一种基于通道角度拼接的共光路光纤阵列干涉传感探头

本发明属于光纤干涉测量与光纤传感，具体涉及一种基于通道角度拼接的共光路光纤阵列干涉传感探头。

背景技术：

1、航空航天器件、精密喷管、深腔零部件和其他受限空间构件通常具有内部空间狭小、表面曲率连续变化以及局部倾角较大的特点。对该类构件进行装配后几何形貌、微小位移和距离检测时，传感探头既需要较小的外形尺寸，又需要较高的位移分辨率和较大的表面倾角容差。

2、电学式传感器容易受到待测材料、探头尺寸及电磁环境限制；自由空间激光干涉装置通常光路复杂且体积较大；光谱共焦位移传感器虽对倾斜表面具有较好适应性，但其探头小型化与工作距离、测量精度之间存在一定制约。而光纤干涉式位移传感器兼具小型化、高精度、非接触、远距离布置和抗电磁干扰等优势，更适合复杂内部结构中的高精度位移与距离测量。

3、多数航空航天器件在装配后具有内部空间狭小、曲面结构复杂等特点。例如喷管的收缩段、喉部及扩张段通常为曲率连续变化的内弧面，对形貌及微小位移测量精度要求较高。此类器件的检测面临深腔受限、大倾角曲面和微尺度高精度测量等挑战。现有聚焦式光纤干涉传感探头虽可在一定程度上提高倾斜表面接收能力，但通常以牺牲工作距离范围为代价。当曲面弧度较大或表面倾角持续变化时，反射测量光难以有效回耦至光纤，导致探头无法稳定接收测量信号，限制了其在复杂曲面器件内部检测中的应用。

4、此外，现有光纤干涉式位移传感探头中，参考光通常由光纤端面或额外设置的反射界面产生。当探头采用紧凑型多通道结构时，光纤端面、透镜端面等多个光学界面产生的反射光可能共同返回光纤并参与干涉，容易引入寄生反射及非目标干涉分量，从而降低干涉信号对比度并增加信号解调误差。与此同时，采用独立参考光路的传统迈克尔逊干涉结构又不利于探头的小型化和共光路布置。因此，有必要设计一种能够在微型探头内部对参考光和测量光进行明确分配，兼顾多通道、大倾角曲面测量能力的光纤干涉结构。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种基于通道角度拼接的共光路光纤阵列干涉传感探头及测量方法，以解决单通道探头对大倾角曲面的回耦范围有限、多通道切换存在盲区、参考光与测量光易受不同环境扰动以及双波长光源未被用于扩展测距范围的问题。

2、为实现上述目的，本发明的传感探头包括光源耦合端、d型光纤分光干涉单元、光纤阵列、传输光学组件和镜座。传输光学组件包括沿测量光传播方向依次设置的渐变折射率透镜和平凸透镜；光纤阵列、渐变折射率透镜和平凸透镜由镜座保持相对位置。

3、d型光纤分光干涉单元设有部分反射面。部分反射面上设置反射膜，使入射光的一部分沿原光路返回形成参考光，另一部分继续向光纤阵列传输形成测量光。测量光经待测面反射后沿传输光学组件回到光纤阵列，并在部分反射面处与参考光重新合束，构成参考光和测量光共光纤传播路径的共光路干涉结构。

4、d型光纤分光干涉单元设置杂散反射抑制面。该杂散反射抑制面相对于垂直于光纤轴线的平面倾斜，使其菲涅耳反射光偏离光纤导模的接收锥，从而抑制端面寄生反射形成附加干涉腔。所述倾斜角为8°。部分反射面的反射率与测量回路的往返损耗相匹配，以提高参考回光和测量回光形成的条纹可见度。

5、光纤阵列包括沿第一方向间隔布置的n个单模光纤通道，其中n不小于3。各通道的横向位置不同。共享传输光学组件把通道横向位置转换为测量光束相对于系统光轴的预置角度，使各通道对应不同的回耦效率峰值角。待测面偏转时，回耦效率峰值依次从一个通道转移到相邻通道。

6、对每一通道，将回耦效率不低于预设阈值的偏转角集合定义为该通道的有效回耦角区间。通过设置通道间距、光纤模场半径、渐变折射率透镜与光纤阵列的间隙、渐变折射率透镜参数以及平凸透镜焦距，使相邻通道的有效回耦角区间至少部分重叠。由此，在待测面连续偏转时可在重叠区域内完成通道切换，从而形成无盲区的角度响应拼接。

7、渐变折射率透镜用于对阵列通道输出的测量光进行准直和束径调节；平凸透镜用于将准直后的测量光聚焦至待测面。渐变折射率透镜与光纤阵列之间设有可调间隙，以校准束径、工作距离和通道角度间隔。渐变折射率透镜和平凸透镜的光学表面优选设置增透膜，镜座内壁优选设置消光层。

8、在一种实施方式中，d型光纤分光干涉单元包括与n个单模光纤通道一一光路对应的n段d型光纤，光源耦合端通过光纤分路结构向各段d型光纤输入光。图1以一个d型光纤分光干涉单元的局部结构表示部分反射面、反射膜、杂散反射抑制面和金属套管，其他通道可采用相同结构。

9、在另一实施方式中，光源为双波长光源，输出第一波长和第二波长，并对第一波长进行高频正弦载波调制，对第二波长进行三角波调制。处理单元先根据各通道的回耦效率确定有效通道，再分别提取两个波长对应干涉信号的相位，以解调处位移以及距离信息。

10、本发明的测量方法包括：在d型光纤分光干涉单元处形成参考光和测量光；由光纤阵列和共享传输光学组件形成多个预置角度通道；采集待测面反射后回耦至各通道的测量回光；从达到回耦效率阈值的通道中选择有效通道；在相邻有效回耦角区间的重叠区域内完成通道切换；以及对有效通道的干涉信号进行相位解调，输出位移、距离或形貌测量结果。

11、与单通道聚焦式光纤探头相比，本发明利用多个阵列通道的角度响应重叠扩大有效接收角；与多点独立干涉通道相比，本发明由共享传输光学组件把阵列横向位置映射为角度通道，适于紧凑探头；与分离参考臂结构相比，本发明的参考光和测量光共享大部分光纤路径，有利于抑制共同环境扰动。

12、为说明通道角度拼接关系，设i为通道索引，n为通道总数，θ为待测面相对探头的偏转角，z为探头至待测面的单程距离，e(r,i)为通道i返回到阵列端面的测量光场，e(f,i)为通道i单模光纤的基模光场。

13、通道i的归一化回耦效率可由返回测量光场与单模光纤基模的归一化重叠积分确定：

14、

15、在至少一个通道达到预设阈值ηth时，可选择回耦效率最大的通道作为有效通道：

16、

17、将aᵢ={θ | ηᵢ(θ,z)≥ηth}定义为通道i的有效回耦角区间。为实现连续角度拼接，相邻通道满足：

18、

19、对于第q个工作波长λq，参考回光强度记为iᵣ,q，通道i的测量回光强度记为im,i,q，则相应双光束干涉强度可表示为：

20、

21、上式中k为波数，ltotal表示光纤阵列出射端到待测面，再由待测面至光纤阵列接收端面的光程差，lfiber为分光处到光纤阵列出射端面的光程差。若全部通道的回耦效率均低于ηth，则不输出距离值而输出无效测量标记，以避免低信噪比干涉信号造成误判。

22、上述式分别对应通道回耦评价、有效通道选择、相邻通道连续覆盖以及共光路干涉。通道角度拼接属于探头的空间角度复用机制。

1.一种基于通道角度拼接的共光路光纤阵列干涉传感探头，其特征在于，包括光源耦合端、d型光纤分光干涉单元（2）、光纤阵列（3）、传输光学组件以及镜座（6）；所述d型光纤分光干涉单元（2）设有部分反射面（201），所述部分反射面（201）设有反射膜（202），用于将入射光分为沿原光路返回的参考光和继续向所述光纤阵列（3）传输的测量光；所述光纤阵列（3）包括沿第一方向间隔布置的n个单模光纤通道，其中n为不小于3的整数；所述传输光学组件包括依次设置于所述光纤阵列（3）出射侧的渐变折射率透镜（4）和平凸透镜（5），并被配置为将不同横向位置的单模光纤通道映射为相对于系统光轴具有不同预置角度的测量光束，使相邻单模光纤通道的有效回耦角区间至少部分重叠；待测面偏转时，不同单模光纤通道依次满足回耦条件，返回的测量光与所述参考光在所述部分反射面（201）处合束并发生干涉。

2.根据权利要求1所述的一种基于通道角度拼接的共光路光纤阵列干涉传感探头，其特征在于，所述d型光纤分光干涉单元（2）包括与所述n个单模光纤通道一一光路对应的n段d型光纤，所述光源耦合端将光源光分别耦合至所述n段d型光纤，以使各单模光纤通道分别形成共光路参考光和测量光。

3.根据权利要求2所述的一种基于通道角度拼接的共光路光纤阵列干涉传感探头，其特征在于，所述d型光纤分光干涉单元（2）还设有杂散反射抑制面（203），所述杂散反射抑制面（203）相对于垂直于光纤轴线的平面倾斜设置，使其产生的反射光偏离所述d型光纤分光干涉单元（2）的导模接收锥；所述杂散反射抑制面（203）的倾斜角为8°。

4.根据权利要求3所述的一种基于通道角度拼接的共光路光纤阵列干涉传感探头，其特征在于，所述光纤阵列（3）包括v型盖板（301）和七根单模光纤（302），所述n根单模光纤（302）的芯间距为p，且端面设有增透膜。

5.根据权利要求5所述的一种基于通道角度拼接的共光路光纤阵列干涉传感探头，其特征在于，所述渐变折射率透镜（4）与所述光纤阵列（3）之间设有可调间隙，所述可调间隙用于调节输出光束的准直状态和束径，所述平凸透镜（5）用于将经准直的测量光束聚焦至待测面，并使单模光纤通道的横向位置与所述预置角度呈单调对应关系。

6.根据权利要求5所述的一种基于通道角度拼接的共光路光纤阵列干涉传感探头，其特征在于，对于第i个单模光纤通道，将回耦效率不低于预设阈值的待测面偏转角集合定义为有效回耦角区间ai，任意两个相邻单模光纤通道的有效回耦角区间ai和ai+1具有非空交集，以使通道切换过程中保持连续测量。

7.根据权利要求6所述的一种基于通道角度拼接的共光路光纤阵列干涉传感探头，其特征在于，所述部分反射面（201）的反射率和透射率根据参考回光强度与测量回光强度的匹配关系确定，以提高返回参考光与返回测量光形成的干涉信号的条纹可见度；所述d型光纤分光干涉单元（2）由金属套管（204）固定。

8.根据权利要求7所述的一种基于通道角度拼接的共光路光纤阵列干涉传感探头，其特征在于，所述渐变折射率透镜（4）和所述平凸透镜（5）的光学表面均设有增透膜，所述镜座（6）用于同轴固定所述光纤阵列（3）、所述渐变折射率透镜（4）和所述平凸透镜（5），且所述镜座（6）的内壁设有消光层。

9.根据权利要求8所述的一种基于通道角度拼接的共光路光纤阵列干涉传感探头，其特征在于，所述光源为输出第一波长和第二波长的双波长光源，所述传感探头还与光电探测单元和处理单元光电连接；所述处理单元被配置为根据各单模光纤通道的回耦效率选择有效通道，并根据所述第一波长和第二波长对应干涉信号的相位变化确定位移以及距离。

10.根据权利要求9所述的一种基于通道角度拼接的共光路光纤阵列干涉传感探头，其特征在于，使用具有d型光纤分光干涉单元（2）、n个横向间隔布置的单模光纤通道以及共享传输光学组件的传感探头执行以下步骤：由所述d型光纤分光干涉单元（2）的部分反射面将入射光分为参考光和测量光；通过所述共享传输光学组件将不同单模光纤通道输出的测量光映射为不同预置角度的测量光束，并使相邻单模光纤通道的有效回耦角区间至少部分重叠；采集待测面反射后耦合回各单模光纤通道的测量回光；从回耦效率不低于预设阈值的单模光纤通道中确定有效通道；以及对所述有效通道的测量回光与所述参考光形成的干涉信号进行解调，得到待测面的位移或距离。