專利名稱：一種光纖傅立葉變換白光干涉相對測量法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光纖傅立葉變換白 光干涉測量法。
背景技術(shù)：
外腔式Fabry-Perot干涉型(EFPI)光纖傳感器具有測量靈敏度 高、結(jié)構(gòu)緊湊、抗偏振等優(yōu)點，得到廣泛的應(yīng)用。待測量，如應(yīng)變、 溫度、位移或者壓力等，作用在EFPI光纖傳感器上，引起傳感器腔 長的變化，從傳感器的輸出干涉信號中解調(diào)出腔長，從而實現(xiàn)對待測 量的測量。 一般情況下，人們并不關(guān)心EFPI光纖傳感器的絕對腔長， 感興趣的是腔長的變化量。例如，將一個EFPI光纖應(yīng)變傳感器安裝 在某結(jié)構(gòu)上，其初始應(yīng)變?yōu)榱?，?dāng)傳感器受到應(yīng)變作用的時候，腔長 會發(fā)生變化，腔長的變化量就反映了應(yīng)變的大小。
白光干涉測量法(WLI)利用寬帶光源或波長掃描光源探測 Fabry-Perot干涉型(FPI)傳感器的輸出白光光譜，從而解調(diào)出傳 感器的腔長。目前已報道了一些從白光光譜中解調(diào)出FPI腔長的方 法，如波長跟蹤法，線性或者正交解調(diào)法，快速傅立葉變換法。波長 跟蹤法通過探測FPI輸出白光光譜的條紋峰值波長測量腔長，具有較 高的靈敏度，但是只適用于腔長較小的情況。當(dāng)腔長較小時，線性或 者正交解調(diào)法也具有較高的靈敏度，但是不能避免光源強度和光纖傳 輸損耗變化所造成的影響。快速傅立葉變換(FFT)是現(xiàn)在最為流行的 一種解調(diào)方法，它將信號從波長域變換到腔長域，通過追蹤傅立葉譜 的頻率峰值位置來計算腔長，但測量精度比波長跟蹤法低很多。實驗 表明，測量一個腔長為900um的FPI傳感器時，經(jīng)過FFT變換后的頻 譜在頻域的一赫茲對應(yīng)于29um的腔長。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高精度的光纖傅立葉變換白光干涉 相對測量法。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
本發(fā)明的一種光纖傅立葉變換白光干涉相對測量法，探測
Fabry-Perot干涉型(FPI)傳感器的輸出白光光譜并作傅立葉變換， 選擇兩個FPI，其中一個作為傳感器，另一個作為參考；分別選取兩 個FPI的傅立葉譜的一組載頻分量作反傅立葉變換；將反傅立葉變換 的兩組結(jié)果共軛相乘后取復(fù)對數(shù)，從中提取出兩個FPI的相位差信 息，從而解調(diào)出兩個FPI的腔長差，通過兩個FPI的腔長差來實現(xiàn)對 待測量的測量。
作為參考的FPI可以是作為傳感的FPI在未受待測量作用時的初 始狀態(tài)。
兩個FPI的傅立葉變換譜分別以各自的腔長決定的頻率為載頻， 在頻率空間分開為對稱的兩組載頻分量，濾出其中一組作反傅立葉變 換，將反傅立葉變換的兩組結(jié)果共軛相乘后取復(fù)對數(shù)。
兩組反傅立葉變換結(jié)果共軛相乘和取復(fù)對數(shù)運算后，兩個FPI的 相位差信息為信號的虛部，從光源光譜輪廓和干涉條紋對比度形成的 背景中分離。
針對運算過程中兩個FPI的相位差信息存在2 n相位躍變，作相 位展開，測量范圍不受2"相位限制。
本發(fā)明采用兩個FPI，其中一個FPI作為傳感器，命名為WFPI， 另一個FPI作為參考，命名為tt2FPI，通過兩個FPI的腔長差來實現(xiàn) 對待測量的測量。前面所述的tt2 FPI也可以是ftl FPI在未施加待測 量時的初始狀態(tài)。
從ltt FPI和2# FPI反射回來的白光光譜可以表示為 <formula>formula see original document page 6</formula>
其中a"X)和a2W是光源光譜輪廓引入的背景值，b"X)和b"人)是干 涉條紋的對比度，^為FPI的初始相位，A-(;i)為測量時由環(huán)境因素 和波長的不穩(wěn)定性引起的相位變化。載波頻率/]和/2由兩個FPI的 腔長決定
,=爭 。)
2 義2
其中d,和d2為分別兩個FPI的腔長。為了消除環(huán)境因素和波長
的不穩(wěn)定性的影響，在制作過程中應(yīng)盡量使兩個FPI的腔長相等。對
方程(1)和(2)分別做傅立葉變換，得到如下的兩組傅立葉譜
g,(/卜4(/)+a(/—/;)+《(/—y;) (5)
g2(/) = 4(/) + A(/ —/2) +《(/_/2) (6) 如果FPI的腔長足夠大，那么力和力會比由a(X)、峭、
和^(2j的波動引起的頻譜展寬量大很多，方程(5)和(6)中的三
個頻譜成分會被載波頻率力和力分離開來。用帶通濾波器分別濾出
a(/-/i)和/2)，進行反傅立葉變換得到如下的解析信號
W)+(;i)exp(嵐;i + ^ +罪)]} (7)
/z2(;i)二丄62(;i)exp(j[2《;i + (^ (8)
將(7)、 (8)式共軛相乘后取復(fù)對數(shù)，得到方程(9)的虛部所 表示的相位就是兩個FPI的白光光譜的相位差。
=ln[ j 、(舉2 (A)] + y與("2) ( 9 )
4 乂
="(義)+脾)
運算過程中，相位的主值區(qū)間為[-兀，+71]，存在27T相位躍變。通 過相位展開可以恢復(fù)出連續(xù)的相位變化，使測量范圍不受271相位躍
變的限制。當(dāng)波長從^掃描到入2的時候，相應(yīng)的相位變化為A/ o;，
由下式可以計算出兩個FPI的腔長差-<formula>formula see original document page 8</formula>
在測量過程中，傳感FPI和參考FPI同時受到環(huán)境因素和掃描波 長的不確定性引起的干擾，此共摸干擾能被有效地抵消掉，從而準確 地測量出由待測量引起的腔長差A(yù)"的變化。
本發(fā)明的效果本發(fā)明方法相對白光光譜峰值測量法和傅立葉變
換峰值頻率測量方法，測量精度有很大的提高，對光源的波動不敏感， 同時有很大的動態(tài)測量范圍。


圖1是本發(fā)明方法應(yīng)用于EFPI光纖傳感器的腔長解調(diào)的一個具 體實施方案；
圖2是ttlEFPI的反射白光光譜；
圖3(a)是ttlEFPI反射白光光譜的傅立葉譜；
圖3(b)是tt2EFPI反射白光光譜的傅立葉譜；
圖4(a)是本發(fā)明方法在溫度變化影響下的測量結(jié)果；
圖4(b)是本發(fā)明方法消除溫度變化影響的效果；
圖5是本發(fā)明方法用于應(yīng)變測量的效果；
圖6是本發(fā)明方法應(yīng)用于EFPI光纖傳感器的腔長解調(diào)的另一個 圖中1—寬帶光源2—光隔離器3—可調(diào)諧光纖法珀濾波器 4一光纖耦合器5、 5—光纖光柵'6—ttlEFPI光纖傳感器6' — #2EFPI光纖傳感器7—光電探測器8—計算機9一A/D采集卡 IO—鋸齒波發(fā)生器ll一標(biāo)準具。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施離隊本發(fā)明作進一步說明。
實施例l
圖1是本發(fā)明方法的一個實施例圖，結(jié)合EFPI光纖傳感器的腔
長測量對本發(fā)明方法進行說明；本發(fā)明的測量方法通過實驗進行了驗
證，參見圖2 5。
寬帶光源1發(fā)出的光經(jīng)光隔離器2輸入到可調(diào)諧法光纖珀濾波器 3，可調(diào)諧光纖法珀濾波器3在鋸齒波發(fā)生器10的驅(qū)動下輸出波長掃 描窄帶光，波長掃描窄帶光被一只光纖耦合器4分成兩路。其中一路 波長掃描窄帶光通過一只光纖耦合器4接兩只不同中心波長的光纖 光柵5、 5'，通過探測光纖光柵5、 5'的反射光來確定測量的掃描 起止波長、和L。另一路波長掃描窄帶光經(jīng)一只光纖耦合器4進一步 分成兩路，分別經(jīng)一只光纖耦合器4接ttlEFPI和經(jīng)一只光纖耦合器4 接tt2EFPI。三支光電探測器7分別探測光纖光柵5、 5' ， tflEFPI和 #2EFPI的反射光譜。三路探測信號經(jīng)A/D采集卡9轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號 輸入計算機8， A/D采集卡9同時接收計算機8的指令向鋸齒波發(fā)生 器10輸出控制信號。
實驗所用器件為可調(diào)諧光纖法珀濾波器(FFP-TF) (Micron Optics Inc.), FFP-TF的自由光譜區(qū)(FSR)寬度為65nm，精細度為 200，所以FFP-TF的帶寬為O. 325nm; ttlEFPI和ft2EFPI的腔長分別 為2946. 5nm和3003. 7pm;兩只光纖光柵的中心波長分別為1525nm 和1565nm。當(dāng)FFP-TF從1525nm掃描到1565nm的時候，#1EFPI 的反射白光光譜如圖2所示，圖中的橫坐標(biāo)為等時間間隔的采樣； //2EFPI的反射白光光譜與圖2類似。FFP-TF由線性電壓驅(qū)動，由于 FFP-TF的PZT有很大的遲滯性，從圖2中可以看到，采樣數(shù)據(jù)在中 間部分比較密集，而在前面部分比較稀疏。對WEFPI和弁2EFPI的白 光光譜分別進行傅立葉變換，得到如圖3所示的頻譜圖，傅立葉頻譜 寬度約為60Hz，同時存在波紋，這是由于圖2所示的白光光譜沒有 經(jīng)過波長校正處理。通過本發(fā)明的測量方法解調(diào)出弁1EFPI和弁2EFPI 的腔長差。實驗表明，無論EFPI的白光光譜是否經(jīng)過波長校正，都
可以得到相同的測量效果。
將ttlEFPI和tt2EFPI粘到一個溫控半導(dǎo)體制冷器(TEC)上，為使 EFPI迅速響應(yīng)溫度的變化，EFPI直接粘貼在TEC的金屬板表面，并 加入導(dǎo)熱硅脂以提高TEC和EFPI之間的熱耦合。將溫度從22。C以2 。C的間隔升高到32 。C，每次溫度改變大約20秒后(10次測量)溫 度達到穩(wěn)定，在每次溫度穩(wěn)定后進行300次測量。通過本發(fā)明的測量 方法解調(diào)出ttlEFPI和ft2EFPI的腔長差，共進行了 1800次測量，結(jié)果 如圖3 (a)所示，腔長差波動范圍僅為土O. 07)tim。對每個溫度段的300 次測量求平均值，可以得到如圖3 (b)所示W(wǎng)EFPI和tt2EFPI的腔長 差隨溫度的變化關(guān)系，腔長差的波動僅為士O. 35nm，可見作為參考的 #2EFPI補償?shù)袅藴囟茸兓挠绊憽榱烁玫匮a償溫度的影響，最 好使tt2EFPI和tflEFPI具有相同的尺寸和性能。
將ftlEFPI光纖傳感器應(yīng)用于應(yīng)變的測量，并與光纖光柵應(yīng)變傳 感器做測試比較#1EFPI粘貼在鋼板的上面，#2EFPI不受應(yīng)變的影 響；光纖光柵應(yīng)變傳感器緊挨ttlEFPI粘貼在鋼板的上面，為測量提 供參考應(yīng)變。實驗結(jié)果如圖6所示，應(yīng)變以10^的間隔從0變化到 100|is， ttlEFPI和tt2EFPI的腔長差線性變化，斜率為42. 31nm/|^; 考慮腔長差的波動為±0. 35mn ，應(yīng)變測量的精度可以達到 8. 27x10—V"
實施例2
圖6是本發(fā)明方法的另一個實施例圖。寬帶光源1發(fā)出的光經(jīng)光 隔離器2輸入到可調(diào)諧光纖法珀濾波器3，可調(diào)諧光纖法珀濾波器3 在鋸齒波發(fā)生器10的驅(qū)動下輸出波長掃描窄帶光，波長掃描窄帶光 被一只光纖耦合器4分成兩路，其中一路光通過標(biāo)準具11、光纖光 柵5;另一路光通過光纖耦合器4輸入到ttlEFPI光纖傳感器6。兩只 光電探測器7分別探測標(biāo)準具11、光纖光柵5的透射光，以及ttlEFPI 光纖傳感器6的反射光。兩路探測信號經(jīng)A/D采集卡9轉(zhuǎn)換成數(shù)字信 號輸入計算機8， A/D采集卡9同時接收計算機8的指令向鋸齒波發(fā)
生器10輸出控制信號。標(biāo)準具11的各個輸出峰值波長用以校準可調(diào)
諧光纖法珀濾波器3的輸出波長偏差。在ttlEFPI光纖傳感器6不受 待測量作用的情況下測量它的反射白光光譜作為參考，然后在每次測 量的時候通過測量它的反射白光光譜和調(diào)用初始白光光譜進行本發(fā) 明的傅立葉變換白光干涉相對測量。
權(quán)利要求
1、一種光纖傅立葉變換白光干涉相對測量法，探測Fabry-Perot干涉型(FPI)傳感器的輸出白光光譜并作傅立葉變換，其特征在于選擇兩個FPI，其中一個作為傳感器，另一個作為參考；分別選取兩個FPI的傅立葉譜的一組載頻分量作反傅立葉變換；將反傅立葉變換的兩組結(jié)果共軛相乘后取復(fù)對數(shù)，從中提取出兩個FPI的相位差信息，從而解調(diào)出兩個FPI的腔長差，通過兩個FPI的腔長差來實現(xiàn)對待測量的測量；作為參考的FPI可以是作為傳感的FPI在未受待測量作用時的初始狀態(tài)；從1#FPI和2#FPI反射回來的白光光譜可以表示為g1(λ)＝a1(λ)+b1(λ)cos[2πf1λ+0+Δφ(λ)](1)g2(λ)＝a2(λ)+b2(λ)cos[2πf2λ+0+Δφ(λ)](2)其中a1(λ)和a2(λ)是光源光譜輪廓引入的背景值，b1(λ)和b2(λ)是干涉條紋的對比度，0為FPI的初始相位，Δφ(λ)為測量時由環(huán)境因素和波長的不穩(wěn)定性引起的相位變化；載波頻率f1和f2由兩個FPI的腔長決定
2、 根據(jù)權(quán)利1所述的光纖傅立葉變換白光干涉相對測量法，其 特征是兩個FPI的傅立葉變換譜分別以各自的腔長決定的頻率為載 頻，在頻率空間分開為對稱的兩組載頻分量，濾出其中一組作反傅立 葉變換，將反傅立葉變換的兩組結(jié)果共軛相乘后取復(fù)對數(shù)。
3、 根據(jù)權(quán)利1所述的光纖傅立葉變換白光干涉相對測量法，其 特征是兩組反傅立葉變換結(jié)果共軛相乘和取復(fù)對數(shù)運算后，兩個 FPI的相位差信息為信號的虛部，從光源光譜輪廓和干涉條紋對比度 形成的背景中分離。
4、 根據(jù)權(quán)利1或4所述的光纖傅立葉變換白光干涉相對測量法， 其特征是:針對運算過程中兩個FPI的相位差信息存在2 TC相位躍變， 作相位展開，測量范圍不受2n相位限制。
全文摘要
本發(fā)明是一種光纖傅立葉變換白光干涉相對測量法，涉及光纖傳感器技術(shù)，屬于光電子領(lǐng)域。該方法選擇兩個Fabry-Perot干涉型(FPI)傳感器，其中一個用于傳感，另一個作為參考；分別探測FPI的輸出白光光譜并作傅立葉變換，傅立葉譜以FPI腔長決定的頻率為載頻，在頻率空間分開為對稱的兩組載頻分量；分別濾出其中一組分量作反傅立葉變換，將兩組結(jié)果共軛相乘后取復(fù)對數(shù)，兩個FPI的相位差信息作為信號的虛部從光源光譜輪廓和干涉條紋對比度形成的背景中分離出來，從而實現(xiàn)測量。本發(fā)明方法相對白光光譜峰值測量法和傅立葉變換峰值頻率測量法，測量精度有很大的提高。
文檔編號G01J3/28GK101169339SQ20071017783
公開日2008年4月30日 申請日期2007年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月21日
發(fā)明者唐才杰, 毅 江 申請人:北京理工大學(xué)