[发明专利]一种高分辨率偏振低相干干涉压力测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感领域，特别是涉及一种基于面阵相机的高分辨率偏振低相干干 涉压力测量装置及方法。

背景技术

1983年Al-Chalabi等人(S.A.Al-Chalabi,B.Culshaw，D.E.N.Davies，Partially coherentsourcesininterferometricsensors，FirstInternationalConferenceonOpticalFibre Sensors，1983:26-28)首次在光纤传感领域提出了基于低相干干涉的解调方法。基于低 相干干涉技术的解调干涉仪主要分为机械扫描型和电子扫描型两类，这两种类型的干涉 仪其最终目的都是在时间轴或空间轴上产生一系列的光程差，当解调干涉仪产生的某个 光程差与传感器微腔产生的光程差相匹配时，会产生低相干干涉条纹峰值，通过解调计 算出峰值位置，就能得到法珀腔长信息，进而得到导致法珀腔长变化的外界物理量的信 息。

电子扫描型偏振低相干干涉系统利用双折射晶体在空间上产生光程差，这类低相干 干涉系统没有移动部件，具有结构紧凑、稳定性强的优点。现有电子扫描型偏振型低相 干干涉解调系统使用线阵光电探测器阵列(如线阵CCD)对低相干干涉条纹进行采集， 解调方法也普遍基于一维低相干干涉条纹展开研究，通过光纤法珀压力传感器微腔长度 进行压力参量测量时，其测量范围和测量分辨率受到探测器像元尺寸和数量的限制，通 常需要在测量范围和测量分辨率这两个重要指标上进行权衡和取舍，很难同时实现大范 围和高分辨这两个重要指标，使得偏振型低相干干涉解调系统应用范围受限。

发明内容

基于上述现有技术存在的问题，本发明提出了一种高分辨率偏振低相干干涉压力测 量装置及方法，基于二维电子扫描型解调干涉仪获取二维低相干干涉条纹信号，利用带 空间倾角的双折射光楔的光学杠杆效应实现同时具有大测量范围和高分辨率的光纤压 力传感解调方法。

本发明提出的一种高分辨率偏振低相干干涉压力测量装置，从输入端到输出端，该 装置依次设置宽带光源1、光纤耦合器2、光纤法珀传感器3、准直透镜4、起偏器5、 带空间倾角的双折射光楔6、检偏器7、面阵相机8以及信号处理单元9，其中：光纤 耦合器2将宽带光源1发出的光引入到光纤法珀传感器3，并将光纤法珀传感器3返回 的光引入到干涉解调光路中；光纤法珀传感器3将压力变化转化为法珀腔腔长变化，不 同压力对应不同法珀腔腔长；所述准直透镜4、起偏器5、带空间倾角的双折射光楔6、 检偏器7、面阵相机8构成干涉解调器；准直透镜4设置在干涉解调光路最前端，对光 束进行会聚准直；起偏器5将准直透镜准直后的输入信号光进行起偏；带空间倾角的双 折射光楔6将起偏器5产生的线偏振光再产生两个正交的线偏振光，使这两束正交的线 偏振光具有沿光楔厚度变化方向呈线性分布的空间光程差，通过带空间倾角的双折射光 楔6的二维空间楔角，实现低相干干涉条纹在水平和垂直方向上不同程度的缩放，在其 中一个方向上对干涉条纹进行压缩，实现测量范围的扩大；在另一个方向上对局部干涉 条纹进行展宽，实现测量分辨率的提高；检偏器7对经过带空间倾角的双折射光楔6后 的两个相互正交的线偏振光进行同一方向的投影并产生干涉；利用面阵相机8对经过检 偏器后产生的干涉条纹进行采集；利用信号处理单元9对面阵相机采集的干涉条纹进行 处理，最终获取压力测量结果。

本发明还提出了一种高分辨率偏振低相干干涉系统的压力测量方法，具体包括以下 步骤：

步骤一、宽带光源发出的光经过光纤耦合器到达光纤法珀传感器；

步骤二、被光纤法珀传感器调制过的光信号从耦合器的出口导出，经准直透镜准直 后，经起偏器起偏成线偏振光，然后入射到带空间倾角的双折射光楔，起偏器的偏振轴 方向与带空间倾角的双折射光楔的光轴方向成45度放置，在带空间倾角的双折射光楔 中该偏振光被分解成相互正交的两束线偏振光即o光和e光，两个分量在带空间倾角的 双折射光楔中产生光程差

l(x,y)＝d(x,y)·(n_e-n_o)，

其中，x为入射光点至光楔顶点的横向距离，y为入射光点至光楔顶点的纵向距离， n_o和n_e分别为双折射晶体的o光折射率和e光折射率，d(x,y)为入射光点处的光楔厚 度，并且表达式如下：