基於光電振蕩器的光纖低相干幹涉位移解調設備及方法與流程
2023-05-28 10:55:41
本發明涉及位移信息解調領域，具體涉及基於光電振蕩器的光纖低相干幹涉位移解調設備及其解調方法。
背景技術：
光纖低相干幹涉測量技術作為一種重要的非接觸測量方式，由於具有結構簡單、測量速度快及解析度高的優點，在光學系統的非接觸測量及生物醫學影像等前沿領域具有廣闊的應用前景。
光纖低相干幹涉技術通常由寬帶低相干光源照明的麥可遜幹涉儀組成。光路部分採用單模光纖連接，低相干光源發出的雷射經2x2的光纖耦合器之後，分別進入有反射鏡的參考臂和放有被測樣品的樣品臂。反射鏡反射回來的光(參考光)和樣品背向散射光(信號光)，再次在光纖耦合器處產生幹涉信號。從反射鏡返回的參考光和被樣品背向散射的信號光，只有在它們的光程差處於光源的相干長度範圍內時，才能產生明顯的幹涉。產生的幹涉信號被光電探測器接收，通過提取幹涉信號振幅、相位、包絡、零光程差位置等信息，獲得被測樣品的某些特徵信息，實現對被測樣品的檢測。
在基於光纖低相干幹涉技術的位移測量應用中，如何實現對幹涉光場包絡峰值的準確定位是獲得高精度位移檢測的關鍵。為得到幹涉光場包絡峰值，通常採用時間掃描式和空間掃描式兩種方式。時間掃描式可以測量很大的範圍，但由於需要對其中一個反射鏡進行機械掃描，其長期可靠性和穩定性較差，測量精度只在微米量級。空間掃描式採用線陣CCD器件進行電掃描，其長期可靠性高，但線陣CCD的像元有限，其測量範圍通常較小，只有幾十個微米。此外，兩種方法都需要經光電轉換和採集卡A/D轉換後送入計算機進行數據分析處理才能解調出被測位移量。為解決現有技術存在的問題，我們提出一種新型的光纖低相干幹涉位移解調技術。
技術實現要素：
本發明主要解決的技術問題是提供一種基於光電振蕩器的光纖低相干幹涉位移解調設備及方法，具有無需機械掃描、測量精度高和解調方式簡單等優點。
為解決上述技術問題，本發明採用的一個技術方案是：提供一種基於光電振蕩器的光纖低相干幹涉位移解調設備，其特徵在於，包括通過光纖依次連接的寬帶低相干光源、第一光纖耦合器、可調光延遲器、第二光纖耦合器、電光調製器和光電探測器以及與所述光電探測器依次電連接的射頻放大器和射頻分束器；
其中，
所述第一光耦合器和第二光耦合器還通過光纖直接連接；
所述射頻分束器還與電光調製器電連接。
所述第一光纖耦合器、可調光延遲器和第二光纖耦合器構成馬赫曾德爾幹涉儀結構；所述電光調製器、單模光纖、光電探測器、射頻放大器和射頻分束器構成光電振蕩器
所述寬帶低相干光源經第一光纖耦合器分為兩路信號，一路信號經可調光延遲器進入第二光纖耦合器，另一路信號直接進入第二光纖耦合器，隨後兩路信號在第二光纖耦合器處產生幹涉光場，產生的幹涉光場進入電光調製器中被射頻信號調製，調製後的光信號經單模光纖傳輸後在光電探測器處產生射頻信號，生成的射頻信號被射頻放大器放大後進入射頻分束器，射頻分束器將射頻信號一分為二，一路射頻信號連接到電光調製器的射頻埠，另一路射頻信號作為輸出並測量其頻率值。
優選地，所述電光調製器、光電探測、微波放大器、微波分束器的工作帶寬應大於10GHz。
優選地，所述電光調製器與光電探測器之間採用單模光纖連接，單模光纖長度範圍為5km～20km，根據所需位移解調範圍和解調精度進行優化選取。
優選地，所述寬帶低相干光源的頻譜幅值形狀為矩形或高斯型。
優選地，所述寬帶低相干光源可為LED光源、超發光二極體光源或自發輻射光源。
本發明還提供了一種基於光電振蕩器的光纖低相干幹涉位移解調方法，其特徵在於包括如下步驟：
步驟1：幹涉光場經電光強度調製器調製後，通過普通單模光纖傳輸進入光電探測器，光電探測器把光信號轉變為微波信號；
步驟2：將幹涉光場、電光調製器、單模光纖和光電探測器作為一個整體，其頻譜響應為一個等效的微波光子濾波器，微波光子濾波器的通帶位置隨馬赫曾德爾幹涉儀兩臂的位移量差而改變；
步驟3：微波光子濾波器對射頻信號選頻，選取出的射頻信號由射頻放大器放大，然後連接到電光調製器的射頻埠，形成正反饋迴路；
步驟4：射頻放大器提供信號增益，補償信號在光電振蕩器環路中的傳輸損耗，信號經過多次循環後，建立穩定的振蕩。
區別於現有技術的情況，本發明的有益效果是：
1、位移解調是通過光電振蕩器的自動選頻技術實現的，無機械掃描裝置，因此系統穩定性大大提高，同時也無傳統空間掃描式中存在的測量範圍受限的問題。
2、由於光電振蕩器的振蕩模式間隔通常小於MHz，因此對應的位移解調精度為納米量級，遠高於現有其他解調技術。
3、光電振蕩器產生的微波信號頻率與位移量一一對應，因此只需測量微波頻率，通過簡單的數學公式計算就可得到對應的位移量，因此位移解調方式大大簡化。
附圖說明
圖1是本發明實施例基於光電振蕩器的光纖低相干幹涉位移解調設備結構示意圖。
圖2是幹涉光場的示意圖。
圖3是實驗測得輸出微波信號頻譜與位移量的關係示意圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
參見圖1，是本發明實施例基於光電振蕩器的光纖低相干幹涉位移解調技術的示意圖。本實施例的系統結構包括通過光纖依次連接的寬帶低相干光源、第一光纖耦合器、可調光延遲器、第二光纖耦合器、電光調製器和光電探測器以及與所述光電探測器依次電連接的射頻放大器和射頻分束器；其中，
所述第一光耦合器和第二光耦合器還通過光纖直接連接；
所述射頻分束器還與電光調製器電連接。
具體而言，本實施例的寬帶低相干光源來自自發輻射(ASE)光源，光源主體部分是增益介質摻鉺光纖和高性能的泵浦雷射器。低相干光源的帶寬和形狀由濾波器來設定，本實施例中寬帶低相干光源的頻譜形狀為矩形，帶寬範圍為8nm。
所用電光調製器為電光強度調製器，工作帶寬為35GHz。
所用單模光纖為長度為20km的普通單模光纖，其二階色散係數為β2＝-22ps2/km。
所述寬帶低相干光源經第一光纖耦合器分為兩路信號，分別通過馬赫曾德爾幹涉儀結構的兩臂後，在第二光纖耦合器處產生幹涉光場。產生的幹涉光場的頻譜圖如圖2所示，為正弦周期形狀。
隨後，幹涉光場進入光電振蕩器中進行解調，其解調過程如下：(1)幹涉光場經電光強度調製器調製後，通過普通單模光纖傳輸進入光電探測器，光電探測器把光信號轉變為微波信號；(2)幹涉光場、電光調製器、單模光纖和光電探測器作為一個整體，其頻譜響應實際上是一個等效的微波光子濾波器，微波光子濾波器的通帶位置隨馬赫曾德爾幹涉儀兩臂的位移量差而改變；(3)微波光子濾波器對射頻信號選頻，選取出的射頻信號由射頻放大器放大，然後連接到電光調製器的射頻埠，從而形成正反饋迴路；(4)射頻放大器提供信號增益，補償信號在光電振蕩器環路中的傳輸損耗，信號經過多次循環後，建立起穩定的振蕩。
設光纖長度為L，對應的二階色散係數為β2,根據所測量的微波頻率值，由公式1可計算出位移變換量ΔL：
這裡c0為光在真空中的傳播速度。
以上所述僅為本發明的實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護範圍內。