[发明专利]DFB阵列扫频光源光纤频域干涉测距系统和方法

说明书

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。

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