阅读说明：本技术 光纤干涉仪臂长差测试系统及测试方法 (Optical fiber interferometer arm length difference testing system and testing method ) 是由 叶蕾 叶青 蔡海文 翟荣辉 王照勇 卢斌 于 2020-04-22 设计创作，主要内容包括：一种基于随机相位噪声分离技术的光纤干涉仪臂长差测试系统及测试方法,该系统包括：扫描激光器、单频激光器、测试光路、待测光纤干涉仪、信号采集模块、信号处理系统。测试光路是由1个2*2光纤耦合器,1个光纤环形器,2个波分复用器(WDM)组成；待测光纤干涉仪为1副迈克逊干涉仪,由1个2*2光纤耦合器、1卷光纤线圈和2个法拉第反射镜组成；信号采集模块功能主要包括光电转换,模拟信号采集和信号模数转换；信号处理系统功能包括扫数据采集模块控制、光纤干涉仪臂长差数字信号处理。本发明能在噪声和振动环境下实现光纤干涉仪臂长差的高精度测试。(A test system and a test method for the arm length difference of an optical fiber interferometer based on a random phase noise separation technology are provided, the system comprises: the device comprises a scanning laser, a single-frequency laser, a test light path, an optical fiber interferometer to be tested, a signal acquisition module and a signal processing system. The test optical path consists of 12 x 2 optical fiber coupler, 1 optical fiber circulator and 2 Wavelength Division Multiplexers (WDM); the optical fiber interferometer to be measured is 1 Michelson interferometer, which consists of 12 x 2 optical fiber coupler, 1 coil of optical fiber coil and 2 Faraday reflectors; the signal acquisition module mainly has the functions of photoelectric conversion, analog signal acquisition and signal analog-to-digital conversion; the signal processing system comprises a scanning data acquisition module for controlling and an optical fiber interferometer arm length difference digital signal processing. The invention can realize high-precision test of the arm length difference of the optical fiber interferometer in a noise and vibration environment.)

光纤干涉仪臂长差测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及光纤干涉仪技术领域，尤其涉及一种振动或噪声环境下，提升光纤干涉仪臂长差测试精度的测试系统及测试方法。

技术背景

基于光纤干涉仪结构的光纤传感器由于具有出色的灵敏度及动态范围，可用于探测水声信号、应变及温度等信息。特别是基于Michelson干涉仪和Mach-Zehnder干涉仪的光纤传感器由于其易复用的特点，更是在光纤传感领域获得了广泛的应用。

由于光纤干涉仪采用了光学相干原理，其最大臂长差受限于光源的相干长度，同时干涉仪臂长差大小也直接决定了干涉仪输出干涉信号的噪声水平；另外在大规模复用光纤干涉仪时，干涉仪臂长差影响了干涉仪输出信号的时序控制精度，因此在光纤干涉仪的研制过程中需要对其臂长差进行精确的测试，为干涉仪臂长差的严格控制提供数据支撑，以满足实际光纤干涉仪的应用需求。相比白光干涉法、干涉仪干涉谱计算法及光时域反射计技术，光频域反射计技术(OFDR)由于具有测百米量级的测试范围，微米量级的空间分辨率，并且没有测试死区等特性，更适合一般光纤干涉仪臂长差的高精度测试。OFDR技术经国内外各国科研人员多年研究，技术已相对成熟，如美国LunaInnovation公司研制出品的OBR4600仪器能在70m的测试范围内能实现40μm的空间分辨率。

另一方面，OFDR技术是通过对干涉仪两路传输信号间的拍频信号进行探测，在频域获取拍频信号的频率值，利用拍频信号的频率与两臂时延差的线性关系求得对应光纤干涉仪的臂长差值。而当外界环境存在噪声或振动时，特别是对于臂长差较长(如几十米量级)或测试臂缠绕在增敏部件(如弹性体)上的光纤干涉仪，测试臂沿途极易产生随机相位噪声，当相位噪声的强度达到一定程度后干涉仪的拍频频谱将发生展宽现象，此时拍频与时延差不再形成简单的线性关系，再通过常规的计算就无法保证被测臂长差的精度了。对于OFDR测试技术中由于外界环境噪声或振动产生的随机噪声问题，目前研究较少，未见相关成果展示。

因此，为了实现噪声或振动环境下光纤干涉仪臂长差的高精度测试，有必要设计一种新型的臂长差测试系统及测试方法。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提出一种光纤干涉仪臂长差测试系统及解调方法，基于OFDR技术，采用双激光器探测技术及随机相位噪声分离方法，在振动或噪声环境下实现光纤干涉仪臂长差的高精度测试。

本发明的技术解决方案如下：

一种光纤干涉仪臂长差测试系统，其特点在于，包括：扫描激光器、单频激光器、测试光路、数据采集模块和信号处理系统；所述的测试光路包括2*2光纤耦合器、光纤环形器、第一波分复用器和第二波分复用器；

所述的扫描激光器输出的线性波长扫描光和单频激光器输出的单波长光通过所述的2*2光纤耦合器合波后，经所述的光纤环形器的第一端口输入后，由第二端口输入待测光纤干涉仪，经该待测光纤干涉仪反射后，其中，一路沿原路返回，经由光纤环形器的第二端口输入后，经该光纤环形器的第三端口输出至第一波分复用器，另一路直接输入第二波分复用器；分别经第一波分复用器和第二波分复用器输出的干涉信号经所述的数据采集模块转化为数字信号后，经信号处理系统进行信号解调。

所述的扫描激光器是一个窄线宽波长线性扫描激光器。

所述的单频激光器是一个窄线宽单频激光器，波长不在所述扫描激光器波长扫描工作范围内。

所述的第一波分复用器和第二波分复用器的工作波长均与所述单频激光器的波长相同。

所述的待测光纤干涉仪是迈克逊光纤干涉仪或马赫增德光纤干涉仪。

所述的数据采集模块依次包括光电转换模块、模拟信号采集模块和信号模数转换模块。

所述的信号处理系统包括采集模块控制和光纤干涉仪干涉信号数字处理。

一种利用上述光纤干涉仪臂长差测试系统进行光纤干涉仪臂长差的测试方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：经由待测光纤干涉仪输出的一路干涉信号，依次经光纤环形器和第一波分复用器后分为第一干涉信号I₁和第二干涉信号I₂，所述的第一干涉信号I₁是由扫描激光器输出光经待测光纤干涉仪产生，表示为所述的第二干涉信号I₂是由单频激光器输出光经待测光纤干涉仪产生，表示为其中A₁和A₂是干涉信号的幅值，n为光纤的折射率，L为光纤干涉仪的臂长差，c为光速,为相位噪声，α为干涉仪两个输出端的相位差；

经由待测光纤干涉仪输出的另一路干涉信号，经第二波分复用器后分为第三干涉信号I₃和第四干涉信号I₄，所述的第三干涉信号I₃是由扫描激光器输出光经待测光纤干涉仪产生，表示为所述的第四干涉信号I₄是由单频激光器输出光经待测光纤干涉仪产生，表示为其中B₁和B₂是干涉信号的幅值；

步骤2：4路干涉信号经过数据采集模块后形成数字信号输入信号处理系统；

步骤3：所述的信号处理系统对4路干涉信号进行信号处理，具体如下：

①对4路干涉信号进行归一化，得到归一化干涉信号I₁′～I4′，数学表达式分别为：

②计算差值F，公式如下：

③对F进行FFT换算，得到信号谱幅度最大值对应的频率值即可得到光纤干涉仪臂长差L。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：基于OFDR技术，采用双激光器探测技术，及随机相位噪声分离算法，消除光纤随机相位噪声对干涉信号频谱展宽的影响，提升在振动或噪声环境下光纤干涉仪臂长差的测试精度。

附图说明

图1为本发明光纤干涉仪臂长差测试系统的总体框架图。

图2为本发明实例中的测试光路结构示意图。

图3为本发明实例中的光纤干涉仪臂长差数字信号处理流程图。

图4为本发明实例中的扫描激光器对应的携带随机相位噪声的干涉信号I₁和干涉信号I₃。

图5为本发明实例中的单频激光器对应的携带随机相位噪声的干涉信号I₂和干涉信号I₄。

图6为本发明实例中的携带随机相位噪声的反射拍频频谱图。

图7为本发明实例中的随机相位噪声消除后的反射拍频频谱图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。但以下实施例仅用于解释本发明，本发明的保护范围并不受限于以下实施例。

本发明的一种光纤干涉仪臂长差测试系统，如图1，包括扫描激光器1、单频激光器2、测试光路3、待测光纤干涉仪4、数据采集模块5、信号处理系统6。

所述扫描激光器如图1所示为一窄线宽波长大范围扫描激光器，相干长度大于100m，波长扫描范围大于5nm。

所述单频激光器如图1所示为一窄线宽单频激光器，相干长度大于100m，工作波长为1548nm。

所述测试光路如图2所示，包括1个2*2光纤耦合器7，1个光纤环路器5，2个WDM9和10。

所述WMD的工作波长约为1548nm。

所述待测光纤干涉仪为一副迈克尔逊干涉仪，臂长差约为9m，干涉仪两个输出端的相位差约为90°。

所述数据采集模块功能包括光电转换、模拟信号采集、12bit信号模数转换，采样率大于20MHz。

所述信号处理系统对从所述数据采集模块输入的数字信号进行数字信号处理。

所述的信号处理系统包括采集模块控制、光纤干涉仪干涉信号数字处理、。

所述扫描激光器控制包括，激光器波长范围设置为1536～1540nm，激光器扫描速率设置为40nm/s、激光器输出功率设置为8mW。

所述数据采集模块控制包括，采样速率设置为20MHz/s、采样触发类型设置为上升沿触发、采样数据量设置为1M。

所述的光纤干涉仪臂长差测试系统进行光纤干涉仪臂长差的测试方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：经由待测光纤干涉仪输出的一路干涉信号，依次经光纤环形器和第一波分复用器后分为第一干涉信号I₁和第二干涉信号I₂，所述的第一干涉信号I₁是由扫描激光器输出光经待测光纤干涉仪产生，表示为所述的第二干涉信号I₂是由单频激光器输出光经待测光纤干涉仪产生，表示为其中，n＝1.4681，L≈9m，α＝90°；

经由待测光纤干涉仪输出的另一路干涉信号，经第二波分复用器后分为第三干涉信号I₃和第四干涉信号I₄，所述的第三干涉信号I₃是由扫描激光器输出光经待测光纤干涉仪产生，表示为所述的第四干涉信号I₄是由单频激光器输出光经待测光纤干涉仪产生，表示为

步骤2：4路干涉信号经过数据采集模块(5)后形成数字信号输入信号处理系统；

步骤3：所述的信号处理系统对4路干涉信号进行信号处理，具体如下：

①对4路干涉信号进行归一化，得到归一化干涉信号I₁′～I₄′，数学表达式分别为：

②计算差值F，公式如下：

③对F进行FFT换算，得到信号谱幅度最大值对应的频率值即可得到光纤干涉仪臂长差L。