[发明专利]用非平衡Mach-Zehnder干涉仪对多信号问讯的方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于光纤技术领域，具体涉及一种基于非平衡Mach-Zehnder干涉仪实现对多个传感器信号问讯的方法，以及基于此方法构造的一种准分布式光纤白光干涉应变传感解调装置。

背景技术

采用低相干、宽谱光源，例如发光二极管(LED)、超自发辐射光源(ASE)或者超辐射激光二极管(SLD)驱动的光纤干涉仪通常被称为光纤白光干涉仪。典型的光纤白光干涉仪如图1所示，其结构组成为利用光纤搭建Micheslon式干涉仪，并采用宽谱光源LED或者ASE对干涉仪进行驱动，为其提供光能，通过探测器探测白光干涉条纹实现对待测物理量的测量。其工作原理如下，由宽谱光源11发出的宽谱光进入单模光纤后，被3dB单模光纤2×2耦合器13分成两束，一束光进入被作为测量臂的单模光纤14，被其后端的光学反射面15反射后沿原路返回，经过单模光纤14、耦合器13到达光电探测器12，这束光称为测量信号光；由光源11发出的光被耦合器13分路的另外一束光进入作为参考臂的单模连接光纤16、自聚焦透镜17，经过移动反射镜18的反射后沿原路返回到达光电探测器12，这束光被称为参考信号光。测量信号光和参考信号光在探测器表面发生相干叠加，由于宽谱光源的相干长度很短，大约为几微米到几十微米，只有当参考信号光和测量信号光程差小于光源的相干长度时，才会产生相干叠加，输出白光干涉图样(参见附图2)。

如图2所示，白光干涉条纹的特征是有一个主极大值，称为中心条纹，它与零光程差相对应，即对应于参考光束和测量光束光程相等时，称为参考光束与测量光束具有光程匹配关系。通过改变光纤延迟线的延迟量，使参考信号的光程发生变化，可以获得中心干涉条纹。中心条纹的位置为测量提供了一个可靠的绝对位置参考，当测量光束由于外界待测物理量的影响光程发生变化时，只需通过参考臂光程扫描得到的白光干涉条纹的位置变化，即可获得被测量物理量的绝对值。与其他光纤干涉仪相比，除了具有高灵敏度、本质安全、抗电磁场干扰等优点外，最大特点是可对压力、应变、温度等待测量进行绝对测量。因此白光干涉性光纤干涉仪被广泛用于物理量、机械量、环境量、化学量、生物医学量的测量。

[YUAN L B，ZHOU L M，JIN W.Quasi-distributed strain sensing with white-lightinterferometry：a novel approach，Optics Letters，25，1074-1076，2000]中提出的空分复用技术(SDM)，通过分立参考干涉仪进行时间和空间连续光程扫描，即可实现对多传感器的解调和问询，从而很方便的实现多路复用，这种方法结构简单，测量精度高。

申请人于2006年公开了多路复用光纤干涉仪及其嵌套构建方法(中国专利公开号：CA1963399A)，发明了可以构造传感器阵列和网络的全光纤干涉仪及其实现方法，解决光纤干涉仪的多路复用问题；申请人于2007年公开的低相干绞扭式类Sagnac光纤形变传感装置(中国专利公开号：101074867A)，主要用来解决光纤传感器阵列布设过程中的抗毁坏的问题。在上述应用中，特别当白光干涉仪连接有光纤传感器阵列时，本地的解调干涉仪与远端的传感干涉仪的光程通过光程匹配来实现光纤传感器阵列的问讯与解调。这样传感干涉仪阵列可以是完全无源的，其好处是阵列中输出的多个干涉信号对本地解调干涉仪和传感器阵列之间的连接光纤长度的变化不灵敏，增强了测量的稳定性和可靠性。

但在上述基于空分复用的干涉仪结构中，本地的解调干涉仪大多采用Michelson干涉仪、Mach-Zehder干涉仪等分立式干涉仪结构。由于空间光程扫描范围有限，因此要求光纤Michelson干涉仪的两臂(传感臂含有传感器)初始长度大致相同，即使采用Fabry-Perot谐振腔或者光纤环形腔也大体如此。否则，为了匹配干涉仪两臂过大的光程差，扫描信号光将在谐振腔内反射次数过多，损耗过大，会导致信号衰减过大，幅度太小，而无法解调，给实际应用带来一定麻烦。另外，过长的扫描臂对环境温度更加敏感，会影响测量的精度，也不利于系统的稳定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、容易实现；使用方便、造价低廉；可实现分布式测量的扩展；其动态范围及精度可调；具有较强的抗干扰性的用非平衡Mach-Zehnder干涉仪对多信号问讯的方法。本发明的目的还在于提供一种用非平衡Mach-Zehnder干涉仪对多信号问讯的准分布式光纤白光干涉应变传感解调装置。

本发明的目的是这样实现的：