CN109029271A - Dfb阵列扫频光源光纤频域干涉测距系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光干涉测距技术，为能够最大程度地提高干涉信号的对比度，同时兼具宽扫频范围和很好的相干性，本发明，DFB阵列扫频光源光纤频域干涉测距系统和方法，DFB阵列扫频光源产生的扫频激光首先进入分光比为20:80宽带光纤耦合器，分出的20％光进入参考的马赫泽德干涉仪MZI；另外的80％光通过分光比为10:90宽带光纤耦合器，10％进入两干涉臂中的参考臂；另外90％进入测试臂，测试臂采用三端环形器结构，所述扫频激光由三端环形器进入光纤探头后射到待测工件表面，从待测工件表面的反射光被同一光纤探头收集，再由三端环形器进入用于合束的耦合器，与参考光发生干涉。本发明主要应用于激光干涉测距场合。

Description

DFB阵列扫频光源光纤频域干涉测距系统和方法

技术领域

本发明属于激光干涉测距技术领域，特别是关于扫频光源光纤频域干涉间隙测量技术。具体讲,涉及基于DFB阵列扫频光源的光纤频域干涉测距系统。

背景技术

许多工业，科学和军事系统需要可靠的高分辨率方法来测量距离，同时又有严格的传感器尺寸，功率和复杂性要求。例如，发动机、汽轮机等重大装备中的间隙测量作为影响大型器械运行性能的关键参数之一，在国民生产和国防有着广泛应用。作为火电机组的核心部件，汽轮机的轴向间隙是提高超临界汽轮机的热力性能和影响超临界汽轮机的运行安全的关键指标之一。动叶片作为发动机的核心做功元件，其自身运行状态参数，特别是动叶片叶尖间隙的变化直接影响整个发动机系统的运转状态、工作效率和安全性能。此外，飞机以及其他重大装备等都在向高智能、高性能的制造发展，对运动件装配，转子和定子的轴向距离等等的有效控制有很高要求，以保证其装配达标和运行安全。

近年来国内外大力发展了非接触式的光学方法来测量距离，将传感器安装在机匣上，该方法不破坏测量对象的机械结构，并可实现动态间隙实时在线测量。主要方法包括：光时域反射计(OTDR),光频域反射计(OFDR),白光干涉技术，双频外差干涉法，扫频OCT法。光时域反射计(OTDR)被广泛用于定位光纤线路及网络中的断点及其它异常。方法简单易行，但分布式传感灵敏度低，测量误差大，一般测量范围在km级，可达到m级的测量空间分辨率。光频率反射计(OFDR)基于光外差探测法和光源线性调频，实现高精度测量。该方法利用线性调频光源发出的相干光的混频来求取光程差。具有出色的微弱信号检测能力和良好的滤波性能，动态范围宽，与光时域反射计(OTDR)相比具有更高的空间分辨率，在层析技术，光波导测量，光纤测量和光纤传感器领域，有着广阔的应用前景。双频外差干涉利用多波长干涉测量法实现大尺寸绝对距离测量，对光强波动不敏感、响应速度快、信噪比高等优点,易于实现高精度测量，量程可达100mm，分辨力高于1nm，精度优于10nm。存在的问题是从根本上依赖于谱线分布适中的稳频激光器；不同的稳频激光器，适用于不同的测量范围和精度要求。白光干涉法具有高精确度和快速检测等优点，但测量范围只可达1um～50um。适用于微米级、平面有较高光学反射率、具有镜面反射或漫反射的物体的绝对距离测量。扫频OCT的方法原理与光频域反射计类似，都基于光低相干干涉和傅里叶变换的理论，主要应用于mm级的探测范围，可达到um级的测量精度。

但上述的光学测量方法目前主要还停留在实验室阶段，少有发展到适用到工业现场在线检测。目前，成熟的方法主要针对5mm以内的测量范围，而对10mm左右测量量程的间隙测量少有研究，缺乏技术支撑。如何实现特殊运行环境下10mm左右中等间隙的精密现场测量，对打破国外间隙的现场动态测试技术封锁，有着重大的意义。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种新的光纤频域干涉的测距方法、装置，能够最大程度地提高干涉信号的对比度，同时兼具宽扫频范围和很好的相干性，设备更加紧凑小型化。为此本发明采用的技术方案是，DFB阵列扫频光源光纤频域干涉测距系统，DFB阵列扫频光源产生的扫频激光首先进入分光比为20:80宽带光纤耦合器，分出的20％光进入参考的马赫泽德干涉仪MZI，由MZI的光电二极管PD2采集的干涉信号为等波数的参考时钟信号，用于后期主干涉仪的信号重建；另外的80％光通过分光比为10:90宽带光纤耦合器，10％进入两干涉臂中的参考臂，利用带电动位移台的光纤延迟线，用来调节干涉臂的平衡，同时在线匹配两干涉光的光强；另外90％进入测试臂，测试臂采用三端环形器结构，所述扫频激光由三端环形器进入光纤探头后射到待测工件表面，从待测工件表面的反射光被同一光纤探头收集，再由三端环形器进入用于合束的耦合器，与参考光发生干涉；干涉光由铟镓砷InGaAs PIN型光电探测器进行光电转换，经过放大器和滤波器放大并滤波后被ADC模数转换器采集，其中ADC采集的时钟信号是由扫频光源的触发信号时钟产生的，并根据参考MZI干涉仪的PD2采集来的干涉信号作为信号重建的时钟信号。

还包括计算机，用于对得到的数据做快速傅里叶变换，得到待测的距离值。

DFB阵列的扫频光源为C波段DFB阵列模块激光光源，由FPGA构成的电流控制电路板为每个DFB阵列模块提供电流以进行扫描，将DFB阵列模块连接以利用阵列的整个带宽产生等效扫描；其中，FPGA通过比较参考时钟和MZI干涉信号进行过零采样后的信号产生PWM脉冲宽度调制误差信号，提供扫描电流，同时根据每次电流扫描的开始输出TTL触发电平信号，用于触发数据采集的时钟信号。

光纤探头采用自聚焦透镜，自聚焦透镜镀上增透膜，避免端面反射光对干涉的影响；自聚焦透镜采用短焦距设计。

DFB阵列扫频光源光纤频域干涉测距方法，将DFB阵列扫频光源产生的扫频激光送入分光比为20:80宽带光纤耦合器，分出的20％光进入参考的马赫泽德干涉仪MZI，由MZI的光电二极管PD2采集的干涉信号为等波数的参考时钟信号，用于后期主干涉仪的信号重建；另外的80％光通过分光比为10:90宽带光纤耦合器，10％进入两干涉臂中的参考臂，利用带电动位移台的光纤延迟线，用来调节干涉臂的平衡，同时在线匹配两干涉光的光强；另外90％进入测试臂，测试臂采用三端环形器结构，所述扫频激光由三端环形器进入光纤探头后射到待测工件表面，从待测工件表面的反射光被同一光纤探头收集，再由三端环形器进入用于合束的耦合器，与参考光发生干涉；干涉光由铟镓砷InGaAs PIN型光电探测器进行光电转换，经过放大器和滤波器放大并滤波后被ADC模数转换器采集，其中ADC采集的时钟信号是由扫频光源的触发信号时钟产生的，并根据参考MZI干涉仪的PD2采集来的干涉信号作为信号重建的时钟信号。

对采集到的数据进行如下处理：光纤探头端面距离待测工件表面的距离为d，探头收集的工件表面反射光与参考光将发生干涉，干涉公式为：

其中，L＝2d，n是光纤折射率，λ(t)为扫频光源波长扫描函数；对一个特定的距离d，扫频光源在时域上对波长λ进行快速扫描，产生时域干涉信号，对此干涉信号做FFT，得出的特定的频率f，与距离d一一对应。

本发明的特点及有益效果是：

(1)克服常用的波长扫描激光源，如微机电(MEMS)外腔激光器和电可调半导体激光器，激光源的相干长度很短(一般为几十微米)，当测距距离超过相干长度时，干涉信号将迅速退化的缺点。采用基于DFB阵列的扫频光源代替外腔扫描式扫频光源，同时兼具宽扫频范围和很好的相干性，避免干涉信号退化而影响测量精度。

(2)克服共光路干涉仪设计在现场测量条件下不能在线调节两干涉臂光强匹配的缺点，采用不共光路模型，可以在线匹配两干涉光的光强，适应被测工件的表面反射率不同的实际情况，最大程度地提高干涉信号的对比度。

(3)克服光纤探头自聚焦透镜平行光射到待测物体表面收集背向散射光效率较低的缺点，采用自聚焦透镜短焦距设计，让光斑更加集中射到待测表面，从而提高待测反射光的收集效率。

(4)克服接收干涉信号装置复杂，体积较大的缺点,采用宽带宽的单光电探测器，大大简化了接收干涉信号装置，设备更加紧凑小型化，降低了成本。

附图说明：

图1示出本发明的基于DFB阵列扫频光源的光纤频域干涉的测距系统框图。

图2示出DFB阵列扫频光源的原理框图。

图3示出光纤自聚焦透镜探头的设计示意图。

图1中：1为DFB阵列扫频光源；2为中心波长为1550nm宽带耦合器，分光比为20/80；由3，4，5，6，7，8构成了主干涉仪，用于用来进行携带距离信息的干涉光的实时采集，其中：3为中心波长为1550nm宽带耦合器，分光比为10/90；4为三端光纤环形器；5位光纤探头，其端面到待测工件表面的距离为测量的距离；6为带电动位移台的光纤延迟线；7为中心波长为1550nm宽带耦合器，用于合束；8是单点InGaAs光电探测器，响应波长800-1700nm；9是参考马赫泽德干涉仪(MZI)，它由两个3dB耦合器组成，两个光纤圈的光程差为定值，用于产生等波数间隔采样的触发信号，对主干涉仪采集的携带距离信息的干涉光信号进行信号重建；10为ADC模数转换器，11为FPGA，12为USB芯片，13为计算机。

具体实施方式

本发明提供一种基于DFB阵列扫频光源的光纤频域干涉的测距方法。它能克服如下缺点：(1)本发明能克服常用的波长扫描激光源，如微机电(MEMS)外腔激光器和电可调半导体激光器，激光源的相干长度很短(一般为几十微米)，当测距距离超过相干长度时，干涉信号将迅速退化的缺点。(2)本发明能克服共光路干涉仪设计在现场测量条件下不能在线调节两干涉臂光强匹配的缺点。(3)本发明能克服光纤探头自聚焦透镜平行光射到待测工件表面收集背向散射光效率较低的缺点。(4)本发明能克服接收干涉信号装置复杂，体积较大的缺点。

本发明具有如下优点：(1)采用基于DFB阵列的扫频光源代替外腔扫描式扫频光源，同时兼具宽扫频范围和很好的相干性，避免干涉信号退化；(2)采用不共光路模型，可以在线匹配两干涉光的光强，适应被测物体的反射率的不同情况，最大程度地提高干涉信号的对比度。(3)光纤探头采用自聚焦透镜短焦距设计，让光斑更加集中射到待测表面，从而提高待测反射光的收集效率。(4)采用宽带宽的单光电探测器，大大简化了接收干涉信号装置，使设备更加紧凑小型化，降低了成本。

本发明：

(1)提出一种基于分布式反馈激光器(DFB)阵列的扫频光源的光纤频域干涉测距方法。这里我们采用C波段DFB阵列模块作为相干扫描波长测距的激光源，定制电流控制电路板为每个DFB元件提供量身定制的电流扫描，来自每个元件的测量特征被连接以利用阵列的整个带宽(>40nm)产生等效扫描。一方面，使得扫频光源同时兼具宽扫频范围和很好的相干性，避免干涉信号退化影响测量精度；另一方面，采用扫频光源将不同波长在时间上分离，可以简化采集装置，不再需要光谱仪，只需要光电探测器接收即可。

(2)提出一种光纤频域干涉测距的测量光路模型，采用Mach-Zenhder干涉仪并且参考臂和测试臂不共光路的模型。在实际现场测量中，由于无法改变被测工件的表面反射率，采用不共光路模型，可以在线匹配两干涉光的光强，以最大程度地提高干涉信号的对比度。

(3)提出一种参考臂和测试臂不共光路的条件下，光纤探头的设计方案。光纤探头采用自聚焦透镜设计，一方面，自聚焦透镜镀上增透膜，避免端面反射光对干涉的影响；另一方面，采用短焦距设计，让光斑更加集中射到待测表面，从而提高待测反射光的收集效率。

(4)提出一种宽带宽的单光电探测器的采集电路设计。根据扫频光源的扫描速率，以及测量的距离范围，计算出光电探测器的带宽要求，在中低频的情况下，采用单光电探测器的探测方案。

本发明采取的技术方案是，基于DFB阵列的扫频光源的光纤频域干涉测距系统，包括：(1)DFB阵列的扫频光源

采用C波段DFB阵列模块作为相干扫描波长测距的激光源，定制电流控制电路板为每个DFB元件提供量身定制的电流扫描，将12个线宽为1MHz的DFB阵列元件连接以利用阵列的整个带宽1528-1568nm(共40nm的带宽)产生等效扫描，扫描的步长为1GHz(C波段为0.8pm)。FPGA通过比较参考时钟和MZI的干涉信号进行过零采样后的信号产生PWM(脉冲宽度调制)误差信号，用来保证电流驱动电路板产生稳定的设定的电流扫描曲线，同时根据每次电流扫描的开始输出TTL触发电平信号，可以用于触发数据采集的时钟信号。两臂不共光路的干涉仪设计

利用耦合器将马赫泽德干涉仪的两干涉臂分开，其中参考臂用带电动位移台的光纤延迟线，用来调节干涉臂的平衡，同时可以在线匹配两干涉光的光强；测试臂采用三端环形器，扫频光由环形器进入光纤探头后射到待测工件表面，从待测工件表面的反射光被光纤探头收集，再由环形器进入用于合束的耦合器，与参考光发生干涉。

(2)短焦距的自聚焦透镜光纤探头

本系统的距离测定是通过对接收的待测工件反射光信号来获取的。光纤探头兼具发射扫频激光信号和接收反射后的信号的双重任务，接收信号待测工件的背向散射光及杂散反射光信号。其中被测端面反射光信号受其材料反射率及温度参数变化影响，对不同的待测物体反射面，提高背向散射光的收集效率是提高信噪比的至关重要的研究。针对10mm的测量量程，本设计采用7±3mm的焦距，相比较于准直的平行光射到待测工件表面，短焦距的设计，将有限的激光功率汇聚在很小的光斑上，提高了反射光的收集效率。

(3)单光电探测器检测

PIN光电二极管将采集的光强信号转换为电信号，再利用I-V转换电路对电流信号转换为电压信号，并进行微弱信号放大。根据扫频光源的扫描速率，以及测量的距离量程，计算出光电探测器的带宽要求，在中低频的情况下，采用宽带的单光电探测器的探测方案。

为克服现有技术的不足，做到(1)克服常用的波长扫描激光源，如微机电(MEMS)外腔激光器和电可调半导体激光器，激光源的相干长度很短(一般为几十微米)，当测距距离超过相干长度时，干涉信号将迅速退化的缺点。(2)克服共光路干涉仪设计在现场测量条件下不能在线调节两干涉臂光强匹配的缺点。(3)克服光纤探头自聚焦透镜平行光射到待测工件表面收集背向散射光效率较低的缺点。(4)克服接收干涉信号装置复杂，体积较大的缺点。

本发明是这样实现的：

(1)使用DFB阵列的扫频光源

采用C波段DFB阵列模块作为相干扫描波长测距的激光源，定制电流控制电路板为每个DFB元件提供量身定制的电流扫描，将12个线宽为1MHz的DFB阵列元件连接以利用阵列的整个带宽1528-1568nm(共40nm的带宽)产生等效扫描，扫描的步长为1GHz(C波段为0.8pm)。FPGA通过比较参考时钟和MZI的干涉信号进行过零采样后的信号产生PWM(脉冲宽度调制)误差信号，用来保证电流驱动电路板产生稳定的设定的电流扫描曲线，同时根据每次电流扫描的开始输出TTL触发电平信号，可以用于触发数据采集的时钟信号。

(2)采用两臂不共光路的干涉仪设计

利用耦合器将马赫泽德干涉仪的两干涉臂分开，其中参考臂用带电动位移台的光纤延迟线，用来调节干涉臂的平衡，同时可以在线匹配两干涉光的光强；测试臂采用三端环形器，扫频光由环形器进入光纤探头后射到待测工件表面，从待测工件表面的反射光被光纤探头收集，再由环形器进入用于合束的耦合器，与参考光发生干涉。

(3)短焦距的自聚焦透镜光纤探头

本系统的距离测定是通过对接收的待测工件反射光信号来获取的。光纤探头兼具发射扫频激光信号和接收反射后的信号的双重任务，接收信号待测工件的背向散射光及杂散反射光信号。其中被测端面反射光信号受其材料反射率及温度参数变化影响，对不同的待测物体反射面，提高背向散射光的收集效率是提高信噪比的至关重要的研究。针对10mm的测量量程，本设计采用7±3mm的焦距，相比较于准直的平行光射到待测工件表面，短焦距的设计，将有限的激光功率汇聚在很小的光斑上，提高了反射光的收集效率。

(4)单光电探测器检测

PIN光电二极管将采集的光强信号转换为电信号，再利用I-V转换电路对电流信号转换为电压信号，并进行微弱信号放大。根据扫频光源的扫描速率，以及测量的距离量程，计算出光电探测器的带宽要求，在中低频的情况下，采用宽带的单光电探测器的探测方案。

下面结合附图和实验本发明做进一步说明。

本发明中，扫频光源使用C波段的DFB阵列的激光器，波长范围为1528-1568nm，整个波段的扫描速度为1KHz，扫描步长为1GHz(在C波段长度为0.8pm)，激光功率为20mW。同时由DFB内部的FPGA通过比较内部参考时钟和MZI干涉信号进行过零采样后的信号，产生PWM误差信号保证电流驱动板扫描波形，并输出相应的TTL电平信号。

进一步地，扫频激光首先进入宽带光纤耦合器2(分光比为20:80)，20％进入参考的MZI，由于该干涉仪的光程差为定值，由PD2采集的干涉信号为等波数的参考时钟信号，可用于后期主干涉仪的信号重建；另外的80％进入主干涉仪，通过宽带光纤耦合器3将两干涉臂分开(分光比为10:90)，其中10％进入参考臂，利用带电动位移台的光纤延迟线，用来调节干涉臂的平衡，同时可以在线匹配两干涉光的光强；另外90％进入测试臂，采用三端环形器，扫频光由环形器进入光纤探头后射到待测工件表面，从待测工件表面的反射光被光纤探头收集，再由环形器进入用于合束的耦合器，与参考光发生干涉。

进一步地，本系统的距离测定是通过对接收的待测工件反射光信号来获取的。光纤探头兼具发射扫频激光信号和接收反射后的信号的双重任务，接收信号待测工件的背向散射光。为了提高背向散射光的收集效率，针对10mm的测量量程，本设计采用7±3mm的焦距，相比较于准直的平行光射到待测工件表面，短焦距的设计，将有限的激光功率汇聚在很小的光斑上，提高了反射光的收集效率。

进一步地，由于扫频光源将不同波长的光在时间上分隔开来，采用单个的InGaAs光电二极管将采集的光强信号转换为电信号，再利用I-V转换电路对电流信号转换为电压信号，并进行微弱信号放大。根据扫频光源的扫描速率1KHz，以及测量的距离量程10mm，在中低频的情况下，选择光电探测器的带宽要求50MH以上，即可满足测量要求。

进一步地，参考光和测试臂的反射光在宽带耦合器输出时发生干涉。由InGaAsPIN光电探测器进行光电转换，经过放大并滤波后被ADC模数转换器采集。其中ADC采集的时钟信号是由扫频光源的触发信号时钟产生的。并根据参考MZI干涉仪的PD2采集来的干涉信号作为信号重建的时钟信号，得到的数据由USB芯片传输到计算机上做快速傅里叶变换(FFT)，得到待测的距离值(指光纤探头的端面到待测工件表面的距离)。

Claims (5)

1.一种DFB阵列扫频光源光纤频域干涉测距系统，其特征是，DFB阵列扫频光源产生的扫频激光首先进入分光比为20:80宽带光纤耦合器，分出的20％光进入参考的马赫泽德干涉仪MZI，由MZI的光电二极管PD2采集的干涉信号为等波数的参考时钟信号，用于后期主干涉仪的信号重建；另外的80％光通过分光比为10:90宽带光纤耦合器，10％进入两干涉臂中的参考臂，利用带电动位移台的光纤延迟线，用来调节干涉臂的平衡，同时在线匹配两干涉光的光强；另外90％进入测试臂，测试臂采用三端环形器结构，所述扫频激光由三端环形器进入光纤探头后射到待测工件表面，从待测工件表面的反射光被同一光纤探头收集，再由三端环形器进入用于合束的耦合器，与参考光发生干涉；干涉光由铟镓砷InGaAs PIN型光电探测器进行光电转换，经过放大器和滤波器放大并滤波后被ADC模数转换器采集，其中ADC采集的时钟信号是由扫频光源的触发信号时钟产生的，并根据参考MZI干涉仪的PD2采集来的干涉信号作为信号重建的时钟信号。

2.如权利要求1所述的DFB阵列扫频光源光纤频域干涉测距系统，其特征是，还包括计算机，用于对得到的数据做快速傅里叶变换，得到待测的距离值。

3.如权利要求1所述的DFB阵列扫频光源光纤频域干涉测距系统，其特征是，DFB阵列的扫频光源为C波段DFB阵列模块激光光源，由FPGA构成的电流控制电路板为每个DFB阵列模块提供电流以进行扫描，将DFB阵列模块连接以利用阵列的整个带宽产生等效扫描；其中，FPGA通过比较参考时钟和MZI干涉信号进行过零采样后的信号产生PWM脉冲宽度调制误差信号，提供扫描电流，同时根据每次电流扫描的开始输出TTL触发电平信号，用于触发数据采集的时钟信号；光纤探头采用自聚焦透镜，自聚焦透镜镀上增透膜，避免端面反射光对干涉的影响；自聚焦透镜采用短焦距设计。

4.一种DFB阵列扫频光源光纤频域干涉测距方法，其特征是，将DFB阵列扫频光源产生的扫频激光送入分光比为20:80宽带光纤耦合器，分出的20％光进入参考的马赫泽德干涉仪MZI，由MZI的光电二极管PD2采集的干涉信号为等波数的参考时钟信号，用于后期主干涉仪的信号重建；另外的80％光通过分光比为10:90宽带光纤耦合器，10％进入两干涉臂中的参考臂，利用带电动位移台的光纤延迟线，用来调节干涉臂的平衡，同时在线匹配两干涉光的光强；另外90％进入测试臂，测试臂采用三端环形器结构，所述扫频激光由三端环形器进入光纤探头后射到待测工件表面，从待测工件表面的反射光被同一光纤探头收集，再由三端环形器进入用于合束的耦合器，与参考光发生干涉；干涉光由铟镓砷InGaAs PIN型光电探测器进行光电转换，经过放大器和滤波器放大并滤波后被ADC模数转换器采集，其中ADC采集的时钟信号是由扫频光源的触发信号时钟产生的，并根据参考MZI干涉仪的PD2采集来的干涉信号作为信号重建的时钟信号。

5.如权利要求4所述的DFB阵列扫频光源光纤频域干涉测距方法，其特征是，对采集到的数据进行如下处理：光纤探头端面距离待测工件表面的距离为d，探头收集的工件表面反射光与参考光将发生干涉，干涉公式为：

其中，L＝2d，n是光纤折射率，λ(t)为扫频光源波长扫描函数；对一个特定的距离d，扫频光源在时域上对波长λ进行快速扫描，产生时域干涉信号，对此干涉信号做FFT，得出的特定的频率f，与距离d一一对应。