光譜域光纖白光干涉測(cè)量技術(shù)

江毅,高紅春,賈景善

(北京理工大學(xué) 光電學(xué)院，北京 100081)

0　引言

光纖傳感技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了40年，其中各種技術(shù)已經(jīng)相繼成熟并走向工程應(yīng)用。點(diǎn)式的光纖傳感器按照調(diào)制方式的不同分為：強(qiáng)度型、干涉型、波長(zhǎng)型和偏振型[1]。強(qiáng)度調(diào)制型的光纖傳感器抗干擾能力差，需要采取其它輔助技術(shù)來(lái)克服外界環(huán)境干擾；而干涉型、波長(zhǎng)型和偏振型的光纖傳感器并不直接調(diào)制光功率，所以，幾乎所有的光纖傳感器都需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。因此，光纖傳感技術(shù)的研究分為兩大類：傳感器技術(shù)和信號(hào)解調(diào)技術(shù)。點(diǎn)式的光纖傳感器以光纖光柵傳感器(FBG)和外腔式法珀干涉型傳感器(EFPI)最具代表意義，也獲得了最廣泛的工程應(yīng)用。對(duì)這兩類傳感器的信號(hào)解調(diào)又可以大致分為相對(duì)測(cè)量信號(hào)解調(diào)和絕對(duì)測(cè)量信號(hào)解調(diào)。一般認(rèn)為相對(duì)測(cè)量適合測(cè)量高頻動(dòng)態(tài)信號(hào)，絕對(duì)測(cè)量適合測(cè)量低頻靜態(tài)信號(hào)，但隨著最新應(yīng)用需求和技術(shù)的發(fā)展，高速絕對(duì)測(cè)量技術(shù)已經(jīng)成為技術(shù)發(fā)展的前沿。對(duì)于FBG傳感器而言，相對(duì)測(cè)量是獲得FBG波長(zhǎng)的變化量，適用于測(cè)量振動(dòng)信號(hào)、聲信號(hào)一類動(dòng)態(tài)信號(hào)，并不關(guān)心FBG的絕對(duì)波長(zhǎng)；絕對(duì)測(cè)量需要測(cè)量出FBG的波長(zhǎng)，通過(guò)FBG的波長(zhǎng)，就可以得到被測(cè)緩變或靜態(tài)物理量，如溫度、應(yīng)變、壓力、位移等。對(duì)于EFPI，相對(duì)測(cè)量使用激光干涉測(cè)量技術(shù)獲取法珀(FP)腔長(zhǎng)的變化量，一般用于測(cè)量振動(dòng)、聲，或者從一個(gè)時(shí)間到另一個(gè)時(shí)間內(nèi)光程差的連續(xù)變化；絕對(duì)測(cè)量使用白光干涉測(cè)量獲取的是干涉儀的絕對(duì)光程差，可以測(cè)量緩變或靜止變化的物理量，如距離、溫度、應(yīng)變、折射率等參數(shù)。光纖中的FBG和EFPI(有點(diǎn)像電路里面的電阻和電容的對(duì)應(yīng)關(guān)系)，雖然一個(gè)是波長(zhǎng)調(diào)制型、一個(gè)是相位調(diào)制型，但在絕對(duì)測(cè)量時(shí)均可以具有相同的解調(diào)硬件系統(tǒng)，即通過(guò)掃描傳感器的光譜獲得被測(cè)物理量。對(duì)于FBG來(lái)說(shuō)，掃描光譜后可以直接得到FBG的反射波長(zhǎng)；對(duì)于EFPI來(lái)說(shuō)，掃描光譜后還需要根據(jù)干涉儀的白光光譜獲得干涉儀的光程差，即EFPI的腔長(zhǎng)，才能真正得到被測(cè)物理量。因此通過(guò)白光光譜來(lái)獲得被測(cè)EFPI的腔長(zhǎng)成為一項(xiàng)重要的技術(shù)，即光纖白光干涉測(cè)量術(shù)(WLI)[2]。由于EFPI既可以由兩根光纖的端面對(duì)準(zhǔn)后形成傳感器，又可以由一根光纖端面與另一個(gè)反射面組成傳感器，測(cè)量光纖出光端面與反射面之間的距離，因此光纖白光干涉測(cè)量技術(shù)除了應(yīng)用于光纖傳感領(lǐng)域，還可以應(yīng)用于微小距離的測(cè)量，結(jié)合掃描裝置，就可以構(gòu)成納米精度的三維面形測(cè)量系統(tǒng)，能夠用于微納器件的面型測(cè)量中。

1　相關(guān)技術(shù)介紹及其技術(shù)進(jìn)展

1.1　光譜獲取技術(shù)

光纖光譜域白光干涉測(cè)量技術(shù)的第一步是要獲取干涉儀的光譜。用商用的光譜儀測(cè)量光譜是一種最直接的方法，但一般商用的光譜儀體積大、價(jià)格昂貴，并且波長(zhǎng)測(cè)量分辨力不夠高，也不便于儀器化，一般只用于實(shí)驗(yàn)室中。目前光纖白光干涉測(cè)量技術(shù)中，獲取干涉儀光譜的技術(shù)手段與FBG解調(diào)儀完全一樣，主要包括3個(gè)主流的技術(shù)手段：CCD光譜儀法、掃描可調(diào)諧光纖法珀濾波器法和掃描半導(dǎo)體激光二極管法。

第一種獲取光譜的技術(shù)是用CCD光譜儀，即用平面光柵衍射后投射到CCD線陣來(lái)采集光譜[3]。由于CCD的響應(yīng)波長(zhǎng)一般小于1.1 μm，與目前主流光纖系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)(1.55 μm,1.31 μm)不合，因此1.55 μm的紅外CCD像元數(shù)較少，一般只有256或者512個(gè)點(diǎn)。對(duì)于40 nm的光譜范圍，即使是512個(gè)像素，每個(gè)像素對(duì)應(yīng)約80 pm的波長(zhǎng)范圍，也遠(yuǎn)大于光譜測(cè)量中對(duì)1 pm波長(zhǎng)測(cè)量分辨力的要求。一個(gè)解決的方法是采用插值細(xì)分的方法，可以得到大約1 pm的波長(zhǎng)測(cè)量分辨力，但這樣測(cè)得的波長(zhǎng)受光譜本身的特性影響大，可能經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)數(shù)個(gè)甚至數(shù)十個(gè)pm的波長(zhǎng)跳變?；贑CD光譜儀的另外一個(gè)缺點(diǎn)是不便于復(fù)用，實(shí)際中采用光開(kāi)關(guān)來(lái)切換不同的光纖?；贑CD光譜儀的光譜采集技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是采樣速度快，甚至可以高達(dá)幾十KHz的掃描速度。CCD的背景噪音低，可以做到比較大的動(dòng)態(tài)范圍。此外CCD光譜儀構(gòu)成的解調(diào)系統(tǒng)非常容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)技術(shù)人員的要求低。且基于CCD陣列的光譜儀可以放入測(cè)量?jī)x器內(nèi)部，便于工程化應(yīng)用。

第二種獲取光譜的方法是基于可調(diào)諧法珀濾波器(FFP-TF)的技術(shù)?？梢栽趯拵Ч庠吹妮敵龊蠼覨FP-TF，形成波長(zhǎng)掃描光，也可以將FFP-TF做到激光器里面，形成波長(zhǎng)掃描激光器。例如使用我們自己研制的FFP-TF的線寬0.12 nm，F(xiàn)SR=80 nm，損耗1.5 dB，在1550 nm上對(duì)應(yīng)的相干長(zhǎng)度為20 mm，即能夠測(cè)量干涉儀的最大光程差為20 mm。以之為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的可調(diào)諧光纖激光器的輸出功率超過(guò)10 mW，線寬小于1 pm，對(duì)應(yīng)的相干長(zhǎng)度超過(guò)2.4 m，不僅可以測(cè)量非常大的光程差，而且由于輸出功率高還便于空分復(fù)用多路傳感光纖。圖1是用FFP-TF獲取白光光譜的原理圖，由于FFP-TF存在非常大的非線性，且重復(fù)性差，因此部分波長(zhǎng)掃描光經(jīng)耦合器分光后進(jìn)入由標(biāo)準(zhǔn)具和光纖光柵(FBG)組成的波長(zhǎng)校正器，對(duì)光源的輸出波長(zhǎng)進(jìn)行校正。文獻(xiàn)[4]詳細(xì)介紹了這種波長(zhǎng)獲取技術(shù)。這種波長(zhǎng)獲取技術(shù)不僅小巧、便于儀器化、便于多路空分復(fù)用，而且能夠獲得等時(shí)間間隔(采樣間隔)、等波長(zhǎng)間隔的光譜，這樣的一維數(shù)據(jù)組對(duì)于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理(如傅里葉變換)非常方便。圖2比較了用光譜儀和用圖1所示方法采集到同一只EFPI干涉儀的光譜。可見(jiàn)兩個(gè)光譜在同一波長(zhǎng)范圍內(nèi)有相似的光譜形狀。

圖1　測(cè)量EFPI光纖白光干涉測(cè)量系統(tǒng)

圖2　白光干涉光譜

第三種獲取光譜的方法是使用可調(diào)諧DBR半導(dǎo)體激光器，通過(guò)改變激光器的注入電流實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧，將此波長(zhǎng)調(diào)諧的光注入干涉儀來(lái)獲取干涉儀的白光光譜。可調(diào)諧激光器一般需要做成模塊的形式，使用時(shí)由FPGA控制電流源給到激光器，通過(guò)串口與外部通訊，可以設(shè)定波長(zhǎng)掃描起點(diǎn)、終點(diǎn)、步進(jìn)量，兩個(gè)觸發(fā)信號(hào)分別為點(diǎn)觸發(fā)和周期觸發(fā),每完成一個(gè)波長(zhǎng)輸出(比如1 GHz)則點(diǎn)觸發(fā)輸出一個(gè)上升沿,每完成一個(gè)周期波長(zhǎng)掃描(比如40 nm)則觸發(fā)輸出一個(gè)上升沿，通過(guò)統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)脈沖的個(gè)數(shù)就知道當(dāng)前激光器的輸出波長(zhǎng)。此類激光器波長(zhǎng)調(diào)諧速度快(可達(dá)2 kHz)，波長(zhǎng)調(diào)諧范圍寬(可達(dá)40 nm)，輸出光功率高(可達(dá)20 mW)，線寬小于10 MHz，并且調(diào)諧波長(zhǎng)的位置固定，不需要進(jìn)行波長(zhǎng)校正。缺點(diǎn)是波長(zhǎng)調(diào)諧不連續(xù)，如波長(zhǎng)掃描范圍為40 nm，最小步進(jìn)1 GHz，則每個(gè)周期對(duì)應(yīng)5100個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)8 pm，大于光譜測(cè)量中對(duì)1 pm波長(zhǎng)測(cè)量分辨力的要求；另外，目前還不能滿足更寬調(diào)諧范圍的應(yīng)用需要。

1.2　WLI測(cè)量技術(shù)的原理及問(wèn)題

光纖WLI技術(shù)又分為光程掃描WLI和光譜掃描WLI。傳統(tǒng)上的光程掃描WLI需要一套機(jī)械裝置來(lái)掃描光程，在一個(gè)干涉儀(傳感干涉儀)的光程差為零，或兩個(gè)干涉儀(傳感干涉儀和補(bǔ)償干涉儀)的光程差相等時(shí)出現(xiàn)干涉條紋最大值[6]。但這種技術(shù)的缺點(diǎn)是精度低、測(cè)量速度慢、體積大、穩(wěn)定性差。這種測(cè)量手段一般分辨力是幾個(gè)μm，最好能夠達(dá)到零點(diǎn)幾個(gè)μm的分辨力，這主要是因?yàn)槭軝C(jī)械掃描裝置的分辨力和機(jī)械掃描時(shí)振動(dòng)影響的限制。如文獻(xiàn)[6]中使用機(jī)械掃描來(lái)完成掃描鏡的位移技術(shù)，位移掃描的分辨力達(dá)到0.54 μm。

相比機(jī)械式掃描的本地接收干涉儀，基于Fizeau干涉儀和線性CCD陣列的電掃描白光干涉測(cè)量系統(tǒng)不需要機(jī)械式的移動(dòng)掃描部件，但也是基于光程補(bǔ)償原理，結(jié)構(gòu)更加緊湊，工作穩(wěn)定且掃描速度快[7]?；诜谱?Fizeau)干涉儀的白光干涉測(cè)量系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3　基于Fizeau干涉儀的白光干涉測(cè)量系統(tǒng)原理圖

其中,Fizeau腔由兩個(gè)玻璃平面或者楔塊構(gòu)成，使得Fizeau干涉儀中不同位置處的光程差不同。透鏡組由準(zhǔn)直透鏡和匯聚鏡構(gòu)成：準(zhǔn)直透鏡對(duì)光纖傳感器調(diào)制后的光信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)直，以形成等厚干涉的平行光入射條件；匯聚鏡把平行光轉(zhuǎn)換為匯聚光線以獲得足夠的光強(qiáng)度。用光電探測(cè)器陣列(如線陣CCD)接收Fizeau干涉儀對(duì)應(yīng)點(diǎn)的輸出光強(qiáng)，就可以獲得本地接收干涉儀不同光程差位置處的干涉條紋信號(hào)，從而形成對(duì)傳感干涉儀光程差的空間掃描。為了實(shí)現(xiàn)高精度的信號(hào)解調(diào),對(duì)電掃描白光干涉儀系統(tǒng)中光學(xué)器件的加工和裝配精度提出了極高的要求。而且測(cè)量范圍比機(jī)械式掃描光纖白光干涉測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量范圍小。

光譜域白光干涉術(shù)，即通過(guò)測(cè)量干涉儀的輸出光譜就可以測(cè)量出干涉儀的光程差，最顯著的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)中沒(méi)有機(jī)械掃描裝置，穩(wěn)定性、可靠性有了極大的提高。測(cè)量所用的標(biāo)準(zhǔn)公式如式(1)。

(1)

式中：n為介質(zhì)的折射率；λ1和λ2分別為光譜中的2個(gè)波長(zhǎng)；Δφ為光波長(zhǎng)從λ1變化到λ2時(shí)，干涉條紋的相位變化。

(2)

這種方法最大的問(wèn)題是，由于光譜的波形成接近正弦分布，在波峰或波谷的位置光強(qiáng)變化率為0，而信號(hào)中的噪音也使波峰或波谷的位置波動(dòng)大，使得不能精確測(cè)量出相位相差2的波峰或波谷的波長(zhǎng)，波長(zhǎng)測(cè)量存在著很大的隨機(jī)性，從而大大降低了波長(zhǎng)測(cè)量的分辨力，因此在測(cè)量干涉儀的光程差時(shí)，測(cè)量精度較低。必須清楚，分辨力為1 pm的光譜測(cè)量并不意味著條紋峰位置測(cè)量的分辨力也是1 pm。這是兩個(gè)完全不同的概念。波長(zhǎng)測(cè)量變化8 pm，對(duì)于3000 μm的腔長(zhǎng)，測(cè)量誤差就高達(dá)25 μm[4]。

在式(1)原理的基礎(chǔ)上，提出了基于相位測(cè)量技術(shù)的光纖白光干涉測(cè)量技術(shù)。其基本思路是在式(1)中，如果能夠精確地知道光譜中一段信號(hào)的起始和終止波長(zhǎng)，則測(cè)量出這段信號(hào)的相位變化Δφ，就可以利用式(1)測(cè)量出干涉儀的光程差，這樣就把光纖白光干涉測(cè)量的問(wèn)題轉(zhuǎn)換為了一段信號(hào)的相位測(cè)量問(wèn)題。而在獲取光譜的過(guò)程中，使用光纖標(biāo)準(zhǔn)具來(lái)校準(zhǔn)光譜，標(biāo)準(zhǔn)具的峰呈尖銳狀，因此，能夠精確的確定標(biāo)準(zhǔn)具峰的位置，即能夠精確確定光譜掃描的起始和終止波長(zhǎng)。在此思路上，我們發(fā)展出系列基于相位測(cè)量技術(shù)的光譜域光纖白光干涉測(cè)量技術(shù)。

1.3　基于相位測(cè)量技術(shù)的光譜域光纖干涉測(cè)量技術(shù)(WLI)

1.3.1傅里葉變換白光干涉測(cè)量術(shù)

傅里葉變換光纖白光干涉測(cè)量術(shù)[8]是其中最具有代表性的WLI。其工作原理是：先將采集到的光譜數(shù)據(jù)做等波長(zhǎng)或等波數(shù)處理，再快速傅里葉變換(FFT)，濾波，提取主頻再反FFT變換，做對(duì)數(shù)運(yùn)算，取虛部，并進(jìn)行相位反包裹運(yùn)算擴(kuò)展相位范圍，最后獲得相位，再由式(1)求得干涉儀的光程差。由于可以精確地確定掃描的初始波長(zhǎng)1和終止波長(zhǎng)2，因而能夠達(dá)到很高的測(cè)量分辨力。這一技術(shù)另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是不需要人工干預(yù)，對(duì)信號(hào)質(zhì)量要求也不高。

傅里葉變換光纖白光干涉測(cè)量術(shù)的數(shù)學(xué)描述如下。干涉儀的白光光譜可以寫(xiě)為

g(λ)=a(λ)+b(λ)cos(2πf0λ+π)

(3)

(4)

式中：f0為信號(hào)的主頻；l為干涉儀的光程差。做傅里葉變換后，式(3)的頻譜寫(xiě)為

G(f)=A(f)+C(f-f0)+C*(f+f0)

(5)

對(duì)頻譜中的主頻濾波，相當(dāng)于提取出式(5)中的C(f-f0)項(xiàng)，再對(duì)C(f-f0)做反傅里葉變換，得到

(6)

對(duì)式(6)求對(duì)數(shù)，再取虛部，就可以獲得相位信息

(7)

式(7)中，光程差l攜帶在相位中，因此解調(diào)出相位φ(λ)后，可以直接求出l。圖4是實(shí)際測(cè)量中，波長(zhǎng)從1525.139 nm掃描到1565.491 nm時(shí)，一只腔長(zhǎng)為2298.7μm的EFPI輸出光譜的相位變化。

能夠空頻分復(fù)用干涉型的光纖傳感器是傅里葉變換光纖白光干涉測(cè)量術(shù)一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)[9]。將各個(gè)傳感器的光程差之間的間距設(shè)置得足夠大，如大于280 μm，傅里葉變換后的每個(gè)光譜的頻譜就可以分得足夠開(kāi)，用濾波器能夠?qū)⑺鼈兎謩e濾出，再分別計(jì)算出每個(gè)干涉儀由于波長(zhǎng)掃描所產(chǎn)生的相位變化，就可以分別求出每個(gè)干涉儀的絕對(duì)光程差。2只腔長(zhǎng)分別為1007 μm和3000 μm的EFPI傳感器，通過(guò)一只耦合器并聯(lián)連接到圖1中，所采集到的復(fù)合白光光譜如圖5(a)所示，圖中的橫坐標(biāo)實(shí)際上是波長(zhǎng)，因?yàn)椴蓸娱g隔為1 pm，即一個(gè)pm采樣一個(gè)點(diǎn)。傅里葉變換后得到的白光光譜的頻譜如圖5(b)，圖中兩個(gè)頻率位置分別由兩個(gè)EFPI的光程差所決定，腔長(zhǎng)越長(zhǎng)空間頻率越高。分別濾波出各個(gè)頻率分量后，再計(jì)算相位，即可解調(diào)出每個(gè)干涉儀由于波長(zhǎng)掃描所產(chǎn)生的相位變化，進(jìn)而求出每個(gè)干涉儀的光程差。

圖4　相位隨采樣順序(即波長(zhǎng))變化曲線

圖5　兩個(gè)EFPI傳感器的空頻分復(fù)用

1.3.2傅里葉變換白光干涉相對(duì)測(cè)量法

對(duì)傅里葉變換白光干涉測(cè)量術(shù)做一個(gè)變化，通過(guò)測(cè)量一個(gè)干涉儀光譜信號(hào)的相位變化，可以得到在兩個(gè)不同狀態(tài)下干涉儀的相位差，從而測(cè)得干涉儀光程差的變化量。例如在傳感器的初始狀態(tài)采集一次光譜，以此作為參考信號(hào)，再次采集傳感器的光譜，測(cè)量出再次采集光譜與初始光譜的相位差，就可以得到從初始狀態(tài)開(kāi)始后被測(cè)量的變化量[11]。

利用相位測(cè)量技術(shù)還可以直接獲得兩個(gè)傳感器之間的相位差。將其中一個(gè)傳感器作為參考傳感器，用于感受被測(cè)環(huán)境的隨機(jī)波動(dòng)(如溫度和測(cè)量系統(tǒng)抖動(dòng))，另一個(gè)傳感器做為測(cè)量傳感器，在外界擾動(dòng)相同的條件下同時(shí)感受被測(cè)物理量，用光纖白光干涉相對(duì)測(cè)量的方法計(jì)算出兩個(gè)傳感器之間的相位差，就可以在測(cè)量出被測(cè)量的同時(shí)，去除其它外界擾動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響[12]。

傅里葉變換白光干涉相對(duì)測(cè)量法還可以用于測(cè)量光纖器件的相位關(guān)系，例如直接測(cè)量出光纖耦合器每?jī)蓚€(gè)輸出端的相位差。理論上2×2耦合器的兩個(gè)輸出端之間相位相差180°，3×3耦合器的3個(gè)輸出端之間互成120°相位差。但實(shí)際值會(huì)偏離理想值，在做干涉儀時(shí)，相位的偏差可能會(huì)引入測(cè)量的誤差。用傅里葉變換光纖白光干涉相對(duì)測(cè)量法可以直接測(cè)量出任意兩個(gè)輸出腳之間的相位關(guān)系[13]。由于是基于波長(zhǎng)掃描的技術(shù)，還可以直接顯示出相位差與波長(zhǎng)之間的關(guān)系。

1.3.3波長(zhǎng)掃描白光干涉測(cè)量術(shù)

應(yīng)用3×3耦合器及其解調(diào)技術(shù)，可以直接解調(diào)出相位的變化，結(jié)合光纖白光干涉測(cè)量技術(shù)，發(fā)展出波長(zhǎng)掃描光纖白光干涉測(cè)量技術(shù)[14]。其測(cè)量系統(tǒng)如圖6所示，與傅里葉變換白光干涉測(cè)量術(shù)不同的是，這個(gè)系統(tǒng)中同時(shí)采集干涉儀的3路白光干涉光譜，利用3路信號(hào)互成120°的相位差關(guān)系，直接解調(diào)出由于波長(zhǎng)掃描所引起的相位變化。圖7是其中2路信號(hào)的李薩如圖，該圖顯示，兩路輸出信號(hào)間存在120°的相位關(guān)系?？紤]到光源的不平坦和對(duì)比度的變化，3路干涉白光光譜可以寫(xiě)為

(8)

圖6　波長(zhǎng)掃描光纖白光干涉測(cè)量技術(shù)測(cè)量原理

信號(hào)解調(diào)的方法采用對(duì)稱解調(diào)技術(shù)[15]，這一解調(diào)不需要做傅里葉變換，而且可以用硬件實(shí)現(xiàn)，因此可以滿足高頻率測(cè)量的要求。圖8是傅里葉變換光纖白光干涉測(cè)量術(shù)與波長(zhǎng)掃描白光干涉測(cè)量術(shù)測(cè)量結(jié)果的比較，兩種解調(diào)方法的獲得了完全相同的測(cè)量結(jié)果。

圖7　波長(zhǎng)掃描光纖白光干涉測(cè)量技術(shù)的李薩如圖

圖8　傅里葉變換光纖干涉術(shù)與波長(zhǎng)掃描白光干涉術(shù)測(cè)量結(jié)果的比較

1.3.4相移光纖白光干涉測(cè)量術(shù)

利用相移的概念，將干涉儀的多路輸出信號(hào)間具有不同的相位差理解為多次移相的結(jié)果，形成相移光纖白光干涉測(cè)量術(shù)。例如3×3耦合器的3路相位相差120°的信號(hào)，可以看成是第1路信號(hào)移相120°得到第2路信號(hào)，再移相120°得到第3路信號(hào)，因此波長(zhǎng)變化引起的相位變化可以由式(9)解調(diào)出

(9)

另外，還可以由式(8)構(gòu)筑出2路正交的信號(hào)

(10)

(11)

再用正交相位解調(diào)法就可以解調(diào)出相位[16]。圖9是由3路白光光譜構(gòu)造出的2路正交信號(hào)的李薩如圖，可見(jiàn)兩路信號(hào)的相位差是90°。圖10是兩種相移白光干涉測(cè)量術(shù)解調(diào)得到的相位變化與傅里葉變換白光干涉測(cè)量法得到結(jié)果的比較，三種方法的測(cè)量結(jié)果完全重疊在了一起，說(shuō)明得到了完全相同的結(jié)果。

圖9　由3路白光光譜構(gòu)造出的2路正交信號(hào)的李薩如圖

圖10　　　　兩種相移白光干涉測(cè)量術(shù)解調(diào)得到的相位變化　　　與傅里葉變換白光干涉測(cè)量法所得結(jié)果的比較

1.3.5波數(shù)域傅里葉變換白光干涉測(cè)量術(shù)

對(duì)于白光干涉光譜，φ(λ)=2πl(wèi)/λ+π，其中l(wèi)為干涉儀的光程差，相位φ與波長(zhǎng)λ成反比。波數(shù)k=1/λ，波數(shù)與相位是線性關(guān)系，因此可以對(duì)白光干涉光譜進(jìn)行等波數(shù)重采樣[17]。波數(shù)域白光干涉光譜可以表示為

g(k)=a(k)+b(k)cos(2πl(wèi)k+π)

(12)

在波數(shù)域，白光干涉光譜的周期T=1/l，只與干涉儀的光程差有關(guān)，不隨波數(shù)改變。當(dāng)干涉儀的光程差一定時(shí)，光譜周期為定值，因此波數(shù)域的白光干涉光譜信號(hào)是一個(gè)固定周期信號(hào)，沒(méi)有啁啾，傅立葉頻譜不會(huì)展寬。利用傅里葉白光干涉測(cè)量法,對(duì)白光干涉光譜做快速傅里葉變換(FFT)，自適應(yīng)帶通濾波提取FFT主頻，反FFT變換，做復(fù)對(duì)數(shù)運(yùn)算，再取虛部，就得到干涉條紋的相位信息。然后進(jìn)行相位反包裹運(yùn)算，得到相位信息φ(k)。在波數(shù)域中白光干涉光譜的相位φ(k)與波數(shù)k成線性關(guān)系，如圖11所示。

圖11　相位展開(kāi)運(yùn)算后的沿波數(shù)分布的干涉光譜相位φ(k)

干涉儀的光程差l可以由起止波數(shù)k1，k2及其對(duì)應(yīng)的相位變化量Δφ(k)計(jì)算得到。

(13)

1.3.6互相關(guān)白光干涉測(cè)量術(shù)

解調(diào)光纖干涉儀的光程差還可以采用互相關(guān)方法[18]，利用數(shù)值模擬的方法生成一個(gè)白光干涉光譜信號(hào)，并將之與實(shí)測(cè)的白光干涉信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，得到互相關(guān)系數(shù)。改變模擬光程差的值，模擬生成的白光干涉光譜隨之變化，因此互相關(guān)系數(shù)也隨之改變。當(dāng)設(shè)定的模擬光程差與被測(cè)干涉信號(hào)的光程差相等時(shí)，互相關(guān)系數(shù)最大。這種方法近似于機(jī)械掃描式的白光干涉測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)值模擬不同的光程差，起到了對(duì)傳感干涉儀的光程差進(jìn)行掃描的作用?？梢酝ㄟ^(guò)縮小數(shù)值模擬光程差的變化步長(zhǎng)來(lái)提高測(cè)量的分辨力。這種互相關(guān)測(cè)量法需要大量的數(shù)值計(jì)算，效率低，在實(shí)際測(cè)量時(shí)應(yīng)用較少。

經(jīng)過(guò)小波降噪和平坦化的白光干涉光譜信號(hào)可以表示為

(14)

根據(jù)公式(14)利用數(shù)值模擬生成一個(gè)白光干涉光譜Sv，Sv中的模擬光程差用lv表示，Sv隨著lv變化。

對(duì)白光干涉的實(shí)測(cè)光譜S(λ)與模擬光譜Sv做互相關(guān)計(jì)算，與模擬光程差lv對(duì)應(yīng)的互相關(guān)系數(shù)C用式(15)表示

(15)

圖12　三級(jí)互相關(guān)計(jì)算得到的互相關(guān)系數(shù)沿模擬腔長(zhǎng)Δlv/2的分布

式中：S(n)和Sv(n)分別是白光干涉光譜信號(hào)的實(shí)測(cè)采樣序列和模擬采樣序列;N為采樣點(diǎn)數(shù);λn是與Sv(n)對(duì)應(yīng)的采樣波長(zhǎng)序列。互相關(guān)系數(shù)C為對(duì)S(n)和Sv(n)做內(nèi)積，即實(shí)測(cè)序列與模擬序列對(duì)應(yīng)相乘后再相加求和。當(dāng)模擬光程差lv與被測(cè)光程差l相等時(shí)，模擬干涉光譜Sv與實(shí)測(cè)干涉光譜S相位分布相同，互相關(guān)系數(shù)C最大。為了計(jì)算出實(shí)際的光程差l，不斷改變模擬白光干涉光譜信號(hào)的光程差lv，計(jì)算互相關(guān)系數(shù)及其最大值Cmax，與Cmax對(duì)應(yīng)的模擬光程差lv就等于實(shí)際的被測(cè)光程差l。

為了減小運(yùn)算量，同時(shí)保證高的測(cè)量分辨力，引入多級(jí)分層的概念，對(duì)模擬光程差lv的取值半徑和間隔步長(zhǎng)Δlv分多級(jí)賦予不同的值。圖12所示為三級(jí)互相關(guān)計(jì)算得到的互相關(guān)系數(shù)沿模擬腔長(zhǎng)Δlv/2的分布。

1.3.7步進(jìn)相移白光干涉測(cè)量術(shù)

為了解決微型傳感器小光程差的測(cè)量需求，我們提出一種步進(jìn)相移光纖白光干涉測(cè)量方法，無(wú)需頻率分析，避免了在測(cè)量小光程差時(shí)引入較大誤差的問(wèn)題，擴(kuò)大了測(cè)量范圍,能夠滿足不同光程差(50～10000 μm)的法珀光纖干涉儀絕對(duì)測(cè)量的要求，尤其是解決目前微型傳感器光程差100 μm以內(nèi)不能精確測(cè)量的問(wèn)題。步進(jìn)相移測(cè)量法無(wú)需探測(cè)峰值、波長(zhǎng)追蹤，避免操作人員實(shí)時(shí)觀察，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高精度自動(dòng)測(cè)量。

白光光譜信號(hào)的相位φ與波數(shù)k成線性關(guān)系，按照等波數(shù)間隔重采樣得到新的白光光譜I(k)=a(k)+b(k)cos(kl+π)，相鄰采樣點(diǎn)間的波數(shù)間隔為Δk0，相位差為Δφ0。對(duì)白光光譜進(jìn)行歸一化處理，去除直流分量和光源輪廓的影響，獲得歸一化的白光光譜為

I(k)=cos(lk+π)

(16)

在歸一化的白光光譜上截取長(zhǎng)度相等、步進(jìn)相等的五段信號(hào)，如圖13，可以表示為I1=cos(φ+2δ)，I2=cos(φ+δ)，I3=cos(φ)，I4=cos(φ-δ)，I5=cos(φ-2δ)。利用這五段信號(hào)得到相位φ的正切值

(17)

然后取反正切并進(jìn)行相位解包裹運(yùn)算，得到原始相位φ，根據(jù)φ與k的線性關(guān)系φ=kl+π，干涉儀的光程差l=Δφ/Δk=Δφ/(W-1)k0。

圖13　步進(jìn)相移測(cè)量

2　WLI在光纖傳感器中的應(yīng)用

光譜域光纖WLI的提出為干涉型光纖傳感器的絕對(duì)光程差測(cè)量打開(kāi)了一扇門(mén)，使得絕對(duì)測(cè)量干涉儀的光程差變得簡(jiǎn)單、可靠、且精度高，基于干涉儀結(jié)構(gòu)的靜態(tài)物理量如距離、位移、溫度、壓力、折射率、應(yīng)變等參數(shù)都可以簡(jiǎn)便且高精度地測(cè)量出來(lái)。

1)光纖MEMS壓力傳感器

光纖MEMSF-P壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖14所示。傳感器由傳感頭、光纖準(zhǔn)直器和光纖三部分構(gòu)成，其中傳感頭由硅、F-P腔體、玻璃三部分組成。硅與玻璃之間形成F-P腔，傳感頭與光纖準(zhǔn)直器用UV膠粘合構(gòu)成F-P壓力傳感器。光源發(fā)出入射光通過(guò)光纖耦合進(jìn)入到傳感器中，從傳感器F-P腔的硅、玻璃表面反射來(lái)形成雙光束干涉。當(dāng)壓力作用在硅膜表面使其發(fā)生形變時(shí)，F(xiàn)-P腔的空氣間隙發(fā)生變化，即腔長(zhǎng)L變化，導(dǎo)致干涉信號(hào)發(fā)生變化，通過(guò)光纖白光干涉解調(diào)技術(shù)可獲得導(dǎo)出腔長(zhǎng)，從而得到壓力值。

圖14　光纖MEMS壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖

制作完成后的光纖F-P壓力傳感器干涉光譜如圖15所示，可以看出，干涉條紋平滑，條紋對(duì)比度為5 dB。室溫標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，對(duì)傳感器進(jìn)行了穩(wěn)定性測(cè)試，該光纖F-P壓力傳感器的初始腔長(zhǎng)測(cè)量結(jié)果如圖16所示，可以看出腔長(zhǎng)最小值為163.2395 μm，最大值為163.2423 μm，密集分布在163.2410 μm，故認(rèn)定初始腔長(zhǎng)為163.2410 μm。多次測(cè)量數(shù)據(jù)表明，腔長(zhǎng)變化只有1.5 nm，測(cè)量腔長(zhǎng)分辨力約為0.4 nm。

對(duì)該傳感器進(jìn)行壓力特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)，該壓力傳感器的測(cè)量范圍為5 MPa,由于測(cè)試設(shè)備的原因只測(cè)試了1 MPa以內(nèi)的壓力，壓力由0 MPa逐次增壓至0.956 MPa過(guò)程中，每次增壓約0.1 MPa記錄一次數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖17所示，腔長(zhǎng)隨壓力增加呈線性遞減關(guān)系，壓力由0 MPa到0.95 MPa范圍內(nèi)，腔長(zhǎng)減小了4.9001 μm，傳感器的靈敏度為5.14 μm/MPa，擬合直線表達(dá)式為y=-5.14x+163.31，線性度為99.97%。壓力由0.873 MPa逐次減壓至0 MPa過(guò)程中，

圖15　光纖MEMS壓力傳感器光譜圖

圖16　光纖MEMS壓力傳感器初始腔長(zhǎng)

每減壓約0.1 MPa記錄一次數(shù)據(jù)，腔長(zhǎng)隨壓力減小呈線性遞增關(guān)系，壓力由0 MPa增加到0.873 MPa，腔長(zhǎng)減小了4.4754 μm，硅膜的靈敏度為5.14 μm/MPa，擬合直線表達(dá)式為y=-5.14x+163.29，線性度為99.92%。增壓和減壓實(shí)驗(yàn)中，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的直線斜率相同，即靈敏度相同，由于實(shí)驗(yàn)壓力腔有輕微泄露導(dǎo)致腔長(zhǎng)讀取有誤差，使得正反兩次讀數(shù)的截距存在稍微差距。考慮腔長(zhǎng)的測(cè)量分辨力為0.4 nm,因此該壓力傳感器在5 MPa的測(cè)量范圍內(nèi)的壓力測(cè)量分辨力為78 Pa。

圖17　腔長(zhǎng)與壓力關(guān)系擬合曲線

2)光纖白光干涉高溫溫度測(cè)量系統(tǒng)

光纖白光干涉高溫溫度測(cè)量系統(tǒng)包括光纖白光干涉溫度解調(diào)儀和EFPI光纖高溫傳感器。光纖白光干涉溫度解調(diào)儀基于光纖白光干涉測(cè)量技術(shù)，通過(guò)測(cè)量光學(xué)腔長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)腔長(zhǎng)/溫度轉(zhuǎn)化，得到待測(cè)溫度[20-21]。EFPI光纖高溫傳感器結(jié)構(gòu)如圖18所示。高溫光纖EFPI溫度傳感器由光子晶體光纖與無(wú)芯純石英光纖構(gòu)成。用飛秒激光在光子晶體光纖的端面打出一個(gè)凹槽，再與無(wú)芯光纖焊接，入射光在其焊接處形成第一次反射，透射光在無(wú)芯光纖與空氣間的界面形成第二次反射，兩次反射在后向形成雙光束干涉。當(dāng)溫度變化時(shí)，無(wú)芯光纖的熱膨脹和熱光效應(yīng)分別引起EFPI的腔長(zhǎng)d和折射率n發(fā)生變化，從而使光學(xué)腔長(zhǎng)D發(fā)生變化，D=nd。

圖18　EFPI光纖傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖19　27℃恒定溫度下，光學(xué)腔長(zhǎng)100次測(cè)量結(jié)果

對(duì)光纖白光干涉高溫溫度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，在27℃恒定溫度環(huán)境下連續(xù)測(cè)量100次，每次測(cè)量時(shí)間1 s,以測(cè)試光纖白光干涉測(cè)量系統(tǒng)的腔長(zhǎng)測(cè)量分辨力。用光纖白光干涉溫度解調(diào)儀對(duì)EFPI光纖溫度傳感器的腔長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量，得到的光學(xué)腔長(zhǎng)連續(xù)測(cè)量結(jié)果如圖19?？梢钥闯龉鈱W(xué)腔長(zhǎng)測(cè)量的波動(dòng)范圍在0.4 nm內(nèi)，即測(cè)量分辨力可達(dá)0.2 nm。在全溫度測(cè)量范圍內(nèi)，我們認(rèn)為解調(diào)儀的分辨力只有0.5 nm，達(dá)不到0.2 nm。

使用馬弗爐提供高溫環(huán)境，從300℃開(kāi)始測(cè)量，每隔約100℃記錄一組數(shù)據(jù)，直至1200℃為止。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，光纖傳感器的測(cè)量數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)溫度的一致性很高。測(cè)量溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度的對(duì)比如圖20所示。實(shí)驗(yàn)證明該光纖白光干涉高溫溫度測(cè)量系統(tǒng)能夠在1200℃的沖擊高溫下進(jìn)行重復(fù)測(cè)試。其精度達(dá)1%，測(cè)量分辨力可達(dá)1℃。同時(shí)，該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、穩(wěn)定性高、響應(yīng)快、抗電磁干擾等優(yōu)勢(shì)，可為航空航天、材料、化工、能源等領(lǐng)域的高溫溫度的測(cè)量提供關(guān)鍵的技術(shù)支撐。

圖20　測(cè)量溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度的對(duì)比

3)光纖白光干涉高溫壓力測(cè)量系統(tǒng)

光纖白光干涉高溫壓力測(cè)量系統(tǒng)包括光纖白光干涉壓力解調(diào)儀和微納光纖FP高溫壓力傳感器。光纖白光干涉壓力解調(diào)儀是基于光纖白光干涉測(cè)量技術(shù)，通過(guò)測(cè)量FP傳感器的腔長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)腔長(zhǎng)/壓力轉(zhuǎn)化，得到待測(cè)壓力值[22]。微納光纖FP高溫壓力傳感器采用低精細(xì)度光纖Fabry-Perot干涉儀結(jié)構(gòu)。壓力傳感器由經(jīng)過(guò)飛秒激光加工微孔后的單模光纖和無(wú)芯光纖熔接在一起構(gòu)成FP 腔；將無(wú)芯光纖切割、打磨至所需的厚度形成對(duì)壓力敏感的薄膜，使用飛秒激光粗糙化處理薄膜外表面，去除端面反射，并微調(diào)膜片厚度。微納光纖FP高溫壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖21(a)所示，圖21(b)為傳感器顯微照片。

圖21　光纖微納高溫壓力傳感器的制作過(guò)程

首先，在室溫下對(duì)壓力測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行加壓測(cè)試，從0 MPa一直到10 MPa為止，每次升高1 MPa，待實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)的壓力穩(wěn)定后，記錄下光纖壓力測(cè)試系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)的壓力讀數(shù)。升高溫度，從室溫開(kāi)始至800℃，每次升高100℃，重復(fù)壓力測(cè)量操作，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。對(duì)微納光纖FP高溫壓力傳感器在各溫度點(diǎn)下的腔長(zhǎng)/壓力特性進(jìn)行了研究。

圖22為微納光纖FP高溫壓力傳感器在各溫度點(diǎn)下的腔長(zhǎng)差/壓力特性擬合直線，其中，腔長(zhǎng)差是指在某溫度點(diǎn)待測(cè)壓力下FP腔長(zhǎng)與該溫度點(diǎn)下0 MPa時(shí)FP腔長(zhǎng)的差值。從圖22可知，傳感器的靈敏度約為70 nm/MPa，隨著測(cè)試環(huán)境溫度的變化而略有不同。測(cè)量了800℃以下壓力測(cè)試系統(tǒng)在0～10 MPa范圍內(nèi)的壓力響應(yīng)，實(shí)驗(yàn)證明該測(cè)試系統(tǒng)在各溫度點(diǎn)下的壓力測(cè)量誤差都在0.2 MPa以下。在測(cè)試過(guò)程中，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的壓力分辨力進(jìn)行了考察，對(duì)幾個(gè)溫度點(diǎn)下的不同壓力值進(jìn)行了連續(xù)的測(cè)量，測(cè)量值的波動(dòng)范圍小于±0.02 MPa，測(cè)試系統(tǒng)的分辨力小于0.02 MPa。在室溫、360℃和800℃溫度點(diǎn)下的壓力測(cè)試結(jié)果如圖23所示。從圖23可以看出，測(cè)試系統(tǒng)在不同溫度點(diǎn)下都具有良好的線性和精確度，測(cè)試壓力與標(biāo)準(zhǔn)壓力吻合的非常好。實(shí)驗(yàn)證明，光纖白光干涉高溫壓力測(cè)量系統(tǒng)能夠滿足室溫到800℃的溫度環(huán)境下測(cè)量10 MPa及以下壓力的要求，傳感器具有承受1200℃高溫沖擊的能力。系統(tǒng)的測(cè)量誤差小于0.2 MPa，測(cè)量分辨力小于0.02 MPa，同時(shí)具有體積小、響應(yīng)速度快、抗電磁干擾、可靠性高等特性。在航空航天、油氣開(kāi)采冶煉、軍事工業(yè)等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

圖22　各溫度點(diǎn)下壓力傳感器的腔長(zhǎng)差/壓力特性

圖23　35.7，362.3，802.9℃時(shí)壓力測(cè)量情況

4)光纖白光干涉高溫應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)

光纖白光干涉高溫應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)包括光纖白光干涉應(yīng)變解調(diào)儀和高溫EFPI應(yīng)變傳感器。光纖白光干涉應(yīng)變解調(diào)儀基于光纖白光干涉測(cè)量技術(shù)，通過(guò)測(cè)量EFPI傳感器的腔長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)腔長(zhǎng)/應(yīng)變轉(zhuǎn)化，得到應(yīng)變值[23]。高溫EFPI應(yīng)變傳感器的基本結(jié)構(gòu)是在兩段切割平整的單模光纖之間熔接一段空心光纖，由此形成兩個(gè)平行的空氣-玻璃界面，從而形成FP腔。兩個(gè)界面的后向反射光發(fā)生干涉。其基本結(jié)構(gòu)如圖24(a)所示，圖24(b)是顯微鏡拍攝的傳感器實(shí)物照片。這種高溫EFPI應(yīng)變傳感器是一種雙光束干涉儀，通過(guò)光纖白光干涉測(cè)量技術(shù)可以測(cè)得其腔長(zhǎng)。

圖24　高溫EFPI應(yīng)變傳感器

將高溫EFPI應(yīng)變傳感器固定在被測(cè)物體表面，當(dāng)被測(cè)物體發(fā)生形變時(shí)，該傳感器的腔長(zhǎng)d也隨之發(fā)生相同的形變，根據(jù)腔長(zhǎng)的改變量即可得到被測(cè)物體的應(yīng)變值ε。

(18)

式中：d為原始腔長(zhǎng)；d′ 為形變后的腔長(zhǎng)?？梢?jiàn)該應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量EFPI的腔長(zhǎng)，直接獲得應(yīng)變量，不需要做事先的標(biāo)定。

對(duì)貼有傳感器的梁施加不同的力，使其發(fā)生形變，隨著所施加的力不斷增大，梁的形變也不斷增大，直至應(yīng)變儀顯示的應(yīng)變量達(dá)到約1500 με時(shí)停止，同時(shí)記錄下白光干涉應(yīng)變解調(diào)儀與電阻應(yīng)變儀的讀數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖25所示,腔長(zhǎng)的變化已經(jīng)轉(zhuǎn)換為應(yīng)變。光纖高溫應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)表現(xiàn)出非常好的線性，R2達(dá)到0.99998，靈敏度為0.17 nm/με。

圖25　EFPI應(yīng)變傳感器與電阻應(yīng)變片測(cè)量結(jié)果對(duì)比曲線

為了考查測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量分辨力，在應(yīng)變量為48 με時(shí)，連續(xù)測(cè)量的腔長(zhǎng)數(shù)據(jù)顯示其腔長(zhǎng)的波動(dòng)幅度為1.7 nm。光纖白光干涉高溫應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的腔長(zhǎng)測(cè)量誤差可達(dá)±1 nm，測(cè)量靈敏度為0.2 nm。根據(jù)前文所得到的應(yīng)變靈敏度，可知光纖白光干涉高溫應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量靈敏度為1 με。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光纖白光干涉高溫應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的腔長(zhǎng)變化靈敏度為0.17 nm/με，測(cè)量靈敏度為1 με，應(yīng)變線性度可達(dá)0.99998，應(yīng)變測(cè)量范圍在20000 με以上，溫度的交叉影響靈敏度為0.1 nm/℃。此測(cè)量系統(tǒng)具有耐高溫、低成本、精度高、重復(fù)性好、測(cè)量范圍大、線性度高、對(duì)溫度不敏感等優(yōu)勢(shì)，能夠滿足在1000 ℃以下，精確測(cè)量應(yīng)變的需求，在國(guó)防軍工、航空航天領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。目前，應(yīng)用該傳感器已經(jīng)完成某重大項(xiàng)目外殼的高溫環(huán)境下的應(yīng)變測(cè)試工作。

3　小結(jié)

光譜域光纖白光干涉測(cè)量技術(shù)具有精度高、動(dòng)態(tài)范圍大、工程實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在光纖傳感技術(shù)和精密測(cè)量領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。不僅可以用于光纖干涉型傳感器的絕對(duì)光程差測(cè)量，還可以用于微小距離的測(cè)量，與掃描系統(tǒng)結(jié)合就可以形成高精度的二維表面面型測(cè)量?jī)x器。本文回顧了光纖光譜域白光干涉測(cè)量技術(shù)的發(fā)展歷程，主要聚焦本研究小組在此領(lǐng)域所做的工作，并展示了該技術(shù)在光纖高精度壓力傳感器、光纖高溫溫度傳感器、光纖高溫壓力傳感器及光纖高溫應(yīng)變傳感器中的應(yīng)用。目前，這一技術(shù)已經(jīng)能夠達(dá)到優(yōu)于nm級(jí)的測(cè)量分辨力。重點(diǎn)研究的方向有兩個(gè)：一是研究更長(zhǎng)和更短光程差的光纖WLI；另一個(gè)是高速WLI。隨著這一技術(shù)的發(fā)展和成熟，將會(huì)出現(xiàn)更多新的應(yīng)用。