的結(jié)構(gòu)和測量方法，結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一 步說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。 實施例1 一在被測干涉儀一臂加入壓電陶瓷 (1)參見附圖1，一種光纖干涉儀臂長差的測量裝置包括可調(diào)諧激光光源101、分布式反 饋激光器102、光隔離器103和103'、一乘二光纖耦合器104、被測光纖干涉儀201(圖中為 Mach-Zehnder型光纖干涉儀）、光電探測器202、二乘二光纖耦合器301和301'、光開關(guān)302和 302'、光纖環(huán)形器303、自聚焦透鏡304、可移動反射鏡305、纏繞好光纖的壓電陶瓷306和 201a、模擬量輸出板卡307和201b、數(shù)據(jù)采集卡402和計算機401組成。連接關(guān)系為計算機401 與可調(diào)諧激光光源101的GPIB接口和觸發(fā)接口連接，實現(xiàn)對可調(diào)諧激光光源101的控制和接 收觸發(fā)信號，與可移動反射鏡305連接控制其移動，與模擬量輸出板卡307和201b連接以便 驅(qū)動壓電陶瓷306和201a，與數(shù)據(jù)采集卡402連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和處理?？烧{(diào)諧激光光源 101的輸出端與光隔離器103的輸入端連接，光隔離103的輸出端與一乘二光纖親合器104的 104a端口連接，一乘二光纖耦合器104的104b端口與被測干涉儀201的輸入端相連，被測干 涉儀一臂連接纏繞好光纖的壓電陶瓷201a，被測光纖干涉儀201的輸出端與光電探測器202 相連實現(xiàn)光信號向電信號的轉(zhuǎn)換，光電探測器的電信號輸出端與數(shù)據(jù)采集卡402的一個輸 入通道相連;一乘二光纖耦合器104的104c端與二乘二光纖耦合器301的301a端連接，二乘 二光纖耦合器301的301c端與光開關(guān)302的單通道相連，光開關(guān)302的多通道端三個通道通 過使用不同的長度的單模光纖與光開關(guān)302 '的多通道端對應三個通道連接，光開關(guān)302 '的 單通道端與二乘二光纖耦合器301'的301'a端連接;二乘二光纖耦合器301的301d端口與光 纖環(huán)形器303的輸入端相連，光纖環(huán)形器303的反射端與自聚焦透鏡的輸入端連接，輸出端 與繞好光纖的壓電陶瓷306的光纖輸入端連接，繞好光纖的壓電陶瓷306的光纖輸出端與二 乘二光纖耦合器301'的301'b端口連接;二乘二光纖耦合器301'的301'c和301'd端口分別 連接平衡光電探測器308的兩個光信號輸入端，平衡光電探測器308的電信號輸出端連接數(shù) 據(jù)采集卡402的另一個輸入通道;分布式反饋激光器102的輸出端與光隔離器103'的輸入端 相連，光隔離器103'的輸出端連接二乘二光纖耦合器301的301b端口。 (2)結(jié)合附圖3,在實際應用中，根據(jù)結(jié)構(gòu)圖一光纖干涉儀臂長差的測量方法為:步驟 一，設置好可調(diào)諧激光光源101的參數(shù)，可調(diào)諧激光光源101的參數(shù)設定如下：起始波長為 1520nm，掃波長速率為1 Onm/s，終止波長為1560nm。正式測量之前，可通過使用示波器代替 數(shù)據(jù)采集卡，進行一次波長掃描觀察被測干涉儀模塊20輸出的差頻電流信號和參考干涉儀 模塊30輸出的差頻信號，如果兩信號在任意測量時間段內(nèi)在示波器上顯示的余弦曲線的個 數(shù)相差十倍以上，無疑會增加硬件開銷，此時應通過切換兩個光開關(guān)之間使用不同長度單 模光纖連接的通道來使兩個差頻項相差十倍之內(nèi)。步驟二，選擇好通道后，使用計算機401 控制可調(diào)諧激光光源101進行第二次波長掃描，同時控制模擬量輸出板卡307和201b驅(qū)動壓 電陶瓷201a和201b，最后運用PGC算法處理后得到被測干涉儀模塊20和參考干涉儀模塊30 在整個波長掃描范圍內(nèi)由于波長掃描產(chǎn)生的位相變化量Δ供和Δ%。步驟三，關(guān)閉可調(diào)諧激 光器101，打開分布反饋式激光器102,使用計算機401控制模擬量輸出板卡307驅(qū)動繞好光 纖的壓電陶瓷306,此時移動可移動反射鏡305,擴大其與自聚焦透鏡304之間的距離，整個 過程參考干涉儀模塊30產(chǎn)生的位相變化量記為Δρ，使用PGC算法對位相數(shù)據(jù)進行處理后可 以得到反射鏡精確的移動距離(誤差在ΚΓ 8)，移動距離的兩倍記為a。步驟四，關(guān)閉分布式反 饋激光器102,打開可調(diào)諧激光光源101保持參數(shù)不變，使用計算機401控制其進行第三次波 長掃描，同時控制模擬量輸出板卡307和201b驅(qū)動壓電陶瓷201a和201b，使用PGC算法處理 后得到整個掃描過程中被測干涉儀模塊20和參考干涉儀模塊30由于波長掃描引起的位相 變化量△約和△勢，根據(jù)下述臂長差測量公式可以計算出被測光纖干涉儀臂長差：
其中：a是可移動反射鏡移動距離的兩倍；△仍和Δ%分別為移動數(shù)控延遲線之前測量 干涉儀和參考光纖干涉儀的相位的變化量，和Δ約分別為移動數(shù)控延遲線之后測量干涉 儀和參考光纖干涉儀的相位的變化量，η是光纖的折射率，由于被測光纖干涉儀為Mach-Zehnder 型所以 K = 1 〇 實施例2-對可調(diào)諧激光光源進行調(diào)頻 (1)參見附圖2,一種光纖干涉儀臂長差的測量裝置包括可調(diào)諧激光光源101、分布式反 饋激光器102、光隔離器103和103'、一乘二光纖耦合器104、被測光纖干涉儀201(圖中為 Mach-Zehnder型光纖干涉儀）、光電探測器202、二乘二光纖耦合器301和301'、光開關(guān)302和 302'、光纖環(huán)形器303、自聚焦透鏡304、可移動反射鏡305、纏繞好光纖的壓電陶瓷306、模擬 量輸出板卡307、數(shù)據(jù)采集卡402和計算機401組成。連接關(guān)系為計算機401與可調(diào)諧激光光 源101的GPIB接口和觸發(fā)接口連接，實現(xiàn)對可調(diào)諧激光光源101的控制和接收觸發(fā)信號，與 可移動反射鏡305連接控制其移動，與模擬量輸出板卡307連接以便驅(qū)動壓電陶瓷306，與數(shù) 據(jù)采集卡402連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和處理。可調(diào)諧激光光源101的輸出端與光隔離器103的 輸入端連接，光隔離103的輸出端與一乘二光纖親合器104的104a端口連接，一乘二光纖親 合器104的104b端口與被測干涉儀201的輸入端相連，被測光纖干涉儀201的輸出端與光電 探測器202相連實現(xiàn)光信號向電信號的轉(zhuǎn)換，光電探測器的電信號輸出端與數(shù)據(jù)采集卡402 的一個輸入通道相連;一乘二光纖親合器104的104c端與二乘二光纖親合器301的301a端連 接，二乘二光纖耦合器301的301c端與光開關(guān)302的單通道相連，光開關(guān)302的多通道端三個 通道通過使用不同的長度的單模光纖與光開關(guān)302'的多通道端對應三個通道連接，光開關(guān) 302 '的單通道端與二乘二光纖耦合器301'的301'a端連接;二乘二光纖耦合器301的301d端 口與光纖環(huán)形器303的輸入端相連，光纖環(huán)形器303的反射端與自聚焦透鏡的輸入端連接， 輸出端與繞好光纖的壓電陶瓷306的光纖輸入端連接，繞好光纖的壓電陶瓷306的光纖輸出 端與二乘二光纖耦合器301'的301'b端口連接;二乘二光纖耦合器301'的301'c和301'd端 口分別連接平衡光電探測器308的兩個光信號輸入端，平衡光電探測器308的電信號輸出端 連接數(shù)據(jù)采集卡402的另一個輸入通道;分布式反饋激光器102的輸出端與光隔離器103'的 輸入端相連，光隔離器103'的輸出端連接二乘二光纖耦合器301的301b端口。 (2)與結(jié)構(gòu)圖一類似，根據(jù)結(jié)構(gòu)圖二光纖干涉儀臂長差的測量方法為:步驟一，設置好 可調(diào)諧激光光源101的參數(shù)，可調(diào)諧激光光源101的參數(shù)設定如下:起始波長為1520nm，掃波 長速率為l〇nm/ s，終止波長為1560nm。正式測量之前，可通過使用示波器代替數(shù)據(jù)采集卡， 進行一次波長掃描觀察被測干涉儀模塊20輸出的差頻電流信號和參考干涉儀模塊30輸出 的差頻信號，如果兩信號在任意測量時間段內(nèi)在示波器上顯示的余弦曲線的個數(shù)相差十倍 以上，無疑會增加硬件開銷，此時應通過切換兩個光開關(guān)之間使用不同長度單模光纖連接 的通道來使兩個差頻項相差十倍之內(nèi)。步驟二，選擇好通道后，使用計算機401控制可調(diào)諧 激光光源101進行第二次波長掃描，同時對可調(diào)諧激光光源101進行調(diào)頻，最后運用PGC算法 得到被測干涉儀模塊20和參考干涉儀模塊30在整個波長掃描范圍內(nèi)由于波長掃描產(chǎn)生的 位相變化量△科和A%。步驟三，關(guān)閉可調(diào)諧激光器101，打開分布反饋式激光器102,使用計 算機401控制模擬量輸出板卡307驅(qū)動繞好光纖的壓電陶瓷306,此時移動可移動反射鏡 305,擴大其與自聚焦透鏡304之間的距離，整個過程參考干涉儀模塊30產(chǎn)生的位相變化量 記為Δ夕，使用PGC算法對位相數(shù)據(jù)進行處理后可以得到反射鏡精確的移動距離（誤差在10 _ 8)，移動距離的兩倍記為a。步驟四，關(guān)閉分布式反饋激光器102,停止對模擬量輸出板卡307 的控制以便停止驅(qū)動壓電陶瓷306,打開可調(diào)諧激光光源101保持參數(shù)不變，使用計算機401 控制其進行第三次波長掃描，同時對可調(diào)諧激光光源101進行調(diào)頻，使用PGC算法得到掃描 過程中被測干涉儀模塊20和參考干涉儀模塊30由于波長掃描造成的位相變化量△約和 &興，根據(jù)下述臂長差測量公式可以計算出被測光纖干涉儀臂長差：
其中：a是可移動反射鏡移動距離的兩倍；Δ的和Δ%分別為移動數(shù)控延遲線之前測量 干涉儀和參考光纖干涉儀的相位的變化量，△%和△科分別為移動數(shù)控延遲線之后測量干涉 儀和參考光纖干涉儀的相位的變化量，η是光纖的折射率，由于被測光纖干涉儀為Mach-Zehnder 型所以 K = 1 〇
【主權(quán)項】
1. 一種光纖干涉儀臂長差的測量裝置，包括激光光源模塊（10)、被測光纖干涉儀模塊 (20 )、參考干涉儀模塊(30)和采集與控制模塊(40);其特征是： 所述的光源模塊由可調(diào)諧激光光源（101)和與之相連的第一光隔離器（103)和1X2光 纖耦合器(104)、分布式反饋激光器(102)和與之相連的第二光隔離器(103'）構(gòu)成； 所述的參考干涉儀模塊（30)包括第一2 X 2光纖親合器（301 )、第二2 X 2光纖親合器 (30Γ )、第一光開關(guān)(302)、第二光開關(guān)(302'）、光纖環(huán)形器(303)、自聚焦透鏡（304)、可移 動反射鏡(305 )、第二繞好光纖的壓電陶瓷(306 )、第二模擬量輸出板卡(307)和平衡光電探 測器(308);第一2X2光纖耦合器(301)的第一端口（301a)與IX 2光纖耦合器（104)的第三 端口（104c)相連、第二端口（301b)與第二光隔離器（103'）的輸出端相連、第三端口（301c) 連接第一光開關(guān)(302)的單通道端、第四端口（301d)連接光纖環(huán)形器(303)的輸入端；第一 光開關(guān)(302)的多通道端的三個通道分別與第二光開關(guān)(302'）的多通道端對應三個通道連 接，第二光開關(guān)(302'）的單通道端與第二2X2光纖耦合器(30Γ)的第一端口（301'a)相連， 構(gòu)成參考干涉儀一臂；光纖環(huán)形器（303)的反射端與自聚焦透鏡（304)相連，光纖環(huán)形器 (303)出射端與第二繞好光纖的壓電陶瓷(306)的光纖輸入端相連，第二繞好光纖的壓電陶 瓷(306)的光纖輸出端與第二2X2光纖耦合器(30Γ)的第二端口（301'b)相連;第二2X2光 纖耦合器(30 Γ )的第三端口（ 30 Γ c)和第四端口（ 30 Γ d)分別連接平衡光電探測器(308)的 兩個光信號輸入端； 所述的被測光纖干涉儀模塊(20)包括被測光纖干涉儀(201)和光電探測器(202)，被測 光纖干涉儀一臂連接第一繞好光纖的壓電陶瓷(201a)，第一繞好光纖的壓電陶瓷(201a)由 第一模擬量輸出板卡(201 b)驅(qū)動； 光電探測器(202)和平衡光電探測器(308)的輸出由采集與控制模塊(40)采集。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖干涉儀臂長差的測量裝置，其特征是:所述的分布式反饋 激光器(102)內(nèi)置布拉格光柵。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖干涉儀臂長差的測量裝置，其特征是：第一光隔離器 (103)和第二光隔離器(103'）具有單向通光性。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光纖干涉儀臂長差的測量裝置，其特征是:所述的光電探測器 (202)是光電倍增管或者光電二極管，截止頻率高于從被測光纖干涉儀(201)輸出光信號的 差頻;平衡光電探測器(308)由兩個匹配的光電二極管和一個放大器構(gòu)成，輸出電流強度與 兩個端口輸入光信號強度的差值成比例。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的光纖干涉儀臂長差的測量裝置，其特征是:第一2 X 2光纖耦合 器(301)和第二2X2光纖耦合器(30Γ)的分光比都為50:50, IX 2光纖耦合器（104)為3dB光 纖耦合器。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光纖干涉儀臂長差的測量裝置，其特征是:所述的第二繞好光 纖的壓電陶瓷(306)和第一繞好光纖的壓電陶瓷(201a)由計算機(401)控制第一、第二模擬 量輸出板卡(307和201b)驅(qū)動，驅(qū)動信號使用正弦波形。7. -種基于權(quán)利要求1所述的光纖干涉儀臂長差的測量裝置的測量方法，其特征是： 第一步：設置好可調(diào)諧激光光源（101)的參數(shù)，使用計算機(401)控制可調(diào)諧激光光源 (101)進行一次波長掃描，使用示波器代替數(shù)據(jù)采集卡觀察被測干涉儀模塊(20)和參考干 涉儀模塊(30)產(chǎn)生的差頻信號，根據(jù)在任意測量時間段內(nèi)兩信號在示波器上顯示的余弦曲 線的周期個數(shù)是否相差十倍，來選擇合適的第一光開關(guān)(302)和第二光開關(guān)(302'）之間的 通道； 第二步:選擇好通道后，使用計算機(401)控制可調(diào)諧激光光源（101)進行第二次波長 掃描，同時第一和第二控制模擬量輸出板卡(307和201b)驅(qū)動第一和第二纏繞好光纖的壓 電陶瓷(306和201a)或者對可調(diào)諧激光光源（101)進行調(diào)頻，被測干涉儀模塊(20)和參考干 涉儀模塊(30)產(chǎn)生的差頻信號經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后存儲于計算機(401)上， 對存儲的數(shù)據(jù)運用PGC算法進行處理后得到整個掃描范圍內(nèi)產(chǎn)生被測干涉儀模塊(20)和參 考干涉儀模塊(30)由于波長掃描引起的位相變化量分別為Δ納和Δ% ; 第三步：關(guān)閉可調(diào)諧激光器（101)，打開分布反饋式激光器（102)，使用計算機(401)控 制第二模擬量輸出板卡（307)驅(qū)動第二繞好光纖的壓電陶瓷（306)，移動可移動反射鏡 (305)，擴大可移動反射鏡（305)與自聚焦透鏡之間的距離，整個過程參考干涉儀模塊(30) 產(chǎn)生的位相變化量記為使用PGC算法對位相化量Δ於進行處理后得到移動距離； 第四步:關(guān)閉分布反饋式激光器（102)，打開可調(diào)諧激光器（101)，在不改變可調(diào)諧激光 器參數(shù)的情況下，使用計算機(401)控制可調(diào)諧激光器（101)進行波長掃描，同時控制第二 和第一擬量輸出板卡（307和201b)驅(qū)動兩個纏繞好光纖的壓電陶瓷(306和201a)或者對可 調(diào)諧激光光源（101)進行調(diào)頻，通過使用PGC算法得到的整個掃描過程被測干涉儀模塊(20) 和參考干涉儀模塊(30)由于波長掃描產(chǎn)生的位相變化量分別為^約和4戰(zhàn)，最后計算機依據(jù) 下面臂長差計算公式計算被P· 其中：X1是可移動反射鏡與自聚焦透鏡之間距離的兩倍，X2為移動之后反射鏡與自聚焦 透鏡之間距離的兩倍;η是光纖的折射率，K為類型參數(shù)。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖干涉儀臂長差的測量方法，其特征是:如果被測光纖干涉 儀為組〇11618〇11型則1( = 2，如果被測光纖干涉儀為1&1〇11-261111(161'型則1( = 1〇
【文檔編號】G01M11/02GK105865753SQ201610329545
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月18日
【發(fā)明人】楊軍, 王建國, 侯長波, 苑勇貴, 彭峰
【申請人】哈爾濱工程大學