光纤传感白光干涉

光纤白光干涉 摘要 光纤干涉型传感器是光纤传感器中的一个重要分支，而白光干涉测量技术是一种被广泛应用的光学干涉测量技术。白光干涉测量技术应用于光纤干涉型传感器，能够测量光纤干涉仪的绝对光程差，且动态测量范围大，测量分辨率高。本论文分别阐述了扫描白光干涉测量技术和光谱域光纤白光干涉测量技术的原理与研究现状，分析和总结了不同的光纤白光干涉测量的结构和特点。 关键词：光纤传感器；光纤干涉仪；白光干涉测量术； Abstract Fiber optic interferometric sensor is an important branch of the fiber optic sensor. White-light interferometry is a widely used technique of the optical interferometry. The white-light interferometry, which is applied to fiber optic interferometric sensor can measure the absolute optical path difference (OPD) and possess the abilities to provide large dynamic measurement range and high measurement resolution. In this dissertation, the principles and research status of scanning white-light interferometry and spectral-domain optical fiber white-light interferometry are described respectively. The structures and characteristics of different optical fiber white-light interferometry are analyzed and summarized. Keywords: Fiber optic sensor; fiber optic interferometer; white-light interferometry; 1、绪论 光纤传感技术是20世纪70 年代末新兴的一项技术，近年来，光纤传感技术在当代科技领域及实际应用中占有十分重要的地位。光纤具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、防腐蚀、电绝缘性好、灵敏度高等优点，可以构成传感网络。光纤传感器的主要工作原理[1]是将来自光源的光信号经过光纤送入调制器，待测物理量与光发生相互作用后，导致光的部分光学性质发生变化（例如光的波长、强度、频率、偏振态、相位等），称为被调制的光信号，信号光再经过光纤送入光探测器通过解调后获得被测参数。 光纤传感器通常可以分为强度调制型光纤传感器，光纤光栅传感器（波长调制型），以及干涉型光纤传感器（相位调制型）。干涉型光纤传感器的主要结构为光纤干涉仪，包括法布里-珀洛（Fabry-Perot）干涉仪，马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）干涉仪，迈克耳逊（Michelson）干涉仪和萨格奈克（Sagnac）干涉仪。外界被测物理量的变化改变光纤干涉仪的光程差，导致干涉信号的相位的变化，从而实现了相位调制。通过干涉测量技术将干涉型光纤传感器输出的干涉信号的相位解调出来，从而可以得到被测物理量的绝对值或者变化量。光纤白光干涉原理与技术的发展既取决于基础理论上的深刻认识, 又受益于技术上重大进步的启迪, 在社会发展需求的牵引下, 历经了几十年的研究与积淀, 在传感技术、计量与测量学、生物学和医学与临床应用等领域取得了较大的进步, 获得了广泛的应用。在该技术发展过程中, 以下是具有里程碑意义的事件。 1955 年, E .Wolf 和Blanc-Lapierre 分别独立建立了部分相干光理论, 引进了关联函数[2] ;对关联函数的深入认识与系统研究, 奠定了白光干涉的理论基础1983 年, Brian Culshaw 课题组[3] 首次报道了基于白光干涉原理在光纤传感中的应用;开启了光纤白光干涉传感技术的研究方向。1991 年，Huang等[4]首次展示了基于白光干涉的二维层析成像方法;成为光学相干层析成像术(OCT)技术的研究开端。2003 年,E .Wo lf[5] 对部分偏振光的相干特性进行分析时, 指出了干涉的基本作用。2005 年, P .Refregier 等[6] 提出了一种测量相干特性具有的一般不变性的新方法, 称为内禀相干不变性理论;深化并拓展白光干涉理论的内涵, 被用于解决信号处理过程中偏振衰退的问题, 进一步导致了光纤白光干涉偏振传感解调新技术的发展。 2、光纤白光干涉测量技术 白光干涉测量技术也称为低相干测量方法，是一种被广泛应用的光学干涉测量技术。根据光纤白光干涉系统的不同结构，光纤白光干涉测量技术可以分为两类，一类是基于扫描干涉仪的扫描光纤白光干涉测量技术，另一类是光谱域光纤白光干涉测量技术。扫描光纤白光干涉测量技术需要一套接收干涉仪在白光干涉系统的接收端扫描传感光纤干涉仪的光程[7-8]。当传感光纤干涉仪和接收干涉仪的光程差相等时干涉条纹出现最大值。光谱域光纤白光干涉测量技术是通过测量干涉光谱来测量光纤干涉仪的光程差。它的测量原理是用宽带光源输出一束宽带光注入干涉仪，用光谱仪在干涉仪的输出端检测干涉仪的光谱输出，通过分析干涉仪输出的白光光谱，就可以测量出干涉仪的光程差[9-10]。 2.1 扫描光纤白光干涉测量技术 扫描光纤白光干涉测量系统通常由传感干涉仪（Sensing Interferometer, SI）和本地接收干涉仪（Local Receiving Interferometer, LRI）组成，如图1所示。

图 1扫描白光干涉测量仪的原理与结构 其中传感干涉仪由光纤干涉型传感器构成，其结构可以是光纤 Fabry-Perot（F-P）干涉仪[11]，Mach-Zehnder 干涉仪[12]，Michelson 干涉仪或 Sagnac 干涉仪[13]。传感干涉仪用于把外界被测量转换成干涉光谱信号的相位调制。这种转换通过测量传感干涉仪的传感臂和参考臂之间的光程差来实现。在白光干涉测量系统中使用的光源为宽带光源，其相干长度与激光的相干长度相比要小很多，这也是白光干涉又被称为低相干干涉的原因。如图 1中所示，宽带光通过光纤耦合器耦合进入传感干涉仪中，并在干涉仪中发生干涉。随后干涉光从传感干涉仪输出并再次通过光纤耦合器进入本地接收干涉仪。由于光纤的低损耗，通常传感干涉仪被安装在感应区，以感知和测量被测量；而本地接收干涉仪处在控制端，通常远离被测区域。在扫描白光干涉测量中，传感干涉仪的光程差 L1和本地接收干涉仪的光程差 L2都要远大于光源的相干长度 Lc，即L1>> Lc，L2>>Lc。如果独立地将宽带光引入传感干涉仪或者本地接收干涉仪，在干涉仪的输出端没有干涉条纹输出。当两个干涉仪的光程差相匹配，且两个干涉仪的光程差 L1和 L2的差异 ΔL 小于光源的相干长度，即 ΔL=| L2- L1|< Lc时，在本地接收干涉仪的输出端才

会有干涉条纹输出。得到的干涉条纹的相位和条纹可见度是两个干涉仪的光程差 L1和 L2的差异 ΔL 的函数。当两个干涉仪的光程差相等（L1= L2）时，本地接收干涉仪输出干涉条纹的最大峰值，这一最大值被称为中心亮纹。 扫描光纤白光干涉系统的测量精度主要由两个因素决定，一是本地接收干涉仪的光程扫描精度，另一个是对本地接收干涉仪输出的干涉条纹的零级中央亮纹的识别精度。加上实际的干涉系统得到的干涉信号包含有噪声，使得精确识别零级中心亮纹变得困难。为此一种称为合成光源（Synthesized Source）的技术被提出。合成光源技术基于两个光源的自相关函数的相加。这两个光源的波长之间具有较宽的间隔，因此认为两个光源输出的光波是彼此非相干的。从干涉仪中输出的干涉条纹是两个光源单独工作时得到的干涉条纹的强度叠加。而基于合成光源的三波长叠加方法和多级平方方法则进一步降低了辨识中心条纹时对信噪比的要求[14]。同时光源合成技术可以降低对光源功率的要求，在白光干涉系统中使用两个低功率的光源，如 LED 光源，有效地降低了系统的成本。 根据本地接收干涉仪的扫描形式的不同，可以把扫描光纤白光干涉测量系统分为机械扫描（Mechanically Scanned）和电扫描（Electrically Scanned）两种不同的形式。机械扫描的本地接收干涉仪的结构通常可以是 Mach-Zehnder，Michelson和 Fabry-Perot干涉仪。由于这种测量技术需要机械扫描装置，因此测量仪器体积大，可靠性差。另外受机械扫描装置的分辨率和机械扫描时振动影响的限制，该方法的测量精度低，测量速度慢。通常扫描光纤白光干涉测量技术的测量分辨率为几十微米到几微米。因此扫描光纤白光干涉系统不利于仪器化，并且实用性较低。电扫描式的光纤白光干涉仪采用反射镜倾斜的 Michelson 干涉仪或 Fizeau干涉仪。相比机械式扫描的本地接收干涉仪，电扫描式本地接收干涉仪不需要机械式的移动扫描部件，因此结构更加紧凑，工作稳定且扫描速度快。但是电扫描式光纤白光干涉测量系统的测量范围比机械式扫描光纤白光干涉测量系统的测量范围要小，并且由于使用了光电探测器阵列，因此得到的干涉条纹信号中的噪声较大。从而对中心亮纹的识别造成影响。 2.2 光谱域光纤白光干涉测量技术 光谱域光纤白光干涉测量技术通过直接探测光纤干涉传感器的白光干涉光谱，并通过分析干涉光谱信号来直接测量光纤干涉仪的绝对光程差，不需要本地接收干涉仪对光程差进行扫描。这一技术最显著的优点是系统中没有机械扫描装置，减小了系统的体积重量，因此干涉测量系统结构紧凑，可靠性高，便于仪器化和实用化，并且便于复用。通过使用光谱分析设备和先进的信号处理算法，可以获得远高于扫描光纤白光干涉测量技术的绝对测量精度[15]。