光纤法布里珀罗干涉测振仪非线性误差修正方法技术

光纤法布里珀罗干涉测振仪非线性误差修正方法属于光纤干涉测量技术领域；本发明专利技术在不需要改变反射镜位置的前提下，通过给激光波长可调制光源进行波长预扫描，利用输出激光波长的连续变化使干涉仪的测量的光程差产生连续的变化，使得探测器得到的干涉信号产生至少一个周期的相位变化，实现干涉信号特征参数的预提取，并利用预提取的特征参数在测量过程中实现非线性误差修正，进行高精度位移测量；本发明专利技术实现了对光纤法布里珀罗干涉测振仪干涉信号特征参数的预提取、能够有效解决干涉测量尤其是微小振动测量中非线性误差的修正问题，在精密测量领域具有显著的技术优势。

Nonlinear error correction method of fiber Fabry Perot interferometer

【技术实现步骤摘要】
光纤法布里珀罗干涉测振仪非线性误差修正方法
本专利技术属于光纤干涉测量
，主要涉及一种光纤法布里珀罗干涉测振仪非线性误差修正方法。
技术介绍
随着科学研究的快速发展和工业生产水平飞速提高，科研和工业领域对振动测量也提出了更高的要求，振动测量的最小振幅量也正朝着纳米量级方向发展。光纤法布里珀罗干涉测振仪是利用激光干涉原理进行高精度振动测量的仪器，具有非接触、高精度等优点。一个光纤法布里珀罗干涉测振仪包含一个激光波长可调制光源；所述激光波长可调制光源进行波长的正弦调制；一个光纤环形器；一个光纤跳线；一个光纤准直器；一个能够反射光束的反射镜；一个能够检测干涉信号的光电探测器，所述干涉信号是所述光纤跳线的零度角出光端面与所述反射镜构成法布里珀罗腔形成的；以及信号处理单元，所述信号处理单元耦接所述光电探测器。相比于其他激光干涉测振仪，由于其具有结构简单、电路处理容易、对环境的要求较低等诸多优点，因而更加广泛的应用于振动测量领域。然而，在实际应用中，非线性误差的存在却一直成为光纤法布里珀罗干涉测振仪实现高精度测量的关键问题。图1为典型的光源调制式光纤法布里珀罗干涉测振仪结构，正弦信号发生装置1产生正弦信号给到激光波长可调制光源2，对激光波长可调制光源2输出激光波长进行正弦调制，激光波长可调制光源2发出的激光通过光纤环形器3，出射至光纤跳线4，并从与光纤跳线4连接的光纤准直器5出射，经反射镜6反射耦合进光纤准直器5，并依次通过光纤跳线4、光纤环形器进入光电探测器7，光电探测器7的输出信号等效如下：信号进行相位生成载波解调单元8得到Um1和Um2信号；理想状态下，Um1和Um2可以表示为：其中，B为干涉信号的交流幅值，C为相位调制深度和，J1(C)和J2(C)为贝塞尔函数，和为一倍频和二倍频载波，其表达形式为：理想情况下，调节相位载波的幅值，使得J1(C)＝J2(C)，并设定乘法器中载波基频信号和倍频信号的幅值相同即K1＝K2，为参考光路与测量光路之间的相位差。由此可以看出，Um1和Um2表现为关于的正余弦函数，在理想状态下其幅值相等、直流偏置为零且相互正交。然而在实际情况中，由于载波相位延迟、光强伴随调制原因导致Um1和Um2可以表示为：(KaiWang,MinZhang,FajieDuan，ShangranXie,andYanbiaoLiao,"MeasurementofthephaseshiftbetweenintensityandfrequencymodulationswithinDFB-LDanditsinfluencesonPGCdemodulationinafiber-opticsensorsystem,"Appl.Opt,52(29),7194-7199(2013).)其中m为光强调制系数，P1、P2、θ1和θ2表达式如下：以上式子可以简化整理为：其中，Ax、Ay分别为直流偏置误差，Bx、By分别为不等幅误差，δ为非正交误差。由公式可以看出，Um1和Um2实际表现为含有上述三差的正余弦函数。将上述两路含有三差的干涉信号直接用于位移解算时，会产生周期性的非线性误差，影响测量精度。因此必须通过获取干涉信号的特征参数Ax、Ay、Bx、By和δ对Um1和Um2进行修正，得到理想的正交干涉信号，从而实现对非线性误差修正。非线性误差的修正方法，最早由Heydemann在1981年提出，他利用最小二乘法对大于一个周期的干涉信号进行椭圆拟合，从而获取干涉信号的特征参数，从而实现对非线性误差的修正(P.L.M.Heydemann,Determinationandcorrectionofquadraturefringemeasurementerrorsininterferometers.Appl.Opt.1981,20:3382-3384)，该方法为非线性误差修正的经典方法，研究人员根据该方法提出了多种改进方法，均可以称之为Heydemann修正法；德国联邦物理研究院的Dai通过检测各路干涉信号一个周期内的极大值和极小值，实时的提取非线性误差参数，实现对非线性误差的实时修正(G.-L.Dai,F.Pohlenz,H.-U.Danzebrink,K.Hasche,G.Wilkening,Improvingtheperformanceofinterferometersinmetrologicalscanningprobemicroscopes.Meas.Sci.Technol.2004,15:444-450)，称之为极值修正方法。以上两种方法虽然实现了非线性误差的修正，但其能够正常工作的前提条件为：干涉信号的相位变化不小于一个周期。为了实现上述的前提条件，需要使干涉信号的相位产生不小于一个周期(2π)的变化。实际中通常采用的方法为移动反射镜，通过改变测量光束的光程，实现干涉信号的相位变化。但是这种方法在实际中存在一定的缺陷。移动反射镜的方法一般是通过控制被测对象的运动，使得反射镜产生大于激光半波长的位移，从而获取相位变化大于一个周期的干涉信号。然而实际情况中，有时被测对象能够运动的位移小于上述的位移大小甚至不能随意运动，因此无法满足上述的前提条件。2015年，Zhu等提出了利用光开关进行非线性误差修正的方法，该方法在参考和测量光路各配置一路光开关，通过两路光开关“开”、“关”的组合，可以在被测物处于静止状态时获取干涉信号中的部分非线性误差参数，(J.Zhu,P.Hu,J.Tan,Homodynelaservibrometercapableofdetectingnanometerdisplacementsaccuratelybyusingopticalshutters.Appl.Opt.2015,54:10196–10199)。但是，该方法也存在一定的缺陷：该方法只能配合特定的单频干涉测振仪光路，并不适用于光纤法布里珀罗干涉测振仪，并且该方法只能获取干涉信号特征参数的三差中的直流偏置误差和不等幅误差参数，而对非正交误差参数则无法获取，因此不具有普遍性。
技术实现思路
针对上述非线性修正方法存在的问题，本专利技术提出和研发了一种光纤法布里珀罗干涉测振仪非线性误差修正方法，本专利技术在不需要改变反射镜位置的前提下，通过给激光波长可调制光源进行激光波长预扫描，利用输出激光波长的连续变化使干涉仪的测量的光程差产生连续的变化，使得探测器得到的干涉信号产生至少一个周期的相位变化，实现干涉信号特征参数的预提取，并利用预提取的特征参数在测量过程中实现非线性误差修正的目的。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：1.光纤法布里珀罗干涉测振仪非线性误差修正方法，光纤法布里珀罗干涉测振仪中包含：一个激光波长可调制的光源；光路结构，所述光路结构中包括：光纤环形器，光纤跳线，光纤准直器，反射镜；其中，所述光纤跳线的零度角出光端面与所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.光纤法布里珀罗干涉测振仪非线性误差修正方法，光纤法布里珀罗干涉测振仪中包含：/n一个激光波长可调制的光源；/n光路结构，所述光路结构中包括：光纤环形器，光纤跳线，光纤准直器，反射镜；其中，所述光纤跳线的零度角出光端面与所述反射镜构成法布里珀罗腔；所述光纤准直器用于将所述单模光纤跳线出射的发散光准直；/n一个能够检测干涉信号的光电探测器，所述干涉信号是所述法布里珀罗腔中光束干涉形成的；/n其特征在于，所述方法包括：/n步骤一：打开所述光纤法布里珀罗干涉测振仪，连续改变所述光源的输出激光波长，进而改变所述参考光束与所述测量光束之间的相位差，使得所述相位差产生至少一个周期的连续变化；/n步骤二：提取所述干涉信号的特征参数；/n步骤三：利用所提取到的特征参数，对光纤法布里珀罗干涉测振仪位移测量过程中的非线性误差进行修正。/n步骤四：对得到的位移—时间图进行分析，可获得振动目标的振动幅度和频率。/n

【技术特征摘要】
1.光纤法布里珀罗干涉测振仪非线性误差修正方法，光纤法布里珀罗干涉测振仪中包含：
一个激光波长可调制的光源；
光路结构，所述光路结构中包括：光纤环形器，光纤跳线，光纤准直器，反射镜；其中，所述光纤跳线的零度角出光端面与所述反射镜构成法布里珀罗腔；所述光纤准直器用于将所述单模光纤跳线出射的发散光准直；
一个能够检测干涉信号的光电探测器，所述干涉信号是所述法布里珀罗腔中光束干涉形成的；
其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡鹏程，董祎嗣，冉明，初文豪，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23