一种光纤干涉仪臂长差的测量装置及测量方法
【专利摘要】本发明提供的是一种光纤干涉仪臂长差的测量装置及测量方法。包括激光光源模块、被测光纤干涉仪模块、参考干涉仪模块和采集与控制模块。可调谐激光器发出波长线性变化的光进入被测干涉仪和参考干涉仪模块、使用计算机控制模拟量输出板卡驱动绕好光纤的压电陶瓷，解调得到的信号后获得两模块精确的位相变化量；改变参考干涉仪模块两臂光程差同时使用光源模块中的分布式反馈激光器结合PGC算法解调出光程差变化量；改变参考干涉仪两臂光程差后重复第一步；依据臂长差测量公式计算出被测光纤干涉仪臂长差。本发明通过引入压电陶瓷、分布式反馈激光器等，运用PGC算法可精确测得被测光纤干涉仪的臂长差，具有测量精度高、范围广和自动定标等优点。
【专利说明】一种光纤干涉仪臂长差的测量装置及测量方法 技术领域 本发明涉及的是一种光纤传感器性能测量装置，本发明还涉及一种光纤传感器性能测 量方法。具体地说是一种光纤干涉仪臂长差的测量装置及测量方法。 【背景技术】 随着光通讯技术的发展，光纤传感技术由于其不受电磁干扰、结构紧凑和灵敏度高等 优点，也得到了迅速的发展。Mach-Zehnder型干涉仪(如图4)和Machelson型干涉仪(如图5) 作为主要的传感元，可直接用于检测水声、电流、磁场、温度等物理量。目前的光纤干涉仪可 以根据两臂臂长差是否相等分为平衡型和非平衡型两种，平衡型光纤干涉仪由于其零臂差 结构可以有效减小噪声。但是在频率调制相位发生载波系统中，为了利于信号处理光纤干 涉仪要有臂差。而且光纤干涉仪的主要传感原理为:被测信号作用于光纤干涉仪的一臂引 起臂长的改变，导致光纤内的光波的相位发生变化，而位相的改变会导致干涉后的输出光 强发生变化，检测输出光强的变化就可以得到待测信号的信息。所以干涉仪的臂长差决定 了传感器的性能与灵敏度。综上所述，精确测量光纤干涉仪臂长差具有非常重要的意义。 目前测量光纤干涉仪臂长差的方法主要有以下几种：电流调制和观察干涉仪条纹可见 度法、白光干涉法、时域脉冲法、干涉仪干涉谱观测法、光载微波法等方法。1983年英国的 Dandridge在IEEE Journal of LightwaveTechnology · 1 (3): 514-516上发表文章 "Zero Path-Length Difference in Fiber-Optic Interferometers"提出电流调制和观察干涉 条纹的方法，该方法首先通过电流来调制光源，利用干涉输出强度与调制电流的关系计算 长度大于1〇_的臂长差，如果被测臂长差的长度大于1〇_，则利用观察干涉条纹，通过查看 条纹间距的方法测量，这种方法相对来说技术比较复杂。白光干涉法的基本原理是:在白光 干涉仪的一臂末端接上扫描镜，另一臂接被测光纤干涉仪，通过移动扫描镜来引入参考臂 长，当参考臂长分别等于被测光纤干涉仪两臂长时，出现的反射峰值最大，分别读出当时的 扫描镜距离就可以得出被测光纤干涉仪的臂长差。2007年哈尔滨工程大学杨军等人发表在 哈尔滨工程大学学报.28(8) :740-742的文章"光纤Mach-Zehnder干涉仪臂长差的精确测 量"利用这种方法，达到了 10微米的测量精度，但是这种方法的测量长度主要受限于扫描台 的扫描范围，所以可测量的臂长差的长度较短。时域脉冲法的主要原理为:将飞秒激光器输 出的光注入被测干涉仪，通过使用高速信号采集仪在信号输出端测量从两臂反射回的信号 的时间差，来达到测量光纤干涉仪两臂臂长差的目的。飞秒激光器和高速信号采集仪都比 较昂贵，所以使得这种方法的成本非常高。干涉仪干涉谱观测法主要是利用光谱仪观测宽 谱光的干涉图像，获得相邻谷值或峰值所对应的波长计算得到光程差。2005年黑龙江大学 的余有龙等人发表在黑龙江大学自然科学学报.22(2): 216-218上的文章"非平衡全光纤干 涉仪臂长差测量方法的研究"利用这种方法，实现了 20微米的测量精度。但是这种测量方法 依赖于光谱仪的分辨率，并且和工作波长有关，所以无法测量较长的臂长并且高分辨率光 谱仪成本较高。2010年吕武略等人公开了一种光载微波的方法（中国专利申请号： 201010603812.5)，通过将臂长差信号调制到光载微波的相位上，解调微波的相位达到了测 量臂长差的目的。这种方法的测量范围比较广，能提供较高的测量精度，但是由于引入微波 扫频源、高速光电探测器等装置，使得结构稍显复杂，并且成本相对较高。PGC零差调制法需 要在光纤干涉仪两臂加上不同的电压来补偿两臂的臂长差，通过测量电压差值计算得出光 纤干涉仪两臂的臂长差。由于需要给光纤干涉仪两臂加电压，所以这种方法存在破坏传感 器的风险，无法应用于已经封装成型的如水听器等传感装置的臂长差测量。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种结构简单、可自动定标、测量范围广和测量精度高的光纤 干涉仪臂长差的测量装置。本发明的目的还在于提供一种光纤干涉仪臂长差的测量方法。 本发明的光纤干涉仪臂长差的测量装置包括激光光源模块10、被测光纤干涉仪模块 20、参考干涉仪模块30和采集与控制模块40; 所述的光源模块由可调谐激光光源101、分布式反馈激光器102、第一光隔离器103、第 二光隔离器103 '和1 X 2光纤耦合器104构成； 所述的参考干涉仪模块30包括第一2 X 2光纤親合器301、第二2 X 2光纤親合器301 '、第 一光开关302、第二光开关302'、光纤环形器303、自聚焦透镜304、可移动反射镜305、第二绕 好光纤的压电陶瓷306、第二模拟量输出板卡307和平衡光电探测器308;第一 2X2光纤耦合 器301的第一端口 301a与1 X 2光纤耦合器104的第三端口 104c相连、第二端口 301b与第二光 隔离器103'的输出端相连、第三端口 301c连接第一光开关302的单通道端、第四端口 301d连 接光纤环形器303的输入端;第一光开关302的多通道端的三个通道分别与第二光开关302' 的多通道端对应三个通道连接，第二光开关302 '的单通道端与第二2 X 2光纤耦合器30Γ的 第一端口 301'a相连，构成参考干涉仪一臂，通过选择光开关302和302 '之间的不同通道，可 以降低硬件开销;光纤环形器303的反射端与自聚焦透镜304相连，光纤环形器303出射端与 绕好光纤的压电陶瓷306的光纤输入端相连，压电陶瓷306的光纤输出端与第二2 X 2光纤親 合器301'的第二端口 301'b相连;第二2X2光纤耦合器301'的第三端口 301'c和第四端口 301' d分别连接平衡光电探测器308的两个光信号输入端； 所述的被测光纤干涉仪模块20包括被测光纤干涉仪201和光电探测器202,被测光纤干 涉仪201可以是Mach-Zehnder型或者Michelson型，被测光纤干涉仪一臂连接第一绕好光纤 的压电陶瓷201a，第一绕好光纤的压电陶瓷201a由第一模拟量输出板卡201b驱动； 从光电探测器202和平衡光电探测器308的输出的信号由采集与控制模块40采集。 本发明的光纤干涉仪臂长差的测量装置还可以包括： 1、 所述的分布式反馈激光器102内置布拉格光栅。 2、 第一光隔离器103和第二光隔离器103'具有单向通光性，第一光隔离器103的输入端 与可调谐激光光源的输出端相连、输出端与1 X 2光纤親合器104的第一端口 104a相连，第二 光隔离器103'的输入端与分布式反馈激光器102的输出端相连、输出端连接第一2 X 2光纤 耦合器301的第二端口 301b。 3、 所述的光电探测器202是光电倍增管或者光电二极管，截止频率高于从被测光纤干 涉仪201输出光信号的差频;平衡光电探测器308由两个匹配的光电二极管和一个放大器构 成，输出电流强度与两个端口输入光信号强度的差值成比例。 4、 第一2 X 2光纤耦合器301和第二2 X 2光纤耦合器301'的分光比都为50:50，1 X 2光纤 親合器104为3dB光纤親合器，以便平分输入光的光强。 5、所述的第二绕好光纤的压电陶瓷306和第一绕好光纤的压电陶瓷201a由计算机401 控制第一、第二模拟量输出板卡307和201b驱动，驱动信号使用正弦波形。 基于本发明的光纤干涉仪臂长差的测量装置的测量方法为： 第一步:设置好可调谐激光光源101的参数，使用计算机401控制可调谐激光光源101进 行一次波长扫描，使用示波器代替数据采集卡观察被测干涉仪模块20和参考干涉仪模块30 产生的差频信号，根据在任意测量时间段内两信号在示波器上显示的余弦曲线的周期个数 是否相差十倍，来选择合适的第一光开关302和第二光开关302 '之间的通道； 第二步:选择好通道后，使用计算机401控制可调谐激光光源101进行第二次波长扫描， 同时第一和第二控制模拟量输出板卡307和201b驱动第一和第二缠绕好光纤的压电陶瓷 306和201a或者对可调谐激光光源101进行调频，被测干涉仪模块20和参考干涉仪模块30产 生的差频信号经由数据采集卡转换为数字信号后存储于计算机401上，对存储的数据运用 PGC算法进行处理后得到整个扫描范围内产生被测干涉仪模块20和参考干涉仪模块30由于 波长扫描引起的位相变化量分别为Δ釣和Δ% ; 第三步:关闭可调谐激光器101，打开分布反馈式激光器102,使用计算机401控制第二 模拟量输出板卡307驱动第二绕好光纤的压电陶瓷306,移动可移动反射镜305,扩大可移动 反射镜305与自聚焦透镜之间的距离，整个过程参考干涉仪模块30产生的位相变化量记为 Δ心使用PGC算法对位相数据Δρ进行处理后得到移动距离a; 第四步:关闭分布反馈式激光器102，打开可调谐激光器101，在不改变可调谐激光器参 数的情况下，使用计算机401控制可调谐激光器101进行波长扫描，同时控制第二和第一拟 量输出板卡307和201b驱动两个缠绕好光纤的压电陶瓷306和201a或者对可调谐激光光源 101进行调频，通过使用PGC算法得到的整个扫描过程被测干涉仪模块20和参考干涉仪模块 30由于波长扫描产生的位相变化量分别为△约和△%，最后计算机依据下面臂长差计算公 式计算被测光纤干涉仪的臂长差：
其中：X1是可移动反射镜与自聚焦透镜之间距离的两倍，X2为移动之后反射镜与自聚 焦透镜之间距离的两倍；η是光纤的折射率，K为类型参数。如果被测光纤干涉仪为 Michelson型则Κ = 2，如果被测光纤干涉仪为Mach-Zehnder型则Κ = 1 〇 本发明的优点在于：1.通过引入参考干涉仪提供参考臂长的方法，有效地解决了可调 谐激光光源在进行测量时扫波长非线性和位相噪声对光纤干涉仪臂长差测量的影响;2.通 过使用可移动反射镜和自聚焦透镜组成的数控延迟线，可自动定标，解决了微米量级臂长 差定标问题;3.测量范围广，测量精度高。通过加入分布式反馈激光器，压电陶瓷和模拟量 输出板卡，应用PGC解调算法可以精确测量被测光纤干涉仪和参考光纤干涉仪在测量过程 中差生的位相差(位相测量精度可达l(T 7m)，从而可以有效提升该测量装置的测量精度。 【附图说明】 图1为光纤干涉仪臂长差测量装置的第一种实施方式的结构示意图； 图2为光纤干涉仪臂长差测量装置的第二种实施方式的结构示意图； 图3为光纤干涉仪臂长差测量方法的流程图； 图4为Michel son型光纤干涉仪结构图； 图5为Mach-Zehnder型光纤干涉仪结构图。 【具体实施方式】 本发明的光纤干涉仪臂长差的测量装置包括激光光源模块10、被测光纤干涉仪模块 20、参考干涉仪模块30和采集与控制模块40; 光源模块包括可调谐激光光源101、分布式反馈激光器102、光隔离器103和103 '和1 X 2 光纤親合器104; 参考干涉仪模块30包括两个2X2光纤耦合器301和301'、光开关302和302'、光纤环形 器303、自聚焦透镜304、可移动反射镜305、绕好光纤的压电陶瓷306、模拟量输出板卡307和 平衡光电探测器308; 2 X 2光纤耦合器301的301a端口与1 X 2光纤耦合器104的104c端口相 连，301b端口与光隔离器103'的输出端相连，301c端口连接光开关302的单通道端，301d端 口连接光纤环形器303的输入端;光开关302的多通道端的三个通道分别与光开关302'的多 通道端对应三个通道连接，光开关302 '的单通道端与2 X 2光纤耦合器301的301'a端相连， 构成参考干涉仪一臂，通过选择光开关302和302'之间的不同通道，可以降低硬件开销;光 纤环形器303的反射端与自聚焦透镜304相连，光纤环形器303出射端与绕好光纤的压电陶 瓷306的光纤输入端相连，压电陶瓷306的光纤输出端与2 X 2光纤親合器301 'b端口相连;2 X 2光纤耦合器301'的301' c端口和301' d端口分别连接平衡光电探测器308的两个光信号 输入端。 分布式反馈激光器102内置布拉格光栅，具有良好的单色性;可调谐激光光源101可以 进行波长扫描，也就是说可以输出在一定范围内波长可线性变化的激光，并且可以通过外 界信号对其进行调频，臂长差测量的最大长度与其相干长度相关，可调谐激光光源101开始 进行波长扫描和波长扫描结束时都可以发出触发信号。 光隔离器103和103'具有单向通光性，光隔离器103的输入端与可调谐激光光源的输出 端相连，输出端与1 X 2光纤親合器104的104a端口相连;光隔离器103'的输入端与分布式反 馈激光器102的输出端相连，输出端连接二乘二光纤耦合器301的301b端口；光隔离器103和 103'可以起到保护可调谐激光光源101和分布式反馈激光器102的作用。 被测光纤干涉仪模块20包括被测光纤干涉仪201和光电探测器202,被测干涉仪201可 以是Mach-Zehnder型或者Michel son型，被测光纤干涉仪一臂连接绕好光纤的压电陶瓷 201a，绕好光纤的压电陶瓷201a由模拟量输出板卡201b驱动。 光电探测器202可以是光电倍增管或者光电二极管，其截止频率要高于从被测干涉仪 40输出光信号的差频;平衡光电探测器308由两个匹配的光电二极管和一个高速放大器构 成，输出电流强度与两个端口输入光信号强度的差值成比例，具有抑制共模噪声的功能。 2 X 2光纤耦合器301和301'的分光比都为50 : 50，1 X 2光纤耦合器104为3dB光纤耦合 器，以便平分输入光的光强。 绕好光纤的压电陶瓷306和201a由计算机401控制模拟量输出板卡307和201b驱动，驱 动信号使用正弦波形。 结合图3,光纤干涉仪臂长差的测量方法的测量过程分四步进行，第一步设置好可调谐 激光光源101的参数，使用计算机401控制可调谐激光光源101进行一次波长扫描，使用示波 器代替数据采集卡观察被测干涉仪模块20和参考干涉仪模块30产生的差频信号，根据在任 意测量时间段内两信号在示波器上显示的余弦曲线的周期个数是否相差十倍，来选择合适 的光开关302和302'之间的通道;第二步，选择好通道后，使用计算机401控制可调谐激光光 源101进行第二次波长扫描，同时控制模拟量输出板卡307和201b驱动缠绕好光纤的压电陶 瓷306和201a或者对可调谐激光光源101进行调频，被测干涉仪模块20和参考干涉仪模块30 产生的差频信号经由数据采集卡转换为数字信号后存储于计算机401上，对存储的数据运 用PGC算法进行处理后可得整个扫描范围内产生被测干涉仪模块20和参考干涉仪模块30产 生的位相变化量分别为Δ的和Δρ 2;第三步关闭可调谐激光器1〇1，打开分布反馈式激光器 102,使用计算机401控制模拟量输出板卡307驱动绕好光纤的压电陶瓷306,此时移动可移 动反射镜305,扩大其与自聚焦透镜之间的距离，整个过程参考干涉仪模块30产生的位相变 化量记为Δ0，使用PGC算法对位相数据进行处理后可以精确得到移动距离a。第四步关闭分 布反馈式激光器102,打开可调谐激光器101，在不改变可调谐激光器参数的情况下，使用计 算机401控制其进行波长扫描，同时控制拟量输出板卡307和201b驱动缠绕好光纤的压电陶 瓷306和201a或者对可调谐激光光源101进行调频，此时通过使用PGC算法得到的整个扫描 过程被测干涉仪模块20和参考干涉仪模块30产生的位相变化量分别为八约和八％，最后计 算机依据下面臂长差计算公式计算被测光纤干涉仪的臂长差：
其中：X1是可移动反射镜与自聚焦透镜之间距离的两倍，X2为移动之后反射镜与自聚 焦透镜之间距离的两倍;△約和力?%分别为移动反射镜之前被测光纤干涉仪和参考光纤干涉 仪的相位的变化量，_Α_?^3和分别为移动反射镜之后被测光纤干涉仪和参考光纤干涉仪 的相位的变化量，η是光纤的折射率，Κ为类型参数，如果被测光纤干涉仪为Michelson型则Κ =2，如果被测光纤干涉仪为Mach-Zehnder型则K = 1。 结合图1本发明的测量装置的测量原理为： 光纤干涉仪臂长差的测量装置包括可调谐激光光源101、分布式反馈激光器102、光隔 离器103和103'、1Χ2光纤耦合器104、被测光纤干涉仪201 (图中为Michelson型光纤干涉 仪）、光电探测器202、2X 2光纤耦合器301和301'、光开关302和302'、光纤环形器303、自聚 焦透镜304、可移动反射镜305、缠绕好光纤的压电陶瓷306和201a、模拟量输出板卡307和 201b、数据采集卡402和计算机401组成。计算机401与可调谐激光光源101的GPIB接口和触 发接口连接，实现对可调谐激光光源101的控制和接收触发信号，与可移动反射镜305连接 控制其移动，与模拟量输出板卡307和201b连接以便驱动压电陶瓷306和201a，与数据采集 卡402连接实现数据的存储和处理。可调谐激光光源101的输出端与光隔离器103的输入端 连接，光隔离1 〇3的输出端与1 X 2光纤耦合器104的104a端口连接，1 X 2光纤耦合器104的 104b端口与被测干涉仪201的输入端相连，被测干涉仪一臂连接缠绕好光纤的压电陶瓷 201a，被测光纤干涉仪201的输出端与光电探测器202相连实现光信号向电信号的转换，光 电探测器的电信号输出端与数据采集卡402的一个输入通道相连；1X2光纤耦合器104的 104c端与2 X 2光纤耦合器301的301a端连接，2 X 2光纤耦合器301的301c端与光开关302的 单通道相连，光开关302的多通道端三个通道通过使用不同的长度的单模光纤与光开关 302'的多通道端对应三个通道连接，光开关302'的单通道端与2 X 2光纤耦合器301'的301' a端连接;2 X 2光纤耦合器301的301d端口与光纤环形器303的输入端相连，光纤环形器303 的反射端与自聚焦透镜的输入端连接，输出端与绕好光纤的压电陶瓷306的光纤输入端连 接，绕好光纤的压电陶瓷306的光纤输出端与2 X 2光纤耦合器301'的301'b端口连接;2 X 2 光纤耦合器301'的301'c和301'd端口分别连接平衡光电探测器308的两个光信号输入端， 平衡光电探测器308的电信号输出端连接数据采集卡402的另一个输入通道;分布式反馈激 光器102的输出端与光隔离器103'的输入端相连，光隔离器103'的输出端连接2 X 2光纤親 合器301的30 lb端口。 在测量时间范围内，任意t时刻经Michelson型光纤干涉仪一臂(臂长长的一臂)反射后 的光信号的电场表达式为
上式中时刻臂长长的一臂光场角频率，巾：为环境引起的位相变化。则 Michelson型光纤干涉仪另一臂反射回的光信号的电场表达式可以写为：
上式中c^SMichelson型光纤干涉仪t时刻臂长短的一臂光场角频率，φ2为环境引起 的位相变化。 在Mi che 1 son型光纤干涉仪的输出端，两臂的光信号在干涉后输出的光强表达式为： I =A+Bcos[Ccos ω 0t+( ωι-ω2)?-(Φι_Φ2)] 上式中Α正比于光源功率，Β与条纹可见度有关，Ceos ω Qt为载波信号。 对于参考干涉仪，2 X 2光纤親合器301'两输出端输出的光强可以分别表不为Ιι、12，被 平衡光电探测器308接收。 干涉后的光信号被光电探测器接收，当差频低于光电探测器的截止频率时，光电探测 器输出的差频电流为： Ic = aBcos[Ccos ω 0t+( c0i-c02)t_( Φ1-Φ2)] 上式中a为光电变换比例常数。 可见上述光电流中携带了干涉后的位相信息，求整个扫波长范围内的相位变化时，考 虑对上述输出差频电流的相位项进行积分，对积分后的式子近似化简和运用PGC算法处理 后可得整个测量时间ti内的相位变化量为：
上式中，λ〇为设定的激光器的初始波长，△ λ为可调谐激光光源的扫波长速率，n是光纤 中的折射率，AL为被测光纤干涉仪两臂臂长差。
[0020]同理此时参考光纤干涉仪中两臂传输的两路光干涉后产生的光信号在整个扫波 长范围ti内相位的变化量为：
上式中L为参考光纤干涉仪两臂光纤长度的精确差值，X1为可移动反射镜和自聚焦透 镜之间的距离两倍。 考虑两个相位变化量相比，可得：
如上所述，扩大可移动反射镜与自聚焦透镜之间的距离，扩大后的可移动反射镜与自 聚焦透镜之间距离的两倍记为X2。移动过程中运用PGC算法对干涉后的位相信息进行解调， 根据位相数据计算可移动反射镜移动的距离的两倍记为a，易知 X2_X1 = a。随后再进行一次 波长扫描可得被测干涉仪模块和参考干涉仪模块的位相变化量为，同理考虑两 个位相变化量的比可以得到下述表达式：
联立方程①和②可得被测光纤干涉仪臂长差的计算公式为：
其中：a是可移动反射镜移动距离的两倍，a = x2-x;A奶和Δ%分别为移动数控延迟线之 前测量干涉仪和参考光纤干涉仪相位的变化量，Δ色和分别为移动数控延迟线之后测量 干涉仪和参考光纤干涉仪相位的变化量，η是光纤的折射率，由于被测光纤干涉仪为 皿;[(311618011型所以1( = 2，如果被测光纤干涉仪为1&1(311-261111(161'型则1( = 1。
[0030]为清楚地说明本测量装置的结构和测量方法，结合实施例和附图对本发明作进一 步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。 实施例1 一在被测干涉仪一臂加入压电陶瓷 (1)参见附图1，一种光纤干涉仪臂长差的测量装置包括可调谐激光光源101、分布式反 馈激光器102、光隔离器103和103'、一乘二光纤耦合器104、被测光纤干涉仪201(图中为 Mach-Zehnder型光纤干涉仪）、光电探测器202、二乘二光纤耦合器301和301'、光开关302和 302'、光纤环形器303、自聚焦透镜304、可移动反射镜305、缠绕好光纤的压电陶瓷306和 201a、模拟量输出板卡307和201b、数据采集卡402和计算机401组成。连接关系为计算机401 与可调谐激光光源101的GPIB接口和触发接口连接，实现对可调谐激光光源101的控制和接 收触发信号，与可移动反射镜305连接控制其移动，与模拟量输出板卡307和201b连接以便 驱动压电陶瓷306和201a，与数据采集卡402连接实现数据的存储和处理。可调谐激光光源 101的输出端与光隔离器103的输入端连接，光隔离103的输出端与一乘二光纤親合器104的 104a端口连接，一乘二光纤耦合器104的104b端口与被测干涉仪201的输入端相连，被测干 涉仪一臂连接缠绕好光纤的压电陶瓷201a，被测光纤干涉仪201的输出端与光电探测器202 相连实现光信号向电信号的转换，光电探测器的电信号输出端与数据采集卡402的一个输 入通道相连;一乘二光纤耦合器104的104c端与二乘二光纤耦合器301的301a端连接，二乘 二光纤耦合器301的301c端与光开关302的单通道相连，光开关302的多通道端三个通道通 过使用不同的长度的单模光纤与光开关302 '的多通道端对应三个通道连接，光开关302 '的 单通道端与二乘二光纤耦合器301'的301'a端连接;二乘二光纤耦合器301的301d端口与光 纤环形器303的输入端相连，光纤环形器303的反射端与自聚焦透镜的输入端连接，输出端 与绕好光纤的压电陶瓷306的光纤输入端连接，绕好光纤的压电陶瓷306的光纤输出端与二 乘二光纤耦合器301'的301'b端口连接;二乘二光纤耦合器301'的301'c和301'd端口分别 连接平衡光电探测器308的两个光信号输入端，平衡光电探测器308的电信号输出端连接数 据采集卡402的另一个输入通道;分布式反馈激光器102的输出端与光隔离器103'的输入端 相连，光隔离器103'的输出端连接二乘二光纤耦合器301的301b端口。 (2)结合附图3,在实际应用中，根据结构图一光纤干涉仪臂长差的测量方法为:步骤 一，设置好可调谐激光光源101的参数，可调谐激光光源101的参数设定如下：起始波长为 1520nm，扫波长速率为1 Onm/s，终止波长为1560nm。正式测量之前，可通过使用示波器代替 数据采集卡，进行一次波长扫描观察被测干涉仪模块20输出的差频电流信号和参考干涉仪 模块30输出的差频信号，如果两信号在任意测量时间段内在示波器上显示的余弦曲线的个 数相差十倍以上，无疑会增加硬件开销，此时应通过切换两个光开关之间使用不同长度单 模光纤连接的通道来使两个差频项相差十倍之内。步骤二，选择好通道后，使用计算机401 控制可调谐激光光源101进行第二次波长扫描，同时控制模拟量输出板卡307和201b驱动压 电陶瓷201a和201b，最后运用PGC算法处理后得到被测干涉仪模块20和参考干涉仪模块30 在整个波长扫描范围内由于波长扫描产生的位相变化量Δ供和Δ%。步骤三，关闭可调谐激 光器101，打开分布反馈式激光器102,使用计算机401控制模拟量输出板卡307驱动绕好光 纤的压电陶瓷306,此时移动可移动反射镜305,扩大其与自聚焦透镜304之间的距离，整个 过程参考干涉仪模块30产生的位相变化量记为Δρ，使用PGC算法对位相数据进行处理后可 以得到反射镜精确的移动距离(误差在ΚΓ 8)，移动距离的两倍记为a。步骤四，关闭分布式反 馈激光器102,打开可调谐激光光源101保持参数不变，使用计算机401控制其进行第三次波 长扫描，同时控制模拟量输出板卡307和201b驱动压电陶瓷201a和201b，使用PGC算法处理 后得到整个扫描过程中被测干涉仪模块20和参考干涉仪模块30由于波长扫描引起的位相 变化量△约和△势，根据下述臂长差测量公式可以计算出被测光纤干涉仪臂长差：
其中：a是可移动反射镜移动距离的两倍；△仍和Δ%分别为移动数控延迟线之前测量 干涉仪和参考光纤干涉仪的相位的变化量，和Δ约分别为移动数控延迟线之后测量干涉 仪和参考光纤干涉仪的相位的变化量，η是光纤的折射率，由于被测光纤干涉仪为Mach-Zehnder 型所以 K = 1 〇 实施例2-对可调谐激光光源进行调频 (1)参见附图2,一种光纤干涉仪臂长差的测量装置包括可调谐激光光源101、分布式反 馈激光器102、光隔离器103和103'、一乘二光纤耦合器104、被测光纤干涉仪201(图中为 Mach-Zehnder型光纤干涉仪）、光电探测器202、二乘二光纤耦合器301和301'、光开关302和 302'、光纤环形器303、自聚焦透镜304、可移动反射镜305、缠绕好光纤的压电陶瓷306、模拟 量输出板卡307、数据采集卡402和计算机401组成。连接关系为计算机401与可调谐激光光 源101的GPIB接口和触发接口连接，实现对可调谐激光光源101的控制和接收触发信号，与 可移动反射镜305连接控制其移动，与模拟量输出板卡307连接以便驱动压电陶瓷306，与数 据采集卡402连接实现数据的存储和处理。可调谐激光光源101的输出端与光隔离器103的 输入端连接，光隔离103的输出端与一乘二光纤親合器104的104a端口连接，一乘二光纤親 合器104的104b端口与被测干涉仪201的输入端相连，被测光纤干涉仪201的输出端与光电 探测器202相连实现光信号向电信号的转换，光电探测器的电信号输出端与数据采集卡402 的一个输入通道相连;一乘二光纤親合器104的104c端与二乘二光纤親合器301的301a端连 接，二乘二光纤耦合器301的301c端与光开关302的单通道相连，光开关302的多通道端三个 通道通过使用不同的长度的单模光纤与光开关302'的多通道端对应三个通道连接，光开关 302 '的单通道端与二乘二光纤耦合器301'的301'a端连接;二乘二光纤耦合器301的301d端 口与光纤环形器303的输入端相连，光纤环形器303的反射端与自聚焦透镜的输入端连接， 输出端与绕好光纤的压电陶瓷306的光纤输入端连接，绕好光纤的压电陶瓷306的光纤输出 端与二乘二光纤耦合器301'的301'b端口连接;二乘二光纤耦合器301'的301'c和301'd端 口分别连接平衡光电探测器308的两个光信号输入端，平衡光电探测器308的电信号输出端 连接数据采集卡402的另一个输入通道;分布式反馈激光器102的输出端与光隔离器103'的 输入端相连，光隔离器103'的输出端连接二乘二光纤耦合器301的301b端口。 (2)与结构图一类似，根据结构图二光纤干涉仪臂长差的测量方法为:步骤一，设置好 可调谐激光光源101的参数，可调谐激光光源101的参数设定如下:起始波长为1520nm，扫波 长速率为l〇nm/ s，终止波长为1560nm。正式测量之前，可通过使用示波器代替数据采集卡， 进行一次波长扫描观察被测干涉仪模块20输出的差频电流信号和参考干涉仪模块30输出 的差频信号，如果两信号在任意测量时间段内在示波器上显示的余弦曲线的个数相差十倍 以上，无疑会增加硬件开销，此时应通过切换两个光开关之间使用不同长度单模光纤连接 的通道来使两个差频项相差十倍之内。步骤二，选择好通道后，使用计算机401控制可调谐 激光光源101进行第二次波长扫描，同时对可调谐激光光源101进行调频，最后运用PGC算法 得到被测干涉仪模块20和参考干涉仪模块30在整个波长扫描范围内由于波长扫描产生的 位相变化量△科和A%。步骤三，关闭可调谐激光器101，打开分布反馈式激光器102,使用计 算机401控制模拟量输出板卡307驱动绕好光纤的压电陶瓷306,此时移动可移动反射镜 305,扩大其与自聚焦透镜304之间的距离，整个过程参考干涉仪模块30产生的位相变化量 记为Δ夕，使用PGC算法对位相数据进行处理后可以得到反射镜精确的移动距离（误差在10 _ 8)，移动距离的两倍记为a。步骤四，关闭分布式反馈激光器102,停止对模拟量输出板卡307 的控制以便停止驱动压电陶瓷306,打开可调谐激光光源101保持参数不变，使用计算机401 控制其进行第三次波长扫描，同时对可调谐激光光源101进行调频，使用PGC算法得到扫描 过程中被测干涉仪模块20和参考干涉仪模块30由于波长扫描造成的位相变化量△约和 &興，根据下述臂长差测量公式可以计算出被测光纤干涉仪臂长差：
其中：a是可移动反射镜移动距离的两倍；Δ的和Δ%分别为移动数控延迟线之前测量 干涉仪和参考光纤干涉仪的相位的变化量，△%和△科分别为移动数控延迟线之后测量干涉 仪和参考光纤干涉仪的相位的变化量，η是光纤的折射率，由于被测光纤干涉仪为Mach-Zehnder 型所以 K = 1 〇
【主权项】
1. 一种光纤干涉仪臂长差的测量装置，包括激光光源模块（10)、被测光纤干涉仪模块 (20 )、参考干涉仪模块(30)和采集与控制模块(40);其特征是： 所述的光源模块由可调谐激光光源（101)和与之相连的第一光隔离器（103)和1X2光 纤耦合器(104)、分布式反馈激光器(102)和与之相连的第二光隔离器(103'）构成； 所述的参考干涉仪模块（30)包括第一2 X 2光纤親合器（301 )、第二2 X 2光纤親合器 (30Γ )、第一光开关(302)、第二光开关(302'）、光纤环形器(303)、自聚焦透镜（304)、可移 动反射镜(305 )、第二绕好光纤的压电陶瓷(306 )、第二模拟量输出板卡(307)和平衡光电探 测器(308);第一2X2光纤耦合器(301)的第一端口（301a)与IX 2光纤耦合器（104)的第三 端口（104c)相连、第二端口（301b)与第二光隔离器（103'）的输出端相连、第三端口（301c) 连接第一光开关(302)的单通道端、第四端口（301d)连接光纤环形器(303)的输入端；第一 光开关(302)的多通道端的三个通道分别与第二光开关(302'）的多通道端对应三个通道连 接，第二光开关(302'）的单通道端与第二2X2光纤耦合器(30Γ)的第一端口（301'a)相连， 构成参考干涉仪一臂；光纤环形器（303)的反射端与自聚焦透镜（304)相连，光纤环形器 (303)出射端与第二绕好光纤的压电陶瓷(306)的光纤输入端相连，第二绕好光纤的压电陶 瓷(306)的光纤输出端与第二2X2光纤耦合器(30Γ)的第二端口（301'b)相连;第二2X2光 纤耦合器(30 Γ )的第三端口（ 30 Γ c)和第四端口（ 30 Γ d)分别连接平衡光电探测器(308)的 两个光信号输入端； 所述的被测光纤干涉仪模块(20)包括被测光纤干涉仪(201)和光电探测器(202)，被测 光纤干涉仪一臂连接第一绕好光纤的压电陶瓷(201a)，第一绕好光纤的压电陶瓷(201a)由 第一模拟量输出板卡(201 b)驱动； 光电探测器(202)和平衡光电探测器(308)的输出由采集与控制模块(40)采集。2. 根据权利要求1所述的光纤干涉仪臂长差的测量装置，其特征是:所述的分布式反馈 激光器(102)内置布拉格光栅。3. 根据权利要求2所述的光纤干涉仪臂长差的测量装置，其特征是：第一光隔离器 (103)和第二光隔离器(103'）具有单向通光性。4. 根据权利要求3所述的光纤干涉仪臂长差的测量装置，其特征是:所述的光电探测器 (202)是光电倍增管或者光电二极管，截止频率高于从被测光纤干涉仪(201)输出光信号的 差频;平衡光电探测器(308)由两个匹配的光电二极管和一个放大器构成，输出电流强度与 两个端口输入光信号强度的差值成比例。5. 根据权利要求4所述的光纤干涉仪臂长差的测量装置，其特征是:第一2 X 2光纤耦合 器(301)和第二2X2光纤耦合器(30Γ)的分光比都为50:50, IX 2光纤耦合器（104)为3dB光 纤耦合器。6. 根据权利要求5所述的光纤干涉仪臂长差的测量装置，其特征是:所述的第二绕好光 纤的压电陶瓷(306)和第一绕好光纤的压电陶瓷(201a)由计算机(401)控制第一、第二模拟 量输出板卡(307和201b)驱动，驱动信号使用正弦波形。7. -种基于权利要求1所述的光纤干涉仪臂长差的测量装置的测量方法，其特征是： 第一步：设置好可调谐激光光源（101)的参数，使用计算机(401)控制可调谐激光光源 (101)进行一次波长扫描，使用示波器代替数据采集卡观察被测干涉仪模块(20)和参考干 涉仪模块(30)产生的差频信号，根据在任意测量时间段内两信号在示波器上显示的余弦曲 线的周期个数是否相差十倍，来选择合适的第一光开关(302)和第二光开关(302'）之间的 通道； 第二步:选择好通道后，使用计算机(401)控制可调谐激光光源（101)进行第二次波长 扫描，同时第一和第二控制模拟量输出板卡(307和201b)驱动第一和第二缠绕好光纤的压 电陶瓷(306和201a)或者对可调谐激光光源（101)进行调频，被测干涉仪模块(20)和参考干 涉仪模块(30)产生的差频信号经由数据采集卡转换为数字信号后存储于计算机(401)上， 对存储的数据运用PGC算法进行处理后得到整个扫描范围内产生被测干涉仪模块(20)和参 考干涉仪模块(30)由于波长扫描引起的位相变化量分别为Δ納和Δ% ; 第三步：关闭可调谐激光器（101)，打开分布反馈式激光器（102)，使用计算机(401)控 制第二模拟量输出板卡（307)驱动第二绕好光纤的压电陶瓷（306)，移动可移动反射镜 (305)，扩大可移动反射镜（305)与自聚焦透镜之间的距离，整个过程参考干涉仪模块(30) 产生的位相变化量记为使用PGC算法对位相化量Δ於进行处理后得到移动距离； 第四步:关闭分布反馈式激光器（102)，打开可调谐激光器（101)，在不改变可调谐激光 器参数的情况下，使用计算机(401)控制可调谐激光器（101)进行波长扫描，同时控制第二 和第一拟量输出板卡（307和201b)驱动两个缠绕好光纤的压电陶瓷(306和201a)或者对可 调谐激光光源（101)进行调频，通过使用PGC算法得到的整个扫描过程被测干涉仪模块(20) 和参考干涉仪模块(30)由于波长扫描产生的位相变化量分别为^约和4戰，最后计算机依据 下面臂长差计算公式计算被P· 其中：X1是可移动反射镜与自聚焦透镜之间距离的两倍，X2为移动之后反射镜与自聚焦 透镜之间距离的两倍;η是光纤的折射率，K为类型参数。8.根据权利要求1所述的光纤干涉仪臂长差的测量方法，其特征是:如果被测光纤干涉 仪为組〇11618〇11型则1( = 2，如果被测光纤干涉仪为1&1〇11-261111(161'型则1( = 1〇
【文档编号】G01M11/02GK105865753SQ201610329545
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月18日
【发明人】杨军, 王建国, 侯长波, 苑勇贵, 彭峰
【申请人】哈尔滨工程大学