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CN1193737A - 有比率正交脉冲检测的法布里－佩罗压力传感系统 - Google Patents

有比率正交脉冲检测的法布里－佩罗压力传感系统 Download PDF

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CN1193737A
CN1193737A CN98100918A CN98100918A CN1193737A CN 1193737 A CN1193737 A CN 1193737A CN 98100918 A CN98100918 A CN 98100918A CN 98100918 A CN98100918 A CN 98100918A CN 1193737 A CN1193737 A CN 1193737A
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CN98100918A
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戴维B·霍尔
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Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
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Litton Systems Inc
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Abstract

一种压力传感系统使用多个脉冲波长信号源,各发射独特波长,产生多路入射束。入射束被分成第一部分和第二部分,第一部分送到第一光检测装置为各波长产生参考信号,第二部分询访一个或多个Falry－Perot压力传感器。询访束部分由这些传感器中的间隙宽度变量进行相位调制,然后传到第二光检测装置,由此为每个波长产生被测强度信号。这些光源可以顺序脉冲以提供一个时分多路复用入射束,或者同时脉冲以提供一个波长分割多路复用入射束。

Description

有比率正交脉冲检测的法布里-佩罗压力传感系统
本发明是关于光传感器系统的领域，该系统应用于检测由待测物理参量作用于一个光学传感器所产生的干涉诱导相位差。更具体地讲，本发明涉及使用一个法布里-佩罗(Fabry-Perot)压力传感器以测量压力(比如由声波穿过一种介质传播时导致的压力)的相干光纤系统，该系统在不利环境条件下仍能具有高准确性和可靠性。
用于传感和测量物理参量的相干光纤系统在本领域是已知的。例如，Kim等人的美国专利5,200,795所公开的技术。但很多这些现有系统存在一个或多个问题，比如高成本，准确性不够，在不利条件下可靠性不佳。
一种表示要克服上述问题的系统使用小型硅Fabry-Perot压力传感器，这种系统在1991年有关固态传感器和致动器的国际会议上由Hlg发表的“有干涉测量光学数据输出值的硅压力传感器”一文中有所描述，见IEEE目录号91CH2817-5第682-684页(1991)。使用这种传感器的一个系统在Bush等人的标题为“低成本光学干涉测量扩音器和水听器”一文中有所描述，见SPIE 2292卷，光与激光传感器XII部分第83-93页(1994)。Bush等人所设想的系统将使用两个或更多的稳态发光二极管(LED)，用以发射不同波长光，作为光信号源。从实践上讲，就稳定性和准确性而言，可以相信这种方法不会产生理想的结果。其原因例如发光二极管输出的不稳定性。此外，用个解调受压力调制的光信号的机构仍需进一步简化和降低成本。
因此，仍有必要提供一种使用Fabry-Perot传感器的光学压力传感器系统，该系统应具有低成本，并在不利工作环境中仍能具有高精确度、高稳定性和可靠性的特点。
概括地说，本发明是一种Fabry-Perot压力传感系统，使用许多脉冲相干光信号源(较好地是使用红外激光器)，每一个信号源发射具有独立波长的源信号，从而产生一个多路入射光束。入射光束被分离，以便其中一部分询访一个或多个Fabry-Perot压力传感器，而其余部分转送到第一或参考光检测器装置，该装置对每一个波长产生一个参考信号。入射光的询访部分在Fabry-Perot传感器中由压力诱导的间隙变量进行相位调制，再返回到第二或测量光检测器装置，由此为每一个波长产生一个被测得强度信号。对每一个波长，获取被测强度信号与参考强度信号之比率，并产生两独立项，其中一个与Fabry-Perot间隙宽度的时间平均项无关，另一个是干涉项，它与Fabry-Perot相移角的余弦成正比，而相移角是间隙宽度的函数。通过选择波长，使各波长对一个给定的固定Fabry-Perot间隙宽度来说成正交关系，从而可获取所述比率之间的代数差以消除时间平均项，并产生两个表达式，分别正比个由Fabry-Perot传感器所测得的相移角的余弦和正弦。然后，使用适当的反正切程序以获取相移角的测量，该相移角正比于Fabry-Perot间隙宽度，而间隙宽度又基本上是施加于传感器的压力的线性函数。
更具体地讲，假设不同波长的数量为n，每个波长的总反射信号强度Sk包括一个时间平均信号强度Sk(DC)和一个干涉测量的干涉分量Sk(Mod)cosφk之和，其中k＝1到n，φ是间隙宽度L的函数，而间隙又是被传感的压力函数。参考信号强度可以表达为Rk，这样比率信号强度Sk/Rk(指定为Ik)可表达为A+Bcosφk。
例如，选择成正交的四个波长，并任意定义相移角φk中的一个为“基”相移角φ(从“基”相移角，由预定的正交关系可推导出其余相移角)，则比率信号强度I1，I2，I3，I4可以分别表达为：
I1＝A+Bcosφ
I2＝A+Bcos(φ+π/2)＝A-Bsinφ
I3＝A+Bcos(φ+π)＝A-Bcosφ
I4＝A+Bcos(φ+3π/2)＝A+Bsmφ因此，I1-I3＝2Bcosφ，I4-I2＝2Bsinφ，从而，φ＝arctan[I4-I2)/(I1-I3)]。
正如在后文详细描述中表明的，对于任何给定的用作“基”波长λ的标称波长和对n个被选波长中的每个相邻对之间的任意选定波长间隔Δλ，可以选定一个标称间隙宽度L0，以提供n个有正交关系的波长。
在一个较佳实施例中，光信号源是多个红外激光器，以一个预定的顺序产生脉冲，提供一个时分多路复用入射束，入射束包括各波长的一个脉冲，各脉冲处在预定的顺序中。入射束的参考部分送到一个参考光检测器，从而为各波长产生一个参考强度信号，被调制的询访部分送到一个测量光检测器，在这里为每个波长产生一个被测强度信号。测量光检测器以与入射束中各脉冲相同的顺序接收各波长的被调制脉冲。如上所述，对各波长，将取得被测得强度信号与参考强度信号之比。如果使用多个传感器，它们由沿一个光学延迟线的至少一个最小间隔所分开，以便测量光检测器依次从各传感器接收被调制的询访信号。
在一个替代实施例中，发射分离且不同波长的多个激光器同时发出脉冲，并产生一个波长分割多路复用(WDM)入射束。入射束被分成一个参考部分和一个询访部分，参考部分通过一个第一WDM光耦合器后到达多个参考光检测器(一个检测器对一个波长)，而询访部分则到达在一个光学延迟线上以设定间隔分开设置的多个Fabry-Perot压力传感器。然后，被调制的询访部分通过一个第二WDM光耦合器到达多个测量光检测器(一个测量光检测器对一个波长)。WDM光耦合器将参考束部分和被调制询访束部分分离成它们各自波长的成分，以便各个参考光检测器和各个测量光检测器仅接收各波长中的一个。于是，对每个波长，有一个参考强度信号和一个被测强度信号；并且如上所述，对每一个波长，可产生一个比率强度信号。
图1是本发明一个较佳实施例的示意图。
图2是图1所示较佳实施例的一个简化方案的示意图。
图3是可用于本发明的一种Fabry-Perot压力传感器的简化准示意图。
图4是所述较佳实施例的另一个方案的示意图，适合于和多个压力传感器一起使用。
图5是本发明的一个替换实施例。
首先请参照图1。该图示意性地展示了根据本发明一个较佳实施例的压力传感系统10。系统10包括四个激光器12a，12b，12c，12d的一个阵列，各激光器分别发射具有基本相等幅值的光信号，各光信号具有分离且独立的发射波长λ1，λ2，λ3，λ4，各波长由一个间隔Δλ相等地分开。波长较佳地是在红外区，更好地是在约1.30微米至1.55微米的范围内。虽然波长短至0.8微米也可以使用。确实，任何可在光纤线中传播的波长都可以使用。在较佳实施例中，使用了分布的反馈二极管激光器，这种激光器可以从多个商业渠道获得。来自激光器12a，12b，12c，12d的光信号以预定的顺序依次以脉冲形式发出，脉冲长度约10毫微秒至约100毫微秒。激光器可以直接产生脉冲，或被连续激励，再由一个铌酸锂幅值调制器(未图示)将各结果束分别以脉冲发出。这类调制器可以从诸如在康涅狄格州的Uniphase Telecommunications Products公司那样的货源处得到。本领域所熟知的其它等同脉冲产生装置也可以使用。脉冲顺序可以由一个定时或时钟电路控制(未示出)。
来自第一激光器12a和第二激光器12b的信号通过合适的光纤传送到一个第一3dB定向光耦合器14a，而来自第三激光器12c和第四激光器12d的信号类似地送到一个第二3dB定向光耦合器14b。来自第一和第二光耦合器14a和14b的输出信号被传送到一个第三3dB定向光耦合器14c。来自第三光耦合器14c的输出信号是一个时分多路复用(TDM)入射束，其中四个波长λ1，λ2，λ3，λ4的脉冲，如图1中波形A所示，具有基本相等的幅值或强度。如果希望的话，作为一个替代，一个一乘四光耦合器(没有显示)也可以提供与光耦合器14a，14b，14c相同的功能。
从第三光耦合器14c，入射束由光纤导送到一个第四3dB定向光耦合器14d，它将光束分成具有基本相等幅值或强度的两个入射束部分。一个入射束部分构成一个询访束，它由光纤传导到一个简单的(low-Finesse)Fabry-Perot压力传感器16，而另一个入射束部分构成一个参考束，由光纤传导到一个第一即参考光检测器18。光检测器18将参考束转换成一个第一电子信号即参考信号R，其目的将在下文描述。如下面的详细描述，询访束经Fabry-Perot压力传感器16进行相位调制，然后从压力传感器16经过一个光纤反射回到一个第二即测量光检测器20。光检测器20按照与入射束中的脉冲的相同顺序，接收波长为λ1，λ2，λ3，λ4的被调制脉冲。测量光检测器20将被反射且经调制的询访束转换成一个第二电子信号即被测强度信号S，信号S对每个波长都有一个正比于反射询访束的被测强度的幅值。
参考信号R和被测各强度信号S再被输入到一个微电脑22，它可以是任何适合的传统设计。正如本领域中所熟知，信号R和S是先由传统装置数字化的模拟信号。微电脑22设有程序，能够为各波长λ1，λ2，λ3，λ4获得被测强度信号S的幅值与参考信号R的幅值之比，从而产生两个分离项，其中之一是独立于Fabry-Perot压力传感器16的间隙宽度的时间平均项，另一个是正比于Fabry-Perot相移角的余弦的干涉项，相移角又是间隙宽度的已知函数。能够执行这些功能的电脑程序在相应领域是已知的。
对于一个给定的固定标称Fabry-Perot间隙宽度L0，通过本发射四个有正交关系的波长λ1，λ2，λ3，λ4，可以获得所述比率之间的代数差，以消除时间平均项并产生两个表达式；它们分别正比于由Fabry-Perot传感器16测量的相移角的余弦和正弦。然后，使用适当的反正切程序以获得相移角的测量，相移角正比于Fabry-Perot间隙宽度L，而间隙宽度L又基本是施加于传感器16的压力的线性函数。
更具体地讲，对于四个波长λ1，λ2，λ3，λ4，对K个波长的每一个，总的反射询访束强度Sk包含一个时间平均信号强度成分Sk(DC)和一个干涉测量的干涉成分之和。对一个简单的Fabry-Perot传感器，干涉测量成分非常近似于一个余弦函数，它可以表达为Sk(Mod)cosφk，其中k＝1到4，而φ是相移角，相移角是Fabry-Perot间隙宽度L的一个函数。参考信号强度可以表达为Rk，以便比率信号强度Sk/Rk(设为Ik，以避免混淆)可以表达为Sk(DC)/Rk+Sk(Mod)cosφ/Rk，作为替代，也可表示为A+Bcosφ。由于FAbry-Perot压力传感器16产生的光信号没有极化衰减(即反射的调制询访束)，该信号的时间平均成分Sk(DC)和干涉测量的干涉成分Sk(Mod)cosφk在除以参考信号Rk时，产生如前面定义的系数A和B，这两个系数与产生每个初始光信号的激光器无关。这样，获取两个信号之差就去掉了时间平均系数A，从而产生两个表达式，它们分别正比于被Fabry-Perot压力传感器16测量的相移角的余弦和正弦。
比如，对于四个正交波长λ1，λ2，λ3，λ4，任意定义各相移角φk中的一个作为“基”相移角φ(则其余相移角可从预定的正交关系导出)，则各相移角分别是：
φ1＝φ
φ2＝φ+π/2
φ3＝φ+π
φ4＝φ+3π/2这样，有四个比率信号强度I1，I2，I3，I4，它们分别可表达为：
I1＝A+Bcosφ
I2＝A+Bcos(φ+π/2)＝A-Bsinφ
I3＝A+Bcos(φ+π)＝A-Bcosφ
I4＝A+Bcos(φ+3π/2)＝A+Bsinφ因此，I1-I3＝2Bcosφ，I4-I2＝2Bsinφ，从而，φ＝arctan[I4-I2)/(I1-I3)]。
对于任何给定的作为”基”波长λ的波长和对四个选择波长的相邻对之间任何选定的固定常数间隔Δλ，可以选择一个标定间隙宽度L0，以提供有正交关系的波长λ1，λ2，λ3，λ4。这一点可说明如下：
设第一波长λ1＝λ，第二波长λ2＝λ-Δλ。对于Fabry-Perot压力传感器16的间隙宽度L，通过该间隙的往返“来回路程”等于一个距离2L。可选择标称间隙宽L0，使波长λ在每个距离2L0的来回路程中的数量等于一个正整数N，则：
Nλ＝2L0，或者N＝2L0/λ。
如果第一和第二波长是正交，则在每个来回路程中有N+1/4个第二波长(λ-Δλ)，可表示为：
(N+1/4)(λ-Δλ)＝2L0
从数学上，该等式可展开为：
Nλ+1/4λ-NΔλ-1/4Δλ-2L0＝0
替换N并合并同类项，则产生：
1/4λ-2L0Δλ/λ-1/4Δλ＝0
由于1/4Δλ＜＜λ，对于一级近似，最后一项可取掉，从而等式可表达为：
1/4λ＝2L0Δλ/λ，或L0＝λ2/8Δλ
因此，一旦选定基波长λ(比如，它可以是第一波长λ1)和间隔Δλ，则可选定一个标称间隙宽度L0，能产生四个有正交关系的波长λ1，λ2，λ3，λ4。
作为一举体例子，如果选择基波长λ1为1.55微米，间隔Δλ为0.005微米，则一个60微米的标称间隙宽度L0将产生四个有正交关系的波长λ1，λ2，λ3，λ4(分别为1.550、1.545、1.540、1.535微米)。
正如前面所讨论，一旦基相移角φ确定，响应施加于传感器16的压力的间隙宽度可由如下关系确定：
L＝λφ/4π
其中L是间隙宽度，是施加于传感器16的压力的一个函数，φ是以弧度表示的基相移角，λ是基波长，正如前面所定义的。对于压力传感器16，间隙宽度对压力的一个曲线可由实验产生，并且这个曲线可作为一个查询表存储在微电脑22中的一个只读存储器(ROM；未示出)中，从而可为每个计算出L值产生一压力值。这个值可输出到一个显示装置24，并/或储存在微电脑22的存储器内。
所有上面的运算和逻辑操作可以由带有软件的微电脑22执行，软件可以是通用的，或是编程领域一般技术水平内可以完成的。
因此，上述系统能够提供实时的或接近实时的基本为瞬时的压力读数，并且有高度的精确性、可靠性和稳定性。
图2显示了上述较佳实施例的一个简化方案的压力传感系统30。在这个方案中，只使用了三个激光器32a，32b，32c，分别发射三个分离且独立的波长λ1，λ2，λ3的序列脉冲红外束，如上所述，有一个固定的常数波长间隔Δλ分开各相邻波长对。来自第二激光器32b和第三激光器32c的信号通过光纤传送到一个第一3dB定向光耦合器34a。来自第一激光器32a的信号和来自第一3dB光耦合器34a的输出信号通过光纤送到一个5dB定向光耦合器35。5dB光耦合器35的输出信号是一个时分多路复用(TDM)入射束，在该入射束中三个波长λ1，λ2，λ3的脉冲具有基本相等的幅值或强度，正如图2中波形A′所示。作为一个变换，也可以使用一个一乘三光耦合器(未图示)来替代光耦合34a和35。
入射束从5dB光耦合器35由光纤传导到一个第二3dB定向光耦合器34b，该耦合器将入射束分离成两个具有基本相同幅值或强度的入射束部分。一个入射束部分构成一个询访束，它由光纤传导到一个简单的(low-Finesse)Fabry-Perot压力传感器36，由另一个入射束部分构成一个参考束，它由光纤传导到一个第一即参考光检测器38。参考光检测器38又将参考束转变成一个第一电子信号即参考信号R′。询访束由Fabry-Perot压力传感器36进行相位调制，然后从该传感器36经光纤反射回去到一个第二即测量光检测器40，该测量光检测器又以波长λ1，λ2，λ3在入射束中的相同顺序接收这三个波长的被调制脉冲。测量光检测器40将被反射的询访束转变成一个第二电子信号即被测强度信号S′，该强度信号对每个波长有一个幅值，正比于被反射的询访信号的被测幅值或强度。
参考信号R′和被测强度信号S′被输入到一个微电脑42，信号R′和S′是先经传统装置数字化的模拟信号。微电脑42配有程序，能够为每个波长λ1，λ2，λ3以正交关系传送，从而可以采用所述比率间的代数差来消除时间平均项，并产生两个表达式，分别正比于由Fabry-Perot传感器36测量到的相移角的正弦和余弦。然后，可以使用适当的反正切程序，以获得相移角的测量，相移角正比于Fabry-Perot间隙宽度L，间隙宽度又是施加于传感器36的压力的基本线性函数。
更具体地讲，对于这三个波长λ1，λ2，λ3，每个波长的总被反射询访束强度Sk′包含一个时间平均信号强度成分Sk′(DC)与一个干涉测量的干涉成分之和，干涉成分(对一个简单的Fabry-Perot传感器)可以表示为Sk′(Mod)cos(φk+π/4)，其中k＝1至3，φ是相移角，它是间隙宽度L的一个函数。参考信号可以表示为Rk′，以便比率信号强度Sk′/Rk′(指定为Ik′)可以表示为：
Sk′(DC)Rk′+Sk′(Mod)cos(φk+π/4)Rk′或者变作：A+Bcos(φk+π/4)
用参考信号强度Rk′除时间平均成分Sk′(DC)和干涉测量的干涉成分Sk′(Mod)cos(φk+π/4)，可以产生系数A和B。如上所述，A和B与产生每个初始光信号的激光器无关。采用两个信号间之差可消去时间平均系数A，从而产生两个表达式，分别正比于由Fabry-Perot压力传感器36测量的相移角的正弦和余弦。
例如，对于以正交关系发送的三个波长λ1，λ2，λ3，随意定义三个相移角中的一个φk为“基”相移角φ(从它，根据预定的正交关系可导出其余相移角)，则各相移角如下：
φ1＝φ
φ2＝φ+π/2
φ3＝φ+π
于是，有三个比率信号强度I1′，I2′，I3′，可分别表示为：
I1′＝A+Bcos(φ+π/4)
I2′＝A+Bcos(φ+3π/4)＝A+Bcos(φ-π/4)
I3′＝A+Bcos(φ+5π/4)＝A-Bcos(φ+π/4)因此，
Figure A9810091800182
从而，φ＝arctan[(I2′-I1′)/(I2′-I3′)]。
如前面所述，对于任何用作基波长λ的给定波长和对于这三个被选波长中各相邻对之间的任何选定的固定常数间隔Δλ，可为Fabry-Perot压力传感器选择一个标称间隙宽度L0，以提供有正交关系的三个波长λ1，λ2，λ3。如上所述，压力响应间隙宽度L可由被测基相移角φ和基波长λ计算出。最后，相应的被测压力值可由计算出的L值导出，并且导出的结果可以显示在一个显示装置44上，或者储存在微电脑42的存储器中。
Fabry-Perot压力传感器16和36可以是适合于系统10和30可能使用的环境的任何设计。那些传感器是本领域已知的，比如上文提到的Hlg的参考文件所公开的例子，还有Bush等人的参考文件中所举的例子，所公开的内容也引入本文，作为参考。对于本发明，Fabry-Perot压力传感器16和36使用具有图3所示的设计为佳。
如图3所示，压力传感器16，36是一个简单的(low-Finesse)Fabry-Perot腔，包括一个光学质量玻璃的平板46，它对使用的波长透明，还有一个内表面48，对使用波长部分反射，这些都是本领域的已知技术。压力传感器16，36还包括一个压力响应硅膜50，它由一个圆形间隔环52绕内表面48的周边连接到平板46。膜50有一个内表面54，也是部分反射使用波长。一个腔55将膜50的内表面54与板46的内表面48分开，该腔确定这个Fabry-Perot间隙宽度L，它可以表达为：
L＝L0+Δλ(P)其中L0是标称间隙宽度，Δλ(P)是压力诱导的间隙宽度的变化量。
压力传感器16，36通过一个分级指数(graded index或GRIN)透镜58与一个光纤光学耦合，该光学透镜较好地是由位于新泽西州Somerset市的NSGAmerica，Inc.公司推销的，带有“SELFOC”商标的类型。GRIN透镜58提供要进入腔55的一个准直光束。光纤56较好地是支定在一个同轴套管59内。图3所示的组件较好地是还包括对准装置(未示出)，正如本领域所熟知，它是用于确保来自腔55的光信号能回射光纤56。
图4是根据本发明这个较佳实施例的另一个变形例的压力传感系统60，其中使用了多个Fabry-Perot压力传感器61a，61b，61c。在这个变形例中，三个激光器分别发射以顺序脉冲红外束形式的三个分离且独立的波长λ1，λ2，λ3，如上所述，有一固定的常数波长间隔Δλ将各相邻对波长分开。脉冲束光学地传导到一个三路光耦合器63，它的输出是一个时分多路复用(TDM)入射束，入射束中的这三个波长λ1，λ2，λ3的脉冲具有基本相等的幅值或强度，如图4中波形A″所示。
TDM入射束由光纤光学地传导到一个3dB定向光耦合器64，它将该入射束分成两个基本相等强度的入射束部分。其中一个入射束部分构成一个询访束，它通过一个延迟线65光纤光学地传导到各Fabry-Perot压力传感器61a，61b，61c，而另一个入射束部分构成一个参考束，它又以光纤光学方式传导到一个参考光检测器66。参考光电检测器66又将参考束转换成一个参考信号R″。
询访束由Fabry-Perot压力传感器61a，61b，61c进行相位调制，然后又以光纤光学方式经延迟线65传送回到一个测量光检测器67。测量光检测器67接收波长λ1，λ2，λ3的被调制脉冲，其顺序与入射束中这些脉冲的顺序相同，再将被调制的询访信号转换成一个被测强度信号S″，其幅值对每个波长都正比于被反射询访束的被测幅值或强度。
测量光检测器67接收来自三个压力传感器61a，61b，61c并沿延迟线65传送的被调制询访束，其顺序是与从传感器61a，61b，61c到测量光检测器67的各自距离有关。正如图4中波形B所示，来自第一传感器61a的有三个波长λ1，λ2，λ3的第一脉冲序列被接收，表示为“a”，接收到的第二序列“b”是来自第二传感器61b，接收到的第三序列“c”是来自第三传感器61c。传感器61a，61b，61c之间的物理距离必须足以防止序列a，b，c之间相互重叠。因此，若光纤中的光速为约0.2米/毫微秒，对于10毫微秒的脉冲周期，需要有一个至少两米的传感器相互分割。对于100毫微秒的脉冲周期，该间隔必须至少约20米。
当每个传感器61a，61b，61c的一个被测强度信号S″由测量光检测器67接收后，该信号将输入到一个微电脑68。三个波长λ1，λ2，λ3是正交，并有一个如上所述的固定常数Δλ，微电脑68执行前述的计算和操作，获得“基”相移角(该项已在前面定义)φa，φb，φc，它们分别对应传感器61a，61b，61c，从而获得每个传感器61a，61b，61c的压力读数，该读数可以输出到一个显示装置和/或保留在微电脑68的存储器中。
例如，对于由传感器61a接收到的被调制询访束，比率强度信号I1a，I2a，I3a被推导出，并表示为：
I1a＝A+Bcos(φa+π/4)
I2a＝A+Bcos(φa+3π/4)＝A+Bcos(φa-π/4)
I3a＝A+Bcos(φa+5π/4)＝A-Bcos(φa+π/4)因此
Figure A9810091800202
从而，φa＝arctan[(I2a-I1a)/(I2a-I3a)]。
可以使用类似的一套操作，获得φb和φc的值。
需要指出的是，在本较佳实施例的这个变形例子中，也可以使用任何数量的激光器和Fabry-Perot传感器。
图5显示了本发明的一个第二实施例的压力传感系统70。在该实施例中，使用了多个Fabry-Perot压力传感器，并且多个激光器同时发生脉冲；提供一个波分多路复用入射束。
如图5所示，使用三个激光器72a，72b，72c，同时分别发射脉冲红外束，具有三个分离且独立的波长λ1，λ2，λ3，并有一个固定的常数波长间隔Δλ，将各相邻对波长分开。脉冲束光纤光学地传导到一个三路光耦合器73，其输出是一个波分多路复用(WDM)入射束，它包括一个脉冲序列，如图5中波形A所示，其中各脉冲包括各个波长λ1，λ2，λ3的相等强度成分。
这个WDM入射束光纤光学地传导到一个3dB定向光耦合器74，它将该入射束分离成两个具有基本相等幅值或强度的入射束部分。一个入射束部分构成一个询访束，通过一个延迟线75光纤光学地传导到许多Fabry-Perot压力传感器76a，76b，76c的每一个，而另一个入射束部分构成一个参考束，它经过一个第一WDM光耦合器77光纤光学地传递到许多参考光检测器78a，78b，78c。第一WDM光耦合器77将参考光分离成它的分离波长成分，从而每个参考光检测器78a，78b，78c接收三个波长λ1，λ2，λ3中的一个的脉冲。参考光检测器78a，78b，78c分别产生电子参考信号R1，R2，R3，代表了参考束中三个波长的各自幅值。因为参考束中三个波长成分的幅值具有(或应当具有)基本相等的强度，三个电子参考信号也具有基本相等的幅值，于是可以被共同指定为“R”。
询访信号由FAbry-Perot压力传感器76a，76b，76c进行相应调制，然后该信号通过延迟线75和一个第二WDM光耦合器79光纤光学地传送回到许多测量光检测器80a，80b，80c。测量光检测器80a，80b，80c接收来自三个压力传感器76a，76b，76c的被调制询访信号的脉冲，接收这些脉冲的顺序与这些传感器到这些测量光检测器的各自距离有关。具体讲，图5中所形A所示的各脉冲首先询访传感器76a，然后是传感器76b，最后是传感器76c，如此产生三个返回脉冲，分别在图5的波形B′中标示为“a”，“b”，“c”。这样波形B′显示了波形A的三个顺序询访脉冲的返回脉冲列。波形A的询访脉冲之间的间隔必须足以允许在下一个询访脉冲产生前，就接收由一个询访脉冲产生的所有三个返回脉冲。传感器76a，76b，76c之间的物理距离必须足以防止序列a，b，c之间的重叠。若光纤中的光速是约0.2米/毫微秒，对于10毫微秒的脉冲周期，要求至少约2米的传感器相互间距。对于100毫微秒的一个脉冲周期，至少要求有约20米的间隔。
第二WDM光耦合器79将被调制询访束分成它的分离波长成分，从而各测量光检测器80a，80b，80c接收波长λ1，λ2，λ3中某一个脉冲。测量光检测器80a，80b，80c分别产生电学被测强度信号S1，S2，S3，它们代表了被调制询访束中的三个波长的各自幅值。测量光检测器80a，80b，80c分别接收波长λ1，λ2，λ3的被调制脉冲，其顺序是与从传感器76a，76b，76c返回的脉冲顺序相同的，如波形B′所示。
参考信号R和被测强度信号S1，S2，S3被输入到一个微电脑82。如前面确定的，三个波长λ1，λ2，λ3是正交并有一个固定常数Δλ，微电脑82执行上述的计算和操作，以获得基相移角(该项已在前面定义)φa，φb，φc分别对应于传感器76a，76b，76c，从而为每个传感器获得一个压力读数。
例如，对于从传感器76a接收到的被调制询访束，比率强度信号I1a′，I2a′，I3a′可被推导出并表示为：
I1a′＝A+Bcos(φa+π/4)
I2a′＝A+Bcos(φa+3π/4)＝A+Bcos(φa-π/4)
I3a′＝A+Bcos(φa+5π/4)＝A-Bcos(φa+π/4)因此
Figure A9810091800221
Figure A9810091800222
从而，φa＝arctan[(I2a′-I1a′)/(I2a′-I3a′)]。
类似的一套操作可以使用任何数量的激光器和Fabry-Perot传感器。然而，有必要对入射在这些光检测器上的相对束功率及其这些光检测器的响应性进行相互校对，以确保前述的“A”和“B”系数与所使用的特定激光器无关。
从上面的描述，可以知道本发明使用3个制造成本低廉的系统，能够提供可靠、精确的实时或接近实时的压力测量。具体说，本发明中使用的Fabry-Perot传感器可以是廉价生产的硅Fabry-Perot传感器可以是廉价生产的硅Fabry-Perot传感器技术，这类传感器是本领域所熟知的，上述系统的其它光学元件可以是市场上已能得到的产品。
本发明的几个实施例及其变形例已在上文和附图中描述，本相关技术领域的技术人员由此可以进行进一步的修改和变化。比如，虽然本发明描述为使用Fabry-Perot压力传感器来测量压力，但通过改变传感器以传感其它参量，如加速度，显然本发明也是可以测量的。因此，本发明已经可以适合于用来测量其它参量，而不能被限于传感和测量压力。这样的修改应当被视为在本发明的如权利要求中所限定的精神和范围之内。

Claims (29)

1.一种用于测量参量的系统，其特征在于，包括：
多个脉冲光信号源，发射多个单波长信号，所述信号具有分离且独特的发射波长，所述发射波长之间由一个固定的常数波长间隔所分开；
多个光耦合器，将所述多个单波长信号转变成一个多路入射束，所述入射束包括具有基本相等强度的第一和第二束部分；
第一光检测装置，接收所述第一束部分并为各所述发射波长产生一个参考强度信号；
一个Falry-Perot传感器，接收所述第二束部分，并有一个具有一个间隙宽度的Falry-Perot腔，所述间隙宽度作为待测参量值的函数而变化并有一个所述发射波长都处在正交的标称间隙宽度值，从而所述第二束部分由所述间隙宽度的变化进行相位调制，以便所述发射波长都按正交关系中的各自相移角产生相移，所述相移角中的一个是基相移角，所述基相移角是所述间隙宽度的一个已知函数；
第二光检测装置，接收来自所述传感器的经相位调制的第二束部分，并为各所述发射波长产生一个被测强度信号；
一个电脑，响应各个所述参考信号和各个所述被测强度信号，并被编程以完成：(a)由所述被测强度信号与所述参考信号的比来计算每个发射波长的所述基相移角，(b)计算作为基相移角的函数的所述间隙宽度，(c)计算作为所述间隙宽度的函数的待测参量。
2.根据权利要求1的系统，其中所述信号源以预定的顺序发射脉冲，并且所述入射束是一个时(间)分(割)多路复用入射束，所述时分多路复用入射束包括处在预定顺序中的所述单波长信号的脉冲。
3.根据权利要求1的系统，其中所述多个光耦合器包括至少一个第一光耦合器和一个第二光耦合器，所述第一光耦合器产生一个入射束，其内部的所述单波长信号的各自强度基本相等，所述第二光耦合器将所述入射束分成所述第一和第二束部分，并将所述第一束部分传送到所述第一光检测装置，将来自所述Falry-Perot传感器的所述第二束部分传送到所述第二光检测装置。
4.根据权利要求3的系统，其中所述传感器是一个第一Falry-Perot传感器，所述系统进一步包括：
至少一个第二Falry-Perot传感器，
一个光纤延迟线，光学且实际地将所述第一和第二传感器相互且与所述第二光检测装置耦合。
5.根据权利要求4的系统，其中所述信号源基本同时发出脉冲，并且所述入射束是一个波(长)分(割)多路复用入射束，该入射束包括一个脉冲序列，含有各所述发射波长的基本相等强度成分。
6.根据权利要求5的系统，其中所述第一光检测装置包括：
一个第一波长响应光耦合器，将所述第一波长束部分分成对应于各所述发射波长的成分，
多个第一光检测器，每个都响应所述发射波长中的一个，并为所述发射波长中的一个产生一个参考强度信号。
7.根据权利要求6的系统，其中第二光检测装置包括：
一个第二波长响应光耦合器，将所述第二波长束部分分成对应于各所述发射波长的成分，
许多第二光检测器，每个都响应所述发射波长中的一个，并为所述发射波长中的一个产生一个被测强度信号。
8.根据权利要求2的系统，其中所述许多光耦合器包括至少一个第一光耦合器和一个第二光耦合器，所述第一光耦合器产生一个入射束，其内的所述单波长信号的强度是基本相等，所述第二光耦合器将所述入射束分成所述第一和第二束部分，并将所述第一束部分传送到所述第一光检测装置，并将来自Falry-Perot传感器的的述第二束部分传送到所术二光检测装置。
9.根据权利要求8的系统，其中所述传感器是一个第一Falry-Perot传感器，所述系统还包括：
至少一个第二Falry-Perot传感器，
一个光纤延迟线；光学且实际地将所述第一和第二传感器相互且与所述第二光检测装置耦合。
10.一种用于测量参量的系统，其特征在于包括：
多个脉冲光信号源，发射多个具有分离且独特的发射波长的单波长光信号，所述发射波长间由一个固定的常数波长间隔所分开，所述多个信号源以一个预定的顺序发射脉冲；
多个光耦合器，将所述单波长信号转换成一个含有基本相等强度的第一和第二束部分的时分多路复用入射束，各所述束部分包括预定顺序中的所述单波长信号的脉冲；
一个第一光检测器，接收所述第一束部分并为各所述发射波长产生一个参考强度信号；
一个Falry-Perot传感器，接收所述第二束部分，并有一个带有一个间隙宽度的Falry-Perot腔，所述间隙宽度作为待测参量值的已知函数而变化并有一个标称间隙宽度值，所述发射波长都在所述标称间隙宽度值有正交关系，从而所述第二束部分由所述间隙宽度变化进行相位调制，以便所述发射波长都按正交关系中的各自相移角发生相移，所述相移角中的一个是基相移角，所述基相移角是所述间隙度的一个已知函数；
一个第二光检测器，接收来自所述传感器、经相位调制的第二束部分，并为各所述波长产生一个被测强度信叫；
一个电脑，响应各所述参考强度信号和各所述被测强度信号，并被编程以完成：(a)由各个波长的所述被测强度信号与所述参考强度信号之比来计算每个波长的所述基相移角，(b)计算作为所述基相移角的函数的间隙宽度，(c)计算作为所述间隙宽度的函数的待测参量。
11.根据权利要求10的系统，其中所述多个光耦合器包括一个第一光耦合器和一个第二光耦合，所述第一光耦合器产生一个入射束，束内的所述单波长信号的强度都基本相等，所述第二光耦合器将所述入射束分成所述第一和第二束部分，并将所述第一束部分传送到所述第一光检测器，将来自所述Falry-Perot传感器的所述第二束部分传送到所述第二光检测器。
12.根据权利要求11的系统，其中所述传感器是一个第一Falry-Perot传感器，所述系统还包括：
至少一个第二Falry-Perot传感器，
一个光纤延迟线，将所述第一和第二传感器相互且与所述第二光耦合器耦合。
13.一种用于测量参量的系统，其特征在于包括：
多个同时发脉冲的光信号源，发射多个具有分离且独特的发射波长的单波长信号，所述发射波长间由一个固定的常数波长间隔所分开；
多个光耦合器，将的述多个单波长信号转换成一个波分多路复用入射束，该入射束包括具有基本相并强度的第一和第二束部分，所述第一和第二束部分各自包括一个脉冲序列，各脉冲含有各所述发射波长的基本相等强度成分；
第一光检测装置，接收所述第一束部分并为各所述波长产生一个参考强度信号；
多个Falry-Perot传感器，由一个光纤延迟线实际且光学地相互耦合，各所述传感器接收来自所述延迟线的第二束部分，并有一个具有一间隙宽度的Falry-Perot腔，所述间隙宽度作为待测参量值的一个已知函数而变化，并有一个使所述发射波长都处在正交关系中的标称间隙宽度值，从而所述第二束部分由所述间隙宽度的变化进行相位调制，所述发射波长都按正交关系中的各自相移角产生相移，所述相移角中的一个是一个基相移角，所述基相移角是所述间隙宽度的一个已知函数；
第二光检测装置，接收来自所述传感器的相位调制后的第二束部分，并为各所述发射波长产生一个被测强度信号；
一个电脑，响应各所述参考强度信号和各所述被测强度信号，并被编程以完成：(a)由各波长的所述被测强度信号与所述参考强度信号之比来计算每个波长的所述基相移角，(b)计算作为所述基相移角的函数的间隙宽度，(c)计算作为所述间隙宽度的函数的待测参量。
14.根据权利要求13的系统，其中所述许多光耦合器包括至少一个第一光耦合器和一个第二光耦合器，所述第一光耦合器产生一个入射束，束内所述单波长信号的强度基本相等，所述第二光耦合器将所述入射束分成所述第一和第二束部分，并且将所述第一束部分传送到所述第一光检测器装置，将来自所述Falry-Perot传感器的第二束部分传送到所述第二光检测装置。
15.根据权利要求13的系统，其中所述第一光检测装置包括：
一个第一波长响应光耦合器，将所述第一束部分分离成对应于各所述发射波长的成分，
许多第一光检测器，每一个都响应所述发射波长中的一个，并为所述发射波长中的一个产生一个参考强度信号。
16.根据权利要求5的系统，其中所述第二光检测装置包括：
一个第二波长响应光耦合器，将所述第二束部分分离成对应于各所述发射长的成分，
多个第二光检测器，每一个响应所述波长中的一个，并为所述波长中的一个产生一个被测强度信号。
17.一种用于测量参量的方法，其特征在于包括如下步骤：
提供多个用具分离且独特的发射波长的单波长脉冲光信号，所述发射波长间由一个固定的常数波长间隔所分开；
多路复用所述单波长信号，以提供一个脉冲入射束，所述入射束中的所述发射波长的强度都基本相等，
将所述入射束分离成一个第一束部分和一个第二束部分，具有基本相等强度；
检测所述第一束部分，并产生指示所述第一束部分中各所述发射波长的强度的参考强度信号，
将所述第二束部分送到一个Falry-Perot传感器，所述传感器有一个具有一个间隙宽度的Falry-Perot腔，所述间隙宽度作为待测参量的函数而变化并有一个标称间隙宽度，所述发射波长在所述标称间隙宽度时都有正交关系，从而所述第二束部分由间隙宽度的变化进行相位调制，以便所述发射波长都按正交关系中各自相移角产生相移，所述相移角中的一个是所述间隙宽度的已知函数的基相移角；
检测从所述传感器接收到的所述相位调制后的第二束部分，并产生一个被测强度信号，以指示所述被相位调制的第二束部分中各所述发射波长的强度；
由各所述发射波长的所述被测强度信号与所述参考强度信号之比，计算所述基相移角；
计算作为基相移角的函数的所述间隙宽度，
确定作为所述间隙宽度的函数的待测参量。
18.根据权利要求17的方法，其中所述单波长信号以预定顺序脉冲发出，并且所述多路复用步骤提供一个时分多路复用入射束，该入射束包括预定顺序中的所述单波长信号的脉冲。
19.根据权利要求18的方法，其中所述第一和第二束部分的每一个都包括一系列在预定顺序中的波长脉冲。
20.根据权利要求17的方法，其中所述单波长信号都基本同时脉冲发出，并且所述多路复用步骤提供一个有序列脉冲的波分多路复用入射束，所述序列脉冲的每一个都包括各所述发射波长的基本相等强度成分。
21.根据权利要求20的方法，其中所述第一和第二束部分的每一个都包括一个序列脉冲，并且包含有各所述发射波长的基本相等强度成分。
22.根据权利要求21的方法，其中所述检测第一束部分的步骤包括：
将所述第一束部分中各所述脉冲分离成对应于各所述发射波长的成分，
分开检测各所述发射波长，
为各所述发射波长产生一个单独的参考强度信号。
23.根据权利要求21的方法，其中所述检测经相位调制的第二束部分的步骤包括：
将所述经相位调制的第二束部人中各个脉冲分离成对应于各所述发射波长的成分，
分开检测各所述发射波长，
为各个所述发射波长产生一个单独的被测强度信号。
24.一种用于测量参量的方法，其特征在于包括如下步骤：
提供一个Falry-Perot传感器，所述传感器有一个具有一个间隙宽度的Falry-Perot腔，所述间隙宽度作为待测参量的已知函数而变化；
产生一个含有一系列单波长脉冲的光束，所述一系列脉冲是在多个选定波长的一个预定顺序中，所述多个选定波长由一个固定的常数波长间隔分开并且对一个预定的间隙宽度是处在正交关系；
产生一个参考强度信号；指示所述光束中各所述选定波长的强度；
将所述光束送到所述传感器并在所述传感器中由间隙宽度的变化对所述光束进行相位调制，从而所述选定波都按正交关系的各自相移角产生相移，所述相移角中的一个是基相移角，所述基相移角是所述间隙宽度的已知函数；
检测从所述传感器接收到的所述相位调制的光束，并产生一个被测强度信号，指示所述被相位调制的光束中各所述选定波长的强度；
由各个所述选定波长的被测强度信号与所述参考强度信号之比，计算所述基相移角；
计算作为所述基相移角的函数的间隙宽度；
确定作为的述间隙宽度的函数的待测参量。
25.根据权利要求24的方法，其中在所述光束中的所述选定波长的脉冲都具有基本相等的幅值。
26.根据权利要求25的方法，其中所述光束包括具有相等强度的第一和第二束部分，并且所述产生一个参考强度信号的步骤包括：
检测所述第一束部分并产生一个参考强度信号，以指示所述第一束部分中各所述选定波长的强度；其中所述第二束部分被送到所述传感器并在此进行相位调制，而其中所述检测被相位调制光束的步骤包括检测所述经相位调制的第二束部分。
27.一种用于测量参量的方法，其特征在于包括如下步骤：
提供一个Falry-Perot传感器，所述传感器有一个具有一个间隙宽度的Falry-Perot腔，所述间隙宽度作为待测参量值的函数而变化；
产生一个包含有一系列脉冲的光束，各所述脉冲包括多个选定波长的基本相等强度成分，所述多个选定波长由一个固定的常数波长间隔分开，并且对一个预定的间隙宽度是处在正交关系；
产生一个参考强度信号，指示所述光束中各所述选定波长的强度，
将所述光束送到所述传感器，并在所述传感器由所述间隙宽度的变化相位调制所述光束，从而选定波长都按正交关系的各自相移角进行相移，所述相移角中的一个是基相移角，所述基相移角是所述间隙宽度的已知函数；
检测从所述传感器接收到的所述相位调制后的光束，并产生一个被测强度信号，指示所示相位调制后的光束中各所述选定波长的强度；
由各所述选定波长的被测强度信号与所述参考强度信号之比，计算所述基相移角；
计算作为所述基相移角的函数的所述间隙宽度；
确定作为所述间隙宽度的函数的待测参量。
28.根据权利要求27的方法，其中所述光束包括具有基本相等强度的第一和第二束部分，其中所述产生一个参考强度信号的步骤包括：
检测所述第一束部分和产生一个参考强度信号的步骤，参考强度信号指示所述第一束部分中各选定波长的强度；其中所述第二束部分被送到所述传感器并在此进行相位调制；而其中所述检测经相位调制的光束的步骤包括检测经相位调制的第二束部分。
29.根据权利要求28的方法，其中所述检测经相位调制的第二束部分的步骤包括：
将经相位调制的第二束部分中的各所述脉冲分成对应于各个所述选定波长的成分，
分开检测各个所述选定波长，
为各个所述选定波长产生一个独立的被测强度信号。
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