[发明专利]空分复用Mach－Zehnder级联式光纤干涉仪及测量方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及的是一种测量装置，具体地说是一种空分复用Mach-Zehnder级联式光纤干涉仪。

(二)背景技术

采用低相干、宽谱带的光源的光纤干涉仪通常被称为白光光纤干涉仪。典型的光纤白光干涉仪如图1所示，其结构组成为利用光纤搭建Micheslon式干涉仪，并采用宽谱光源LED或者ASE对干涉仪进行驱动，为其提供光能，通过探测器探测白光干涉条纹实现对待测物理量的测量。其工作原理如下，由宽谱光源11发出的宽谱光进入单模光纤后，被3dB单模光纤2×2耦合器13分成两束，一束光进入被作为测量臂的单模光纤14，被其后端的光学反射面15反射后沿原路返回，经过单模光纤14、耦合器13到达光电探测器12，这束光称为测量信号光；由光源11发出光被耦合器13分路的另外一束光，进入作为参考臂的单模连接光纤16、自聚焦透镜17，经过移动反射镜18的反射后同样沿原路返回到达光电探测器12，这束光被称为参考信号光。测量信号光和参考信号光在探测器表面发生相干叠加，由于宽谱光源的相干长度很短，大约为几个微米到几十个微米，只有当参考信号光和测量信号光程差小于光源的相干长度时，才会产生相干叠加，输出白光干涉图样(参见附图2)。

如图2所示，白光干涉条纹的特征是有一个主极大值，称为中心条纹，它与零光程差为之相对应，即对应于参考光束和测量光束光程相等时，称为参考光束与测量光束具有光程匹配关系。通过改变光纤延迟线的延迟量，使参考信号的光程发生变化，可以获得中心干涉条纹。中心条纹的位置为测量提供了一个可靠的绝对位置参考，当测量光束由于外界待测物理量的影响光程发生变化时，只需通过参考臂光程扫描得到的白光干涉条纹的位置变化，即可获得被测量物理量的绝对值。与其他光纤干涉仪相比，除了具有高灵敏度、本质安全、抗电磁场干扰等优点外，最大特点是可对压力、应变、温度等待测量进行绝对测量。因此白光干涉性光纤干涉仪被广泛用于物理量、机械量、环境量、化学量、生物医学量的测量。

近年来，白光干涉传感技术得到了蓬勃的发展，其中的一个热点就是发展了多种基于多路复用技术的光纤传感器和测试系统，用于应变、温度、压力等物理量的测量。多路复用技术的发展背景主要是由于，在实际测量与测试应用中，单个物理量以及单一位置点的传感，已经远不能满足人们对事物整体或者系统状态感知的要求，这往往需要对多个或者多点物理量的分布进行在线或者实时的量测。例如对大型结构(水电站、大坝、桥梁等)的无损检测与监测以确定其安全的过程中，需要将光纤传感器植入关键部位，并构筑成监测网络，对其内部的应力、应变以及温度等信息进行提取。如此，传感器数量通常为几十个或者上百个，如果测试系统仅以单点传感器进行连接，无疑，其测试造价将大大提高，同时降低了系统可靠性。采用多路复用技术，利用同一个解调系统对多个传感器的测量信息进行问询，这不仅极大简化了系统复杂程度，而且使测量精度和可靠性也得到了保证。同时，由于多路复用技术，降低了单点传感器的造价，从而使测试费用大为降低，提高了性价比，使光纤传感器与传统传感器相比更具优势。

现已发展的多路复用技术主要有：时分复用技术(TDM)、频分复用技术(FDM或FMCW)、波分复用技术(WDM)、码分复用技术(CDM)和空复用技术(SDM)。其中，已用于白光干涉传感系统中有TDM、FDM以及SDM。

SANTOS等人[Coherence sensing of time-addressed optical-fiber sensorsilluminated by a multimode laser diode，Appl.Opti.，30：5068-507，1991]发展的时分复用技术(TDM)，是利用光纤对光波的延迟效应来寻址的复用技术。这种方法结构复杂，复用数量有限，测量范围小，测量精度低。

LIU等人[A frequency division multiplexed low-finesse fiber opticalFabry-Perot sensor system for strain and displacement measurements，Review ofScientific instruments，71(3)，1275-1278，2000]发展的频分复用技术(FDM)，利用光谱分析仪直接测量多个腔长不同的Fabry-Perot干涉仪输出的光谱叠加结果，这种方法受到腔长和腔长差的限制，干涉仪的复用数量仅为几个。