CN103438915A - 一种基于频移干涉的f-p传感器复用方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种基于频移干涉的F-P传感器复用方法，包括：1）光源输出的光经过光纤环形器进入第一光纤耦合器被分成两路，一路直接进入第二光纤耦合器，另一路通过周期性调制后进入第二光纤耦合器；两个以上F-P传感器串联、并联或者串并联混合连接在第二光纤耦合器输出端，各F-P传感器位置不同；2）各F-P传感器反射的信号进入第二光纤耦合器被分成两路，一路直接进入第一光纤耦合器，另一路通过周期性调制后进入第一光纤耦合器，光源每输出频率f的光，经F-P传感器反射后在第一光纤耦合器处输出四束光，频率分别为f、f+Δf、f+Δf和f+2Δf，其中频率相同的两束光在第一光纤耦合器处发生干涉，另两束光成为背景噪声；3）干涉信号转化为电信号后进行数据处理。

Description

一种基于频移干涉的F-P传感器复用方法及系统

技术领域

本发明属于光纤传感器领域，具体地指一种基于频移干涉的F-P传感器复用方法及系统。

背景技术

光纤传感技术是一种以光为载体，光纤为媒质，感知和传输外界信号的新型传感技术，由于其具有抗干扰能力强、体积小、灵敏度高、测量动态范围大等优点，自上世纪七十年代以来引起了众多研究人员的兴趣而迅速发展。

随着光纤传感技术的发展，人们研制出了各种各样的光纤传感器，在医学、大型建筑工程（如桥梁等）、军事等领域都得到了广泛的应用。其中光纤干涉传感器由于具有分辨率高、动态范围大、精度高以及实现方式灵活等优点，成为光纤传感器中极为重要和常用的一类。光纤F-P传感器采用单根光纤、利用多光束干涉原理来监测被测量的变化，属于相位调制型传感器，是光纤干涉传感器的一种。早在二十世纪八十年代早期，人们就利用光纤制成了F-P传感器，紧接着，光纤F-P传感器逐渐在温度、应变和复合材料传感中得到广泛的运用。

同其他干涉型传感器，如Mach-Zehnder、Michelson、Sagnac传感器等相比，F-P传感器具有F-P腔传感头制作简单、可靠性好、制作灵活、灵敏度高等诸多优点，而且F-P传感器中没有光纤耦合器的存在，使得传感器结构和数据处理相对简单。F-P传感器在很多应用时可被视为“点”测量，原因在于F-P传感器对可以导致两个反射端面距离（即腔长）发生变化的物理量极其敏感且传感区很小。因此，对于智能结构领域，F-P传感器是一种很受欢迎甚至近乎理想的光纤传感器。

经过十多年的研究，F-P传感器在制作及信号处理方面已趋于成熟，在应变、温度、压力、折射率及磁场等测量领域有着广泛的应用。但是其复用仍是一个难点，也是其实用化发展的研究热点之一。人们对复用技术进行了长期的相关探索，提出了多种复用方法，如：时分复用（见亨利泰勒等论文，应用光学，1995，34：5861），它是通过利用不同的光纤长度实现不同的时间延迟，将各路信号的传输时间分配在不同的时间间隔来实现传感器的复用，这种方法只能通过光源输出单波长光来检测，因此测量精度低；波分复用（见周学昌等论文，亚洲-太平洋光学会议，2004，SPIE，5364：41），它是利用波分复用器宽带光源分成多路，每路连接一个传感器实现传感器的复用，由于传感器需要占据足够的带宽，因此这种方法的复用数目严重受到光源带宽的限制；空分复用（见饶云江等论文，SPIE1995，2507：90），它是将连接传感器的多跟光纤组合在一起，通过光开关对各个支路进行连接，这种方法结构复杂，复用数目有限；相干复用（见戴维斯等论文，SPIE1998，904：114），由于这种方法需要增加一个参考干涉仪，因此增加了系统的复杂程度，复用数目也有限。上述复用方法由于种种原因都存在着各自的缺点，导致很难复用大量的F-P传感器，随着F-P传感器复用数目的增大，信噪比会急剧恶化，而且系统会变得比较复杂，成本增加，对F-P传感器本身的要求也增加。因此，寻找更简便、实用的复用方式对于推动F-P传感器的研究及应用具有十分重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于频移干涉的F-P传感器复用方法及系统，能够克服现有复用方式的限制，方便地实现F-P传感器的复用，并能够实现各F-P传感器的位置测量，显著提高F-P传感器的复用数量。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种基于频移干涉的F-P传感器复用方法，包括如下步骤：

1）光源输出的光经过光纤环形器进入第一光纤耦合器被分成两路，一路直接进入第二光纤耦合器，另一路通过声光调制器周期性调制后进入第二光纤耦合器；两个以上F-P传感器串联或者并联或者串并联混合连接在第二光纤耦合器输出端，各F-P传感器与第二光纤耦合器之间接入不同长度的光纤延迟线；

2）各F-P传感器反射的信号进入第二光纤耦合器被分成两路，一路直接进入第一光纤耦合器，另一路通过声光调制器周期性调制后进入第一光纤耦合器，光源每输出频率f的光，经F-P传感器反射后在第一光纤耦合器处输出四束光，频率分别为f、f+Δf、f+Δf和f+2Δf，其中频率均为f+Δf的两束光在第一光纤耦合器处发生干涉，频率为f和f+2Δf的光成为背景噪声；

3）干涉信号输入光电平衡探测器转化为电信号后，被输入数据采集及信号处理模块进行数据处理，由于不同位置的F-P传感器信号经频谱分析后频率不同，因此各F-P传感器通过频谱分析后均实现解调并可区分，以实现各F-P传感器的复用。

上述技术方案的所述步骤3）还包括对干涉信号进行傅里叶变换的操作，以得到各F-P传感器的位置信息，即各F-P传感器与第二光纤耦合器之间光纤延迟线的实际长度。

本发明提供的一种基于频移干涉的F-P传感器复用系统，包括光源、光纤环形器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、声光调制器、光电平衡探测器和数据采集及信号处理模块；所述光源与光纤环形器的输入端连接，光纤环形器的一个输出端与第一光纤耦合器连接、另一个输出端与光电平衡探测器一个输入端连接；第一光纤耦合器的一个输出端与第二光纤耦合器一个输入端连接、另一个输出端通过声光调制器与第二光纤耦合器另一个输入端连接；第二光纤耦合器的输出端连接两个以上F-P传感器，各F-P传感器串联或者并联或者串并联混合，各F-P传感器与第二光纤耦合器之间接有不同长度的光纤延迟线；所述光电平衡探测器的另一个输入端与第一光纤耦合器连接、输出端与数据采集及信号处理模块连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1）由于F-P传感器的反射光谱近似为余弦分布，对于不同波长其反射率不同，因此通过探测光强变化就能得到F-P传感器的反射光谱，从而将各F-P传感器的信号解调出来，整个系统结构简单，能很方便地实现F-P传感器的复用；

2）由于不同位置的F-P传感器信号经频谱分析后频率不同，所以将各F-P传感器的空间位置转换为信号的频率即可实现区分。当同时探测到各不同位置的F-P传感器信号时，可以通过快速傅里叶变换（FFT）将每一F-P传感器的信号区分出来，并能得到各F-P传感器的位置信息，这对于F-P传感器的分布式传感有重要意义；

3）由于传统F-P传感器复用方式均不允许F-P传感器间的光谱发生重叠，而本发明基于频移干涉的F-P传感器复用方法克服了这种限制，因此F-P传感器的复用数目能够呈数量级提升，解决了目前F-P传感器复用效率低的问题，且显著降低了传感系统的成本，为F-P传感器的大规模应用奠定了基础。假设复用系统中，各F-P传感器的反射波长和反射率相同，则反射光功率可以表示为：

P_i=κ(1-R)^2(i-1)α²ⁱRP_src

式中，κ和α分别为系统器件和光纤延迟线的损耗系数，i为复用的F-P传感器数目，R为F-P传感器的反射率，P_src为入射光功率。当κ取0.098，α取0.02，使用最小探测光功率为1.7nW的光电平衡探测器，入射光功率P_src为8mW，反射率R为1%时，即则可得到复用数目i将达到约140个。

附图说明

图1为本发明一个实施例的工艺流程暨系统结构示意图；

图2为F-P传感器典型的反射光谱图；

图3为本发明一个实施例中测量得到的一个F-P传感器的反射光谱图；

图4为本发明一个实施例中测量得到的复用后各F-P传感器的反射光谱图；

图5为本发明一个实施例中对干涉信号进行傅里叶变换操作后得到的各F-P传感器位置图；

图中：1—光源，2—光纤环形器，，3.1—第一光纤耦合器，3.2—第二光纤耦合器，4—声光调制器，5—光电平衡探测器，6—F-P传感器，7—数据采集及信号处理模块，8—光纤延迟线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述：

如图1所示，以三个F-P传感器F-P1、F-P2和F-P3的复用为例，本发明的一种基于频移干涉的F-P传感器复用系统，包括激光光源1、光纤环形器2、第一光纤耦合器3.1、第二光纤耦合器3.2、声光调制器4、光电平衡探测器5和数据采集及信号处理模块7。激光光源1与光纤环形器2的输入端连接，光纤环形器2的一个输出端与第一光纤耦合器3.1连接、另一个输出端与光电平衡探测器5一个输入端连接。第一光纤耦合器3.1的一个输出端与第二光纤耦合器3.2一个输入端连接、另一个输出端通过声光调制器4与第二光纤耦合器3.2另一个输入端连接，形成类似马赫增德尔干涉仪结构，且要求臂长差大于激光光源1的相干长度。第二光纤耦合器3.2的输出端连接三个F-P传感器F-P1、F-P2和F-P3，F-P1和F-P2串联，再与F-P3并联。三个F-P传感器F-P1、F-P2和F-P3与第二光纤耦合器3.2之间接有不同长度的光纤延迟线8。光电平衡探测器5的另一个输入端与第一光纤耦合器3.1连接、输出端与数据采集及信号处理模块7连接。

本实施例中，激光光源1的输出设置为：起始波长1540.5nm、终止波长1560.5nm，每隔50pm输出一定波长的激光并持续1s，自起始波长至终止波长进行扫描。该光纤环形器2为端口1550nm波段的环形器，它将一路反射信号输入光电平衡探测器5并阻止反射光进入光源1，对光源1起保护作用。本实施例的第一光纤耦合器3.1为2×2光纤耦合器，其分光比为50：50，将光源1的输出分成光强一致的上、下两路，其中一路通过声光调制器4。声光调制器4将第一光纤耦合器3.1输入及F-P传感器6反射的光进行周期性调制，其变化范围在90～110MHz，调制光频率周期性变化。第二光纤耦合器3.2为2×n光纤耦合器，n取决于F-P传感器6数量及连接关系。光电平衡探测器5用于干涉信号的光电转换。数据采集及信号处理模块7则对信号进行提取并作快速傅里叶变换，得到各F-P传感器6的反射光谱。

应用上述系统实现本发明方法的过程为：

1）激光光源1输出连续单波长激光，经光纤环形器2进入第一光纤耦合器3.1被分成两路，一路直接进入第二光纤耦合器3.2，另一路通过声光调制器4周期性调制后进入第二光纤耦合器3.2，由于两路光输入在第二光纤耦合器3.2处不满足干涉条件，故无干涉现象产生；两路光依次经第二光纤耦合器3.2、光纤延迟线8进入三个F-P传感器F-P1、F-P2和F-P3，每路输入光均被F-P传感器6反射，图2示意出了单个F-P传感器6的反射光谱；

2）三个F-P传感器F-P1、F-P2和F-P3反射的信号均进入第二光纤耦合器3.2被分成两路，一路直接进入第一光纤耦合器3.1，另一路通过声光调制器4周期性调制后进入第一光纤耦合器3.1。至此，激光光源1每输出频率f的光，经F-P传感器6反射后在第一光纤耦合器3.1处有四束光相遇，频率分别为f、f+Δf、f+Δf和f+2Δf，其中频率均为f+Δf的两束光在第一光纤耦合器3.1处发生干涉，频率为f和f+2Δf的光成为背景噪声。干涉信号和背景噪声在第一光纤耦合器3.1处被分成两路，一路直接进入光电平衡探测器5，另一路经光纤环形器2进入光电平衡探测器5；

3）干涉信号被光电平衡探测器5探测并由光信号转化为电信号，然后经数据采集及信号处理模块7进行进一步的数据处理。由于不同位置的F-P传感器6信号经频谱分析后频率不同，所以将各F-P传感器6的空间位置转换为信号的频率即可实现区分。当同时探测到各不同位置的F-P传感器6信号时，可以通过FFT将每一F-P传感器6的信号区分出来，这样能同时对多个F-P传感器6进行解调，实现F-P传感器6的复用。背景噪声则通过光电平衡探测器5对两路输入光做差分而滤掉，提高整个系统的信噪比。

如图3所示，针对探测到的某频率f的干涉信号作FFT，提取其反射强度，在一定的光谱范围内，得到准确的传感器F-P3反射光谱，从而实现对传感器F-P3的光谱解调。传感器F-P1、F-P2的光谱解调过程与此类似。

本实施例中，针对三个F-P传感器F-P1、F-P2和F-P3，通过一次测量就能从干涉信号中解调出各F-P传感器6的反射光谱，如图4所示；并能得到各F-P传感器6的位置信息，如图5所示，三个峰值分别对应F-P传感器F-P1、F-P2和F-P3的实际位置，读数分别为176m、234m和260m，同实际连入系统的光纤延迟线8长度相比，误差在±3以内。由于各F-P传感器6之间相互独立，因此能方便地实现分布式传感和对F-P传感器6位置信息的探测。

当然，本发明并不限于三个F-P传感器6的复用，根据实际需要和成本考虑，还可实现更多F-P传感器6的串、并联复用，且成本较现有复用方式低，具有极大的实用价值。

Claims (3)

1.一种基于频移干涉的F-P传感器复用方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）光源（1）输出的光经过光纤环形器（2）进入第一光纤耦合器（3.1）被分成两路，一路直接进入第二光纤耦合器（3.2），另一路通过声光调制器（4）周期性调制后进入第二光纤耦合器（3.2）；两个以上F-P传感器（6）串联或者并联或者串并联混合连接在第二光纤耦合器（3.2）输出端，各F-P传感器（6）与第二光纤耦合器（3.2）之间接入不同长度的光纤延迟线（8）；

2）各F-P传感器（6）反射的信号进入第二光纤耦合器（3.2）被分成两路，一路直接进入第一光纤耦合器（3.1），另一路通过声光调制器（4）周期性调制后进入第一光纤耦合器（3.1），光源（1）每输出频率f的光，经F-P传感器（6）反射后在第一光纤耦合器（3.1）处输出四束光，频率分别为f、f+Δf、f+Δf和f+2Δf，其中频率均为f+Δf的两束光在第一光纤耦合器（3.1）处发生干涉，频率为f和f+2Δf的光成为背景噪声；

3）干涉信号输入光电平衡探测器（5）转化为电信号后，被输入数据采集及信号处理模块（7）进行数据处理，由于不同位置的F-P传感器（6）信号经频谱分析后频率不同，因此各F-P传感器（6）通过频谱分析后均实现解调并可区分，以实现各F-P传感器（6）的复用。

2.根据权利要求1所述的一种基于频移干涉的F-P传感器复用方法，其特征在于：所述步骤3）还包括对干涉信号进行傅里叶变换的操作，以得到各F-P传感器（6）的位置信息。

3.一种基于频移干涉的F-P传感器复用系统，其特征在于：包括光源（1）、光纤环形器（2）、第一光纤耦合器（3.1）、第二光纤耦合器（3.2）、声光调制器（4）、光电平衡探测器（5）和数据采集及信号处理模块（7）；所述光源（1）与光纤环形器（2）的输入端连接，光纤环形器（2）的一个输出端与第一光纤耦合器（3.1）连接、另一个输出端与光电平衡探测器（5）一个输入端连接；第一光纤耦合器（3.1）的一个输出端与第二光纤耦合器（3.2）一个输入端连接、另一个输出端通过声光调制器（4）与第二光纤耦合器（3.2）另一个输入端连接；第二光纤耦合器（3.2）的输出端连接两个以上F-P传感器（6），各F-P传感器（6）串联或者并联或者串并联混合，各F-P传感器（6）与第二光纤耦合器（3.2）之间接有不同长度的光纤延迟线（8）；所述光电平衡探测器（5）的另一个输入端与第一光纤耦合器（3.1）连接、输出端与数据采集及信号处理模块（7）连接。

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