CN119268564B - 一种基于激光圆偏振位移测量的可调光纤延迟线延迟量校准装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光圆偏振位移测量的可调光纤延迟线延迟量校准装置和方法，包括：通过迈克尔逊干涉仪模块产生干涉信号，其中参考镜使用不改变相位的光纤反射镜，测量镜使用可使光的相位改变90°的法拉第旋转镜，两者配合实现测量信号和参考信号的90°相位差，再进入激光圆偏振位移测量模块，使用基于正余弦信号切换的干涉条纹处理方法处理信号，得到相位变化量，通过关系式即可获得总的位移量。由总的位移量即可解算出光延迟量实现可调光纤延迟线延迟量的测量校准。

Description

一种基于激光圆偏振位移测量的可调光纤延迟线延迟量校准 装置和方法

技术领域

本发明属于几何量测试技术领域，尤其涉及一种基于激光圆偏振位移测量的可调光纤延迟线延迟量校准装置和方法。

背景技术

延迟量可调式光纤延迟线是由输入、输出光纤准直器以及运动装置组成，用于将光投射到自由空间并再次将其收集到光纤中，通过运动装置改变光的传播距离可以控制光路延迟时间。控制输入和输出光学端口之间的相对距离(单程)，或者将光经过可移动反射镜时传播的距离(双程)，可以精确控制光在自由空间中传播的距离。本质是精确测量出空间距离值和可变化范围内的位移量。

目前光纤延迟线的性能测试方法主要以时间反射和位移比较等方法进行估计，由于绝对时延测量精度较低，不能满足技术要求，故至今尚缺少有效的校准方法，其溯源技术存在空白，严重限制了光纤延迟线相关产品的质量和精度提高，近而使得相关行业应用的诸多关键技术或关键技术指标难以产生质的突破。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于激光圆偏振位移测量的可调光纤延迟线延迟量校准装置和方法，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于激光圆偏振位移测量的可调光纤延迟线延迟量校准装置，包括：

激光器，用于向迈克尔逊干涉仪模块发出激光；

移动模块，用于通过移动控制光的延迟量，产生光程差；

迈克尔逊干涉仪模块，用于在移动模块的移动过程中，改变光程差，产生含有相位差的干涉信号，其中移动过程由所述移动模块驱动；

处理模块，用于对干涉信号进行分析处理，完成校准。

可选的，迈克尔逊干涉仪模块包括：光纤耦合器、光纤反射镜、第一准直器、法拉第旋转镜和反射棱镜。

可选的，所述光纤耦合器为50/50光纤耦合器。

可选的，所述迈克尔逊干涉仪模块中，在移动模块完成移动后，所述激光器发出的激光在所述迈克尔逊干涉仪模块中产生的光路包括：位移参考光路和位移测量光路；其中，

所述位移参考光路的走向包括：光纤耦合器、光纤反射镜；

所述位移测量光路的走向包括：光纤耦合器、第一准直器、反射棱镜、法拉第旋转镜。

可选的，在迈克尔逊干涉仪模块中，经过光纤反射镜反射回的激光信号为参考信号，经过法拉第旋转镜反射回的激光信号为测量信号，所述参考信号和测量信号的相位差为90°。

可选的，所述处理模块包括多个准直器、多个检偏器和多个光电探测器；其中，

所述光电探测器用于对通过准直器、检偏器后的干涉信号进行分析处理获得光程差，并基于所述光程差进行处理获得时间延迟量，基于时间延迟量完成校准。

本发明还提供了一种基于激光圆偏振位移测量的可调光纤延迟线延迟量校准方法，所述方法包括：

在移动模块完成移动后，激光器发出激光，通过移动控制光的延迟量，产生光程差，通过光路获取含有相位差的干涉信号，对干涉信号进行分析处理，完成校准。

可选的，光路中包括：光纤耦合器、光纤反射镜、第一准直器、法拉第旋转镜和反射棱镜。

本发明还提供了一种计算机终端设备，包括：

一个或多个处理器；

存储器，与所述处理器耦接，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如一种基于激光圆偏振位移测量的可调光纤延迟线延迟量校准方法的各个步骤。

本发明还提供了计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如一种基于激光圆偏振位移测量的可调光纤延迟线延迟量校准方法的各个步骤。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本发明提供的一种基于激光圆偏振位移测量的可调光纤延迟线延迟量校准装置和方法，装置包括：用于向迈克尔逊干涉仪模块发出激光的激光器；用于通过移动控制光的延迟量，产生光程差的移动模块；用于在移动模块移动过程中，产生含有相位差的干涉信号的迈克尔逊干涉仪模块；用于对干涉信号进行分析处理，完成校准的处理模块。本发明采用激光圆偏振位移测量方法进行信号处理和解调，采用正余弦信号切换的干涉条纹处理方法，提高了测量精度。本发明采用全光纤结构的迈克尔逊干涉仪，将位移测量结果转化为光传播时间延迟量，创新和丰富了激光位移干涉的设计。本发明结合迈克尔逊干涉仪和基于激光圆偏振位移测量方法，实现可调式光纤延迟线光延迟量校准的目的。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例的测量校准装置示意图；

附图标记：1、激光器；2、光隔离器；3、光纤耦合器；4、光纤反射镜；5、第一准直器；6、法拉第旋转镜；7、反射棱镜；8、导轨；9、第二准直器；10、四分之一波片；11、第一普通分光棱镜；12、第二普通分光棱镜；13、第一检偏器；14、第二检偏器；15、第三检偏器；16、第一光电探测器；17、第二光电探测器；18、第三光电探测器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

实施例一

如图1所示，本实施例中提供一种基于激光圆偏振位移测量的可调光纤延迟线延迟量校准装置，包括：

激光器1，用于向迈克尔逊干涉仪模块发出激光；

移动模块，用于通过移动控制光的延迟量，产生光程差；

迈克尔逊干涉仪模块，用于在移动过程中，产生含有相位差的干涉信号，其中移动过程由移动模块驱动；

处理模块，用于对干涉信号进行分析处理，完成校准。

作为一种可选的实施方式，移动模块通过移动控制光的延迟量时，是为了模拟光纤延迟线，为迈克尔逊干涉仪提供光程差；具体的，测量过程中，移动模块中由上位机控制导轨8进行移动，产生光程差.

作为一种可选的实施方式，处理模块中采用激光圆偏振位移测量的方式进行处理，包括：采用正余弦切换的信号处理方法，以减小A/D和直流信号噪声产生的误差，提高测量精度；将测得的信号解调实现可调光纤延迟线延迟量校准。

具体的，其中激光器1和迈克尔逊干涉仪模块之间连接有光隔离器2。

作为一种可选的实施方式，迈克尔逊干涉仪模块包括：光纤耦合器3、光纤反射镜4、第一准直器5、法拉第旋转镜6和反射棱镜7。

作为一种可选的实施方式，所述光纤耦合器3为50/50光纤耦合器、70/30光纤耦合器、80/20光纤耦合器中的任意一种，优选50/50光纤耦合器。

作为一种可选的实施方式，所述迈克尔逊干涉仪模块中，在移动模块移动过程中，所述激光器1发出的激光在所述迈克尔逊干涉仪模块中产生的光路包括：位移参考光路和位移测量光路；其中，

所述位移参考光路的走向包括：光纤耦合器3、光纤反射镜4；

所述位移测量光路的走向包括：光纤耦合器3、第一准直器5、反射棱镜7、法拉第旋转镜6。

其中，光纤反射镜4不使相位发生改变，法拉第旋转镜6则能够使相位改变90°。

作为一种可选的实施方式，在迈克尔逊干涉仪模块中，经过光纤反射镜4反射回的激光信号为参考信号，经过法拉第旋转镜6反射回的激光信号为测量信号，所述参考信号和测量信号的相位差为90°。

作为一种可增加的实施方式，所述参考光路和测量光路形成的干涉信号经过激光圆偏振干涉纳米位移测量系统后得到导轨8移动的位移量，然后解算出对应的延迟量，即光纤延迟线的光延迟量。

作为一种可选的实施方式，所述处理模块包括多个准直器、多个检偏器和多个光电探测器；其中，

所述光电探测器用于对通过准直器、检偏器后的干涉信号进行分析处理获得光程差，并基于所述光程差进行处理获得时间延迟量，基于时间延迟量完成校准。

作为一种可增加的实施方式，处理模块包括第二准直器9、四分之一波片10、第一普通分光棱镜11、第一检偏器13、第一光电探测器16、第二普通分光棱镜12、第二检偏器14、第三检偏器15、第二光电探测器17和第三光电探测器18。

下面，结合处理模块中具体包括的器件，对处理模块内的光路进行说明：

作为一种可增加的实施方式，第一光电探测器16的测量光信号走向包括：光纤耦合器3、第二准直器9、四分之一波片10、第一普通分光棱镜11、第一检偏器13、第一光电探测器16。

第二光电探测器17的测量光信号走向包括：光纤耦合器3、第二准直器9、四分之一波片10、第一普通分光棱镜11、第二普通分光棱镜12、第二检偏器14、第二光电探测器17。

第三光电探测器18的测量光信号走向包括：光纤耦合器3、第二准直器9、四分之一波片10、第一普通分光棱镜11、第二普通分光棱镜12、第三检偏器15、第三光电探测器18。

作为一种可增加的实施方式，第一检偏器13的通光方向与水平方向成平行，第二检偏器14的通光方向与水平方向成45°，第三检偏器15的通光方向与水平方向成90°。

基于此，本发明实施例提供的一种基于激光圆偏振位移测量的可调光纤延迟线延迟量校准装置，包括：用于向迈克尔逊干涉仪模块发出激光的激光器；用于通过移动控制光的延迟量，产生光程差的移动模块；用于在移动模块移动过程中产生含有相位差的干涉信号的迈克尔逊干涉仪模块；用于对干涉信号进行分析处理，完成校准的处理模块。本发明采用激光圆偏振位移测量方法进行信号处理和解调，采用正余弦信号切换的干涉条纹处理方法，提高了测量精度。本发明采用全光纤结构的迈克尔逊干涉仪，将位移测量结果转化为光传播时间延迟量，创新和丰富了激光位移干涉的设计。本发明结合迈克尔逊干涉仪和基于激光圆偏振位移测量方法，实现可调式光纤延迟线光延迟量校准的目的。

实施例二

基于同一种的发明构思，本发明还提供一种基于激光圆偏振位移测量的可调光纤延迟线延迟量校准方法。下面对本发明提供的基于激光圆偏振位移测量的可调光纤延迟线延迟量校准方法进行描述，下文描述的基于激光圆偏振位移测量的可调光纤延迟线延迟量校准方法与上文描述的基于激光圆偏振位移测量的可调光纤延迟线延迟量校准装置可相互对应参照，该方法包括：

在移动模块完成移动后，激光器发出激光，通过移动控制光的延迟量，产生光程差，通过光路获取含有相位差的干涉信号，对干涉信号进行分析处理，完成校准。

作为一种可选的实施方式，光路中包括：光纤耦合器3、光纤反射镜4、第一准直器5、法拉第旋转镜6和反射棱镜7。

具体的过程包括：

步骤1，测前初始状态的调整：

在激光器光源模块正常工作情况下，通过上位机调整导轨的位移值置零，激光器光源模块采用激光器。

步骤2，位移测量：

激光器1产生一束激光并耦合到光纤中，经过光隔离器后经光纤耦合器3分为两束光，其中一束光从光纤中出射后射向参考镜即光纤反射镜4后反射回到光纤中，另一束光经过反射棱镜7后射向测量镜即法拉第旋转镜6，反射后相位改变90°后重新进入光纤。两路激光在光纤耦合器3处耦合后，进入位移测量模块。测量过程中，移动模块中由上位机控制导轨进行移动，产生光程差。其中，光纤耦合器3优选50:50光纤耦合器，也可选70/30光纤耦合器、80/20光纤耦合器中的任意一种。

步骤3，信号处理：

由光电探测器测得的三路信号先经过比例运放电路，使得三路信号的交流分量幅值相等；然后，将第一路和第二路信号和一直流量经过加减运算电路，第二路和第三路信号和另一个直流量经过加减运算电路，使得输出的信号中消去直流分量。再使用基于正余弦信号切换的干涉条纹处理方法处理信号，得到相位变化量，通过关系式即可获得总的位移量。由总的位移量即可解算出光延迟量。

作为一种可选的实施方式，三个光电探测器接收到的信号分别为：

其中，a₁、a₂、a₃分别为三路信号的直流分量，b₁、b₂、b₃分别为三路信号的交流分量幅值，θ＝4π/λx，x表示位移量。

三路信号先经过比例运放电路，使得交流分量的幅值相等。令输出的信号分别为D₁₁、D₁₂、D₁₃。再将第一路和第二路信号和一直流量经过加减运算电路，第二路和第三路信号和另一个直流量经过加减运算电路。

作为一种可增加的实施方式，令输出的信号分别为S1和S2，公式为：

S₂＝bcos(θ+3π/4)-bcos(θ+π/4)+(a₆-a₅+c₂)＝-Acosθ (3)

其中，b为交流信号的幅值，θ为相位，A为a₄、a₅、a₆为D₁₁、D₁₂、D₁₃的直流分量，c₁＝a₅-a₄、c₂＝a₆-a₅。

作为一种可增加的实施方式，由基于正余弦信号切换的干涉条纹处理方法处理信号，总的相位变化量为π/4乘上计数器的值n，再加上不满一个计数周期π/4的相位θ，其中不满一个计数周期的相位θ采用修正后的θ公式进行计算。

总的位移量x的表达式为：

其中，λ为激光波长，θ为相位，π/4为计数周期。

步骤4，时间延迟量测量：

由信号解调测得的位移量x与时间延迟量Δt的关系可解算出时间延迟量。

作为一种可增加的实施方式，所述信号解调测得的位移量x与时间延迟量Δt的关系为：

其中c为光速，由式(5)可解算出时间延迟量。

本发明通过迈克尔逊干涉仪模块产生干涉信号，其中参考镜使用不改变相位的光纤反射镜，测量镜使用可使光的相位改变90°的法拉第旋转镜，两者配合实现测量信号和参考信号的90°相位差，再进入激光圆偏振位移测量模块，使用基于正余弦信号切换的干涉条纹处理方法处理信号，得到相位变化量，通过关系式即可获得总的位移量。由总的位移量即可解算出光延迟量实现可调光纤延迟线延迟量的测量校准。

应当理解的是，本发明实施例提供的一种基于激光圆偏振位移测量的可调光纤延迟线延迟量校准方法具备上述实施例提供的基于激光圆偏振位移测量的可调光纤延迟线延迟量校准装置的全部优点。

本发明还提供了一种计算机终端设备，包括：

一个或多个处理器；

存储器，与所述处理器耦接，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如一种基于激光圆偏振位移测量的可调光纤延迟线延迟量校准方法的各个步骤。

本发明还提供了计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如一种基于激光圆偏振位移测量的可调光纤延迟线延迟量校准方法的各个步骤。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于激光圆偏振位移测量的可调光纤延迟线延迟量校准装置，其特征在于，包括：

激光器(1)，用于向迈克尔逊干涉仪模块发出激光；

移动模块，用于通过移动控制光的延迟量，产生光程差；

迈克尔逊干涉仪模块，用于在移动过程中，产生含有相位差的干涉信号，其中移动过程由所述移动模块驱动；

处理模块，用于对干涉信号进行分析处理，完成校准；

所述处理模块包括多个准直器、多个检偏器和多个光电探测器；其中，

所述光电探测器用于对通过准直器、检偏器后的干涉信号进行分析处理获得光程差，并基于所述光程差进行处理获得时间延迟量，基于时间延迟量完成校准；

处理模块包括第二准直器(9)、四分之一波片(10)、第一普通分光棱镜(11)、第一检偏器(13)、第一光电探测器(16)、第二普通分光棱镜(12)、第二检偏器(14)、第三检偏器(15)、第二光电探测器(17)和第三光电探测器(18)；

第一光电探测器(16)的测量光信号走向包括：光纤耦合器(3)、第二准直器(9)、四分之一波片(10)、第一普通分光棱镜(11)、第一检偏器(13)、第一光电探测器(16)；

第二光电探测器(17)的测量光信号走向包括：光纤耦合器(3)、第二准直器(9)、四分之一波片(10)、第一普通分光棱镜(11)、第二普通分光棱镜(12)、第二检偏器(14)、第二光电探测器(17)；

第三光电探测器(18)的测量光信号走向包括：光纤耦合器(3)、第二准直器(9)、四分之一波片(10)、第一普通分光棱镜(11)、第二普通分光棱镜(12)、第三检偏器(15)、第三光电探测器(18)；

第一检偏器(13)的通光方向与水平方向成平行，第二检偏器(14)的通光方向与水平方向成45°，第三检偏器(15)的通光方向与水平方向成90°。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，迈克尔逊干涉仪模块包括：光纤耦合器(3)、光纤反射镜(4)、第一准直器(5)、法拉第旋转镜(6)和反射棱镜(7)。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述光纤耦合器(3)为50/50光纤耦合器(3)。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述迈克尔逊干涉仪模块中，在移动模块完成移动后，所述激光器(1)发出的激光在所述迈克尔逊干涉仪模块中产生的光路包括：位移参考光路和位移测量光路；其中，

所述位移参考光路的走向包括：光纤耦合器(3)、光纤反射镜(4)；

所述位移测量光路的走向包括：光纤耦合器(3)、第一准直器(5)、反射棱镜(7)、法拉第旋转镜(6)。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，在迈克尔逊干涉仪模块中，经过光纤反射镜(4)反射回的激光信号为参考信号，经过法拉第旋转镜(6)反射回的激光信号为测量信号，所述参考信号和测量信号的相位差为90°。

6.一种基于激光圆偏振位移测量的可调光纤延迟线延迟量校准方法，实施于权利要求1-5任意一项所述的基于激光圆偏振位移测量的可调光纤延迟线延迟量校准装置，其特征在于，所述方法包括：

激光器发出激光，通过移动模块的移动控制光的延迟量，从而产生光程差，通过光路获取含有相位差的干涉信号，对干涉信号进行分析处理，完成校准；

通过光路获取含有相位差的干涉信号，对干涉信号进行分析处理的过程包括：

三个光电探测器接收到的信号分别为：

其中，a₁、a₂、a₃分别为三路信号的直流分量，b₁、b₂、b₃分别为三路信号的交流分量幅值，θ＝4π/λx，x表示位移量；

三路信号先经过比例运放电路，使得交流分量的幅值相等，令输出的信号分别为D₁₁、D₁₂、D₁₃，再将第一路和第二路信号和一直流量经过加减运算电路，第二路和第三路信号和另一个直流量经过加减运算电路；

令输出的信号分别为S1和S2，公式为：

S₂＝bcos(θ+3π/4)-bcos(θ+π/4)+(a₆-a₅+c₂)＝-Acosθ (3)

其中，b为交流信号的幅值，θ为相位，A为a₄、a₅、a₆为D₁₁、D₁₂、D₁₃的直流分量，c₁＝a₅-a₄、c₂＝a₆-a₅；

由基于正余弦信号切换的干涉条纹处理方法处理信号，总的相位变化量为π/4乘上计数器的值n，再加上不满一个计数周期π/4的相位θ，其中不满一个计数周期的相位θ采用修正后的θ公式进行计算；

总的位移量x的表达式为：

其中，λ为激光波长，θ为相位，π/4为计数周期。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，光路中包括：光纤耦合器、光纤反射镜、第一准直器、法拉第旋转镜和反射棱镜。

8.一种计算机终端设备，其特征在于，包括：

一个或多个处理器；

存储器，与所述处理器耦接，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求6-7中任一项所述的基于激光圆偏振位移测量的可调光纤延迟线延迟量校准方法的各个步骤。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求6-7中任一项所述的基于激光圆偏振位移测量的可调光纤延迟线延迟量校准方法的各个步骤。