利用气体吸收光谱参考的干涉仪绝对位移解调系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种利用气体吸收光谱参考的干涉仪绝对位移解调系统及方法，解调系统包括连接在光路中的扫描激光器、光纤隔离器、光纤耦合器、干涉仪、信号探测器、参考探测器、信号放大器、微处理器、气体参考气室，气体参考气室充满在扫描激光器的波长扫描范围内具有吸收峰的参考气体；本发明专利技术利用在扫描激光器的波长扫描范围内具有吸收峰的参考气体的吸收光谱作为绝对光谱参考位置，以及结合吸收谱线的固定波长和谱线半宽度，或两个吸收谱线波长间距进行从时间轴向波长轴或位相轴转换的标定方法，配合利用干涉条纹自身特征点完成干涉腔腔长的绝对值测量，适用于各种基于干涉原理的传感装置中，实现高效率、高精度、低功耗、低成本的干涉解调。本的干涉解调。本的干涉解调。

【技术实现步骤摘要】
利用气体吸收光谱参考的干涉仪绝对位移解调系统及方法


[0001]本专利技术涉及光电测量仪器仪表及干涉传感器
，尤其涉及一种利用气体光谱参考的干涉仪绝对位移解调系统及方法与应用。

技术介绍

[0002]基于为了满足医疗、航空航天、桥梁建筑、高温油井、工业监测和国防等领域的压力监测应用的需求，各种微型光纤F
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P及光纤MEMS传感技术已经被研发出并应用于不同的应用场景。这些基于F
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P干涉原理的干涉传感器一般是通过被测量作用于F
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P腔，引起腔长变化来进行传感的。干涉仪的两面镜子分别是位于一端的薄膜内表面和位于另一端的光纤尖端，构成F
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P干涉仪的核心敏感元件，当入射光在F
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P腔的两个端面形成反射，反射光束在信号探测器处产生干涉信号。这种干涉信号或干涉条纹随着F
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P腔长的改变而发生变化，通过对干涉条纹的变化进行解调，就可以实现被测参量传感和测量。
[0003]干涉仪条纹的解调就是指从干涉仪的干涉条纹信息提取出干涉仪光学腔长的变化值。常规干涉仪腔长的提取有多种解调方法，主要分光强度解调方法、光谱解调方法以及低相干干涉解调方法三大类。光强度解调方法对应的系统结构简单,响应速度快，但是对腔长精度的控制和光源稳定性的要求过高。光谱解调方法采用较为复杂的光谱获取系统，由于光谱仪造价普遍较高，该方法的广泛应用受到限制。基于白光干涉解调技术，利用不同类型的干涉仪(参考干涉仪)与法布里
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珀罗腔体(传感干涉仪)的互相关关系可以对传感干涉仪的腔长变化进行了解调。这种低相干干涉技术可分为时间扫描型和空间扫描型两类，参考干涉仪分别在时间轴或空间轴上产生一系列的光程差，利用任意条纹峰值位置相对于中心波长干涉条纹的零级条纹峰值位置就可以对干涉条纹进行解调，这种解调方法结构比较复杂，精密机械扫描的成本也很高。采用波长扫描光源作为干涉仪的光源，利用波长扫描激光光源的波长可读性，加上干涉条纹光强最大值或最小值处的波长值，也可以实现干涉条纹的解调，反演出干涉腔长的变化。但是波长扫描激光光源的功耗大，成本也比较高，特别是对于小型传感器而言，功耗、成本、体积使这种方法受到限制。特别是波长扫描激光光源在大的温度变化范围中，其作为精密测量值的波长读数需要修正。如何实现小尺寸，低功耗，低成本，高精度的干涉解调就是在设计光纤干涉仪传感技术难题。
[0004]以F
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P干涉仪为例的传感器解调原理如下：
[0005]根据F
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P原理，当一个腔长为L且两个端面的反射率R相等且较小的F
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P传感器受到光波波长为λ的光照射时，对某个特定腔长为L的传感器光纤法－珀传感器的反射输出光强与光频率呈余弦函数关系，其反射光强度I分布公式为：
[0006][0007]其中是初始位相，是一个常数；而位相I0为入射光光强，在各波长强度相等的理想光源条件下，I0是常数；所以干涉仪的输出光强中蕴含着F
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P腔腔长信息，干涉仪的解调方法均就是利用I的变化信息来反演出L的变化量。
[0008]众所周知，位相的变化是由干涉腔长L及波长λ的变化引起的，所以通过改变干涉
腔长度或改变激光波长就可以使得位相做相应的改变，也就是：
[0009][0010]其中，分别代表由干涉腔长变化和由激光波长变化引起的位相变化。当ΔL＝0，保持不变，而由Δλ改变引起2π的位相变化时，对应的干涉仪的反射光强将变化一个周期，形成一对明暗相间的干涉条纹。这时，如果由ΔL改变引起了位相变化，干涉条纹就会相对于ΔL＝0时的条纹发生平移，通过测量干涉条纹平移的量，或位相变化，就可以利用反演出ΔL的变化量，从而达到从干涉条纹信息解调出干涉腔长的变化量的效果。
[0011]采用测量干涉条纹追踪法，或位相变化追踪法的解调方法虽然有信号处理简单、测量速度快等优点，但是该方法存在动态范围受限的问题，此外，腔长的解调精度很大程度上依赖于记录下ΔL的原点值，即ΔL＝0时的干涉条纹位置，才能够通过比较不同干涉条纹的位置来确定ΔL的值。由于这种方法依靠干涉条纹的准确读取，而输出干涉条纹近似正弦波，不容易准确地确定干涉条纹最大值的位置，因此干涉条纹追踪法有解调精度不高的问题。特别是，当干涉仪断电重启时，系统无法确定任何干涉条纹位置变化是否是由于干涉腔长L变化引起的，还是由于激光波长λ变化引起的。

技术实现思路

[0012]为解决上述现有技术中存在的技术问题，本专利技术的目的之一在于提供一种利用气体光谱参考的干涉仪绝对位移解调系统，通过采用扫描激光器作为干涉仪传感器的光源，利用在所述扫描激光器的波长扫描范围内具有吸收峰的参考气体的吸收光谱作为绝对光谱参考位置，以及结合吸收谱线的固定波长和谱线半宽度，或两个吸收谱线进行时间向位相转换的标定方法，从而完成干涉腔腔长的绝对值测量；本专利技术可以应用于各种干涉传感器的干涉解调，具备可以测量干涉腔绝对腔长的高分辨和高准确度等优势；
[0013]此外，本专利技术的利用气体吸收光谱参考的干涉仪绝对位移解调系统的解调方法可以用于到各种基于干涉原理的传感装置，应用前景十分广阔；当这种解调方法用在干涉仪传感装置时，不但可以减少传感器的功耗和体积，而且可以在低功耗、微型化、轻便式干涉仪传感器中，降低了现有干涉仪传感器的解调仪成本，简化了整个检测装置的结构。
[0014]本专利技术的目的之二在于提供一种利用气体光谱参考的干涉仪绝对位移解调系统的解调方法，利用在所述扫描激光器的波长扫描范围内具有吸收峰的参考气体的吸收光谱作为绝对光谱参考位置，以及结合吸收谱线的固定波长和谱线半宽度，或两个吸收谱线进行时间向位相转换的标定方法，从而完成干涉腔腔长的绝对值测量，相对于现有技术中如基于单色光干涉术(与白光干涉术相反)的传感技术，仅能测量长度相对变化ΔL(相对于任意的初始值)，无法确定干涉腔的实际腔长的缺陷，本专利技术的测量到的空腔长度之所以被称为绝对长度，是因为测量过程是基于吸收谱线的固定波长和谱线半宽度，在常温常压条件下是不会改变的物理量；因此本专利技术的绝对干涉腔长测量的特性，克服了传统的干涉条纹
追踪法存在的上述问题，对于要求长期静态测量的所有应用都是至关重要的。
[0015]本专利技术的目的之三在于提供一种利用气体吸收光谱参考的干涉仪绝对位移解调装置，其以可调激光器为光源、用气体吸收光谱做参考，通过预先标定的时间
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位相关系计算出所述干涉仪的干涉腔长L的绝对测量值及其变化量ΔL的测量值，实现高效率、高精度、低功耗、低成本的干涉解调。
[0016]本专利技术的目的之一通过以下技术方案实现：
[0017]一种利用气体吸收光谱参考的干涉仪绝对位移解调系统，所述解调系统用于测量干涉仪干涉腔的绝对空腔长度；解调系统包括连接在光路中的扫描激光器、光纤隔离器、光纤耦合器、干涉仪、探测器、信号放大器、微处理器；所述探测器包括信号探测器、参考探测器；所述光纤耦合器包括2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用气体吸收光谱参考的干涉仪绝对位移解调系统，所述解调系统用于测量干涉仪干涉腔的绝对空腔长度；解调系统包括连接在光路中的扫描激光器、光纤隔离器、光纤耦合器、干涉仪、探测器、信号放大器、微处理器；所述探测器包括信号探测器、参考探测器；所述光纤耦合器包括2
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2光纤耦合器；其特征在于，还包括气体参考气室，所述气体参考气室充满在所述扫描激光器的波长扫描范围内具有吸收峰的参考气体；所述微处理器的输出端连接有D/A模数转换器，所述D/A模数转换器用于控制所述扫描激光器电流驱动电路，以实现对所述扫描激光器的波长调谐；所述扫描激光器通过锯齿波驱动器驱动并产生波长扫描光束；所述扫描激光器发出的激光光束经过所述光纤隔离器后耦合到2
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2光纤耦合器的第一连接端，从所述2
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2光纤耦合器的第二连接端输出入射所述干涉仪，所述干涉仪产生的干涉反射光返回经过所述2
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2光纤耦合器后由第三连接端由所述信号探测器吸收并产生干涉条纹；干涉反射光从所述2
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2光纤耦合器的第四连接端输出至所述气体参考气室，经参考气体透射的光束连接到参考探测器并在参考探测器中产生吸收谱线；由所述信号探测器采集干涉条纹信号和参考探测器采集吸收谱线信号分别经过所述信号放大器放大，通过模数转换后发送至所述微处理器进行信号强度归一化处理；所述微处理器通过预先标定的时间
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位相关系计算出所述干涉仪的干涉腔长L的绝对测量值及其变化量ΔL的测量值。2.如权利要求1所述的利用气体吸收光谱参考的干涉仪绝对位移解调系统，其特征在于，所述干涉仪绝对位移解调系统包括1个扫描激光器、1个光纤隔离器、1个1
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N光纤分路器、N
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1个2
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1光纤耦合器、N
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1个信号探测器、N
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1个干涉仪、1个参考气室和1个参考探测器，其中N≥2；所述扫描激光器发出的激光光束经过所述光纤隔离器后耦合到所述1
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N光纤分路器，激光光束在分成N路后，从1
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N光纤分路器的1路连接端输出至所述参考气室，经参考气体透射的光束连接到对应的参考探测器，并在参考探测器中产生吸收谱线；其余光束从1
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N光纤分路器的其他N
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1路连接端分别输出至对应的N
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1个2
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1光纤耦合器的第一连接端，并从2
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1光纤耦合器的对应的第二连接端输出入射对应的N
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1个干涉仪，所述干涉仪产生的干涉反射光返回经过所述2
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1光纤耦合器的第三连接端进入对应的信号探测器，并产生干涉条纹；由对应的所述信号探测器采集干涉条纹信号，由参考探测器采集吸收谱线信号并分别经过所述信号放大器放大，通过模数转换后发送至所述微处理器进行信号强度归一化处理；所述微处理器通过预先标定的时间
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位相关系计算出所述干涉仪的干涉腔长L的绝对测量值及其变化量ΔL的测量值。3.一种如权利要求1或2所述的利用气体吸收光谱参考的干涉仪绝对位移解调系统的解调方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：扫描激光器光源在锯齿波驱动电路的控制下，在一个扫描周期范围内，输出波长随时间变化的激光光束；S2：S1中的激光光束经所述光纤隔离器后耦合到所述光纤耦合器和干涉仪，或1
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N光纤分路器和N
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1个光纤耦合器并分别输出到N
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1个所述干涉仪和所述气体参考气室，在同一个波长扫描范围内，所述干涉仪产生的干涉反射光返回经过所述光纤耦合器后进入对应的所述信号探测器，干涉反射光在所述信号探测器中产生干涉条纹；从气体参考气室透射的光束被对应的参考探测器吸收并在参考探测器中同步产生吸收谱线；
S3：所述信号探测器和参考探测器分别采集S2中产生的干涉条纹信号及吸收谱线信号，并分别经过所述信号放大器放大，通过模数转换后发送至所述微处理器进行信号强度归一化处理；S4：所述微处理器接收S3中的干涉条纹信号及吸收谱线信号，并通过预先标定的时间
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位相关系计算出所述干涉仪的干涉腔长及其变化数值。4.一种利用气体吸收光谱参考的干涉仪绝对位移解调系统，所述解调系统用于测量干涉仪干涉腔的绝对空腔长度；其特征在于，所述解调系统包括连接在光路中的扫描激光器、光纤隔离器、光纤耦合器、干涉仪、内部设有参考气室的探测器、信号放大器、微处理器；所述光纤耦合器包括2
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1光纤耦合器；所述扫描激光器发出的激光光束经过所述光纤隔离器后耦合到所述2
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1光纤耦合器的第一连接端，并从2
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1光纤耦合器的第二连接端输出入射所述干涉仪，所述干涉仪产生的干涉反射光返回经过所述2
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1光纤耦合器的第三连接端进入内部设有所述参考气室的探测...

【专利技术属性】
技术研发人员：宁雅农，刘统玉，杨青山，
申请(专利权)人：广东感芯激光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：