張亞星,趙 鵬,張 潔,苗明川

(北京航空航天大學(xué)物理科學(xué)與核能工程學(xué)院,北京100191)

全光纖馬赫-曾德爾干涉儀的測溫實驗

張亞星,趙 鵬,張 潔,苗明川

(北京航空航天大學(xué)物理科學(xué)與核能工程學(xué)院,北京100191)

闡述了全光纖馬赫-曾德爾干涉儀的測溫原理,并在20～40℃對測溫系統(tǒng)進行了標定.利用Matlab數(shù)字圖像處理技術(shù)對溫度干涉條紋圖像進行處理,設(shè)計了計算條紋移動數(shù)目的程序.通過測溫實驗對條紋記數(shù)程序進行了檢驗,有較好的準確度.

馬赫-曾德爾干涉儀;溫度測量;Matlab;數(shù)字圖像處理

1 引 言

隨著光纖技術(shù)的廣泛應(yīng)用,光纖傳感技術(shù)得到迅速發(fā)展.相比傳統(tǒng)的機電傳感,光纖傳感具有抗電磁干擾、耐腐蝕、重量輕、體積小、在易燃易爆的環(huán)境下安全可靠等優(yōu)點,在微位移及振動測量、電信號測量、聲傳感等領(lǐng)域有著廣泛的研究[1-4].光纖溫度傳感是光纖傳感技術(shù)的重要應(yīng)用,其中基于全光纖馬赫-曾德爾干涉儀的溫度測量具有精度高、制作成本低和易于調(diào)整等特點,具有廣泛的應(yīng)用價值.對馬赫-曾德爾干涉場的測量有2種方法:一是使用光功率計探測空間光場的變化[5],該方法需要較繁雜的后續(xù)信號處理系統(tǒng),成本較高;二是利用數(shù)字圖像處理技術(shù)[6]或者人眼觀測[7]直接對干涉條紋的移動進行分析,該方法大大降低了系統(tǒng)成本,且能夠更加直觀地觀測到溫度變化對干涉條紋的影響.本文基于后者,運用CCD攝像采集干涉條紋圖像,通過Matlab數(shù)字圖像處理技術(shù)對圖像進行處理,分析條紋移動的數(shù)目和方向,編寫條紋移動計數(shù)的程序,實現(xiàn)對溫度的測量.

2 溫度測量系統(tǒng)

2.1 測溫原理

將650 nm,2 mW的氦氖激光經(jīng)分束鏡分成2束,分別通過光纖耦合器進入2路單模石英光纖中.一路光纖經(jīng)過半導(dǎo)體溫控儀,另一路光纖保持恒溫,如圖1所示.

圖1 測溫系統(tǒng)示意圖

在光纖的末端,2束相干激光匯聚,疊加產(chǎn)生干涉.干涉條紋由CCD采集,并送往計算機進行處理(采集速率為每秒25幅圖像),形成BMP格式的圖像文件.溫度變化時,干涉條紋將隨之發(fā)生移動,通過數(shù)字圖像處理技術(shù)可得到干涉條紋移動的數(shù)目及移動方向,從而計算出溫度升高或降低的值.干涉條紋移動數(shù)目與溫度變化值之間有確定的線性關(guān)系.設(shè)光纖中2束激光光強分別為I1和I2,根據(jù)光的干涉原理,合成光的強度為

其中Δ Φ為2束激光的相位差,Δ Φ等于2kπ時為亮條紋,Δ Φ等于(2k+1)π時為暗條紋(k為級數(shù)).設(shè)Φ1和Φ2分別為2束激光射出光纖時的相位(Φ1受溫度調(diào)制):Φ1=Φ10+k0nL1,Φ2= Φ20+k0nL2,Δ Φ=Φ1-Φ2.其中Φ10,Φ20分別為2束相干激光耦合進入光纖時的初相位,L1和L2為光纖的長度,k0為激光在真空中的波矢大小,n為光纖的折射率.將Φ1對溫度T求全微分,且等式兩邊同除以L1,得:

2.2 溫度的標定

以溫控儀溫度為標準溫度,從20～40℃,溫度每變化1℃,記錄相應(yīng)的條紋凈移動數(shù)目.以溫度為橫坐標x,條紋的累積移動數(shù)目為縱坐標y,設(shè)y=kx,使用最小二乘法進行一元線性回歸.通過以下公式:

計算得到比例系數(shù)k為9.6/℃,即溫度每變化1℃,移動9.6根條紋.線性相關(guān)系數(shù)r為0.998 7.一元線性回歸結(jié)果如圖2所示.

圖2 條紋移動數(shù)目與溫度變化的關(guān)系曲線

2.3 干涉條紋圖像的處理

為了測量一段時間內(nèi)溫度的變化,需要持續(xù)采集這段時間內(nèi)的干涉條紋圖像.對采集來的所有圖像運用Matlab IPT函數(shù)進行處理.某幅圖像的處理結(jié)果如圖3所示.

圖3 干涉圖像處理結(jié)果

具體處理步驟如下:

1)讀入干涉條紋圖像,如圖3(a)所示.

2)將干涉條紋旋轉(zhuǎn)至豎直方向,提取較清晰的部分圖像,如圖3(b)所示.

3)低通濾波,使圖像平滑,如圖3(c)所示.

4)進行二值化處理,使亮條紋變?yōu)榘咨?灰度值為1),暗條紋變?yōu)楹谏?灰度值為0),如圖3 (d)所示.

5)對二值化圖像進行邊緣處理,突出暗條紋的邊緣,形成邊緣檢測圖像.如圖3(e)中的白線對應(yīng)于圖3(d)中暗條紋的邊緣.

在進行上述處理后,每幅干涉圖像都有其相應(yīng)的二值化圖像[圖3(d)]和邊緣檢測圖像[圖3 (e)],通過分析多幅二值化圖像和邊緣檢測圖像,可以分別判斷條紋移動數(shù)目及方向.

首先,根據(jù)某一點所在處條紋的亮暗變化情況可以判斷條紋是否發(fā)生移動.在多幅干涉圖像[圖3(d)]中提取同一指定點(x0,y0)的灰度值,按照圖像采集的先后順序?qū)⒃撝当４嬖谕粩?shù)組a中.若a(i+1)≠a(i),則該點處條紋明暗情況發(fā)生了1次變化,即從第i幅圖像到第i+1幅圖像,移動了1根條紋,其中i為干涉圖像的幅數(shù).其次,因為圖像采集的速度相比條紋移動速度足夠快,所以如果對圖3(e)中所有白線進行標記,可以認為在前一張圖像中距某點最近的那根白線在下一張圖像中仍然距該點最近,因此通過跟蹤這條特殊的白線,可以判斷條紋的移動方向,白線的移動方向與條紋的移動方向一致.

判斷方法是:在所有圖3(e)中找到離上述指定點(x0,y0)最近的白線,記錄下白線所在處的水平坐標,同樣按照圖像采集的先后順序保存在另一個數(shù)組b中.在a(i+1)≠a(i)的前提下,若b(i+1)>b(i),表明該白線向右移動了,即條紋整體向右移動了1根,反之則條紋整體向左移動了1根.對i進行循環(huán),在a(i+1)≠a(i)的前提下,比較b(i+1)和b(i)的大小,可以統(tǒng)計出條紋向右移動的根數(shù)和向左移動的根數(shù),兩者相減,若差為正,則溫度降低;反之溫度升高,差的絕對值為條紋的凈移動數(shù)目.

3 溫度測量實驗

使用條紋計數(shù)程序進行溫度測量實驗.溫控儀溫度從26.9℃上升至29.4℃,即溫度升高了2.5℃.在這段時間內(nèi)以每秒25幅的速度連續(xù)采集了904幅576×768大小的BMP格式圖像.編寫image_process函數(shù)實現(xiàn)對圖像從濾波到邊緣檢測的前期處理,編寫image_analyze函數(shù)實現(xiàn)移動條紋的計數(shù)和方向判斷.Matlab程序流程如下:

由于條紋移動方向為左移,判斷溫度為升高,根據(jù)shift_No=kΔT=9.6ΔT,得溫度升高ΔT=2.6℃,與實際溫度升高2.5℃較為接近,說明該條紋計數(shù)程序可以較準確地判斷條紋移動方向,并計算條紋凈移動數(shù)目,從而測量出溫度的變化,條紋計數(shù)的準確性依賴于干涉圖像的質(zhì)量[8].溫度測量實驗結(jié)果如下:條紋凈移動數(shù)25根,溫度變化測量值2.6℃,溫控儀溫度變化2.5℃,相對偏差3.6%.

4 結(jié)束語

本文基于全光纖馬赫-曾德爾干涉儀,運用Matlab數(shù)字圖像處理技術(shù),實現(xiàn)了溫度的測量,具有較好的準確度.對基于馬赫-曾德爾干涉的溫度測量進行了有益的嘗試,實驗結(jié)果表明基于全光纖馬赫-曾德爾干涉并結(jié)合圖像處理技術(shù)的溫度測量具有其可行性,有較好的準確度,可以在光纖實驗[9]中進行應(yīng)用.通過本實驗可使學(xué)生們得到較為全面系統(tǒng)的實驗技能訓(xùn)練,本實驗具有較好的實驗教學(xué)和實用價值.

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Temperature measurement experiment based on the all-fiber Mach-Zehnder interferometer

ZHANG Ya-xing,ZHAO Peng,ZHANGJie,MIAO Ming-chuan
(School of Physics and Nuclear Energy Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China)

A temperature measurement experiment based on the all-fiber Mach-Zehnder interferometer is described.The principle of this experiment is introduced.The measurement system is calibratedfrom 20℃to 40℃.The interference images are processed and the number of fringe shift is counted by the Matlab program utilizing digital image processing technique.This program is verified in the temperature measurement experiment,and good accuracy is achieved.

Mach-Zehnder interferometer;temperature measurement;Matlab;digital image processing

O436.1;TP212.11

A

1005-4642(2010)09-0043-04

[責(zé)任編輯:郭 偉]

2009-10-13;修改日期:2010-01-06

北京航空航天大學(xué)SRTP項目支持(No.SRTP4303107)

張亞星(1988-),男,湖南岳陽人,北京航空航天大學(xué)物理科學(xué)與核能工程學(xué)院本科生.

指導(dǎo)教師:苗明川(1959-),男,北京人,北京航空航天大學(xué)物理科學(xué)與核能工程學(xué)院副教授,博士,從事光電測試技術(shù)研究.