一種基于頻移干涉的f-p傳感器復(fù)用方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于頻移干涉的F-P傳感器復(fù)用方法，包括：1）光源輸出的光經(jīng)過光纖環(huán)形器進入第一光纖耦合器被分成兩路，一路直接進入第二光纖耦合器，另一路通過周期性調(diào)制后進入第二光纖耦合器；兩個以上F-P傳感器串聯(lián)、并聯(lián)或者串并聯(lián)混合連接在第二光纖耦合器輸出端，各F-P傳感器位置不同；2）各F-P傳感器反射的信號進入第二光纖耦合器被分成兩路，一路直接進入第一光纖耦合器，另一路通過周期性調(diào)制后進入第一光纖耦合器，光源每輸出頻率f的光，經(jīng)F-P傳感器反射后在第一光纖耦合器處輸出四束光，頻率分別為f、f+Δf、f+Δf和f+2Δf，其中頻率相同的兩束光在第一光纖耦合器處發(fā)生干涉，另兩束光成為背景噪聲；3）干涉信號轉(zhuǎn)化為電信號后進行數(shù)據(jù)處理。
【專利說明】—種基于頻移干涉的F-P傳感器復(fù)用方法及系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖傳感器領(lǐng)域，具體地指一種基于頻移干涉的F-P傳感器復(fù)用方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖傳感技術(shù)是一種以光為載體,光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界信號的新型傳感技術(shù)，由于其具有抗干擾能力強、體積小、靈敏度高、測量動態(tài)范圍大等優(yōu)點，自上世紀七十年代以來引起了眾多研究人員的興趣而迅速發(fā)展。
[0003]隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展,人們研制出了各種各樣的光纖傳感器，在醫(yī)學(xué)、大型建筑工程(如橋梁等)、軍事等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。其中光纖干涉?zhèn)鞲衅饔捎诰哂蟹直媛矢?、動態(tài)范圍大、精度高以及實現(xiàn)方式靈活等優(yōu)點，成為光纖傳感器中極為重要和常用的一類。光纖F-P傳感器采用單根光纖、利用多光束干涉原理來監(jiān)測被測量的變化，屬于相位調(diào)制型傳感器，是光纖干涉?zhèn)鞲衅鞯囊环N。早在二十世紀八十年代早期，人們就利用光纖制成了 F-P傳感器，緊接著，光纖F-P傳感器逐漸在溫度、應(yīng)變和復(fù)合材料傳感中得到廣泛的運用。
[0004]同其他干涉型傳感器，如Mach_Zehnder、Michelson、Sagnac傳感器等相比，F(xiàn)-P傳感器具有F-P腔傳感頭制作簡單、可靠性好、制作靈活、靈敏度高等諸多優(yōu)點，而且F-P傳感器中沒有光纖耦合器的存在，使得傳感器結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)處理相對簡單。F-P傳感器在很多應(yīng)用時可被視為“點”測量，原因在于F-P傳感器對可以導(dǎo)致兩個反射端面距離(即腔長)發(fā)生變化的物理量極其敏感且傳感區(qū)很小。因此，對于智能結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，F(xiàn)-P傳感器是一種很受歡迎甚至近乎理想的光纖傳感器。
[0005]經(jīng)過十多年的研究，F(xiàn)-P傳感器在制作及信號處理方面已趨于成熟，在應(yīng)變、溫度、壓力、折射率及磁場等測量領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。但是其復(fù)用仍是一個難點，也是其實用化發(fā)展的研究熱點之一。人們對復(fù)用技術(shù)進行了長期的相關(guān)探索，提出了多種復(fù)用方法，如:時分復(fù)用(見亨利泰勒等論文，應(yīng)用光學(xué)，1995,34:5861)，它是通過利用不同的光纖長度實現(xiàn)不同的時間延遲，將各路信號的傳輸時間分配在不同的時間間隔來實現(xiàn)傳感器的復(fù)用，這種方法只能通過光源輸出單波長光來檢測，因此測量精度低；波分復(fù)用(見周學(xué)昌等論文，亞洲-太平洋光學(xué)會議，2004，SPIE，5364:41)，它是利用波分復(fù)用器寬帶光源分成多路，每路連接一個傳感器實現(xiàn)傳感器的復(fù)用，由于傳感器需要占據(jù)足夠的帶寬，因此這種方法的復(fù)用數(shù)目嚴重受到光源帶寬的限制；空分復(fù)用(見饒云江等論文，SPIE1995，2507:90)，它是將連接傳感器的多跟光纖組合在一起，通過光開關(guān)對各個支路進行連接，這種方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，復(fù)用數(shù)目有限；相干復(fù)用(見戴維斯等論文，SPIE1998，904:114)，由于這種方法需要增加一個參考干涉儀，因此增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，復(fù)用數(shù)目也有限。上述復(fù)用方法由于種種原因都存在著各自的缺點，導(dǎo)致很難復(fù)用大量的F-P傳感器，隨著F-P傳感器復(fù)用數(shù)目的增大，信噪比會急劇惡化，而且系統(tǒng)會變得比較復(fù)雜，成本增加，對F-P傳感器本身的要求也增加。因此，尋找更簡便、實用的復(fù)用方式對于推動F-P傳感器的研究及應(yīng)用具有十分重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題就是提供一種基于頻移干涉的F-P傳感器復(fù)用方法及系統(tǒng)，能夠克服現(xiàn)有復(fù)用方式的限制，方便地實現(xiàn)F-P傳感器的復(fù)用，并能夠?qū)崿F(xiàn)各F-P傳感器的位置測量，顯著提高F-P傳感器的復(fù)用數(shù)量。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的一種基于頻移干涉的F-P傳感器復(fù)用方法，包括如下步驟:
[0008]I)光源輸出的光經(jīng)過光纖環(huán)形器進入第一光纖耦合器被分成兩路，一路直接進入第二光纖耦合器，另一路通過聲光調(diào)制器周期性調(diào)制后進入第二光纖耦合器；兩個以上F-P傳感器串聯(lián)或者并聯(lián)或者串并聯(lián)混合連接在第二光纖耦合器輸出端，各F-P傳感器與第二光纖耦合器之間接入不同長度的光纖延遲線；
[0009]2)各F-P傳感器反射的信號進入第二光纖耦合器被分成兩路，一路直接進入第一光纖耦合器，另一路通過聲光調(diào)制器周期性調(diào)制后進入第一光纖耦合器，光源每輸出頻率f的光，經(jīng)F-P傳感器反射后在第一光纖耦合器處輸出四束光，頻率分別為f、f + Λ f、f + Λ f和f+2Af，其中頻率均為f+Af的兩束光在第一光纖耦合器處發(fā)生干涉，頻率為f和f+2Af的光成為背景噪聲；
[0010]3 )干涉信號輸入光電平衡探測器轉(zhuǎn)化為電信號后，被輸入數(shù)據(jù)采集及信號處理模塊進行數(shù)據(jù)處理，由于不同位置的F-P傳感器信號經(jīng)頻譜分析后頻率不同，因此各F-P傳感器通過頻譜分析后均實現(xiàn)解調(diào)并可區(qū)分，以實現(xiàn)各F-P傳感器的復(fù)用。
[0011]上述技術(shù)方案的所述步驟3)還包括對干涉信號進行傅里葉變換的操作，以得到各F-P傳感器的位置信息，即各F-P傳感器與第二光纖耦合器之間光纖延遲線的實際長度。
[0012]本發(fā)明提供的一種基于頻移干涉的F-P傳感器復(fù)用系統(tǒng)，包括光源、光纖環(huán)形器、第一光纖耦合器、第二光纖耦合器、聲光調(diào)制器、光電平衡探測器和數(shù)據(jù)采集及信號處理模塊；所述光源與光纖環(huán)形器的輸入端連接，光纖環(huán)形器的一個輸出端與第一光纖稱合器連接、另一個輸出端與光電平衡探測器一個輸入端連接；第一光纖耦合器的一個輸出端與第二光纖稱合器一個輸入端連接、另一個輸出端通過聲光調(diào)制器與第二光纖稱合器另一個輸入端連接；第二光纖耦合器的輸出端連接兩個以上F-P傳感器，各F-P傳感器串聯(lián)或者并聯(lián)或者串并聯(lián)混合，各F-P傳感器與第二光纖耦合器之間接有不同長度的光纖延遲線；所述光電平衡探測器的另一個輸入端與第一光纖耦合器連接、輸出端與數(shù)據(jù)采集及信號處理模塊連接。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:
[0014]I)由于F-P傳感器的反射光譜近似為余弦分布，對于不同波長其反射率不同，因此通過探測光強變化就能得到F-P傳感器的反射光譜，從而將各F-P傳感器的信號解調(diào)出來，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，能很方便地實現(xiàn)F-P傳感器的復(fù)用；
[0015]2)由于不同位置的F-P傳感器信號經(jīng)頻譜分析后頻率不同，所以將各F-P傳感器的空間位置轉(zhuǎn)換為信號的頻率即可實現(xiàn)區(qū)分。當(dāng)同時探測到各不同位置的F-P傳感器信號時，可以通過快速傅里葉變換(FFT)將每一 F-P傳感器的信號區(qū)分出來，并能得到各F-P傳感器的位置信息，這對于F-P傳感器的分布式傳感有重要意義；[0016]3)由于傳統(tǒng)F-P傳感器復(fù)用方式均不允許F-P傳感器間的光譜發(fā)生重疊，而本發(fā)明基于頻移干涉的F-P傳感器復(fù)用方法克服了這種限制，因此F-P傳感器的復(fù)用數(shù)目能夠呈數(shù)量級提升，解決了目前F-P傳感器復(fù)用效率低的問題，且顯著降低了傳感系統(tǒng)的成本，為F-P傳感器的大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。假設(shè)復(fù)用系統(tǒng)中，各F-P傳感器的反射波長和反射率相同，則反射光功率可以表示為:
[0017]Pi= K (1-R)2(卜D a 2iRPsrc
[0018]式中，K和α分別為系統(tǒng)器件和光纖延遲線的損耗系數(shù)，i為復(fù)用的F-P傳感器數(shù)目，R為F-P傳感器的反射率，Psrc為入射光功率。當(dāng)K取0.098，α取0.02，使用最小探測光功率為1.7nff的光電平衡探測器，入射光功率Psm為8mW，反射率R為1%時，即則可得到復(fù)用數(shù)目i將達到約140個。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明一個實施例的工藝流程暨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2為F-P傳感器典型的反射光譜圖；
[0021]圖3為本發(fā)明一個實施例中測量得到的一個F-P傳感器的反射光譜圖；
[0022]圖4為本發(fā)明一個實施例中測量得到的復(fù)用后各F-P傳感器的反射光譜圖；
[0023]圖5為本發(fā)明一個實施例中對干涉信號進行傅里葉變換操作后得到的各F-P傳感器位置圖；
[0024]圖中:1一光源,2—光纖環(huán)形器，，3.1—第一光纖I禹合器，3.2—第二光纖I禹合器，4一聲光調(diào)制器，5—光電平衡探測器，6 — F-P傳感器，7—數(shù)據(jù)采集及信號處理模塊，8—光纖延遲線。
【具體實施方式】
[0025]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施例作進一步的詳細描述:
[0026]如圖1所示，以三個F-P傳感器F-Pl、F_P2和F_P3的復(fù)用為例，本發(fā)明的一種基于頻移干涉的F-P傳感器復(fù)用系統(tǒng),包括激光光源1、光纖環(huán)形器2、第一光纖稱合器3.1、第二光纖耦合器3.2、聲光調(diào)制器4、光電平衡探測器5和數(shù)據(jù)采集及信號處理模塊7。激光光源I與光纖環(huán)形器2的輸入端連接,光纖環(huán)形器2的一個輸出端與第一光纖稱合器3.1連接、另一個輸出端與光電平衡探測器5 —個輸入端連接。第一光纖f禹合器3.1的一個輸出端與第二光纖稱合器3.2 一個輸入端連接、另一個輸出端通過聲光調(diào)制器4與第二光纖I禹合器3.2另一個輸入端連接，形成類似馬赫增德爾干涉儀結(jié)構(gòu)，且要求臂長差大于激光光源I的相干長度。第二光纖耦合器3.2的輸出端連接三個F-P傳感器F-P1、F-P2和F_P3，F(xiàn)_P1和F-P2串聯(lián)，再與F-P3并聯(lián)。三個F-P傳感器F-P1、F-P2和F-P3與第二光纖耦合器3.2之間接有不同長度的光纖延遲線8。光電平衡探測器5的另一個輸入端與第一光纖耦合器
3.1連接、輸出端與數(shù)據(jù)采集及信號處理模塊7連接。
[0027]本實施例中，激光光源I的輸出設(shè)置為:起始波長1540.5nm、終止波長1560.5nm，每隔50pm輸出一定波長的激光并持續(xù)ls，自起始波長至終止波長進行掃描。該光纖環(huán)形器2為端口 1550nm波段的環(huán)形器，它將一路反射信號輸入光電平衡探測器5并阻止反射光進入光源I，對光源I起保護作用。本實施例的第一光纖稱合器3.1為2X2光纖稱合器,其分光比為50:50,將光源I的輸出分成光強一致的上、下兩路,其中一路通過聲光調(diào)制器4。聲光調(diào)制器4將第一光纖耦合器3.1輸入及F-P傳感器6反射的光進行周期性調(diào)制，其變化范圍在90?110MHz，調(diào)制光頻率周期性變化。第二光纖耦合器3.2為2Xn光纖耦合器，η取決于F-P傳感器6數(shù)量及連接關(guān)系。光電平衡探測器5用于干涉信號的光電轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)采集及信號處理模塊7則對信號進行提取并作快速傅里葉變換，得到各F-P傳感器6的反射光譜。
[0028]應(yīng)用上述系統(tǒng)實現(xiàn)本發(fā)明方法的過程為:
[0029]I)激光光源I輸出連續(xù)單波長激光，經(jīng)光纖環(huán)形器2進入第一光纖耦合器3.1被分成兩路，一路直接進入第二光纖耦合器3.2，另一路通過聲光調(diào)制器4周期性調(diào)制后進入第二光纖耦合器3.2，由于兩路光輸入在第二光纖耦合器3.2處不滿足干涉條件，故無干涉現(xiàn)象產(chǎn)生；兩路光依次經(jīng)第二光纖耦合器3.2、光纖延遲線8進入三個F-P傳感器F-P1、F-P2和F-P3，每路輸入光均被F-P傳感器6反射，圖2示意出了單個F-P傳感器6的反射光譜；
[0030]2)三個F-P傳感器F-P1、F-P2和F_P3反射的信號均進入第二光纖耦合器3.2被分成兩路，一路直接進入第一光纖耦合器3.1，另一路通過聲光調(diào)制器4周期性調(diào)制后進入第一光纖稱合器3.1。至此,激光光源I每輸出頻率f的光，經(jīng)F-P傳感器6反射后在第一光纖耦合器3.1處有四束光相遇，頻率分別為f、f + Λ f、f + Λ f和f+2 Δ f，其中頻率均為f + Λ f的兩束光在第一光纖耦合器3.1處發(fā)生干涉，頻率為f和f+2 Δ f的光成為背景噪聲。干涉信號和背景噪聲在第一光纖耦合器3.1處被分成兩路，一路直接進入光電平衡探測器5，另一路經(jīng)光纖環(huán)形器2進入光電平衡探測器5 ；
[0031]3)干涉信號被光電平衡探測器5探測并由光信號轉(zhuǎn)化為電信號，然后經(jīng)數(shù)據(jù)采集及信號處理模塊7進行進一步的數(shù)據(jù)處理。由于不同位置的F-P傳感器6信號經(jīng)頻譜分析后頻率不同，所以將各F-P傳感器6的空間位置轉(zhuǎn)換為信號的頻率即可實現(xiàn)區(qū)分。當(dāng)同時探測到各不同位置的F-P傳感器6信號時，可以通過FFT將每一 F-P傳感器6的信號區(qū)分出來，這樣能同時對多個F-P傳感器6進行解調(diào)，實現(xiàn)F-P傳感器6的復(fù)用。背景噪聲則通過光電平衡探測器5對兩路輸入光做差分而濾掉，提高整個系統(tǒng)的信噪比。
[0032]如圖3所示，針對探測到的某頻率f的干涉信號作FFT，提取其反射強度，在一定的光譜范圍內(nèi)，得到準(zhǔn)確的傳感器F-P3反射光譜，從而實現(xiàn)對傳感器F-P3的光譜解調(diào)。傳感器F-Pl、F-P2的光譜解調(diào)過程與此類似。
[0033]本實施例中，針對三個F-P傳感器F-Pl、F-P2和F_P3，通過一次測量就能從干涉信號中解調(diào)出各F-P傳感器6的反射光譜，如圖4所示；并能得到各F-P傳感器6的位置信息，如圖5所示，三個峰值分別對應(yīng)F-P傳感器F-Pl、F-P2和F-P3的實際位置，讀數(shù)分別為176m、234m和260m,同實際連入系統(tǒng)的光纖延遲線8長度相比，誤差在±3以內(nèi)。由于各F-P傳感器6之間相互獨立，因此能方便地實現(xiàn)分布式傳感和對F-P傳感器6位置信息的探測。
[0034]當(dāng)然，本發(fā)明并不限于三個F-P傳感器6的復(fù)用，根據(jù)實際需要和成本考慮，還可實現(xiàn)更多F-P傳感器6的串、并聯(lián)復(fù)用，且成本較現(xiàn)有復(fù)用方式低，具有極大的實用價值。
【權(quán)利要求】
1.一種基于頻移干涉的F-P傳感器復(fù)用方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)光源(I)輸出的光經(jīng)過光纖環(huán)形器(2)進入第一光纖耦合器(3.1)被分成兩路，一路直接進入第二光纖耦合器(3.2)，另一路通過聲光調(diào)制器(4)周期性調(diào)制后進入第二光纖耦合器(3.2 );兩個以上F-P傳感器(6 )串聯(lián)或者并聯(lián)或者串并聯(lián)混合連接在第二光纖耦合器(3.2)輸出端，各F-P傳感器(6)與第二光纖耦合器(3.2)之間接入不同長度的光纖延遲線(8)； 2)各F-P傳感器(6)反射的信號進入第二光纖耦合器(3.2)被分成兩路，一路直接進入第一光纖耦合器(3.1)，另一路通過聲光調(diào)制器(4)周期性調(diào)制后進入第一光纖耦合器(3.1),光源(I)每輸出頻率f的光,經(jīng)F-P傳感器(6)反射后在第一光纖f禹合器(3.1)處輸出四束光，頻率分別為f、f + Λ f、f + Λ f和f+2 Δ f，其中頻率均為f + Λ f的兩束光在第一光纖耦合器(3.1)處發(fā)生干涉，頻率為f和f+2 Af的光成為背景噪聲； 3)干涉信號輸入光電平衡探測器(5)轉(zhuǎn)化為電信號后，被輸入數(shù)據(jù)采集及信號處理模塊(7)進行數(shù)據(jù)處理，由于不同位置的F-P傳感器(6)信號經(jīng)頻譜分析后頻率不同，因此各F-P傳感器(6)通過頻譜分析后均實現(xiàn)解調(diào)并可區(qū)分，以實現(xiàn)各F-P傳感器(6)的復(fù)用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于頻移干涉的F-P傳感器復(fù)用方法，其特征在于:所述步驟3)還包括對干涉信號進行傅里葉變換的操作，以得到各F-P傳感器(6)的位置信息。
3.一種基于頻移干涉的F-P傳感器復(fù)用系統(tǒng)，其特征在于:包括光源(I)、光纖環(huán)形器(2)、第一光纖耦合器(3.1)、第二光纖耦合器(3.2)、聲光調(diào)制器(4)、光電平衡探測器(5)和數(shù)據(jù)采集及信號處理模塊(7);所述光源(I)與光纖環(huán)形器(2)的輸入端連接，光纖環(huán)形器(2)的一個輸出端與第一光纖f禹合器(3.1)連接、另一個輸出端與光電平衡探測器(5) —個輸入端連接；第一光纖稱合器(3.1)的一個輸出端與第二光纖稱合器(3.2) 一個輸入端連接、另一個輸出端通過聲光調(diào)制器(4)與第二光纖耦合器(3.2)另一個輸入端連接；第二光纖耦合器(3.2 )的輸出端連接兩個以上F-P傳感器(6 )，各F-P傳感器(6 )串聯(lián)或者并聯(lián)或者串并聯(lián)混合，各F-P傳感器(6)與第二光纖耦合器(3.2)之間接有不同長度的光纖延遲線(8);所述光電平衡探測器(5)的另一個輸入端與第一光纖耦合器(3.1)連接、輸出端與數(shù)據(jù)采集及信號處理模塊(7)連接。
【文檔編號】G01D5/34GK103438915SQ201310412571
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月11日
【發(fā)明者】周次明, 鄭安貴 申請人:武漢理工大學(xué)