專利名稱：外差式差分干涉方法及光纖系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種干涉方法及光纖系統(tǒng)。
技術(shù)背景差分式干涉儀構(gòu)造具有一定時(shí)延的兩束激光，感應(yīng)能夠引起相位變化的信息，形成差 分干涉。目前差分干涉儀的典型應(yīng)用是1972年研究者Barker任意反射面速度干涉儀系統(tǒng)， 目前該系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展完善，1996年，以色列科學(xué)家Levin提出了類似的全光纖結(jié)構(gòu)，為差 分式干涉儀測速注入了新的活力。差分干涉儀需要構(gòu)造多束干涉輸出信號，通過多路信號 恢復(fù)出干涉相位，然而，由于實(shí)際使用中，多束光信號之間幅度、相位差信息很容易隨外 界環(huán)境而變化，造成干涉條紋恢復(fù)不穩(wěn)定，出現(xiàn)誤差，信號處理自動化的工作也進(jìn)展緩慢， 科技工作者在使用過程中需要更多的知識背景，這也不利于此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用。本發(fā)明光路 上采用外差干涉與差分相結(jié)合的方式，相位信號提取在一路外差信號上展開，有效克服了 多路信號不匹配造成的相位恢復(fù)失穩(wěn)的問題。該技術(shù)可以廣泛應(yīng)用在傳感和光通信領(lǐng)域。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種可避免多路信號干涉信號不匹配造成的失穩(wěn)問題的外差式 差分干涉方法及光纖系統(tǒng)。本發(fā)明提供的外差式差分干涉方法，是在差分干涉光路中的其中一干涉光路中引入一 個(gè)移頻器，形成外差式差分干涉，得到一路外差干涉信號，并依次作為相位還原的信號源。 基于上述方法，使用光纖無源器件和調(diào)制器構(gòu)造干涉光路，形成光纖式差分干涉系統(tǒng)。設(shè)外界相位引起的相位調(diào)制為s(t)，則傳統(tǒng)差分干涉儀的輸出信號可以表示為+ (1) /2 = J2(0 + 52(f)cosO(f) (2) 其中，0(,) = </0-^^-r)， r為光路中的差分延時(shí)量。差分干涉儀的解調(diào)部分，通過信號處理得到兩路具有90度相位差的信號 AW52(0sin(D(0、 A(052(0cos①(0，通過微分交叉相乘積分操作或者相位展開操作，可 以得到干涉相位O(O，進(jìn)而得到相位s(f)，此方法也是典型的零差干涉的解調(diào)方式。在進(jìn) 行該操作之前，干涉信號中，4(0、 4W、 B々)、A(o之間的關(guān)系必須至少通過第三路 信號確定，多路信號幅度、相位差中經(jīng)常隨使用環(huán)境出現(xiàn)不匹配的現(xiàn)象，造成干涉條紋恢復(fù)不穩(wěn)定，出現(xiàn)誤差，信號處理自動化的工作也進(jìn)展緩慢，因此急需更為完善的解決方案。 本發(fā)明提出的外差式差分干涉方法就是解決這個(gè)問題，通過此方法，得到一路差分干涉信 號，可以表示為/ = , + sin[紐+ O(O +巧其中《為相干激光的差頻，0為相干光束的靜態(tài)初始相位差。通過此一路信號，使用典型外差信號解調(diào)方法，可以構(gòu)造出兩路具有等幅度的正交信 號，通過微分交叉相乘積分操作或者相位展開操作，可以得到干涉相位①(/)，進(jìn)而得到相 位<0，此發(fā)明的核心是在光路中使用了移頻器件，形成了外差干涉。基于上述外差式差分干涉方法構(gòu)造了外差式差分光纖干涉系統(tǒng)，具體如圖1、圖2所示。圖l中所述的干涉系統(tǒng)，它由激光器l、 1X2光纖耦合器2、延遲光纖線3、外差解調(diào) 探測器4、移頻器7、 1X3光纖耦合器8、光收發(fā)器9和被測面10組成。其中，作為光源 的激光器1對準(zhǔn)1X2光纖耦合器2， IX2光纖耦合器2有端口 5和另一端口 6， 1X3光 纖耦合器8有端口 11、另一端口 12、另一端口 13，其中端口 5連接延遲光纖線3和移頻 器7并與1 X3光纖耦合器8端口 11連接；1X2光纖耦合器2的另一端口 6與1X3光纖 耦合器另一端口 13連接；1X3光纖耦合器的另一端口 12與外差解調(diào)探測器4連接。所以從光源——探測器看，形成的干涉光束如下激光器l發(fā)出的光，通過1X2光纖耦合器2分光后，端口5的光，經(jīng)過延遲光纖線3 和移頻器7，再經(jīng)端口 11進(jìn)入1X3光纖耦合器，通過光收發(fā)器9，照射到被測面10上， 經(jīng)反射后，經(jīng)光收發(fā)器9進(jìn)入1X3光纖耦合器8中分光，另一端口 12的光進(jìn)入外差解調(diào) 探測器，此為第l光束；激光器l發(fā)出的光，通過1X2光纖耦合器2分光后，另一端口6 的光通過1X3光纖耦合器8的另一端口 13連接，進(jìn)入1X3光纖耦合器8，經(jīng)過光收發(fā)器 9照射到被測面10上，反射后，經(jīng)光收發(fā)器9進(jìn)入1X3光纖耦合器8，經(jīng)分光后，另一 端口 12的進(jìn)入外差解調(diào)探測器，此為第2光束。兩束光束為外差相干光束，經(jīng)外差解調(diào) 探測器還原出被測信息。圖2所示的外差式差分干涉系統(tǒng)，它由激光器l、 1X2光纖耦合器2、延遲光纖線3、 外差解調(diào)探測器4、移頻器7、 1X3光纖耦合器8、光收發(fā)器9和被測面10組成。其中， 作為光源的激光器1對準(zhǔn)1 X2光纖耦合器2， 1X2光纖耦合器2有端口 5和另一端口 6， 1X3光纖耦合器8有端口 11、另一端口 12、另一端口 13，其中端口 5連接延遲光纖線3 并與1 X3光纖耦合器8端口 11連接；1 X2光纖耦合器2的另一端口 6連接移頻器7并與 1X3光纖耦合器另一端口 13連接；1X3光纖耦合器的另一端口 12與外差解調(diào)探測器4連接。所以從光源——探測器看，形成的干涉光束如下激光器l發(fā)出的光，通過1X2光纖耦合器2分光后，端口5的光，經(jīng)過延遲光纖線3， 再經(jīng)端口 11進(jìn)入1X3光纖耦合器，通過光收發(fā)器9，照射到被測面10上，經(jīng)反射后，經(jīng) 光收發(fā)器9進(jìn)入1X3光纖耦合器8中分光，另一端口 12的光進(jìn)入外差解調(diào)探測器，此為 第1光束；激光器1發(fā)出的光，通過1X2光纖耦合器2分光后，另一端口 6的光經(jīng)移頻 器7，通過1X3光纖耦合器8的另一端口 13連接，進(jìn)入1X3光纖耦合器8，經(jīng)過光收發(fā) 器9照射到被測面10上，反射后，經(jīng)光收發(fā)器9進(jìn)入1X3光纖耦合器8，經(jīng)分光后，另 一端口 12的進(jìn)入外差解調(diào)探測器，此為第2光束。兩束光束為外差相干光束，經(jīng)外差解 調(diào)探測器還原出被測信息。本外差式差分光纖干涉系統(tǒng)，采用一只1X2光纖耦合器和一只1X3光纖耦合器，此 處的光纖耦合器端口數(shù)量不應(yīng)理解為本系統(tǒng)的限制，例如將1X2光纖耦合器2換成2X2 光纖耦合器仍落在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。本外差式差分光纖干涉系統(tǒng)，用一只移頻器，此移頻器指的是任何能夠?qū)崿F(xiàn)激光中心 波長移動的器件，例如聲光原理的聲光移頻器。本外差式差分光纖干涉系統(tǒng)，采用一只外差解調(diào)探測器。本外差式差分光纖干涉系統(tǒng)，采用光收發(fā)器與被測面構(gòu)成相位調(diào)制系統(tǒng)，也可以是任 何本征型光纖相位調(diào)制器，比如，在彈性體上纏繞一匝或多匝光纖，利用光纖的彈光效應(yīng) 實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制；也可以是光折射率可隨外加電壓信號變化的晶體，如鈮酸鋰晶體等。 本外差式差分光纖干涉系統(tǒng)，所用光纖是單模光纖或者多模光纖。 本外差式差分光纖干涉系統(tǒng)，光纖耦合器采用非平面耦合器或者平面型耦合器。 本外差式差分光纖干涉系統(tǒng)，所用的激光器工作波長是1.31/zm或1.55^w的半導(dǎo)體激光 二極管或半導(dǎo)體發(fā)光二極管激光器，或者DFB激光器，或者波長850/zm的短波長激光器、 t^名氣體激光器。本外差式差分光纖干涉系統(tǒng)，光纖耦合器與光纖的連接、光纖之間的連接采用融接方 式連接，光源和光纖的連接、光電探測器與光纖的連接采用跳線連接。 根據(jù)本發(fā)明的要旨，可知-圖1中，激光器1和外差解調(diào)探測器4可以交換，形成干涉系統(tǒng)，落在本發(fā)明人的保 護(hù)范圍之內(nèi)。圖2中，激光器1和外差解調(diào)探測器4可以交換，形成干涉系統(tǒng)，落在本發(fā)明人的保 護(hù)范圍之內(nèi)。


圖l本發(fā)明外差差分式光纖干涉系統(tǒng)示意圖。 圖2是與圖1類似的外差差分式光纖干涉系統(tǒng)示意圖。 圖3為本實(shí)施例的測試數(shù)據(jù)圖。圖中標(biāo)號l為激光器，2為1X2光纖耦合器，4外差解調(diào)探測器，3為延遲光纖線，5、 6為1X2光纖耦合器的2個(gè)端口， 7為移頻器，8為1X3光纖耦合器，9為光探頭，10為 被測面，11、 12、 13為1X3光纖耦合器的3個(gè)端口。
具體實(shí)施方式
在本實(shí)施例中，所用的激光器l為四川九州光電公司生產(chǎn)的DFB激光器，聲光移頻器 7使用英國Gooch & Housego的M040-8J-FxS型號的光纖耦合型聲光調(diào)制器，外差解調(diào) 探測器4為44所生產(chǎn)的型號為GT322C500的InGaAs光電探測器并配有解調(diào)電路，耦合 器和光收發(fā)器為武漢郵電研究院生產(chǎn)的單模光纖耦合器和單模準(zhǔn)直器。所用的光纖為美國 生產(chǎn)的"康寧"G652型單模光纖。光源與干涉系統(tǒng)、干涉系統(tǒng)與探測器的連接方式是FC/APC 跳線連接。采用圖l的方式融接，連接在一起，使用霍布金森壓桿產(chǎn)生高速撞擊運(yùn)動，實(shí) 現(xiàn)的速度測試結(jié)果如圖3所示。
權(quán)利要求
1、一種外差差分式干涉方法，其特征在于在差分干涉光路的一干涉光路中引入一個(gè)移頻器，形成外差式差分干涉，得到一路外差干涉信號，并以此作為相位還原的信號源。
2、 一種基于如權(quán)利要求1所述方法的外差差分式光纖干涉系統(tǒng)，其特征在于由激光 器(1)、 1X2光纖耦合器(2)、延遲光纖線(3)、外差解調(diào)探測器(4)、移頻器(7)、 1 X3光纖耦合器(8)、光收發(fā)器(9)和被測面(10)組成；其中，作為光源的激光器(1) 對準(zhǔn)1X2光纖耦合器(2)， 1X2光纖耦合器(2)有端口 (5)和另一端口 (6)， 1X3光 纖耦合器(8)有端口 (11)、另一端口 (12)、另一端口 (13)，其中端口 (5)連接延遲光 纖線(3)和移頻器(7)并與1X3光纖耦合器(8)端口 (11)連接；1X2光纖耦合器(2) 的另一端口 (6)與1X3光纖耦合器另一端口 (13)連接；1X3光纖耦合器的另一端口 (12) 與外差解調(diào)探測器(4)連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的外差差分式光纖干涉系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)的光路為激 光器(1)發(fā)出的光，通過1X2光纖耦合器(2)分光后，端口 (5)的光，經(jīng)過延遲光纖 線(3)和移頻器(7)，再經(jīng)端口 (11)迸入1X3光纖耦合器(8),通過光收發(fā)器(9)， 照射到被測面(10)上，經(jīng)反射后，經(jīng)光收發(fā)器(9)進(jìn)入1X3光纖耦合器(8)中分光， 另一端口 (12)的光進(jìn)入外差解調(diào)探測器，此為第l光束；激光器(1)發(fā)出的光，通過l X2光纖耦合器(2)分光后，另一端口 (6)的光通過1X3光纖耦合器(8)的另一端口(13)連接，進(jìn)入1X3光纖耦合器(8)，經(jīng)過光收發(fā)器(9)照射到被測面(10)上，反 射后，經(jīng)光收發(fā)器(9)進(jìn)入1X3光纖耦合器(8)，經(jīng)分光后，另一端口 (12)的進(jìn)入外 差解調(diào)探測器，此為第2光束；兩束光束為外差相干光束，經(jīng)外差解調(diào)探測器還原出被測 信息；
4、 一種基于如權(quán)利要求1所述方法的外差差分式光纖干涉系統(tǒng)，其特征在于由激光 器(1)、 1X2光纖耦合器(2)、延遲光纖線(3)、外差解調(diào)探測器(4)、移頻器(7)、 1 X3光纖耦合器(8)、光收發(fā)器(9)和被測面(10)組成；其中，作為光源的激光器(1) 對準(zhǔn)1X2光纖耦合器(2)， 1X2光纖耦合器(2)有端口 (5)和另一端口 (6)， 1X3光 纖耦合器(8)有端口 (11)、另一端口 (12)、另一端口 (13)，其中端口 (5)連接延遲光 纖線G)并與1X3光纖耦合器(8)端口 (11)連接；1X2光纖耦合器(2)的另一端口(6)連接移頻器(7)并與1X3光纖耦合器另一端口 (13)連接；1X3光纖耦合器的另 一端口 (12)與外差解調(diào)探測器(4)連接。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的外差差分式光纖干涉系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)的光路為激 光器(1)發(fā)出的光，通過1X2光纖耦合器(2)分光后，端口 (5)的光，經(jīng)過延遲光纖線(3)，再經(jīng)端口 (11)進(jìn)入1X3光纖耦合器(8)，通過光收發(fā)器(9)，照射到被測面(IO) 上，經(jīng)反射后，經(jīng)光收發(fā)器(9)進(jìn)入1X3光纖耦合器(8)中分光，另一端口 (12)的 光進(jìn)入外差解調(diào)探測器，此為第1光束；激光器(1)發(fā)出的光，通過1X2光纖耦合器(2) 分光后，另一端口 (6)的光經(jīng)移頻器(7)，通過1X3光纖耦合器(8)的另一端口 (13) 連接，進(jìn)入1X3光纖耦合器(8)，經(jīng)過光收發(fā)器(9)照射到被測面(10)上，反射后， 經(jīng)光收發(fā)器(9)進(jìn)入1X3光纖耦合器(8)，經(jīng)分光后，另一端口 (12)的進(jìn)入外差解調(diào) 探測器，此為第2光束；兩束光束為外差相干光束，經(jīng)外差解調(diào)探測器還原出被測信息。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的外差式差分光纖干涉系統(tǒng)，其特征在于光纖是單模光 纖或者多模光纖。
7、 根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的外差式差分光纖干涉系統(tǒng)，其特征在于光纖耦合器采 用非平面耦合器或者平面型耦合器。
8、 根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的外差式差分光纖干涉系統(tǒng)，其特征在于激光器工作波 長是1.31，或1.55/朋的半導(dǎo)體激光二極管或半導(dǎo)體發(fā)光二極管激光器，或者DFB激光器， 或者波長850;/附的短波長激光器，或者氣體激光器。
9、 根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的外差式差分光纖干涉系統(tǒng)，其特征在于光纖耦合器與 光纖的連接、光纖之間的連接采用融接方式連接，光源和光纖的連接、光電探測器與光纖 的連接采用跳線連接。
10、 根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的外差式差分光纖干涉系統(tǒng)，其特征在于所述光收發(fā)器 包括為準(zhǔn)直器、離散透鏡組成的收發(fā)探頭。
全文摘要
本發(fā)明屬于光纖技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種外差式差分干涉方法及光纖系統(tǒng)。本發(fā)明將移頻器引入差分光路中，形成差分干涉，得到一路外差信號，有效克服了多路零差探測信號不匹配問題，提高了數(shù)據(jù)處理精度，信號處理更為簡單方便。據(jù)此方法構(gòu)造的光纖干涉系統(tǒng)，體積小，重量輕，不僅可以用于惡劣復(fù)雜環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)速度、壓力、應(yīng)變、聲波、地震波等動態(tài)信號的測量，而且可以實(shí)現(xiàn)全光通信網(wǎng)中光開關(guān)、濾波器等功能，可廣泛應(yīng)用在光通信領(lǐng)域。
文檔編號H04B10/142GK101257348SQ200810035580
公開日2008年9月3日 申請日期2008年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月3日
發(fā)明者湯美麗 申請人:上海宏勤信息科技有限公司