一種腔長(zhǎng)可調(diào)的f-p型多尺度準(zhǔn)分布式白光干涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及的是一種腔長(zhǎng)可調(diào)的F-P型多尺度準(zhǔn)分布式白光干涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖白光干涉原理自從1975年被提出后，其具有的諸多優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)被眾多學(xué)者所揭示，光纖白光干涉測(cè)量技術(shù)作為白光干涉原理的一個(gè)重要應(yīng)用，已然成為了一個(gè)重要研究方向。
[0003]光纖白光干涉測(cè)量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)之一就是可以很容易地實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用，這也成為了近年來該項(xiàng)技術(shù)的研究熱點(diǎn)。目前已經(jīng)應(yīng)用于光纖白光干涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng)的復(fù)用技術(shù)有:時(shí)分復(fù)用(TDM)技術(shù)，頻分復(fù)用(FDM)技術(shù)以及空分復(fù)用(SDM)技術(shù)等。
[0004]SANTOS等人在(Coherence sensing of time-addressed optical-fibersensors i I luminated by a multimode laser d1de,Appl.0pt.,30:5068-5077,1991)中提出的時(shí)分復(fù)用技術(shù)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，復(fù)用數(shù)量有限，測(cè)量范圍較小、精度較低。
[0005]LIU等人在文南犬(A frequency divis1n multiplexed low-finesse fiberoptical Fabry-Perot sensor system for strain and displacement measurements,Review of Scientific instruments，71(3)，1275-1278,2000)中提出的頻分復(fù)用技術(shù)，利用光譜分析儀測(cè)量多個(gè)腔長(zhǎng)不同的F-P干涉儀輸出的光譜疊加結(jié)果來實(shí)現(xiàn)信號(hào)解調(diào)，這種方法受到系統(tǒng)中腔長(zhǎng)的限制，復(fù)用個(gè)數(shù)較少。
[0006]文南犬(Quas1-distributed strain sensing with white-1 ightinterferometry: a novel approach ,Optics Letters，25，1074-1076，2000)中提出的空分復(fù)用技術(shù)，通過參考干涉儀進(jìn)行時(shí)間和空間的連續(xù)光程掃描，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多傳感器的解調(diào)問詢，該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但難于實(shí)現(xiàn)多種長(zhǎng)度光纖傳感器的測(cè)量。
[0007]基于光纖白光干涉儀的空分復(fù)用原理，申請(qǐng)人2008年公開的空分復(fù)用Mach-Zehnder級(jí)聯(lián)式光纖干涉儀及測(cè)量方法(中國(guó)專利號(hào):ZL 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(cè)量?jī)x(中國(guó)專利:ZL 200810136819.5 )和孿生陣列Michelson光纖白光干涉應(yīng)變儀(中國(guó)專利號(hào):ZL200810136820.8)主要用于解決白光光纖干涉儀多路復(fù)用中溫度對(duì)測(cè)量干擾，以及溫度和應(yīng)變同時(shí)測(cè)量問題；申請(qǐng)人于2008年公開的一種簡(jiǎn)化式多路復(fù)用白光干涉光纖傳感解調(diào)裝置(中國(guó)專利:ZL 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(guó)專利:ZL200810136833.5)，引入環(huán)形腔、F-P腔光程自相關(guān)器主要用于簡(jiǎn)化多路復(fù)用干涉儀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，構(gòu)造了共光路形式，提高溫度穩(wěn)定性。
[0008]但在上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，光源發(fā)出的光信號(hào)都將有一部分在經(jīng)歷一定的系統(tǒng)光路后返回到光源處。這部分返回到光源處的光信號(hào)將不會(huì)對(duì)傳感器的工作產(chǎn)生貢獻(xiàn)，系統(tǒng)對(duì)光源功率利用率不高；甚至由于其對(duì)光源的回饋?zhàn)饔茫瑫?huì)引起較大的系統(tǒng)噪聲，影響系統(tǒng)性會(huì)K。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、操作方便的腔長(zhǎng)可調(diào)的F-P型多尺度準(zhǔn)分布式白光干涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng)。
[0010]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0011]腔長(zhǎng)可調(diào)的F-P型多尺度準(zhǔn)分布式白光干涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng)，由寬譜光源1、四端口光纖環(huán)形器2、光纖環(huán)形鏡、光程粗調(diào)單元4、光程掃描單元5、三端口光纖環(huán)行器7、傳感器陣列、信號(hào)處理單元組成；系統(tǒng)采用雙光纖環(huán)形鏡與可變光程的光纖結(jié)構(gòu)，構(gòu)成了腔長(zhǎng)可調(diào)F-P腔，用于白光干涉掃描測(cè)量系統(tǒng)中；系統(tǒng)采用光纖環(huán)行器來連接依次連接低相干光源、可調(diào)F-P腔系統(tǒng)、掃描干涉測(cè)量對(duì)象和光信號(hào)探測(cè)器;系統(tǒng)采用同一光源和可調(diào)F-P腔系統(tǒng)，構(gòu)成近似對(duì)稱的雙陣列分布式傳感系統(tǒng)。
[0012]所述的可調(diào)F-P腔系統(tǒng)由兩個(gè)光纖環(huán)形鏡與連接在其間的可變光程的光纖結(jié)構(gòu)組成，該結(jié)構(gòu)是光纖準(zhǔn)直器與掃描棱鏡構(gòu)成的光程掃描結(jié)構(gòu)；或者對(duì)稱的多路光纖開關(guān)與不同長(zhǎng)度光纖段構(gòu)成的光程選通結(jié)構(gòu)；或者由繞制在PZT上的多匝光纖環(huán)構(gòu)成的光程調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。
[0013]用于依次連接所述的低相干光源、可調(diào)F-P腔系統(tǒng)、掃描干涉測(cè)量對(duì)象和光信號(hào)探測(cè)器的四端口光纖環(huán)行器的連接方式是端口 I連接低相干光源，端口 2連接可調(diào)F-P腔系統(tǒng)，端口 3連接掃描干涉測(cè)量對(duì)象，端口 4連接光信號(hào)探測(cè)器。
[0014]用于依次連接所述的可調(diào)F-P腔系統(tǒng)、掃描干涉測(cè)量對(duì)象和光信號(hào)探測(cè)器的三端口光纖環(huán)行器的連接方式是端口 I連接可調(diào)F-P腔系統(tǒng)，端口 2連接掃描干涉測(cè)量對(duì)象，端口3連接光信號(hào)探測(cè)器。
[0015]所述的可調(diào)F-P腔所產(chǎn)生的透射信號(hào)和反射信號(hào)都可以用來問訊和解調(diào)光纖傳感器系統(tǒng)，透射信號(hào)進(jìn)入三端口光纖環(huán)形器7;反射信號(hào)則進(jìn)入四端口光纖環(huán)形器2。無論是透射光信號(hào)還是反射光信號(hào)，經(jīng)過光纖環(huán)形器后進(jìn)入探測(cè)區(qū)，經(jīng)過被探測(cè)對(duì)象調(diào)制后的干涉測(cè)量信號(hào)又沿著同一光纖抵達(dá)光探測(cè)器。其中連接端口的所有光纖都是雙向共光路傳輸?shù)?，具有全程的共光程匹配特點(diǎn)，所有連接光纖的長(zhǎng)度可以根據(jù)需求任意選取。
[0016]所述的掃描干涉測(cè)量對(duì)象為光纖傳感器陣列，每個(gè)光纖傳感器陣列都是由一系列標(biāo)準(zhǔn)單模光纖被切割成長(zhǎng)度符合傳感系統(tǒng)測(cè)量范圍的光纖段進(jìn)行級(jí)聯(lián)后組成的，其中每一段光纖的長(zhǎng)度都不同，形成了準(zhǔn)分布式光纖測(cè)量系統(tǒng);傳感器陣列亦可由更復(fù)雜的形式組成。
[0017]所述的光纖環(huán)形鏡在光纖環(huán)中插入偏振態(tài)控制器。
[0018]本發(fā)明的有益效果在于:
[0019]本專利所述系統(tǒng)中的光纖環(huán)形鏡可通過一定方法來控制其反射率。例如在光纖環(huán)部分中插入偏振態(tài)控制器(PC)，改變偏振態(tài)控制器的狀態(tài)可改變其雙折射效應(yīng)的快軸取向和強(qiáng)度，從而控制光纖環(huán)形鏡的反射率。而通過控制光纖環(huán)形鏡的反射率即可控制F-P腔中經(jīng)歷不同光程的光信號(hào)強(qiáng)度，從而改善系統(tǒng)性能。
【附圖說明】
[0020]圖1是基于雙光纖環(huán)形鏡的可調(diào)F-P腔光纖白光干涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。圖2是于雙光纖環(huán)形鏡的可調(diào)F-P腔光纖白光干涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng)的一種實(shí)施例。
[0021]圖3是系統(tǒng)中光程掃描單元的一種實(shí)現(xiàn)方式:緊密纏繞在一管狀壓電陶瓷上的多Bi光纖。
[0022]圖4是一種通過在光纖環(huán)形鏡中引入偏振態(tài)控制器來調(diào)節(jié)光纖環(huán)形鏡反射率的方式。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
[0024]本發(fā)明公布了一種腔長(zhǎng)可調(diào)的F-P型多尺度準(zhǔn)分布式白光干涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng)。其主要特征在于:I該準(zhǔn)分布式光纖傳感系統(tǒng)是由寬譜光源1、四端口光纖環(huán)形器2、光纖環(huán)形鏡3和
6、光程粗調(diào)單元4、光程掃描單元5、三端口光纖環(huán)行器7、傳感器陣列8和10、信號(hào)處理單元9和11組成;2該系統(tǒng)采用雙光纖環(huán)形鏡與可變光程的光纖結(jié)構(gòu)，構(gòu)成了腔長(zhǎng)可調(diào)的F-P腔，用于白光干涉掃描測(cè)量系統(tǒng)中；3該系統(tǒng)采用光纖環(huán)行器來連接依次連接低相干光源、可調(diào)F-P腔系統(tǒng)、掃描干涉測(cè)量對(duì)象和光信號(hào)探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)系統(tǒng)中光功率流向各個(gè)功能模塊的方向控制，提高了光功率的使用效率，降低了能耗;4該系統(tǒng)采用同一光源和可調(diào)F-P腔系統(tǒng)，構(gòu)成近似對(duì)稱的雙陣列分布式傳感系統(tǒng)，可有效利用光源輸出功率;5該系統(tǒng)采用共光路光程匹配，減少了光路對(duì)系統(tǒng)探測(cè)帶來的影響。
[0025]該系統(tǒng)由寬譜光源1、四端口環(huán)形器2、光纖環(huán)形鏡3和6、光程粗調(diào)單元4、光程掃描單元5、三端口光纖環(huán)行器7、傳感器陣列8和10、信號(hào)處理單元9和11組成。
[0026]本發(fā)明采用一種由雙光纖環(huán)形鏡與光程可調(diào)的F-P腔實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測(cè)量的光程匹配。該系統(tǒng)可用于多點(diǎn)準(zhǔn)分布應(yīng)變或溫度等物理量的實(shí)時(shí)測(cè)量。
[0027]如圖1所示，該準(zhǔn)分布式光纖傳感系統(tǒng)是由寬譜光源1、四端口光纖環(huán)形器2、光纖環(huán)形鏡3和6、光程粗調(diào)單元4、光程掃描單元5、三端口光纖環(huán)行器7、傳感器陣列8和10、信號(hào)處理單元9和11組成。
[0028]所述系統(tǒng)中寬譜光源I發(fā)出的光從四端口環(huán)行器2的a端口入射后，從b端口出射，進(jìn)入由兩光纖環(huán)形鏡3和6以及光程粗調(diào)單元4和光程掃描單元5組成的F-P腔結(jié)構(gòu)。其中部分光在經(jīng)過光纖環(huán)形鏡3后直接從e端口返回，其余部分光將從f端口進(jìn)入F-P腔結(jié)構(gòu)。到達(dá)光纖環(huán)形鏡6的光中，也將有一部分在經(jīng)過光纖環(huán)后從端口返回F-P腔結(jié)構(gòu)，其余部分從h端口出射。
[0029]因此，理論上進(jìn)入F-P腔結(jié)構(gòu)的光，將會(huì)在兩光纖環(huán)形鏡3和6之間折返任意次后從光纖環(huán)形鏡3的e端口出射或從光纖環(huán)形鏡6的h端口出射。實(shí)際上，由于光纖環(huán)形鏡3和6分光比的限制，以及光程粗調(diào)系統(tǒng)4和光程掃描單元5的插入損耗等因素影響。在上述F-