光纤低相干干涉测量技术的研究

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1、光纤低相干干涉测量技术的研究分类号:密级:级单位代码:天津工业大学烈硕士学位论文论文题目:光纤低相干干涉测量技术的研究学科专业:物理电子学.作者姓名:靳皓指导教师:钟宏杰教授完成日期:二零零五年十二月摘要光纾干涉传感器可以使用一种新技术,即低相干、宽带光源,比如光发射:极管,多模激光二极管或者卤素灯。此传感方法可称为“低相干”或“白光”干涉测量法。此光纤传感技术直到年/傲报导,但是第一个使用单模光纤和多模光纤的操作原则在年就被证明了可以用在潜在的通信系统里。像所有的干涉方法一样,光波光程长度的变化通过干涉仪的条纹图样来分析。这罩研究用两种不同的方法在光纤传感器系统来观察这样的条纹图样,即光

2、谱域处理方法和相位域处理方法。在光谱域技术中,光谱分析仪被用作光处理元件。在相位域技术中,光处理元件可以使用、?或~干涉仪来构成。在这种方法里必须使传感腔的光程差大于光源的相干长度,使得在通常状态下观察不到干涉效应的输出。从传感干涉腔返回的光波,是时间菲相干的。第二个处理干涉仪的功能是重建干涉效应,恢复辐射分量的时闻相干性。使用或者多模激光二极管在干涉仪系统中的主要困难是中心条纹的鉴别。一个简单的但是非常有效的方法,是使用形心算法来鉴别中心条纹。第二种方法来提高条纹鉴别力是双波长方法的变形,使用双波长来获得宽光谱间隔在的量级。通过空间条纹的横向运动在探测器平面上转化为时间条纹通过光栅元件。

3、调整两光栅元件的位置,使得它们的周期性结构相差石/弧度。传感干涉腔长度的变化导致空间条纹的横向位移通过静态光栅元件,/的相位差使得两光电二极管分别产生和的输出。通过这种互余的信号反映了传感腔的光程差的变化和变化的方向。关键词:光谱域、相位域、中心条纹、形心算法,,,.“’“’,,...也....。.?.Ⅺ..?........./.?.血.,,,:学位论文的主要创新点一。通过阅读大量的国内外文献资料,并且经过详细的分析、比较和总结,构建出光纤低相干干涉测量技术下的传感器系统的基本构造。,在构建出的传感器系统的基本结构之上,探讨用两种不同的方一.一法来分析、处理干涉条纹图样,即光谱域处理方法

4、和相位域处理方法,这两种处理方法在目前的维普和万方等数据库中还没有相关的报导。三,对于用线性阵列处理干涉条纹时遇到的条纹可见度问题提供了具体的分析、处理方法。对于鉴别中心条纹时所遇到的困难创造性的提出了形心算法和宽光谱闻隔的双波长处理方法。尝试性的使用莫阿条纹处理技术来扩展系统的动态范围;使用氏光纤干涉仪来改善输出光束的空间相干性。四借鉴光纤振动计的方法,把在处理干涉仪形成的空间干涉条纹图样转换为两互余信号输出,反映出传感腔的的变化和变化的方向。五根据条纹计数原理,探讨由于量化极限造成的测量误差,提出使用波峰波谷组合条纹计数法来减小误差。。第一章前苦第一章前言在光纤传感器的应用中使用光学干

5、涉技术可以获得高分辨率和大动态范围,这与应用方法有关。传统的干涉条纹计数技术达到微米位移的分辨率,并且附加使用相位跟踪方法来提高分辨率,可以达到纳米的量级。相位测量的性能依赖于载波信号的产生。单模半导体激光二极管光源最初被用存伪外差传感器系统”,很大程度由于它们的宽频调谐能力,可以通过输入电流来调制。这种方法已经被成功的运用到许多传感器系统。此论文研究光纤干涉传感器使用的另一种新技术,即用低相干、宽带光源,比如光发射二极管,多模激光:极管或者卤素灯。此传感方法可称为“白光”或“低相干”干涉测量法。此光纤传感技术直到年才被报导,但是第一个使用单模光纤‘和多模光纤的操作原则在年就被证明了可以用

6、在潜在的通信系统里。像所有的干涉方法一样,光波光程长度的变化通过干涉仪的条纹图样来分析。这里研究用两种不同的方法在光纤传感器系统来观察这样的条纹图样,即光谱域处理方法和相位域处理方法。首先,通过光谱和在这种技术中所用光源的相干性来介绍低相干干涉测量法的基本原理。在低相干方法中使用的最基本的光纤传感器系统的构造如图.所示。圈.使用低相干干涉仪的基本的光纤传感器结构图示除了传感干涉仪以外,第二个处理下涉仪是必须的,用来提取需要的条纹图样信息。这种附加干涉仪的形式依赖于处理条纹输出的方法,可以采用光谱仪或第二个干涉仪的形式,依赖于操作在光谱域或相位域来完成。、光源的特点我们先看一看在这种技术下所

7、使用的典型的光源,即或者干涉滤光的卤素灯。这两种光源的发射辐射都有近似于光谱强度的分布。这种分布可以用这样的函数来描述第一章前占卜砸厶州了】这旱‰是中心波数,口表示谱宽的一半,在此处光功率下降到最大值的,在‰处为最大值,如图光功率,‘、?/’?卅‘搜数?一图.由典型的低相干光源例如获得的光谱强度图样、基本的干涉测量法通常,光波的电矢量可以表示为,妒,庐一≯】这里,庐是波振幅。两光束在传感干涉仪里有光程差占,电矢量被分成