干涉型光纤传感器的相位测量方法及装置

摘要

本发明公开了一种干涉型光纤传感器的相位测量方法及装置，涉及利用双波长3×3耦合器进行干涉型光纤传感器的相位检测技术领域。所述方法包括：利用两种不同波长的光源获得干涉型光纤传感器的两组干涉信号，对两个不同波长的干涉信号进行相位解调得到其对应的卷绕相位，然后通过双波长干涉原理求解出等效波长的相位，最后利用等效波长的相位对发生卷绕的相位进行补偿，得到所述光纤传感器所测量的真实相位。所述方法通过对卷绕的相位进行补偿，得到一定范围内真实相位的测量值，部分消除了传统干涉型光纤传感器存在的问题，提高了相位测量的范围及准确性。

权利要求

1.一种干涉型光纤传感器的相位测量方法，其特征在于包括：利用两种不同波长的光源获得干涉型光纤传感器的两组干涉信号，用3×3耦合器对两个不同波长的干涉信号分别进行相位解调得到其对应的卷绕相位，然后通过双波长干涉原理求解出等效波长的相位，最后利用等效波长的相位对发生卷绕的相位进行补偿，得到所述光纤传感器所测量的真实相位；

相位解调及补偿步骤如下：

(1)利用3×3耦合器对不同波长的干涉信号分别进行相位解调，得到卷绕相位，假定两种波长为λ1和λ2，对应的相位为θ1和θ2； 为所述光纤传感器探测臂和参考臂之间的光程差；

(2)将两束光的相位作差：

上式中 的为等效波长；设ai(i＝0,1,2,3...)是相位差发生跳变的点，ai(i＝0,1,

2,3...)的分布可以通过计算或实验得到，利用ai(i＝0,1,2,3...)的值来标定波长λ1和波长λ2发生相位卷绕的区间，对波长λ1和波长λ2的相位曲线进行相应的补偿，得到波长为λ1和λ2的探测光真实的相位值；

对波长λ1的相位补偿方法如下，在等效波长的相位分布中，当Δθ的值在(a0,a1)区间内，波长λ1的相位未发生卷绕，不进行补偿；当Δθ的值在(a2,a3)或(a4，a5)区间内，波长λ1的相位发生一次卷绕，则对区间的相应的波长λ1的相位加2π；当Δθ的值在(a6,a7)或(a8，a9)区间内时，波长λ1的相位发生两次卷绕，则对区间的相应的波长λ1的相位加2×2π，以此类推。

2.一种干涉型光纤传感器的相位测量装置，其特征在于包括：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)的输出端经光纤与第一2×2光纤耦合器(3)的输入端连接，第一2×2光纤耦合器(3)的输出端经隔离器(4)与第二2×2光纤耦合器(5)的一个输入端连接，第二2×2光纤耦合器(5)的输出端与3×3耦合器(6)的一个输入端连接，3×3耦合器(6)的两个输出端分别连接探测臂(7)和参考臂(8)，经探测臂(7)和参考臂(8)反射的光进入到3×3耦合器(6)后分别经3×3耦合器(6)的两个输出端进入第一波分复用器(12)和第二波分复用器(15)，由3×3耦合器(6)的另一个输出端口输出的探测光和参考光进入第二2×2光纤耦合器(5)，所述探测光和参考光经第二2×2光纤耦合器(5)的一个输出端进入第三波分复用器(9)，第一至第三波分复用器(12，15，9)用于根据波长将第一激光器(1)和第二激光器(2)发出的光分开，第一激光器(1)发出的光进入第一光电探测器(10)、第三光电探测器(13)和第五光电探测器(16)，第二激光器(2)发出的光进入第二光电探测器(11)、第四光电探测器(14)和第六光电探测器(17)，第一至第六光电探测器对光进行光电转换，所述第一至第六光电探测器的输出端经多通道采集器(18)与计算机(19)连接，使用所述计算机(19)对相应的电信号进行处理。

说明书

干涉型光纤传感器的相位测量方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及利用光电元件进行相位检测的技术领域，尤其涉及一种干涉型光纤传感器的相位测量方法及装置。

背景技术

[0002] 光纤传感是伴随着光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体、光纤为媒质、感知和传输外界信号的传感技术，相对于传统的传感技术，光纤传感技术具有灵敏度高、动态响应范围大等优势,干涉型光纤传感器同时具有光纤传感器和干涉测量的优点，干涉型光纤传感器把待测物理量转化为相位，例如温度(光纤温度传感器)、位移(光纤位移传感器)、角速度(光纤陀螺仪)等。外部信号作用到干涉型光纤传感器的传感探测部位引起干涉信号的相位变化，通过解调干涉信号的相位变化，获得被探测物的相关信息。

[0003] 正确的相位解调是干涉型光纤传感器的关键技术之一，由于干涉耦合项为余弦函数，而余弦函数的周期性导致无法进行实际相位的解调，在使用中，通常要对待测量的变化范围进行限定，把相应的相位限定在内进行检测及计算。因此，会限定待测物理量的测量范围，当物理量的变化范围较大，导致相位变化范围超过，就会发生相位卷绕现象，造成相位误判，因此必须通过相位解卷绕的方法恢复真实相位。从卷绕相位中恢复出实际相位，这一过程即为相位解卷绕(Phase Unwrapping)，也称相位展开、相位解缠或相位解包裹。目前，虽然已有多种数值相位解卷绕的方法被提出，然而这些方法都存在一定的问题，计算复杂耗时，受噪声及欠采样影响。相位解卷绕的原理是根据相位的连续性，通过比较相邻两点之间相位差进行相位卷绕判断，从原理上讲，当相邻两点的相位差大于时，就无法正确恢复真实相位。

[0004] 为了解决以上问题，本发明结合数字全息中双波长相位解卷绕的原理和3×3耦合器相位解调的方法，建立了基于双波长3×3光纤耦合器的相位解调方法及装置系统，利用3×3耦合器的三路输出的线性组合和数字反正切技术进行信号解调，利用双波长干涉结果进行相位补偿，在一定范围内克服了相位卷绕问题，提高了相位测量的范围和准确性。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题是如何提供一种准确度高、测量范围大的干涉型光纤传感器的相位测量方法。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种干涉型光纤传感器的相位测量方法，其特征在于包括：利用两种不同波长的光源获得干涉型光纤传感器的两组相位信号，对两个不同波长的信号进行相位解调，分别得到其对应的卷绕相位，然后通过双波长干涉原理求解出等效波长的相位，最后利用等效波长的相位对发生卷绕的相位进行补偿，得到所述光纤传感器所测量的真实的相位值。

[0007] 进一步的技术方案在于，相位解调及补偿步骤如下：

[0008] (1)利用3×3耦合器对不同波长的干涉信号分别进行相位解调，得到卷绕相位，假定两种波长为λ1和λ2，对应的相位为θ1和θ2； 为所述光纤传感器探测臂和参考臂之间的光程差；

[0009] (2)将两束光的相位作差：

[0010]

[0011] 上式中 的为等效波长；设ai(i＝0,1,2,3...)是相位差发生跳变的点，ai(i＝0,1,2,3...)的分布可以通过计算或实验得到，利用ai(i＝0,1,2,3...)的值来标定波长λ1和波长λ2发生相位卷绕的区间，对波长λ1和波长λ2的相位曲线进行相应的补偿，得到波长为λ1和λ2的探测光真实的相位值。

[0012] 进一步的技术方案在于：对波长λ1的相位补偿方法如下，在等效波长的相位图样中，当Δθ的值在(a0,a1)区间内，波长λ1的相位值线性增长，未发生卷绕，不进行补偿；当Δθ的值在(a2,a3)或(a4，a5)区间内，波长λ1的相位发生一次卷绕，则对区间的相应的波长λ1的相位加2π；当Δθ值在(a6,a7)或(a8，a9)区间内时，波长λ1的相位发生两次卷绕，则对区间内相应的波长λ1的相位加2×2π以此类推。

[0013] 本发明还提供了一种干涉型光纤传感器的相位测量装置，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线输出端经光纤与第一2×2光纤耦合器的输入端连接，第一2×2光纤耦合器的输出端经隔离器与第二2×2光纤耦合器的一个输入端连接，第二2×2光纤耦合器的输出端与3×3耦合器的一个输入端连接，3×3耦合器的两个输出端分别连接探测臂和参考臂，经探测臂和参考臂反射的光进入到3×3耦合器后分别经3×3耦合器的两个输出端进入第一波分复用器和第二波分复用器，由3×3耦合器的另一个输出端口输出的探测光和参考光进入第二2×2光纤耦合器，所述探测光和参考光经第二2×2光纤耦合器的一个输出端进入第三波分复用器，第一至第三波分复用器用于根据波长将第一激光器和第二激光器发出的光分开输出，第一激光器发出的光进入第一光电探测器、第三光电探测器和第五光电探测器，第二激光器发出的光进入第二光电探测器、第四光电探测器和第六光电探测器，第一至第六光电探测器对光进行光电转换，所述第一至第六光电探测器的输出端经多通道采集器与计算机连接，使用所述计算机对相应的电信号进行处理。

[0014] 采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述方法通过对卷绕的相位进行补偿，可以得到一定范围内真实相位的测量值，从而消除传统干涉型光纤传感器存在的相位卷绕问题，提高了相位测量的范围和准确性。

附图说明

[0015] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0016] 图1是本发明实施例所述方法中θ1、θ2及等效相位随光程差d变化的仿真结果图；

[0017] 图2是本发明实施例所述装置的原理框图；

[0018] 其中：1、第一激光器 2、第二激光器 3、第一2×2光纤耦合器 4、隔离器 5、第二2×2光纤耦合器 6、3×3耦合器 7、探测臂 8、参考臂 9、第三波分复用器 10、第一光电探测器11、第二光电探测器 12、第一波分复用器 13、第三光电探测器 14、第四光电探测器 15、第二波分复用器 16、第五光电探测器 17、第六光电探测器 18、多通道采集器 19、计算机。

具体实施方式

[0019] 下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0020] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

[0021] 本发明实施例公开了一种干涉型光纤传感器的相位测量方法，包括：利用两种不同波长的光源获得干涉型光纤传感器的两组相位信号，对两个不同波长的信号进行相位解调得到其对应的卷绕相位，然后通过双波长干涉原理求解出等效波长的相位，最后利用等效波长的相位对发生卷绕的相位进行补偿，得到所述光纤传感器所测量的真实的相位值。

[0022] 下面以干涉型光纤传感器为例，说明本发明的原理。

[0023] 对于干涉型光纤传感器，测量的是探测臂和参考臂之间的相位差，可以表示为其中，θ为相位，d为探测臂和参考臂之间的光程差，λ为波长，现引入两束不同波长的探测光，假定波长分别为λ1和λ2，由于波长不同，两束光引起的相位变化不同，分别为：θ1和θ2的值随光程差d变化的仿真结果如图1所示，假定λ1波长为
1310nm，用实线表示，λ2波长为1550nm，用短划线表示。θ1和θ2应随着d的增长呈线性增长，但是由于三角函数的周期性，当θ1和θ2超过主值区间(-π，π)时，相位谱会产生周期性的跳变。

[0024] 将两束光的相位作差，二者的差值是关于d的线性函数，如公式(1)及图1所示，由公式(1)可以看出， 为等效波长。随着相位差d的增长，等效波长对应的相位也呈线性增长，但在图1中箭头所示区域，由于相减过程中出现负值，相位出现不连续。

[0025] 补偿方法如下。

[0026] 图1中，ai(i＝0,1,2,3...)是相位差Δθ(点线)发生跳变的点。当波长λ1和λ2为定值时，ai(i＝0,1,2,3...)的值是确定的，可以通过计算或实验得到，因此可以利用ai(i＝0,1,2,3...)的值来标定波长λ1和波长λ2的相位曲线发生卷绕的区间，对波长λ1和波长λ2的解调相位进行相应的补偿，这样就可以得到波长λ1和波长λ2真实的相位值。

[0027] 例如，对波长λ1的补偿方法如下，当Δθ的值在(a0,a1)区间内，波长的相位值线性增长，未发生卷绕，不进行补偿；当Δθ的值在(a2,a3)或(a4，a5)区间内，波长(实线)的相位发生一次卷绕，则对区间的相应的波长λ1的相位加2π；当Δθ的值在(a6,a7)或(a8，a9)区间内，1310nm波长(实线)的相位发生两次卷绕，则对区间的相应的波长λ1的相位加2×2π；以此类推。

[0028] 如图2所示，本发明实施例还公开了一种干涉型光纤传感器的相位测量装置，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的光线输出端经光纤与第一2×2光纤耦合器3的输入端连接，第一2×2光纤耦合器3的输出端经隔离器4与第二2×2光纤耦合器5的一个输入端连接，第二2×2光纤耦合器5的输出端与3×3耦合器6的一个输入端连接，3×3耦合器6的两个输出端分别连接探测臂7和参考臂8，经探测臂7和参考臂8反射的光进入到3×3耦合器6后分别经3×3耦合器6的两个输出端进入第一波分复用器12和第二波分复用器15，由3×3耦合器6的另一个输出端口输出的探测光和参考光进入第二2×
2光纤耦合器5，所述探测光和参考光经第二2×2光纤耦合器5的一个输出端进入第三波分复用器9，第一至第三波分复用器12，15，9用于根据波长将第一激光器1和第二激光器2发出的光分开输出，第一激光器1发出的光进入第一光电探测器10、第三光电探测器13和第五光电探测器16，第二激光器2发出的光进入第二光电探测器11、第四光电探测器14和第六光电探测器17，第一至第六光电探测器对光进行光电转换，所述第一至第六光电探测器的输出端经多通道采集器18与计算机19连接，使用所述计算机19对相应的电信号进行处理。

[0029] 利用所述装置进行相位解调的方法，包括以下步骤：

[0030] (1)利用公式(2)-(4)分别计算波长λ1和λ2的相位。

[0031] 假定所述装置中3×3光纤耦合器的三个输出的信号可以表示为

[0032]

[0033] 其中Di,Ai(i＝1,2,3)为与所述装置输入光强、耦合器分光比和光路损耗有关的参数， 为待测信号，120、240是固定相位差，单位是度，则

[0034]

[0035] 其中pi,qi(i＝1,2,3)是由耦合器的分光比和相位差表示的参数，

[0036]

[0037]

[0038]

[0039]

[0040]

[0041]

[0042] (2)如图1所示，进行相位补偿。

[0043] 例如，对波长λ1的补偿如下，如图1所示，当Δθ的值在(a0,a1)区间内，波长λ1的相位值未发生卷绕，不进行补偿；当Δθ的值在(a2,a3)或(a4，a5)区间内，波长λ1(实线)的相位发生一次卷绕，则对区间的相应的波长λ1的相位加2π；当Δθ的值在(a6,a7)或(a8，a9)区间内，波长λ1(实线)的相位发生两次卷绕，则对区间的相应的波长λ1的相位加2×2π；以此类推。