测量MZI两臂差的传感系统和MZI两臂差的测量方法技术方案

本发明专利技术涉及一种测量MZI两臂差的传感系统和MZI两臂差的测量方法，所述系统包括依次连接的窄线宽激光源模块、相位调制器模块、传感模块、相干接收模块、光电转换模块和信号处理模块，所述方法是让单频激光经过一个相位调制器进行信号调制，调制频率从0逐渐增加，调制后的信号通过一个光纤耦合器进行分路后进入待测非平衡MZI，待测非平衡MZI输出的两路激光经另一个光纤耦合器后产生拍频光信号，用光电转换模块将拍频光信号转换成电信号，此时采样后进行数字处理，将电域第一次得到直流信号时的调制信号频率记为f

【技术实现步骤摘要】
测量MZI两臂差的传感系统和MZI两臂差的测量方法


[0001]本专利技术涉及一种用单频激光测量MZI两臂差的系统和方法，属于光纤传感器


技术介绍

[0002]马赫
‑
曾德尔干涉仪(Mach
–
Zehnder interferometer，MZI)是一种双光束干涉仪，也可以称为相位调制型光纤传感器。MZI的原理是：由激光器发出的相干光分别送入两根光纤中，一个为探测臂，另一个为参考臂。从两根光纤输出的两激光光束叠加后将产生干涉效应，可以用来观测从单独光源发射的光束分成两道光束之后，经过不同路径与介质所产生的相对相移变化。在分布式光纤声波传感器(Distributed Fiber
‑
optic Acoustic Sensor，DAS)、激光雷达(Laser Radar)等领域中，精准测量两点之间的距离至关重要，且对于这些系统中经常使用的马赫
‑
曾德尔干涉仪结构，能够准确并且方便地测量该结构的非平衡两臂差在实际应用场景中有较高的需求。
[0003]目前较为主流的测量MZI两臂差的方法是光频域反射计(Optical Frequency Domain Reflectometry，OFDR)技术，其基本原理是：激光器产生具有高相干性的线性扫频的连续光，而后进入光纤耦合器分为两部分，一部分作为探测光发射到待测光纤中，另一部分作为本地参考光进入参考光纤，两束光再次进入光纤耦合器发生干涉现象，然后被光电平衡探测器接收转换成电信号。其中，参考光的理想电场表达式为E1(t)＝E1expj(ω
c
t+2πf0t+πκt2)，其中κ为扫频速率，探测光的理想电场表达式为E2(t)＝E2expj{ω
c
(t
‑
τ)+2πf0(t
‑
τ)+πκ(t
‑
τ)2}，其中τ为两臂之间的距离差带来的延时，本地参考光和探测光经过拍频和光电转换后输出的电流信号为zi(t)＝Asin[
‑
2πκτt+πκτ2‑
2πf0τ
‑
ω
c
τ]，从该式可以看出在理想情况下两束光的拍频信号为单频正弦信号，频率为f＝κτ，对该信号做傅里叶变换求得频率进行计算则可得到两臂差。但实际系统中由于存在激光器的扫频非线性以及相位噪声等，实际获得的拍频信号并不是一个单频信号，而是在频谱上被展宽的信号，这最终导致OFDR无法准确检测信号频率，从而对于两臂差测量的分辨率严重恶化。针对这种情况，处理方式一般分为两种，一种为使用线性度较好的激光器进行扫频或者使用外扫频器件，而这些器件一般扫频范围都较小、成本很高，且分辨率与扫频范围为相互制约的关系；另一种方法为加一路辅助干涉仪来进行补偿以期望获得较好的单频信号，但同时也增加了系统的复杂度。可见器件性能和系统复杂度等都限制了这样一个关键技术的精度。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在提供一种测量MZI两臂差的传感系统和MZI两臂差的测量方法，不仅精度高，而且不受限于激光器的扫频非线性和外扫频器件的范围。
[0005]本专利技术的主要技术方案有：
[0006]一种测量MZI两臂差的传感系统，包括依次连接的窄线宽激光源模块、相位调制器模块、传感模块、相干接收模块、光电转换模块和信号处理模块，所述窄线宽激光源模块用
于产生超窄线宽单频激光，所述相位调制器模块用于对所述超窄线宽单频激光进行信号调制，所述传感模块为待测非平衡MZI结构，所述相干接收模块用于接收待测非平衡MZI结构输出的两路激光并产生拍频光信号；所述光电转换模块用于将拍频光信号转换成电信号，所述信号处理模块用于对所述电信号进行模数转换以及转换后的数据处理。
[0007]所述传感模块包括一个50:50光纤耦合器和两条普通单模通信光纤。
[0008]所述窄线宽激光源模块采用窄线宽光纤激光器。
[0009]所述相位调制器模块包括射频信号发生器和相位调制器，射频信号发生器发送扫频信号到相位调制器进行连续不同频率的相位调制。
[0010]所述相干接收模块采用50:50光纤耦合器。
[0011]所述光电转换模块采用平衡探测器。
[0012]一种MZI两臂差的测量方法，让单频激光经过一个相位调制器进行正弦信号调制，调制频率从0开始逐渐增加，调制后的信号通过一个光纤耦合器进行分路后进入待测非平衡MZI，待测非平衡MZI输出的两路激光经另一个光纤耦合器后产生拍频光信号，用光电转换模块将所述拍频光信号转换成电信号，此时采样后进行数字处理；当分路之后的激光在待测非平衡MZI两臂中的延时正好等于调制信号周期的整数倍时，得到的是完全匹配的两束相干相长的激光，电域得到的信号为直流信号，将电域第一次得到直流信号时的调制信号的频率记为f
m
，则所述待测非平衡MZI的两臂臂长差为其中是光在光纤中的传播速度。
[0013]采用所述测量MZI两臂差的传感系统实施测量，所述相位调制器模块采用相连接的射频信号发生器和相位调制器，使用FPGA或在labview中产生输出信号，并将该输出信号引入射频信号发生器。
[0014]相位调制器的频率步进根据所需分辨率设置。
[0015]本专利技术的有益效果是：
[0016]本专利技术不依赖于激光扫频，而是用调制频率逐渐增加的正弦信号对单频激光进行调制取而代之，因此能对扫频非线性、相位噪声等免疫，且由于调制在电域进行，可以精准控制，使测量结果具有高精度和可靠性，可以同时获得测量方便、精度高、成本低等优点。
附图说明
[0017]图1是本专利技术的所述测量MZI两臂差的传感系统的结构示意图；
[0018]图2为射频信号发生器发出的射频信号的时频谱图；
[0019]图3为示波器采集的探测结果交流分量均方根值随调制频率连续变化的变化曲线。
[0020]附图标记：1、窄线宽光纤激光器；2、射频信号发生器；3、相位调制器；4、50:50光纤耦合器；5、传感光纤；6、平衡探测器；7、数据采集卡；8、数据处理器。
具体实施方式
[0021]本专利技术公开了一种测量MZI两臂差的传感系统，包括依次连接的窄线宽激光源模块、相位调制器模块、传感模块、相干接收模块、光电转换模块和信号处理模块。所述窄线宽
激光源模块用于产生超窄线宽单频激光，所述相位调制器模块用于对所述超窄线宽单频激光进行信号调制，所述传感模块为待测非平衡MZI结构，所述相干接收模块用于接收待测非平衡MZI结构输出的两路激光并产生拍频光信号；所述光电转换模块用于将拍频光信号转换成电信号，所述信号处理模块用于对所述电信号进行模数转换以及转换后的数据处理。
[0022]如图1所示，所述传感模块包括一个50:50光纤耦合器4和两条普通单模通信光纤(统称为传感光纤5)。
[0023]所述窄线宽激光源模块采用窄线宽光纤激光器1，其发出的单频激光的中心频率为f
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种测量MZI两臂差的传感系统，其特征在于：包括依次连接的窄线宽激光源模块、相位调制器模块、传感模块、相干接收模块、光电转换模块和信号处理模块，所述窄线宽激光源模块用于产生超窄线宽单频激光，所述相位调制器模块用于对所述超窄线宽单频激光进行信号调制，所述传感模块为待测非平衡MZI结构，所述相干接收模块用于接收待测非平衡MZI结构输出的两路激光并产生拍频光信号；所述光电转换模块用于将拍频光信号转换成电信号，所述信号处理模块用于对所述电信号进行模数转换以及转换后的数据处理。2.如权利要求1所述的测量MZI两臂差的传感系统，其特征在于：所述传感模块包括一个50:50光纤耦合器和两条普通单模通信光纤。3.如权利要求1所述的测量MZI两臂差的传感系统，其特征在于：所述窄线宽激光源模块采用窄线宽光纤激光器。4.如权利要求1所述的测量MZI两臂差的传感系统，其特征在于：所述相位调制器模块包括射频信号发生器和相位调制器，射频信号发生器发送扫频信号到相位调制器进行连续不同频率的相位调制。5.如权利要求1所述的测量MZI两臂差的传感系统，其特征在于：所述相干接收模块采用50:50光纤耦合器。6.如权利要求1所述的测量MZI两...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宏睿，邱锦波，张阳，吕晓，方彤，何寒冰，朱宏强，苏军军，郭岱，
申请(专利权)人：天地上海采掘装备科技有限公司，
类型：发明
国别省市：