绝对距离测量的波长扫描干涉系统及其信号处理方法技术方案

本发明专利技术属于精密测量技术领域。包括由单模光纤连成一体的扫描光源，光纤耦合器、参考干燥仪及传感干涉仪，探测器，以及光电转换、放大滤波电路、Ａ／Ｄ变换器，计算机数据处理单元。本发明专利技术使其结构更加简单合理，减少系统的损耗及干涉噪声，提高了系统的可靠性，同时提出一种新的信号处理方法，提高了测量精度，并使运算时间大大缩短，更好地满足实际应用的需要。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于精密测量
，特别涉及用于绝对距离的光纤干涉测量技术。位移或距离的测量在工业生产及科研领域占有重要地位，特别是绝对距离的测量，是目前重要的发展方向而被研究。传统的机械或光学测量方法已不能适应高精度、自动化测量的要求。七十年代以来，国内外主要发展起了以激光为中心的精密测量技术，使测量范围和精度方面都有了很大的提高。归纳起来主要有激光干涉技术，激光外差干涉技术，光纤技术，多普勒技术等。光纤传感技术是七十年代后期，随着光通信技术、纤维光学和集成光学技术的发展，而迅速崛起的新型传感技术。与其它传统的传感器相比光纤传感器具有体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰、适于易燃易爆环境使用及便于多点多参量测量等优点。按光纤在传感器中的作用，光纤位移传感器可分为功能型和非功能型。在功能型光纤位移传感器中，位移的变化通过相应结构引起光纤的有关物理量发生变化，通过测量这些物理量的变化可知位移。如美国海军实验室N.Lagakis提出的微弯位移测量结构。非功能型光纤位移传感器中，对光的调制方法不同又可分为强度型和相位型两种。如X.P.Liu等提出的强度调制型位移传感器，通过探测物体表面反射回来的光强确定位移。光学中的干涉法是已知的最灵敏的探测技术之一。光纤干涉型位移传感器是利用外界因素引起光纤中光的相位变化来探测位移或距离的变化，属于相位调制型光纤传感器，其特点是灵敏度高。目前用于位移传感的光纤干涉仪主要有Mach-Zehnder型、Michelson型和Fobry-Perot型三种光纤干涉仪。光纤干涉位移测量一般是采用传统的干涉条纹计数的方案，由于其致命弱点一一干涉条纹必须连续计数，从而使其实际应用受到极大限制或测量需用导轨，或响应速度不高，或位移必须连续等。在此基础上，近来发展起的一些干涉技术如白光干涉技术，线性调频外差干涉、采用小数条纹的多波长干涉技术等使得光纤位移传感器以其广泛的特性、高灵敏度和精度更加引人注意。白光干涉法要求宽光谱的稳定光源和高重复性的机械移动；调频外差技术要求光源中心频率稳定和严格线性的调制；而小数条纹的多波长干涉技术不但要求光源波长稳定，而且测量范围较小。这些因素都给测量带来了很大困难。如果将其应用于绝对距离测量，必须校准作为参考尺度的光源波长。为克服以往技术的缺点，本申请专利技术人提出了一种可用于绝对距离测量的波长扫描干涉仪，其结构如附图说明图1所示。扫描光源11通过一个光纤耦合器131将扫描光束分为两路，每路再通过一个光纤耦合器132、133分别与一个参考干涉仪12、传感干涉仪15相连，当光源波长扫描时，探测器141、142分别连接于光纤耦合器132、133的输出端。探测器142接收到参考干涉仪12输出的干涉信号V2，探测器141接收到传感干涉仪15输出的干涉信号V1，分别对其进行处理得到V1、V2的相位变化Δφb和Δφa，按公式 可求出待测腔长。上述系统对硬件要求高，器件多、损耗大，使精度、可靠性受到影响，且该系统的信号处理方法运算量大，不能实时处理数据，因而实际应用受到限制。本专利技术的目的在于为克服已有技术的不足之处，对上述波长扫描干涉系统进行改进，使其结构更加简单合理，减少系统的损耗及干涉噪声，提高了系统的可靠性，同时提出一种新的信号处理方法，使测量精度进一步提高，并使运算时间大大缩短，更好地满足实际应用的需要。本专利技术提出一种绝对距离测量的波长扫描干涉系统包括由单模光纤连成一体的扫描光源，光纤耦合器、参考干涉仪及传感干涉仪，与光纤耦合器相连的光信号探测器，对探测器检出的光信号进行转换的光电转换、放大滤波电路、A/D变换器以及对该转换器的输出信号进行实时处理的计算机数据处理单元，所说的参考干涉仪由两个分别连于光纤输入端的共轴1/4节距自聚焦透镜构成，所说的传感干涉仪是由与光纤输出端相连的自聚焦透镜和待测物表面构成。其特征在于所说的扫描光源、参考干涉仪、传感干涉仪通过两个耦合器与光纤构成两级串联结构。本专利技术工作原理结合图2说明如下扫描光源21发出波长在一范围内的变化的光束，由连接于耦合器231的两个探测器241，242接收得到信号Va1和经两个自聚焦透镜组成的F-P干涉仪22产生一干涉信号Va2，经处理得到参考干涉信号Va＝Va1/Va2；该波长扫描光束再由连接于耦合器232的两个探测器243，244接收得到信号Vb1和经过由一个自聚焦透镜和探测物表面组成的传感F-P干涉仪25产生传感干涉信号Bb2，经过处理得到传感信号Vb＝Vb1/Vb2。设定扫描波长λ及扫描范围Δλ，则相位变化 。于是有 ，la为已知的参考干涉仪腔长，Δφa、Δφb可求出，于是可得到待测长度(即传感干涉仪的腔长的距离) 。由于Δφb、Δφa求解精度有限，lb存在误差。上式所得只能作为进一步精确求解过程的初值。另外，信号的频率较相位更易求出，因此求lb初值时，可采用下列方法采用FFT方法求Va和Vb频率值，在谱峰处采用二次曲线拟合方法求出最大峰处的频率分别为fa和fb，可解决FFT分辨率不高的问题。 ，(0-1mm范围内，精度约为1μm)。获得初值后，再进一步准确求解。为增加干涉光的强度，减少传输光的损耗，所说的参考干涉仪的两个自聚焦透镜相对两面镀有反射膜形成干涉腔；另外两相背面镀有增透膜，且与光纤轴线形成一小斜角。所说的传感干涉仪中的自聚焦透镜与光纤输出端相连的端面镀有增透膜，并与光纤轴线成一小斜角，该自聚焦镜的另一端面与被测物表面形成干涉腔。本专利技术所述扫描系统的信号处理方法为利用FFT方法求被测腔长的初值，再对扫描中心波长及扫描范围进行估计从而获得被测腔长，完成绝对距离的测量。本扫描干涉系统的信号处理方法，包括以下步骤1)采集扫描干涉系统中四个探测器输出的并经处理成为数字信号的序列值Va1i、Va2i、Vb1i、Vb2i以及参考干涉仪的固定腔长值la；2)将上步骤序列值经过规一化信号处理得到余弦信号值Vai和Vbi；3)采用FFT方法求出Va和Vb的中心频率fa和fb；4)根据lb′＝la·fb/fa得到被测的传感干涉仪的腔长近似值lb′；5)设定扫描过程的中心波长λc的初值为λco得到扫描范围Δλ的初值λ0；6)采用递推方法得到λc和Δλ的精确值；7)利用序列Vbi、λc和Δλ得到lb的准确值。本专利技术所述方法利用以下算法步骤1Va′＝Va1/Va2，Vb′＝Vb1/Vb2，按最小二乘法对Vb′和Vb′规一化处理得到Va和Vb。采用FFT方法求其中心频率fa和fb，lb的最初估计值为lb＇＝la·fb/fa(1)lb′的精度仅为1μm。设波长扫描从 到 ，λc为中心波长，Δλ为扫描范围，在一次扫描过程中为常值，但各次扫描中，可能不同。设f0为信号中心频率，则有Δλ=λc22l·f0·N/fs---(2)]]>N为采样点数，fs为采样频率。表II 从上面结果可以看出式I化合物抑制角质化细胞的增生。因此，式I化合物可用于治疗过度增生性皮肤病如牛皮癣。鼠的钙耐受性试验体内钙平衡的大辐度改变强烈地影响鼠体重增长。每天给鼠(体重25-30g)皮下注射化合物，连续4天。仅在5天疗本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种绝对距离测量的波长扫描干涉系统包括由单模光纤连成一体的扫描光源，光纤耦合器、参考干涉仪及传感干涉仪，与光纤耦合器相连的光信号探测器，对探测器检出的光信号进行转换的光电转换、放大滤波电路、Ａ／Ｄ变换器以及对该转换器的输出信号进行实时处理的计算机数据处理单元，所说的参考干涉仪由两个分别连于光纤输入端的共轴１／４节距自聚焦透镜构成，所说的传感干涉仪是由与光纤输出端相连的自聚焦透镜和待测物表面构成，其特征在于所说的扫描光源、参考干涉仪、传感干涉仪通过两个耦合器与光纤构成两级串联结构。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：廖延彪，王勇，田芊，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]