专利摘要

本发明提供的是一种基于非平衡Mach-Zehnder的多路复用光纤干涉仪的解调装置。由宽谱光源、光环行器、光分路器、传感阵列切换传输光纤、光纤传感器阵列、非平衡Mach-Zehnder光学自相关器和干涉信号探测单元连接而成。非平衡Mach-Zehnder干涉仪构成光程相关器，复合于相关器中的窄线宽激光对光程扫描幅值和均匀性进行评价，补偿了光程扫描误差，提高了传感器测量精度；能降低干涉仪的干涉拍噪声，提高干涉仪的复用个数；光学自相关器实现多路复用光纤传感器的信号解调；唯一存在的光程匹配条件，抑制了二次光程匹配的干涉噪声。本发明可用于可多点应变或者温度等物理量的实时监测与测量，大尺寸的智能结构监测等领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤干涉仪的解调装置，具体地说是一种基于非平衡Mach-Zehnder光学自相关器的多路复用光纤干涉仪的解调装置。

背景技术

采用低相干、宽谱带光源，例如发光二极管(LED)、超自发辐射光源(ASE)或者超辐射激光二极管(SLD)驱动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其结构如图1所示，由单模光纤所搭建的Michelson式干涉仪中采用宽谱光源LED或者ASE作为光源，通过探测器所探测到的白光干涉条纹实现对待测物理量的测量。其工作原理如下，由低相干宽谱光源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，大约为几微米到几十微米，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的光程相匹配。当测量臂光程变化时，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，当测量光束在外界待测物理量的影响下其光程发生变化时，只需通过参考臂光程调整即可得到的白光干涉条纹的位置变化，从而获得被测量物理量的绝对变化值。与其他光纤干涉仪相比，光纤白光干涉除了具有高灵敏度、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。

为解决光纤传感器的多路复用问题，1995年美国H-P公司Wayne V.Sorin和Douglas M.Baney公开了一种基于光学自相关器的白光干涉传感器的复用方法(美国专利：专利号5557400)。如图3所示，它基于非平衡Michelson干涉仪结构，利用光信号在Michlson干涉仪固定臂和可变扫描臂之间形成的光程差与多路复用光纤传感器的前后两个端面反射光信号的光程差之间的匹配实现光学自相关，获得传感器的白光干涉信号峰值，再利用改变扫描臂与固定臂之间光程差的大小，与多个首尾相接的串行光纤传感器阵列中的每个传感器的长度逐一发生匹配，完成光纤传感器的多路复用。上述结构虽为白光干涉光纤传感器多路复用的经典结构，但其缺点主要有两个：其一是光源功率效率低，仅有等效为1/4的光功率传感器中；其二是有一半功率的由光源发出信号光回馈会光源中，对于ASE的光源如不隔离会影响系统工作的稳定性。

除上述结构外，申请人于2007年和2008年公开的低相干绞扭式类Sagnac光纤形变传感装置(中国专利申请号：200710072350.9)和空分复用Mach-Zehnder级联式光纤干涉仪及测量方法(中国专利申请号：200810136824.6)主要用来解决光纤传感器阵列布设过程中的抗毁坏的问题；申请人于2008年公开的光纤Mach-Zehnder与Michelson干涉仪阵列的组合测量仪(中国专利申请号：200810136819.5)和孪生阵列Michelson光纤白光干涉应变仪(中国专利号申请号：200810136820.8)主要用于解决白光光纤干涉仪多路复用中温度对测量干扰，以及温度和应变同时测量问题；申请人于2008年公开的一种简化式多路复用白光干涉光纤传感解调装置(中国专利申请号：200810136826.5)和基于可调Fabry-Perot谐振腔的分布式光纤白光干涉传感器阵列(中国专利申请号：200810136833.5)，环形腔、F-P腔光程自相关器的引入，主要用于简化多路复用干涉仪的结构，构造共光路结构，提高温度稳定性；申请人于2008年公开的一种双基准长度低相干光纤环形网络传感解调装置(中国专利申请号：200810136821.2)基于4×4光纤耦合器光程自相关器的引入，目的是解决多基准传感器的同时测量问题。上述基于空分复用的干涉仪结构中，光程自相关器大多采用Michelson干涉仪、Mach-Zehnder干涉仪、Fabry-Perot干涉仪等结构，为了形成能够与光纤传感器前后端面反射信号光程差相匹配的具有一定光程差的信号光束(至少两束以上)，光程自相关器中至少一个N×M光纤耦合器(例如：2×2、3×3或者4×4光纤耦合器)。由于N×M光纤耦合器的分光特性和光路对称特性，上述光学自相关器无一例外存在三个问题：其一是光路拓扑结构对光源功率衰减大、光源利用率低。以采用2×2光纤耦合器为例，由光源发生的光信号仅有一半达到传感器阵列，被其反射的光信号，又有一半经过衰减，以图3所示的W.V.Sorin公开的光路结构而言，理论上最多只有1/4的光源功率参与光学相关过程，其他功率均被衰减掉了，如果采用3×3或者4×4光纤耦合器，则其功率衰减为(1/3)²或者(1/4)²，则更为严重；其二是某些光路结构，光信号前后两次(或者多次)经过光程自相关器，如：中国专利申请号200810136826.5、200810136833.5以及一种双基准长度低相干光纤环形网络传感解调装置(中国专利申请号：200810136821.2)的专利文件中的技术方案，使光纤传感器和光程自相关器之间的光信号相关存在两个以上的光程匹配关系，造成白光干涉信号中存在二次(或者多次)光程匹配噪声，使传感器自相关峰值在空间位置上不再唯一，对其识别和传感器测量造成困难；其三是光路拓扑结构上存在对称性，光源和探测器在光路中是对称和互易的，理论上至少有与探测器接收功率相同数值的光信号又回馈到光源中，虽然光源的类型为宽谱光，与激光光源相比，对回馈不十分敏感，但是过大的信号功率反馈，会引起光源的谐振(如基于光纤自发超辐射类型的光源ASE等)，会导致光源发生光信号的功率降低，特别是在白光干涉时，较大的干涉信号功率波动对光源的使用会造成极其不利的影响，降低光学自相干峰值幅度的测量精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种能提高光源功率利用率、抑制干涉拍噪声、消除光学自相关器中光程扫描的畸变和非均匀性等问题，提高低相干光纤干涉仪的解调精度和增加干涉仪的复用个数的基于非平衡Mach-Zehnder的多路复用光纤干涉仪的解调装置。

本发明的目的是这样实现的：

它由宽谱(ASE)光源1、光环行器2、光分路器7、传感阵列切换传输光纤3、光纤传感器阵列4、非平衡Mach-Zehnder光学自相关器5和干涉信号探测单元6连接而成；

所述光环行器2的第一输入端a连接宽谱光源1，第二输出端b通过传输光纤3连接光纤传感器阵列4，反射端c连接非平衡Mach-Zehnder光学自相关器5；

所述非平衡Mach-Zehnder光学自相关器5由第一光纤耦合器51、三端口光环行器52、光纤准直器53、可移动光学反射镜54、第二光纤耦合器55和窄线宽激光器56组成；第一光纤耦合器51的输入端口分别连接环行器2的反射端口c和窄线宽激光器56；第一光纤耦合器51的两个光学输出端分别与第二光环行器52的输入端d和第二耦合器55的输入端h连接；第二光环行器52的输出端e与光纤准直器53连接；第二光环行器52的反射端口g与第二耦合器26的一个光学输入端口相联；

所述干涉信号探测单元6由两个波分复用器61a、61b，四个光电探测器62a、62b、63a、63b，两个差分放大器64a、64b以及数据采集系统65和信号处理计算机66连接组成。

本发明还可以包括：

所述的三端口光环行器2或52具有一个光学输入端a或d、一个光学输出端b或e和一个光学反射端c或g，具有光学单向传输功能，由输入端a或d注入光信号仅由输出端b或e输出，由输出端b或e注入光信号，则仅由反射端c或g输出；

所述的光分路器7，其特征是一段单模光纤，或者是1×N均分的光纤耦合器，或者是1×N光纤开关；

所述的第一光纤耦合器51和第二光纤耦合器55至少具有两个光学输入信号端和两个光学输出信号端，最优分光比为50∶50；

所述的第一光纤耦合器51、第二光纤耦合器55和三端口光环行器52的工作光谱范围能够同时覆盖宽谱光源1和窄带宽激光器56的发射光谱；

所述的非平衡Mach-Zehnder光学自相关器5的两干涉臂光程差的扫描范围能够覆盖全面光纤传感器前后端面所产生的光程值，包括传感器测量时所产生的光程变化的大小；

所述的窄线宽激光器56，其特征是光谱范围与宽谱光源1不重叠，光源56的相干长度大于非平衡Mach-Zehnder光学自相关器5的两臂光程差的10倍以上。

所述的干涉信号探测单元6的波分复用器61a、61b具有一个输入端，分别与第二耦合器55的两个输出相连；和两个光谱响应范围不同的输出端，分别与宽谱光源1和窄线宽激光光源56的光谱范围相对应；连接在相同光谱响应的输出端上的光电探测器62a和63a、62b和63b两两实现差分式平衡探测。

所述的非平衡Mach-Zehnder光学自相关器5和干涉信号探测单元6中，当可移动光学反射镜54移动实现的光程扫描时，由窄线宽激光光源56发出的信号光经过光学自相关器5的两臂h和d-＞e-＞f-＞e-＞g后形成干涉条纹被干涉信号探测单元6中的两个光电探测器62a和63a、或者62b和63b转换为光程扫描校准信号，实现对光学反射镜54光程扫描准确性和运动均匀性的评估。

所述的光纤传感阵列4由若干个首尾依次串接的光纤传感器41组成；而光纤传感器41由一段长度任意，两端带有光纤插芯的单模光纤组成一系列长度不等的单模光纤段构成首尾相接的串行阵列。

所述的基于非平衡Mach-Zehnder光学自相关器的多路复用光纤干涉仪的解调装置中光纤器件都工作在单模状态。

本发明方法的基本原理是基于低相干、宽谱光(白光)的干涉原理和空分复用原理。基于非平衡Mach-Zehnder光学自相关器的多路复用光纤干涉仪的解调装置如图4所示，即传感器阵列中只连接一个传感器41的情况。

由低相干宽谱光源1的出射信号光经过环行器2的输入端a从输出端b输出，经过传输光纤3后达到光纤传感器41，被R₁₀和R₁₁端面反射形成两束反射光信号，沿原路返回经传输光纤3和光环行器2后，从输出口c进入非平衡Mach-Zehnder光学自相关器5。它们通过第一光纤耦合器51分成四束，其中两束信号光经Mach-Zehnder干涉仪的固定臂55，从第二光纤耦合器56的输出端口直接输出到干涉信号探测单元6中，另外两束信号光经第一光纤耦合器51的输出端口进入光环形器52的输入口d，经由输入口d端到达输出口e，进入光纤准直器53，并被反射镜54反射后，再次由e端口入射，从反射端口g输出，经过第二光纤耦合器输出到干涉信号探测单元6，四束信号光的光程如下：

1)经过传感器端面R₁₀和非平衡的Mach-Zehnder干涉仪的固定臂的透射光束：

a-＞b-＞R₁₀-＞b-＞c-＞h-＞i；

2)经过传感器端面R₁₁和非平衡的Mach-Zehnder干涉仪的固定臂的透射光束：

a-＞b-＞R₁₀-＞R₁₁-＞b-＞c-＞h-＞i；

3)经过传感器端面R₁₀和非平衡的Mach-Zehnder干涉仪的扫描臂的透射光束：

a-＞b-＞R₁₀-＞b-＞c-＞d-＞e-＞f-＞e-＞g-＞i；

4)经过传感器端面R₁₁和非平衡的Mach-Zehnder干涉仪的扫描臂的透射光束：

a-＞b-＞R₁₀-＞R₁₁-＞b-＞c-＞d-＞e-＞f-＞e-＞g-＞i；

四束光由第二耦合器56均匀分成两份后，到达干涉信号探测单元6中被光电探测器器接收。

不失一般性，假设非平衡Mach-Zehnder光学自相关器5的固定比h短于d-＞e-＞f-＞e-＞g，1)～4)四束信号光，1)最短，4)最长，2)和3)与传感器长度R₁₀-＞R₁₁和M-Z两臂(d-＞e-＞f-＞e-＞g-h)光程差有关。当精确一定扫描反射镜54，使d-＞e-＞f-＞e-＞g-h与R₁₀-＞R₁₁二者完全相等，即由光纤传感器41左右端面反射的两束信号光所具有的光程差，完全由非平衡Mach-Zehnder光学自相关器5所补偿。此时，光纤传感器的左右两个端面的反射信号产生干涉，在探测器表面发生相干叠加，由于宽谱低相干光源的相干长度很短，大约为几个微米到几十个微米，只有当干涉信号的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。干涉信号探测单元6中的两只探测器所获得的干涉幅度为：

IPD1=I1+I2+2I1I2|γ(x)|cos(k1x+φ1)]]>(1)

IPD2=I1+I2-2I1I2|γ(x)|cos(k1x+φ1)]]>

式中：I₁、I₂为宽谱光的参考光束和测量光束的信号强度，k₁为宽谱光源的波数，x为两干涉信号光程差， 为初始相位，γ(x)为光源自相关函数。经过干涉信号探测单元6中的差分放大器进行处理得到：

IPD1-IPD2=4I1I2|γ(x)|cos(k1x+φ1)---(2)]]>

其白光干涉信号如图2所示。具体到图4的光纤测量系统而言，即为测量信号在传感器41左右端面反射所累积的光程与参考信号在环形多光束生成器反射镜54与光纤准直器之间引入的光程差相等。

(nL₁+2X)-nL₂-＝2nl    (3)

其中，l为左右反射面之间的光纤传感器的长度，n为光纤纤芯的折射率，X代表光纤准直器53到反射镜54之间的距离，nL₁为d-＞e+e-＞f的光程，nL₂为h的光程。

由窄带激光光源55发出的相干光，同样经过非平衡Mach-Zehnder光学自相关器5的两臂后，到达干涉信号探测单元6中。由于光源55的光谱极窄，其相干长度远大于光学自相关器5两臂的光程差，因此在反射镜54运动实现光程扫描的光程中，来自于光源55的信号光经过光程扫描臂55两臂后始终能够实现干涉，同样被干涉信号探测单元6中的另外两只探测器所探测。可以表示为：

IPD3=I3+I4+2I3I4·cos(k2x+φ2)]]>(4)

IPD4=I3+I4-2I3I4·cos(k2x+φ2)]]>

式中：I₃、I₄为窄带激光的参考光束和测量光束的信号强度，k₂为宽谱光源的波数，x为两干涉信号光程差， 为初始相位。

经过干涉信号探测单元6中的另外一个差分放大器的处理得到：

IPD3-IPD4=4I1I2cos(k2x+φ2)---(5)]]>

其窄带光干涉信号如图4所示，其中光程扫描位置X与图2中相对应。

宽谱光和窄带光由干涉信号探测单元6中的波分复用器61a、61b进行分离，波分复用器具有两个光谱响应范围可以将宽谱光源1和窄线宽激光光源56在光频域中良好的区分开来，从而使连接其上的光电探测器62a和63a、62b和63b分别实现对宽带和窄带光源干涉条纹的探测和分离。

由(2)和(5)式可知，宽谱光和窄带激光干涉的区别在于，反射镜54进行光程扫描时，只有当d-＞e-＞f-＞e-＞g-h与R10-＞R11接近相等时，宽谱光才能发生白光干涉(如图2所示)，而在光程扫描的全过程中，窄带激光始终有干涉条纹输出(如图5所示)。并且如果反射镜55进行高精度、高均匀性的光程扫描的话，窄带激光的干涉条纹是等幅、等频率的正弦信号；反之，则其将产生畸变。实际对光程进行扫描时，由于扫描台精度、运动控制精度、光路调节精度等受限，不可避免地产生光程扫描误差，利用对窄带激光输出干涉信号特性的处理和评估，可以对光程扫描过程进行校正，提高信号测量的精度。

本发明中带有光环行器的M-Z光程自相关器结构，以及连接其上的窄带激光光源使其具有如下显著的优点和特点：

(1)利用窄线宽激光通过非平衡Mach-Zehnder光程相关器后产生的高相干干涉信号的探测，得到亚波长级的光程扫描精度，同时利用干涉信号单频等幅等特点，可以实现对光程扫描幅值和均匀性精确补偿，抑制了光程扫描的运动误差，将白光干涉检测精度提高到亚微米量级，实现了光纤传感器的高精度测量；

(2)利用在非平衡Mach-Zehnder光程相关器后连接互补的双探测器，可以实现平衡式差动白光干涉信号的探测，抑制了来自于传感器非白光干涉信号产生的干涉拍噪声，提高了光程相关器的检测信噪比，等效地提高了干涉仪的复用个数；

(3)光源与传感器阵列之间、以及非平衡M-Z光学自相关器中光环形器的引入，使由光源发出的光信号只具有前向传输的特性，其优点是：光信号无法回到光源内，避免了光束回馈，增加光源系统的稳定性；避免了两次(或者多次)通过光程自相关器，抑制了造成的二次(多次)光程匹配干涉噪声；光源的功率全部达到探测阵列，并且由传感器阵列反射的信号功率也全部到达探测器，在使用相同光源时，即使考虑到光环行器的衰减，也是达到探测器的功率至少提高一倍，极大地提高了光源的利用率。本发明公开的光路拓扑结构是目前已知的光源利用效率最高的一种光路。

本发明公开的基于非平衡Mach-Zehnder光学自相关器的多路复用光纤干涉仪的解调装置。它采用非平衡M-Z干涉仪和环形器构成光程相关器；实现了多路复用光纤传感器的信号解调；唯一存在的光程匹配条件，抑制了二次光程匹配的干涉噪声；传感器的反射光信号全部参与干涉过程，是光源利用效率最高的一种光路结构；无光信号回馈到光源中，增加了系统的稳定性。采用复合于光程相关器中的窄线宽激光光源对光程扫描幅值和均匀性进行评价，补偿了光程扫描误差，提高了传感器测量精度。采用平衡差动双探测器检测方法，降低干涉仪的干涉拍噪声，提高了干涉仪的复用个数。本发明可用于可多点应变或者温度等物理量的实时监测与测量，大尺寸的智能结构监测等领域。

附图说明

图1是典型的白光干涉Michelson干涉仪结构示意图。

图2是典型的白光干涉条纹信号示意图。

图3是基于非平衡Michelson干涉仪结构光程自相关器的光纤传感器多路复用光路结构示意图。

图4是基于非平衡Mach-Zehnder干涉仪结构光程自相关器的光纤干涉仪连接单个传感器的光路结构示意图。

图5是光程扫描理想时窄带光源通过光程自相关器产生的干涉信号。

图6是基于非平衡Mach-Zehnder光程自相关器利用光分路器实现光纤干涉仪多路复用的光路示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例：基于非平衡Mach-Zehnder光程自相关器利用光分路器实现光纤干涉仪多路复用的一种分布式光纤传感测量系统的方案，如图6所示。由图6可知，宽带光源1和窄带光源55分别由中心波长1550nm、半谱宽度大于30nm的SLD光源和中心波长1310nm、半谱谱宽小于1pm的DFB光源构成。光分路器由工作于1550nm波段的1×N光纤开关构成。光纤传感器阵列4中，S₁₁～S_NN的长度大约均为1米，且长度各不相等，长度差异在1mm以上；传输光纤3为最大长度为50km的单模光纤构成；第一耦合器51和第二耦合器56均为可以工作在1310nm和1550nm的双波长3dB均分耦合器构成；三端口光环行器也可以工作在1310nm和1550nm两个窗口.非平衡Mach-Zehnder光学自相关器5两臂的初始光程差在1m左右，光纤准直器53和可移动反射镜54(反射率为90％以上)之间的光程扫描距离大约在0～400mm之间变化，插入损耗为1.5dB。干涉信号探测单元6中的波分复用器61a、61b分别为1310nm/1550nm粗波分复用器，光电探测器62a、62b、63a、63b均为InGaAs光电探测器，光探测范围为1100～1700nm，能够同时覆盖宽谱光源和窄带激光的光谱，如采用New Focus公司的Nirvana^TM系列2017型平衡探测器。

基于白光干涉原理的光纤干涉仪的干涉条纹只发生在光程匹配附近的几个微米到几十个微米之间。利用这个特点，无需利用复杂的时分或者频分复用技术，即可实现传感器的复用，如图6所示。将光纤传感器S₁₁～S_1N首尾相接组成串行阵列4。每个传感器的端面都具有一定的反射率R₁₀～R_1N。如果每个传感器的长度大于光源的相干长度，则干涉条纹在各自相干长度内，只存在单一的白光干涉信号，即干涉条纹互不干扰，相互独立；通过对非平衡Mach-Zehnder光学自相关器5中的扫描反射镜54的调节可实现空间光程扫描，如果每个传感器的长度不同时，就能对多个传感器加以区分，从而实现对多个外界物理量的查询与问讯，能够十分方便的实现分布式传感测量。

由上述可见，分布式光纤白光干涉传感器阵列多路复用和解调的基本思想是由传感器引入的光程差被非平衡Mach-Zehnder光学自相关器5中产生的可变光程差所补偿时，发生一一对应的光程匹配，使产生的白光干涉条纹在光程扫描空间上相互独立、互不干扰，从而实现分布式传感测量。

当传感器S_kj受到应变等外界因素作用发生形变时，调节可变参量X_kj，使光程匹配，即：

ΔX_kj＝Δnl_kj  k，j＝1，2，3，...N    (6)

假设第一路阵列中的第一个光纤传感器长度由l₁₁变化到l₁₁+Δl₁₁，第二个传感器由l₁₂变化到l₁₂+Δl₁₂，第N个传感器由l_N变化到l_1N+Δl_1N；同理，对于第N路中的传感器通过切换光分路器7，同样也如此。则通过测量传感器长度的变化量，则可以得到每个传感器所感知的应变

ϵ11=Δl11l11,ϵ12=Δl12l12,......ϵN=Δl1Nl1N··---(7).]]>

ϵN1=ΔlN1lN1,ϵ12=ΔLN2lN2,......ϵNN=ΔLNNlNN]]>

基于非平衡Mach-Zehnder的多路复用光纤干涉仪的解调装置专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。