專利名稱：分布式Michelson光纖白光干涉?zhèn)鞲醒b置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種分布式Michelson光纖白光干 涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng)。
背景技術(shù)：
以寬譜光為光源、以光纖為傳輸介質(zhì)的干涉儀稱為光纖白光干涉儀。傳統(tǒng)的光纖 白光干涉儀一般包括一個(gè)傳感臂和一個(gè)可調(diào)參考臂，沿傳感臂和參考臂傳輸?shù)男盘?hào)被光電 探測器探測。如果傳感臂和參考臂的光程差小于光源的相干長度，兩路信號(hào)發(fā)生干涉。白 光干涉條紋的特征是有一個(gè)主極大值，稱為中心條紋，它對(duì)應(yīng)參考光束和測量光束光程絕 對(duì)相等，稱為參考光束與測量光束的光程相匹配。當(dāng)測量臂光程變化時(shí)，通過改變光纖延遲 線的延遲量，使參考信號(hào)的光程發(fā)生變化，可以獲得中心干涉條紋。中心條紋的位置為測量 提供了一個(gè)可靠的絕對(duì)位置參考，當(dāng)測量光束在外界待測物理量的影響下其光程發(fā)生變化 時(shí)，只需通過參考臂光程調(diào)整即可得到的白光干涉條紋的位置變化，從而獲得被測量物理 量的絕對(duì)變化值。與其他光纖干涉儀相比，光纖白光干涉除了具有高靈敏度、本質(zhì)安全、抗 電磁場干擾等優(yōu)點(diǎn)外，最大特點(diǎn)是可對(duì)壓力、應(yīng)變、溫度等待測量進(jìn)行絕對(duì)測量。因此白光 干涉性光纖干涉儀被廣泛用于物理量、機(jī)械量、環(huán)境量、化學(xué)量、生物醫(yī)學(xué)量的測量。在實(shí)際應(yīng)用中，尤其是在建筑結(jié)構(gòu)的監(jiān)測中，通常需要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行長距離、多 點(diǎn)的準(zhǔn)分布式測量，這就要求光纖傳感器具有較長的標(biāo)距。然而，對(duì)于傳統(tǒng)的光纖白光干涉 儀結(jié)構(gòu)，傳感光纖的標(biāo)距受到可變掃描臂的調(diào)節(jié)范圍的限制。另外，即使可以得到長距離的 調(diào)節(jié)范圍，光信號(hào)在長距離的空間光路中傳輸?shù)膿p耗也會(huì)很大。為解決上述問題，1995年美國H-P公司W(wǎng)ayne V. Sorin和Douglas Μ. Baney公開 了一種基于光程自相關(guān)器的白光干涉?zhèn)鞲衅鞯膹?fù)用方法(美國專利專利號(hào)5557400)，基 于Michelson干涉儀結(jié)構(gòu)，利用光信號(hào)在Michelson干涉儀固定臂和可變掃描臂之間形成 的光程差與光纖傳感器的前后兩個(gè)端面反射光信號(hào)光程差之間的匹配實(shí)現(xiàn)光程自相關(guān)，獲 得該傳感器的白光干涉信號(hào)，再利用改變掃描臂與固定臂之間光的程差與多個(gè)首尾相接的 串行光纖傳感器陣列中的每個(gè)傳感器逐一匹配，完成光纖傳感器的多路復(fù)用。另外，申請(qǐng)人于2007年和2008年公開的低相干絞扭式類Sagnac光纖形變傳感裝 置(中國專利申請(qǐng)?zhí)?200710072350. 9)和空分復(fù)用Mach-Zehnder級(jí)聯(lián)式光纖干涉儀及測 量方法(中國專利申請(qǐng)?zhí)?200810136824. 6)主要用來解決光纖傳感器復(fù)用陣列布設(shè)過程 中抗毀壞的問題；申請(qǐng)人于2008年公開的光纖Mach-Zehnder與Michelson干涉儀陣列的 組合測量儀(中國專利申請(qǐng)?zhí)?200810136819. 5)和孿生陣列Michelson光纖白光干涉應(yīng) 變儀(中國專利申請(qǐng)?zhí)?200810136820. 8)主要用于解決白光光纖干涉儀多路復(fù)用中溫度 對(duì)測量干擾，以及溫度和應(yīng)變同時(shí)測量問題；申請(qǐng)人于2008年公開的一種簡化式多路復(fù)用 白光干涉光纖傳感解調(diào)裝置(中國專利申請(qǐng)?zhí)?200810136826. 5)和基于可調(diào)Fabry-Perot 諧振腔的分布式光纖白光干涉?zhèn)鞲衅麝嚵?中國專利申請(qǐng)?zhí)?200810136833. 5)，引入環(huán)形 腔、F-P腔光程自相關(guān)器主要用于簡化多路復(fù)用干涉儀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，構(gòu)造共光路形式，提高溫度穩(wěn)定性；申請(qǐng)人于2008年公開的一種雙基準(zhǔn)長度低相干光纖環(huán)形網(wǎng)絡(luò)傳感解調(diào)裝置 (中國專利申請(qǐng)?zhí)?200810136821. 2)4X4光纖耦合器光程自相關(guān)器的引入，目的是解決多 基準(zhǔn)傳感器的同時(shí)測量問題。
但在上述基于空分復(fù)用的干涉儀結(jié)構(gòu)中，光源功率衰減大、光源利用率低，由光源 發(fā)出的光，僅有較小的一部分達(dá)到傳感器陣列，被探測器接收形成干涉圖樣。以W. V. Sorin 公開的光路結(jié)構(gòu)而言，當(dāng)傳感器陣列反射的光信號(hào)通過光纖耦合器時(shí)，只有一半的光進(jìn)入 Michelson自相關(guān)器，而另一半光沿與光源相連的光路損耗掉。另外，進(jìn)入Michelson自相 關(guān)器的光，被反射鏡反射后經(jīng)過耦合器時(shí)又只有一半光進(jìn)入光電探測器，另一半光回饋到 耦合器中。因此，這種結(jié)構(gòu)最多只有1/4的光源功率對(duì)傳感過程有貢獻(xiàn)。如果只包含一個(gè)傳 感器陣列，耦合器的另一個(gè)輸出端口不用，則還有進(jìn)一步的1/2光功率損耗，因此光源總的 利用率最多為1/8。另外，經(jīng)過耦合器回饋的光會(huì)直接進(jìn)入光源，雖然使用的光源類型為寬 譜光，與激光光源相比，對(duì)回饋不十分敏感，但是過大的信號(hào)功率反饋，特別是對(duì)于SLD和 ASE等自發(fā)輻射增益較大的光源，回饋光會(huì)引起光源的諧振。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能降低傳感系統(tǒng)的傳輸損耗，提高傳感系統(tǒng)的復(fù)用能 力，適合用于建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等領(lǐng)域的分布式Michelson光纖白光干涉?zhèn)鞲醒b置。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的包括寬譜光源10、光源隔離器件20、光纖Michelson問訊器30、至少一個(gè)光纖環(huán) 行器40、至少一根導(dǎo)入\導(dǎo)出光纖50、至少一個(gè)光纖傳感器陣列60和至少一個(gè)光電探測器 70 ；光源10發(fā)出的寬譜光通過光源隔離器件20進(jìn)入光纖Michelson問訊器30后被分成 兩束一束光作為參考光，沿光纖耦合器301的d端口 301d傳輸，被可移動(dòng)掃描反射鏡305 反射，具有可調(diào)光程；另一束光作為傳感光，沿光纖耦合器301的c端口 301c傳輸，被固定 反射鏡302反射，具有固定光程；參考光和傳感光再次經(jīng)過光纖耦合器301進(jìn)入光纖環(huán)行器 40，沿相同的傳輸路徑通過輸入/輸出光纖50進(jìn)入光纖傳感器陣列60，被傳感器陣列反射 后沿原路返回，經(jīng)過光纖環(huán)行器40的c端口 40c進(jìn)入光電探測器70。所述的光纖Michelson問訊器30包括一個(gè)2 X 2光纖方向耦合器301、一個(gè)固定反 射鏡302、一個(gè)梯度折射率透鏡303和一個(gè)可移動(dòng)掃描反射鏡305 ；光纖耦合器301的一個(gè) 輸出端口 c端口 301c與固定反射鏡302相連，構(gòu)成固定臂；光纖耦合器301的另一個(gè)輸出 端口 d端口 301d與梯度折射率透鏡303相連；掃描反射鏡305安裝在線性位移臺(tái)上，與梯 度折射率透鏡303的光軸垂直，在梯度折射率透鏡303和掃描反射鏡305之間構(gòu)成一個(gè)可 調(diào)匹配距離304。所述的光纖環(huán)行器40的輸入端連接Michelson問訊器30、光纖傳感器陣列60和 光電探測器70，使來自于Michelson問訊器30的信號(hào)光經(jīng)光纖傳感器陣列60反射后，達(dá)到 探測器70而不返回問訊器30中。所述的光源隔離器件20具有至少一個(gè)輸入端和輸出端，信號(hào)光從輸入端進(jìn)入，僅 有輸出端輸出，具有單向傳輸特性，它是光纖隔離器、三端口光纖環(huán)形器或者四端口光纖環(huán) 形器。所述的光纖傳感器陣列60由若干個(gè)光纖傳感器S111-Sim首尾相連串接構(gòu)成，相鄰傳感器之間形成部分反射鏡R11(rR11N。每個(gè)光纖傳感器S111-S1in都是一段端面切割良好、具有一定反射率的光纖，且各光 纖的長度互不相同，但近似相等。所述的光纖隔離器件是三端口光纖環(huán)行器80，所述三端口光纖環(huán)行器80的c端口 80c與另一個(gè)三端口光纖環(huán)行器40，的a端口 40，a相連；光纖環(huán)形器40，的b端口 40，b 通過另一 個(gè)導(dǎo)入\導(dǎo)出光纖50’與第二個(gè)光纖傳感器陣列60’相連，c端口 40’ c與光電探 測器50’相連。所述的光纖隔離器件是四端口光纖環(huán)行器90;所述四端口光纖環(huán)行器90的a端 口 90a與光源10相連，b端口 90b與問訊器30相連，c端口 90c通過導(dǎo)入\導(dǎo)出光纖50， 與傳感器陣列60’相連，d端口 90d與光電探測器70’相連，其中問訊器30和傳感器陣列 60的位置是可以互換的。包括兩個(gè)IXN光纖星型耦合器100和110 ；Michelson問訊器30的b端口 301b 直接與一個(gè)星型耦合器100相連；另一端口 a端口 301a通過光纖環(huán)行器80與第二個(gè)星型 耦合器110相連；星型耦合器100和110的輸出端口分別通過光纖環(huán)行器Cij和導(dǎo)入\導(dǎo) 出光纖Lij與一個(gè)光纖傳感器陣列Aij相連；環(huán)行器Cij的第三個(gè)端口與光電探測器PDij 相連。所述的IXN分路器，具有至少一個(gè)輸入通道和一個(gè)輸出端，當(dāng)只有一個(gè)輸出通道 時(shí)，分路器就是根傳輸光纖；當(dāng)具有大于一個(gè)(多個(gè))輸出通道時(shí)，它的結(jié)構(gòu)是一個(gè)IXN的 光纖耦合器(各通道功率均分)或者為IXN光纖開關(guān)。本發(fā)明采用光纖環(huán)行器來連接Michelson問訊器、光纖傳感器陣列和光電探測 器，使光纖傳感器反射的信號(hào)全部耦合到光電探測器中，與上述用光纖耦合器連接傳感器 和探測器的結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明可以將光源利用率提高一倍；另外，在光源和Michelson問訊 器之間插入隔離器或環(huán)行器，使Michelson問訊器反饋回的信號(hào)不能進(jìn)入光源，從而提高 光源的穩(wěn)定性，同時(shí)對(duì)于在光源和問訊器之間插入環(huán)行器的結(jié)構(gòu)來說，反饋回的光被送入 另一個(gè)傳感器陣列，從而在理論上使光源發(fā)出的光全部得到利用，提高了傳感系統(tǒng)的復(fù)用 能力。本發(fā)明的基本原理是基于低相干光干涉原理和空分復(fù)用原理。以圖1所示的裝 置為例，光源發(fā)出的信號(hào)光被光纖耦合器301分成兩束一束光作為傳感光沿端口 301c傳 輸，被固定反射鏡302反射，反射光經(jīng)端口 301b進(jìn)入光纖環(huán)行器40，然后經(jīng)端口 40b和導(dǎo)入 \導(dǎo)出光纖50進(jìn)入傳感器陣列60 ；另一束作為參考光沿端口 302d傳輸，通過梯度折射率透 鏡303和可調(diào)匹配距離304后被掃描反射鏡305反射，反射光同樣經(jīng)端口 301b進(jìn)入光纖環(huán) 行器40，然后經(jīng)端口 40b和導(dǎo)入\導(dǎo)出光纖50進(jìn)入傳感器陣列60。以傳感器陣列60中的第一個(gè)傳感器Sl為例，當(dāng)進(jìn)入傳感器陣列60的參考光部分 被Sl的近端反射鏡RO反射，傳感光部分被Sl的遠(yuǎn)端反射鏡Rl反射。當(dāng)這兩束反射光的 光程相等時(shí)，即Michelson問訊器兩臂的光程差與傳感器Sl的光程相等時(shí)，兩束光會(huì)發(fā)生 干涉(η“+Χ)-η“ = Iil1(1)其中，I1為光纖傳感器S1的長度，η為光纖纖芯的折射率，X代表梯度折射率透鏡 303到掃描反射鏡305之間的可調(diào)距離304，ηΙ^+Χ和IiL2分別為問訊器30中可調(diào)臂和固定臂的光程。根據(jù)公式(1)，對(duì)于不同的傳感器長度1，由于L1和L2是固定值，因此只需要調(diào)節(jié) 掃描反射鏡305來改變X，就可以觀測到一系列干涉條紋。如果傳感器陣列60中各個(gè)傳感 器的長度互不相同，那么每個(gè)干涉條紋對(duì)應(yīng)掃描反射鏡305的位置不同，即每個(gè)傳感器對(duì) 應(yīng)唯一的干涉條紋，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外界環(huán)境變化的定位。當(dāng)傳感器、受到應(yīng)變 等外界因素作用發(fā)生形變時(shí)，調(diào)節(jié)可變參量Xp使光程匹配， 即AXj=Anlj j = 1,2,3, .. .(2)假設(shè)光纖傳感器長度由I1變化到I1+Δ I1，第二個(gè)傳感器由I2變化到I2+Δ I2，第N 個(gè)傳感器由In變化到1Ν+Δ1Ν，通過測量傳感器長度的變化量，則可以得到每個(gè)傳感器所感 知的應(yīng)變
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'ι'2In與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)采用光纖環(huán)行器連接問訊器、傳感器陣列和光電探測器，如果忽略系統(tǒng)中各元 件自身的損耗和連接插入損耗，可以認(rèn)為來自問訊器的光信號(hào)全部進(jìn)入傳感器陣列，同時(shí) 傳感器陣列反射的信號(hào)也全部被探測器接收，與傳統(tǒng)的使用光纖方向耦合器的裝置相比， 可以使光源的有效利用率提高一倍，從而提高傳感系統(tǒng)的復(fù)用能力。對(duì)于圖2-圖4所示的 結(jié)構(gòu)，如果忽略系統(tǒng)中各元件自身的損耗和連接插入損耗，理論上光源的利用率可以達(dá)到 100%。(2)在寬譜光源與光纖Michelson問訊器之間插入一個(gè)隔離器或光纖環(huán)行器，避 免了回饋光對(duì)光源輸出功率的影響，從而提高了傳感系統(tǒng)的穩(wěn)定性；尤其對(duì)于圖2-圖4所 示的結(jié)構(gòu)，在光源和Michelson問訊器之間插入光纖環(huán)行器，并將另一個(gè)傳感器陣列與環(huán) 行器相連，既可以避免回饋光對(duì)光源的影響，同時(shí)又能有效地利用回饋光，進(jìn)一步提高光源 的利用率。(3)通過在光路中引入光環(huán)形器使由光源發(fā)出的光信號(hào)只具有前向傳輸?shù)奶匦裕?避免了兩次(或者多次)通過光纖Michelson問訊器，抑制了造成的二次(多次)光程匹 配干涉噪聲，提高了傳感器的位置識(shí)別精度。此外，它還具有的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)是(4)采用光纖環(huán)行器的分布式Michelson光纖白光干涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng)，無需采用復(fù)雜 的時(shí)分復(fù)用或頻分復(fù)用技術(shù)，只需通過連續(xù)的空間光程掃描，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)傳感器信號(hào) 的問訊和測量，技術(shù)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。(5)本發(fā)明構(gòu)造的分布式光纖白光干涉?zhèn)鞲衅麝嚵校梢詫?shí)現(xiàn)光纖傳感器布設(shè)的 陣列化，在測量時(shí)各傳感器互不影響，傳感器長度可由使用者確定，其長度可以從幾厘米到 幾百米范圍內(nèi)任意選擇，具有多任務(wù)傳感、多元傳感、局部應(yīng)變傳感與大尺度形變傳感的能 力。


圖1是包括一個(gè)傳感器陣列的分布式Michelson光纖白光干涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，其中光源和問訊器之間用隔離器連接。圖2是包括兩個(gè)傳感器陣列的分布式Michelson光纖白光干涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)示 意圖，其中光源和問訊器之間用三端口光纖環(huán)行器連接。圖3是由包括傳感器陣列的分布式Michelson光纖白光干涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意 圖，其中光源和問訊器之間用四端口光纖環(huán)行器連接。圖4是由包括多個(gè)傳感器陣列的傳感器矩陣構(gòu)成的分布式Michelson光纖白光干 涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述具體實(shí)施方式
一參見圖1，分布式Michelson光纖白光干涉?zhèn)鞲醒b置，包括寬譜光源10、光纖隔離 器20、光纖Michelson問訊器30、光纖環(huán)行器40、導(dǎo)入\導(dǎo)出光纖50、光纖傳感器陣列60 和光電探測器70。光纖Michelson問訊器30包括一個(gè)2X2光纖方向耦合器301、一個(gè)固 定反射鏡302、一個(gè)梯度折射率透鏡303和一個(gè)可移動(dòng)掃描反射鏡305。光纖耦合器301的 一個(gè)輸出端口 301c與固定反射鏡302相連，構(gòu)成固定臂；光纖耦合器301的另一個(gè)輸出端 口 301d與梯度折射率透鏡303相連。掃描反射鏡305安裝在線性位移臺(tái)上，與梯度折射率 透鏡303的光軸垂直，在梯度折射率透鏡303和掃描反射鏡305之間構(gòu)成一個(gè)可調(diào)匹配距 離304。光纖傳感器陣列60由若干個(gè)光纖傳感器S1-Sn首尾相連串接構(gòu)成，每個(gè)光纖傳感器 都是由端面切割良好、具有一定反射率的光纖構(gòu)成，相鄰傳感器之間形成部分反射鏡RcrRN。 反射鏡Rtl-Rn的反射率很小以避免傳感器陣列440中傳輸?shù)男盘?hào)衰減過快。光纖傳感器陣 列中各光纖的長度互不相同，但近似相等。輸入/輸出光纖50可以短至幾厘米，也可以長 至數(shù)公里甚至更長。在實(shí)際應(yīng)用中，如圖1所示，光源10 ( —般為ASE光源)通過一個(gè)光纖隔離器20 與光纖方向耦合器301的一個(gè)輸入端口 301a相連。來自光源10的寬譜光被耦合器301分 成兩束一束光作為傳感信號(hào)，經(jīng)過光纖臂301c后被反射鏡302反射；另一束光作為參考 信號(hào)，經(jīng)過光纖臂301d和GRIN透鏡303后被掃描反射鏡305反射。反射回的傳感信號(hào)和 參考信號(hào)再次被耦合器301分成兩束一束光沿端口 301a進(jìn)入隔離器20，被衰減掉；另一 束沿端口 301b進(jìn)入光纖環(huán)行器40，然后經(jīng)過輸入/輸出光纖50進(jìn)入光纖傳感器陣列60， 被部分反射鏡RcrRn反射后沿原路經(jīng)光纖環(huán)行器40進(jìn)入光電探測器70。為了討論方便，以傳感器Sj為例。部分參考光被位于Sj近端的反射鏡I^1反射后 進(jìn)入光電探測器70 ；同時(shí)部分傳感光被位于Sj遠(yuǎn)端的反射鏡Rj反射后也進(jìn)入光電探測器 70。如果Michelson問訊器30固定臂與可調(diào)臂之間的光程差OPD與傳感器Sj的光程相等， 會(huì)在探測器70處得到干涉圖樣。類似的，如果調(diào)節(jié)掃描反射鏡305的位置，使Michelson 問訊器30兩臂的光程差OPD與另一個(gè)傳感器Sj+k的光程相等，會(huì)在探測器70處得到另一個(gè) 干涉圖樣。干涉圖樣的中央條紋振幅最大，對(duì)應(yīng)參考光和傳感光之間的光程絕對(duì)相等。因 此，可以在干涉條紋的位置和光纖傳感器標(biāo)距之間建立直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。如果傳感器陣列60 中的各個(gè)傳感的標(biāo)距互不相同，那么每個(gè)傳感具有唯一的干涉圖樣。需要注意的是，在如圖1所示的裝置中，由于利用光纖環(huán)行器40而不是光纖方向耦合器，使所述裝置的光源利用率提高了約3dB，這意味著所述裝置的信噪比被提高3dB，從而極大改善了所述裝置對(duì)傳感器的復(fù)用能力。
具體實(shí)施方式
二 盡管圖1所述的裝置可以提高光源的利用率和系統(tǒng)的復(fù)用能力，但是在光纖耦合 器301處仍然存在約3dB的損耗。這是因?yàn)楫?dāng)反射鏡302和305反射的信號(hào)通過光纖耦合 器301時(shí)，只有一半的功率沿耦合器301的301b端口通過光纖環(huán)行器40進(jìn)入光纖傳感器 陣列60，而另一半光則通過端口 301a被隔離器20損耗掉，沒有對(duì)傳感系統(tǒng)作出貢獻(xiàn)。為了進(jìn)一步提高所述裝置的光源輸出功率的有效利用率，分布式Michelson光纖 白光干涉?zhèn)鞲醒b置的另一個(gè)實(shí)施例如圖2所示，包括寬譜光源10、光纖Michelson問訊器 30、光纖環(huán)行器40和40，、光纖環(huán)行器80、導(dǎo)入\導(dǎo)出光纖50和50，、光纖傳感器陣列60和 60’，光電探測器70和70，。圖2所述裝置中，Michelson問訊器30的結(jié)構(gòu)與圖1中的問訊器相同。所不同 的是，圖2所述裝置用一個(gè)三端口光纖環(huán)行器80取代圖1所述裝置中的隔離器20。環(huán)行 器80的一個(gè)端口 80a與光源10相連，另一個(gè)端口 80b與Michelson問訊器30的輸入端口 301a相連，第三個(gè)端口 80c與另一個(gè)三端口光纖環(huán)行器40，的一個(gè)端口 40，a相連。環(huán)行 器40’的另一個(gè)端口 40’ b通過導(dǎo)入\導(dǎo)出光纖50’與另一個(gè)光纖傳感器陣列60’相連，端 口 40’ c與光電探測器70’相連。反射鏡302和305反射的通過光纖耦合器301的輸入端 口 301a回饋的信號(hào)，經(jīng)環(huán)行器80和40’進(jìn)入傳感器陣列60’，被傳感器陣列60’的部分反 射面反射后沿原路返回，再次經(jīng)環(huán)行器40’被光電探測器70’檢測。問訊器30的另一個(gè)端 口 301b的連接方式與圖1所示裝置相同，通過環(huán)行器40和導(dǎo)入\導(dǎo)出光纖與傳感器陣列 60相連，來自301b端口的信號(hào)被傳感器陣列60調(diào)制后，沿原路返回，經(jīng)環(huán)行器40的端口 40c進(jìn)入光電探測器70。圖2所示的分布式Michelson光纖白光干涉?zhèn)鞲醒b置共有兩個(gè)傳 感器陣列。沿各個(gè)傳感器陣列傳輸?shù)膮⒖夹盘?hào)和傳感信號(hào)的干涉原理與實(shí)施方式1中所述 相同。需要注意的是，在如圖2所示的裝置中，由于在光源10與Michelson問訊器30之 間插入光纖環(huán)行器80，且將另一個(gè)光纖傳感器陣列60’與環(huán)行器80相連，使所述裝置的光 源利用率在圖1所示裝置的基礎(chǔ)上又提高了 1倍。因此，在相同光功率輸出的情況下，傳感 系統(tǒng)的復(fù)用能力得到進(jìn)一步地提高。
具體實(shí)施方式
三為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，圖2所示裝置中的兩個(gè)三端口光纖環(huán)行器40’和 80可以用一個(gè)四端口光纖環(huán)行器代替。分布式Michelson光纖白光干涉?zhèn)鞲醒b置的另一個(gè)具體實(shí)施方式
如圖3所示，包括寬譜光源10、光纖Michelson問訊器30、三端口光纖環(huán)行器 40、四端口光纖環(huán)行器90、導(dǎo)入\導(dǎo)出光纖50和50’、光纖傳感器陣列60和60’，光電探測 器70和70，。圖3所示裝置的傳感原理與圖2所示裝置的傳感原理基本相同。所不同的是，圖2 所示裝置的兩個(gè)三端口光纖環(huán)行器40，和80被一個(gè)四端口光纖環(huán)行器90取代。環(huán)行器90 的一個(gè)端口 90a與光源10相連，第二個(gè)端口 90b與Michelson問訊器30的輸入端口 301a 相連，第三個(gè)端口 90c通過導(dǎo)入\導(dǎo)出光纖50’與第二個(gè)傳感器陣列60’相連，第四個(gè)端口 90d與光電探測器70’相連。四端口環(huán)行器90的作用是同時(shí)實(shí)現(xiàn)將光源10發(fā)出的寬譜光耦合入Michelson問訊器30，將反射鏡305和302反射的一部分光耦合到光纖傳感器陣列 60’中，將經(jīng)傳感器陣列60’的反射信號(hào)耦合入光電探測器70’中。沿各個(gè)傳感器陣列傳輸 的參考信號(hào)和傳感信號(hào)的干涉原理與實(shí)施方式1中所述相同。利用四端口光纖環(huán)行器90的優(yōu)點(diǎn)是，可以降低圖2所述裝置的復(fù)雜性，進(jìn)而提高 所述裝置的可靠性。利用四端口光纖環(huán)行器90代替三端口光纖環(huán)行器80和40’還可以降 低所述裝置的插入損耗。
具體實(shí)施方式
四在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常需要對(duì)橋梁、大壩等大型結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格狀分布式測量。為了進(jìn) 一步提高所述裝置的復(fù)用能力，采用兩個(gè)光纖星型耦合器100和110構(gòu)成傳感器矩陣，所述 分布式Michelson光纖白光干涉?zhèn)鞲醒b置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，包括包括寬譜光源10、 光纖Michelson問訊器30、三端口光纖環(huán)行器80、光纖星型耦合器100和110、若干個(gè)三端 口光纖環(huán)行器Cu、若干個(gè)導(dǎo)入\導(dǎo)出光纖Lu、若干個(gè)光纖傳感器陣列Au和若干個(gè)光電探測 器 PDijtl所述裝置的光路結(jié)構(gòu)與圖2所示基本相同，所不同的是，用兩個(gè)IXN光纖星型耦 合器100和110分別代替光纖環(huán)行器40和40，，并且星型耦合器100和110的每個(gè)輸出臂 都通過一個(gè)光纖環(huán)行器Cu和輸入/輸出光纖Lu與一個(gè)光纖傳感器陣列Au相連，構(gòu)成一個(gè) 傳感器矩陣。每個(gè)光纖環(huán)形器Cu還與一個(gè)光電探測器PDu相連，用于探測光纖傳感器陣列 Aij反射的傳感光信號(hào)和參考光信號(hào)，并將這些光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。沿各個(gè)傳感器陣列傳 輸?shù)膮⒖夹盘?hào)和傳感信號(hào)的干涉原理與實(shí)施方式1中所述相同。需要注意的是，對(duì)于如圖4所示的分布式Michelson光纖白光干涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng)，如果 不考慮組成所述裝置的各個(gè)元件的自身損耗和連接插入損耗，光源的有效利用率可以達(dá)到 100%。需要注意的還有，通過使用IXN光纖星型耦合器，所述裝置的復(fù)用能力得到很大提 高，從而可以構(gòu)成用于網(wǎng)格狀測量的分布式傳感器矩陣。
權(quán)利要求
一種分布式Michelson光纖白光干涉?zhèn)鞲醒b置，其特征是包括寬譜光源(10)、光源隔離器件(20)、光纖Michelson問訊器(30)、至少一個(gè)光纖環(huán)行器(40)、至少一根導(dǎo)入\導(dǎo)出光纖(50)、至少一個(gè)光纖傳感器陣列(60)和至少一個(gè)光電探測器(70)；光源(10)發(fā)出的寬譜光通過光源隔離器件(20)進(jìn)入光纖Michelson問訊器(30)后被分成兩束一束光作為參考光，沿光纖耦合器(301)的d端口(301d)傳輸，被可移動(dòng)掃描反射鏡(305)反射，具有可調(diào)光程；另一束光作為傳感光，沿光纖耦合器(301)的c端口(301c)傳輸，被固定反射鏡(302)反射，具有固定光程；參考光和傳感光再次經(jīng)過光纖耦合器(301)進(jìn)入光纖環(huán)行器(40)，沿相同的傳輸路徑通過輸入/輸出光纖(50)進(jìn)入光纖傳感器陣列(60)，被傳感器陣列反射后沿原路返回，經(jīng)過光纖環(huán)行器(40)的c端口(40c)進(jìn)入光電探測器(70)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式Michelson光纖白光干涉?zhèn)鞲醒b置，其特征是所 述的光纖Michelson問訊器(30)包括一個(gè)2X 2光纖方向耦合器(301)、一個(gè)固定反射鏡 (302)、一個(gè)梯度折射率透鏡(303)和一個(gè)可移動(dòng)掃描反射鏡(305)；光纖耦合器(301)的 一個(gè)輸出端口 c端口(301c)與固定反射鏡(302)相連，構(gòu)成固定臂；光纖耦合器(301)的 另一個(gè)輸出端口 d端口(301d)與梯度折射率透鏡(303)相連；掃描反射鏡(305)安裝在線 性位移臺(tái)上，與梯度折射率透鏡(303)的光軸垂直，在梯度折射率透鏡(303)和掃描反射鏡 (305)之間構(gòu)成一個(gè)可調(diào)匹配距離(304)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的分布式Michelson光纖白光干涉?zhèn)鞲醒b置，其特征是所述 的光纖環(huán)行器(40)的輸入端連接Michelson問訊器(30)、光纖傳感器陣列(60)和光電探 測器(70)，使來自于Michelson問訊器(30)的信號(hào)光經(jīng)光纖傳感器陣列(60)反射后，達(dá)到 探測器(70)而不返回問訊器(30)中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的分布式Michelson光纖白光干涉?zhèn)鞲醒b置，其特征是所述 的光纖傳感器陣列(60)由若干個(gè)光纖傳感器(S111-Sim)首尾相連串接構(gòu)成，相鄰傳感器之 間形成部分反射鏡(Rn。-R11N)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的分布式Michelson光纖白光干涉?zhèn)鞲醒b置，其特征是所述 的每個(gè)光纖傳感器(S111-S1in)都是一段端面切割良好、具有一定反射率的光纖，且各光纖的 長度互不相同，但近似相等。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任何一項(xiàng)所述的分布式Michelson光纖白光干涉?zhèn)鞲醒b置，其特 征是所述的光纖隔離器件是三端口光纖環(huán)行器(80)，所述三端口光纖環(huán)行器(80)的c端 口(80c)與另一個(gè)三端口光纖環(huán)行器(40，)的a端口(40，a)相連；光纖環(huán)形器(40，)的 b端口(40’ b)通過另一個(gè)導(dǎo)入\導(dǎo)出光纖(50’ )與第二個(gè)光纖傳感器陣列(60’ )相連， c端口(40’ c)與光電探測器(50’ )相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5任何一項(xiàng)所述的分布式Michelson光纖白光干涉?zhèn)鞲醒b置，其特 征是所述的光纖隔離器件是四端口光纖環(huán)行器(90)；所述四端口光纖環(huán)行器(90)的a端 口(90a)與光源(10)相連，b端口(90b)與問訊器(30)相連，c端口(90c)通過導(dǎo)入\導(dǎo) 出光纖(50’ )與傳感器陣列(60’ )相連，d端口(90d)與光電探測器(70’ )相連，其中問 訊器(30)和傳感器陣列(60)的位置是可以互換。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的分布式Michelson光纖白光干涉?zhèn)鞲醒b置，其特征是包括 兩個(gè)IXN光纖星型耦合器(100和110) ；Michelson問訊器(30)的b端口(301b)直接與 一個(gè)星型耦合器(100)相連；另一端口 a端口(301a)通過光纖環(huán)行器(80)與第二個(gè)星型耦合器(110)相連；星型耦合器(100和110)的輸出端口分別通過光纖環(huán)行器(Cij)和導(dǎo) 入\導(dǎo)出光纖(Lij)與一個(gè)光纖傳感器陣列(Aij)相連；環(huán)行器(Cij)的第三個(gè)端口與光 電探測器(PDij)相連。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種分布式Michelson光纖白光干涉?zhèn)鞲醒b置。包括寬譜光源、光源隔離器件、問訊器、光纖環(huán)行器、導(dǎo)入\導(dǎo)出光纖、光纖傳感器陣列和光電探測器；光源發(fā)出的光通過光源隔離器件進(jìn)入問訊器后被分成兩束，一束光作為參考光，另一束光作為傳感光，參考光和傳感光進(jìn)入光纖環(huán)行器，沿相同的傳輸路徑通過輸入/輸出光纖進(jìn)入光纖傳感器陣列，被傳感器陣列反射后沿原路返回，經(jīng)過光纖環(huán)行器進(jìn)入光電探測器。本發(fā)明通過引入光纖環(huán)行器，提高了傳感系統(tǒng)的復(fù)用能力，增加了光源利用效率；同時(shí)傳感信號(hào)和參考信號(hào)在傳感器陣列中為共光路，穩(wěn)定性好。
文檔編號(hào)G02B6/26GK101963515SQ201010296919
公開日2011年2月2日 申請(qǐng)日期2010年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月29日
發(fā)明者周愛, 楊軍, 苑立波 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)