本發(fā)明涉及利用光電元件進(jìn)行相位檢測的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種干涉型光纖傳感器的相位測量方法及裝置。

背景技術(shù)：

光纖傳感是伴隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種以光為載體、光纖為媒質(zhì)、感知和傳輸外界信號的傳感技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的傳感技術(shù)，光纖傳感技術(shù)具有靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)范圍大等優(yōu)勢,干涉型光纖傳感器同時(shí)具有光纖傳感器和干涉測量的優(yōu)點(diǎn)，干涉型光纖傳感器把待測物理量轉(zhuǎn)化為相位，例如溫度(光纖溫度傳感器)、位移(光纖位移傳感器)、角速度(光纖陀螺儀)等。外部信號作用到干涉型光纖傳感器的傳感探測部位引起干涉信號的相位變化，通過解調(diào)干涉信號的相位變化，獲得被探測物的相關(guān)信息。

正確的相位解調(diào)是干涉型光纖傳感器的關(guān)鍵技術(shù)之一，由于干涉耦合項(xiàng)為余弦函數(shù)，而余弦函數(shù)的周期性導(dǎo)致無法進(jìn)行實(shí)際相位的解調(diào)，在使用中，通常要對待測量的變化范圍進(jìn)行限定，把相應(yīng)的相位限定在內(nèi)進(jìn)行檢測及計(jì)算。因此，會限定待測物理量的測量范圍，當(dāng)物理量的變化范圍較大，導(dǎo)致相位變化范圍超過，就會發(fā)生相位卷繞現(xiàn)象，造成相位誤判，因此必須通過相位解卷繞的方法恢復(fù)真實(shí)相位。從卷繞相位中恢復(fù)出實(shí)際相位，這一過程即為相位解卷繞(phaseunwrapping)，也稱相位展開、相位解纏或相位解包裹。目前，雖然已有多種數(shù)值相位解卷繞的方法被提出，然而這些方法都存在一定的問題，計(jì)算復(fù)雜耗時(shí)，受噪聲及欠采樣影響。相位解卷繞的原理是根據(jù)相位的連續(xù)性，通過比較相鄰兩點(diǎn)之間相位差進(jìn)行相位卷繞判斷，從原理上講，當(dāng)相鄰兩點(diǎn)的相位差大于時(shí)，就無法正確恢復(fù)真實(shí)相位。

為了解決以上問題，本發(fā)明結(jié)合數(shù)字全息中雙波長相位解卷繞的原理和3×3耦合器相位解調(diào)的方法，建立了基于雙波長3×3光纖耦合器的相位解調(diào)方法及裝置系統(tǒng)，利用3×3耦合器的三路輸出的線性組合和數(shù)字反正切技術(shù)進(jìn)行信號解調(diào)，利用雙波長干涉結(jié)果進(jìn)行相位補(bǔ)償，在一定范圍內(nèi)克服了相位卷繞問題，提高了相位測量的范圍和準(zhǔn)確性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是如何提供一種準(zhǔn)確度高、測量范圍大的干涉型光纖傳感器的相位測量方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：一種干涉型光纖傳感器的相位測量方法，其特征在于包括：利用兩種不同波長的光源獲得干涉型光纖傳感器的兩組相位信號，對兩個(gè)不同波長的信號進(jìn)行相位解調(diào)，分別得到其對應(yīng)的卷繞相位，然后通過雙波長干涉原理求解出等效波長的相位，最后利用等效波長的相位對發(fā)生卷繞的相位進(jìn)行補(bǔ)償，得到所述光纖傳感器所測量的真實(shí)的相位值。

進(jìn)一步的技術(shù)方案在于，相位解調(diào)及補(bǔ)償步驟如下：

(1)利用3×3耦合器對不同波長的干涉信號分別進(jìn)行相位解調(diào)，得到卷繞相位，假定兩種波長為和，對應(yīng)的相位為和；為所述光纖傳感器探測臂和參考臂之間的光程差；

(2)將兩束光的相位作差：

上式中的為等效波長；設(shè)ai(i＝0,1,2,3...)是相位差發(fā)生跳變的點(diǎn)，ai(i＝0,1,2,3...)的分布可以通過計(jì)算或?qū)嶒?yàn)得到，利用ai(i＝0,1,2,3...)的值來標(biāo)定波長λ1和波長λ2發(fā)生相位卷繞的區(qū)間，對波長λ1和波長λ2的相位曲線進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，得到波長為λ1和λ2的探測光真實(shí)的相位值。

進(jìn)一步的技術(shù)方案在于：對波長λ1的相位補(bǔ)償方法如下，在等效波長的相位圖樣中，當(dāng)?shù)闹翟?a0,a1)區(qū)間內(nèi)，波長λ1的相位值線性增長，未發(fā)生卷繞，不進(jìn)行補(bǔ)償；當(dāng)?shù)闹翟?a2,a3)或(a4，a5)區(qū)間內(nèi)，波長λ1的相位發(fā)生一次卷繞，則對區(qū)間的相應(yīng)的波長λ1的相位加；當(dāng)值在(a6,a7)或(a8，a9)區(qū)間內(nèi)時(shí)，波長λ1的相位發(fā)生兩次卷繞，則對區(qū)間內(nèi)相應(yīng)的波長λ1的相位加以此類推。

本發(fā)明還提供了一種干涉型光纖傳感器的相位測量裝置，其特征在于包括：第一激光器和第二激光器，所述第一激光器和第二激光器的光線輸出端經(jīng)光纖與第一2×2光纖耦合器的輸入端連接，第一2×2光纖耦合器的輸出端經(jīng)隔離器與第二2×2光纖耦合器的一個(gè)輸入端連接，第二2×2光纖耦合器的輸出端與3×3耦合器的一個(gè)輸入端連接，3×3耦合器的兩個(gè)輸出端分別連接探測臂和參考臂，經(jīng)探測臂和參考臂反射的光進(jìn)入到3×3耦合器后分別經(jīng)3×3耦合器的兩個(gè)輸出端進(jìn)入第一波分復(fù)用器和第二波分復(fù)用器，由3×3耦合器的另一個(gè)輸出端口輸出的探測光和參考光進(jìn)入第二2×2光纖耦合器，所述探測光和參考光經(jīng)第二2×2光纖耦合器的一個(gè)輸出端進(jìn)入第三波分復(fù)用器，第一至第三波分復(fù)用器用于根據(jù)波長將第一激光器和第二激光器發(fā)出的光分開輸出，第一激光器發(fā)出的光進(jìn)入第一光電探測器、第三光電探測器和第五光電探測器，第二激光器發(fā)出的光進(jìn)入第二光電探測器、第四光電探測器和第六光電探測器，第一至第六光電探測器對光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，所述第一至第六光電探測器的輸出端經(jīng)多通道采集器與計(jì)算機(jī)連接，使用所述計(jì)算機(jī)對相應(yīng)的電信號進(jìn)行處理。

采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于：所述方法通過對卷繞的相位進(jìn)行補(bǔ)償，可以得到一定范圍內(nèi)真實(shí)相位的測量值，從而消除傳統(tǒng)干涉型光纖傳感器存在的相位卷繞問題，提高了相位測量的范圍和準(zhǔn)確性。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例所述方法中θ1、θ2及等效相位隨光程差d變化的仿真結(jié)果圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例所述裝置的原理框圖；

其中：1、第一激光器2、第二激光器3、第一2×2光纖耦合器4、隔離器5、第二2×2光纖耦合器6、3×3耦合器7、探測臂8、參考臂9、第三波分復(fù)用器10、第一光電探測器11、第二光電探測器12、第一波分復(fù)用器13、第三光電探測器14、第四光電探測器15、第二波分復(fù)用器16、第五光電探測器17、第六光電探測器18、多通道采集器19、計(jì)算機(jī)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是本發(fā)明還可以采用其他不同于在此描述的其它方式來實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實(shí)施例的限制。

本發(fā)明實(shí)施例公開了一種干涉型光纖傳感器的相位測量方法，包括：利用兩種不同波長的光源獲得干涉型光纖傳感器的兩組相位信號，對兩個(gè)不同波長的信號進(jìn)行相位解調(diào)得到其對應(yīng)的卷繞相位，然后通過雙波長干涉原理求解出等效波長的相位，最后利用等效波長的相位對發(fā)生卷繞的相位進(jìn)行補(bǔ)償，得到所述光纖傳感器所測量的真實(shí)的相位值。

下面以干涉型光纖傳感器為例，說明本發(fā)明的原理。

對于干涉型光纖傳感器，測量的是探測臂和參考臂之間的相位差，可以表示為其中，θ為相位，d為探測臂和參考臂之間的光程差，λ為波長，現(xiàn)引入兩束不同波長的探測光，假定波長分別為λ1和λ2，由于波長不同，兩束光引起的相位變化不同，分別為：和的值隨光程差d變化的仿真結(jié)果如圖1所示，假定波長為1310nm，用實(shí)線表示，波長為1550nm，用短劃線表示。和應(yīng)隨著d的增長呈線性增長，但是由于三角函數(shù)的周期性，當(dāng)和超過主值區(qū)間(-π，π)時(shí)，相位譜會產(chǎn)生周期性的跳變。

將兩束光的相位作差，二者的差值是關(guān)于d的線性函數(shù)，如公式(1)及圖1所示，由公式(1)可以看出，為等效波長。隨著相位差d的增長，等效波長對應(yīng)的相位也呈線性增長，但在圖1中箭頭所示區(qū)域，由于相減過程中出現(xiàn)負(fù)值，相位出現(xiàn)不連續(xù)。

補(bǔ)償方法如下。

圖1中，ai(i＝0,1,2,3...)是相位差δθ(點(diǎn)線)發(fā)生跳變的點(diǎn)。當(dāng)波長λ1和λ2為定值時(shí)，ai(i＝0,1,2,3...)的值是確定的，可以通過計(jì)算或?qū)嶒?yàn)得到，因此可以利用ai(i＝0,1,2,3...)的值來標(biāo)定波長λ1和波長λ2的相位曲線發(fā)生卷繞的區(qū)間，對波長λ1和波長λ2的解調(diào)相位進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，這樣就可以得到波長λ1和波長λ2真實(shí)的相位值。

例如，對波長λ1的補(bǔ)償方法如下，當(dāng)δθ的值在(a0,a1)區(qū)間內(nèi)，波長的相位值線性增長，未發(fā)生卷繞，不進(jìn)行補(bǔ)償；當(dāng)δθ的值在(a2,a3)或(a4，a5)區(qū)間內(nèi)，波長(實(shí)線)的相位發(fā)生一次卷繞，則對區(qū)間的相應(yīng)的波長λ1的相位加；當(dāng)δθ的值在(a6,a7)或(a8，a9)區(qū)間內(nèi)，1310nm波長(實(shí)線)的相位發(fā)生兩次卷繞，則對區(qū)間的相應(yīng)的波長λ1的相位加；以此類推。

如圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例還公開了一種干涉型光纖傳感器的相位測量裝置，包括：第一激光器1和第二激光器2，所述第一激光器1和第二激光器2的光線輸出端經(jīng)光纖與第一2×2光纖耦合器3的輸入端連接，第一2×2光纖耦合器3的輸出端經(jīng)隔離器4與第二2×2光纖耦合器5的一個(gè)輸入端連接，第二2×2光纖耦合器5的輸出端與3×3耦合器6的一個(gè)輸入端連接，3×3耦合器6的兩個(gè)輸出端分別連接探測臂7和參考臂8，經(jīng)探測臂7和參考臂8反射的光進(jìn)入到3×3耦合器6后分別經(jīng)3×3耦合器6的兩個(gè)輸出端進(jìn)入第一波分復(fù)用器12和第二波分復(fù)用器15，由3×3耦合器6的另一個(gè)輸出端口輸出的探測光和參考光進(jìn)入第二2×2光纖耦合器5，所述探測光和參考光經(jīng)第二2×2光纖耦合器5的一個(gè)輸出端進(jìn)入第三波分復(fù)用器9，第一至第三波分復(fù)用器12，15，9用于根據(jù)波長將第一激光器1和第二激光器2發(fā)出的光分開輸出，第一激光器1發(fā)出的光進(jìn)入第一光電探測器10、第三光電探測器13和第五光電探測器16，第二激光器2發(fā)出的光進(jìn)入第二光電探測器11、第四光電探測器14和第六光電探測器17，第一至第六光電探測器對光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，所述第一至第六光電探測器的輸出端經(jīng)多通道采集器18與計(jì)算機(jī)19連接，使用所述計(jì)算機(jī)19對相應(yīng)的電信號進(jìn)行處理。

利用所述裝置進(jìn)行相位解調(diào)的方法，包括以下步驟：

(1)利用公式(2)-(4)分別計(jì)算波長λ1和λ2的相位。

假定所述裝置中3×3光纖耦合器的三個(gè)輸出的信號可以表示為

其中di,ai(i＝1,2,3)為與所述裝置輸入光強(qiáng)、耦合器分光比和光路損耗有關(guān)的參數(shù)，為待測信號，120、240是固定相位差，單位是度，則

其中pi,qi(i＝1,2,3)是由耦合器的分光比和相位差表示的參數(shù)，

(2)如圖1所示，進(jìn)行相位補(bǔ)償。

例如，對波長λ1的補(bǔ)償如下，如圖1所示，當(dāng)δθ的值在(a0,a1)區(qū)間內(nèi)，波長λ1的相位值未發(fā)生卷繞，不進(jìn)行補(bǔ)償；當(dāng)δθ的值在(a2,a3)或(a4，a5)區(qū)間內(nèi)，波長λ1(實(shí)線)的相位發(fā)生一次卷繞，則對區(qū)間的相應(yīng)的波長λ1的相位加；當(dāng)δθ的值在(a6,a7)或(a8，a9)區(qū)間內(nèi)，波長λ1(實(shí)線)的相位發(fā)生兩次卷繞，則對區(qū)間的相應(yīng)的波長λ1的相位加；以此類推。