[发明专利]一种全光纤频域干涉绝对距离测量方法及装置

摘要

本发明涉及绝对距离精密测量系统，尤其是一种全光纤频域干涉绝对距离测量方法及装置。本发明针对现有技术存在的问题，提供一种全光纤频域干涉绝对距离测量装置及对应测量方法，该装置方便易操作，能够高分辨力地测量反射体表面与光纤探头光出射端面的绝对距离，测量精度优于10 nm，测量量程可达到100 cm。本装置包括宽带光源、阵列光纤滤波器、光纤环形器、光纤探头、可调光纤滤波器等；所述宽带光源、阵列光纤滤波器与光纤环形器第一端口依次连接，光纤环行器的第二端与光纤探头连接，光纤探头将光波照射在反射体表面并同时接收从反射体表面返回的反射光波，光纤环行器的第三端口、可调光纤滤波器、光纤放大器、光纤光谱仪和计算机依次连接。

主权项

一种全光纤频域干涉绝对距离测量方法，其特征在于包括：步骤1：宽带光源产生光波通过阵列光纤滤波器后，光波通过光纤环形器第一端口入射至光纤环形器，光波传播至光纤环形器第二端口后入射至光纤探头尾纤，光纤探头光出射端面出射光波并照射在反射体上，光纤探头光出射端面同时接收从反射体表面返回的反射光波；步骤2：光波从光纤探头光出射端面发射时，由于菲涅耳效应，部分光从光纤探头光出射端面直接反射回来，成为参考光束，另一部分光波照射在反射体表面上发生反射，并由光纤探头光出射端面收集返回，叫做探测光束；宽带光源输出的光强度随光波频率f的分布函数为I0(f)，其电场强度随光波频率f的分布函数为E0(f)，两者关系为：I0(f)＝|E0(f)|2                         (1)参考光束的光强度随光波频率f的分布函数Ir(f)为：Ir(f)＝a1I0(f)＝a1|E0(f)|2                   (2)其中a1为光纤探头光出射端面反射率，0＜a1≤1；假设光纤探头光出射端面到反射体表面的距离为d，探测光束相对于参考光束多传播的时间为c为真空中光速，所以探测光束电场强度相对于参考光束产生exp(2πTf)的相位延迟，其光强度随光波频率f的分布函数Id(f)为：Id(f)=(1-a1)a2I0(f)=(1-a1)a2|E0(f)exp(2πTf)|2=(1-a1)a2|E0(f)exp(4πdf/c)|2---(3)]]>其中a2为反射体反射效率，0＜a2≤1，探测光束和参考光束在光纤探头中相遇后产生频域干涉；步骤3：参考光束和探测光束在光纤探头中相遇后产生频域干涉信号并一起通过光纤探头尾纤返回到光纤环行器的第二端口，再经光纤环行器的第三端口依次输送至可调光纤滤波器、光纤放大器；步骤4：光纤放大器将频域干涉信号放大后传输到光纤光谱仪；由光纤光谱仪记录的频域干涉光强Ι(f)的数学表达式可以写为：I(f)=|a1E0(f)+(1-a1)a2E0(f)exp(4πdf/c)|2=Ir(f)+Id(f)+2Ir(f)·Id(f)cos(4πdf/c)=I0(f)·[a1+a2-a1a2+2(1-a1)a1a2cos(4πdf/c)---(4)]]>对(4)式取傅立叶变换可得以时间t为横坐标的频域干涉光的功率谱函数G(t)：G(t)=F[I(f)]=F[I0(f)]*F{[a1+a2-a1a2+2(1-a1)a1a2cos(4πdf/c)]}=G0(t)*[(a1+a2-a1a2)δ(t)+(1-a1)a1a2δ(t+2d/c)+(1-a1)a1a2δ(t-2d/c)]=(a1+a2-a1a2)G0(t)+(1-a1)a1a2G0(t+2d/c)+(1-a1)a1a2G0(t-2d/c)=b1G0(t)+b2G0(t+2d/c)+b2G0(t-2d/c)---(5)]]>式中b1＝(a1+a2‑a1a2)和为常数，G0(t)是I0(f)经傅立叶变换后的功率谱函数；步骤5：计算机中计算距离d，具体过程：当G0(t)函数的特征时间点，即G0(t)的极大值点位于t＝0时，式(5)在功率谱中表现为特征时间点在坐标t＝0、和的三个极大值点，依次称为第1特征时间点、第2特征时间点和第3特征时间点；通过判读第2、第3特征时间点的在时间坐标上的位置，即可得到的值，进而得到距离d。