CN102589588A - 利用光纤光栅解调Fabry–Pérot腔腔长的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用光纤光栅解调分振幅干涉的多光束干涉腔腔长的方法，分振幅多光束干涉的典型结构就是Fabry-Pérot干涉(简称F-P干涉)。本发明利用宽带光源、隔离器、三角波电压发生器和由压电陶瓷控制的可调谐F-P滤波器构成可调谐光源，利用两个光纤光栅作为参考，通过光电探测器测出光纤光栅及F-P传感器的反射光强(或透射光强)随时间变化的关系，再从测得的光纤光栅及F-P传感器的反射光强(或透射光强)随时间变化的关系，就可计算出传感F-P腔的腔长。本发明的方法无需高精度的PZT器件，显著地降低了系统的成本，而且环境温度变化几乎不影响该解调方法的解调精度，传感F-P腔输出波形的局部畸变对解调精度影响较小。

Description

利用光纤光栅解调Fabry–Pérot腔腔长的方法

技术领域

本发明涉及一种利用光纤光栅解调分振幅干涉的多光束干涉腔-Fabry-Pérot腔(简称F-P腔)腔长的方法，属于光纤传感技术领域。 

背景技术

光纤传感技术以其抗电磁干扰、适用于易燃易爆环境、耐腐蚀、高绝缘性、测量范围宽、灵敏度高、便于复用成网、可微型化等优点，得到世界范围内的广泛关注，成为传感领域内发展很快的技术之一。在土木工程、航空航天、石油化工、电力、医疗、船舶工业等领域得到了广泛的应用。例如光纤Fabry-Pérot(F-P)型压力传感器是现今测量流体压力的一种重要方法。流体压力的变化会引起F-P腔腔长的变化，从而使F-P腔的透射光谱或反射光谱发生移动。根据加载后F-P腔的透射光谱或反射光谱算出F-P腔的腔长，就可得到流体压力的大小。F-P腔腔长的解调是实现光纤Fabry-Pérot型传感的关键技术之一。 

目前的F-P腔腔长解调方法主要有强度解调、相位解调等。强度解调法仅需要单色光源，非常简单、直接、成本低廉，但此解调方法对F-P腔的制造工艺要求苛刻，而且测量精度不高，在实际应用中采用较少。相位解调法使用宽带光源，采用光谱分析仪或可调谐光滤波器得到F-P腔的透射光谱或反射光谱。光谱分析仪体积大、价格高，并且数据采集速度慢，一般不适用于实际工程化的F-P传感系统。可调谐光滤波器是光纤通信中的常用器件，其扫描过程一般通过压电陶瓷(PZT)器件实现，PZT器件扫描速度较快，而且尺寸小，相对于光谱仪来说价格较低，在实际工程系统中经常采用。裸压电陶瓷的非线性及迟滞现象严重，影响了光谱测量的精度，为了保证测量精度，通常采用高精度的机械封装式PZT器件，但高精度机械封装式PZT器件价格也很高，这就使得F-P传感器的成本难与目前广泛采用的电学类传感器相竞争，影响了F-P传感器的推广。 

发明内容

本发明的目的是提出一种利用可调谐光源结合光纤光栅解调F-P腔腔长的方法，该方法无需高精度的机械封装式PZT器件，能显著降低测量系统的成本，有利于F-P传感器的应用推广。 

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下： 

利用光纤光栅解调Fabry-Pérot腔腔长的方法，包括如下步骤：将一定频率范围的扫描光耦合到作为参考的两个光纤光栅和待测腔长的传感Fabry-Pérot腔中，利用光电探测器测量所述参考光纤光栅和传感Fabry-Pérot腔的输出信号，并确定在一定光频率范围内传感Fabry-Pérot腔输出光强变化的周期数，再根据此周期数计算传感Fabry-Pérot腔的腔长。 

本发明的进一步方案为：将两个光纤光栅作为参考光栅串联在一起，宽带光源发出的光经隔离器进入由压电陶瓷控制的可调谐Fabry-Pérot滤波器，三角波信号发生器向所述可调谐Fabry-Pérot滤波器施加电压；所述可调谐Fabry-Pérot滤波器输出的光经第一耦合器分成两路，一路通过第二耦合器供给两个参考光栅，另一路通过第三耦合器供给传感Fabry-Pérot腔；被所述两个参考光栅反射回来的光通过所述第二耦合器进入光电探测器PD1转换成电信号输出；被所述法传感Fabry-Pérot腔反射回来的光通过所述第三耦合器进入光电探测器PD2转换成电信号输出；最后由所述光电探测器PD1和PD2的输出信号计算传感Fabry-Pérot腔的腔长。 

本发明的另一个进一步技术方案如下：将两个光纤光栅作为参考光栅并与传感Fabry-Pérot腔串联在一起，宽带光源发出的光经隔离器进入由压电陶瓷控制的可调谐Fabry-Pérot滤波器，三角波信号发生器向所述可调谐Fabry-Pérot滤波器施加电压；所述可调谐Fabry-Pérot滤波器输出的光经耦合器供给两个参考光栅和传感Fabry-Pérot腔，被所述两个参考光栅和传感Fabry-Pérot腔反射回来的光通过所述耦合器进入光电探测器PD转换成电信号输出，再由所述光电探测器PD的输出信号计算传感Fabry-Pérot腔的腔长。 

其中，所述参考光栅采用光纤布拉格光栅或者长周期光栅。 

本发明的方法可以实现对Fabry-Pérot腔腔长的解调，其解调精度几乎不受温度变化的影响，而且宽带光源光谱不平坦等因素引起的传感F-P腔输出波形的局部畸变，也对本发明方法的解调精度影响较小。 

附图说明

图1为本发明F-P传感器腔长解调系统示意图。 

图2为本发明F-P腔腔长解调系统有关信号波形示意图。 

图3为本发明F-P腔输出波形局部畸变示意图。 

图4为本发明参考光栅FBG与F-P腔串联的腔长解调系统示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。 

本发明提出的解调F-P腔腔长的解调系统的结构如图1所示(以光纤布拉格光栅FBG为例)，图中的宽带光源、隔离器、三角波信号发生器及由PZT控制的可调谐F-P滤波器构成一个波长可调谐光源。光纤布拉格光栅FBG1和FBG2作为参考光栅，F-P传感器的腔长是待测量。可调谐光源输出光经耦合器Coupler1分成两路，一路供给参考光栅FBG1和FBG2，一路供给F-P传感器。被参考光栅FBG1和FBG2反射回来的光通过光电探测器PD1转换成电信号输出，被F-P传感器反射回来的光通过光电探测器PD2转换成电信号输出。启动三角波电压发生器，给可调谐光滤波器施加三角波电压，同时用数据采集系统采集PD1和PD2输出的FBG和传感F-P腔反射的光强随时间变化的曲线(数据采集处理电路图1中未给出)，即图2中的I₁～t和I₂～t曲线。 

只要可调谐滤波器的腔长足够小，其自由光谱宽度FSR就可以大于宽带光源的带宽，以便在整个调谐范围内，仅有一个波长的光输出。输出光的波长与可调谐F-P滤波器的腔长之间满足 

λ＝2nd/m，m＝1，2，3，……          (1) 

其中n为折射率，d为腔长。如果不考虑PZT的迟滞和非线性(其影响后面分析)，即假设PZT的位移-电压关系完全线性，则当PZT的输入电压v随时间t线性变化时，其位移亦随时间线性变化，可调谐光源的输出波长λ亦随时间t线性变化，如图2所示。光电探测器PD1和PD2的光强I₁、I₂与时间t的关系亦在图2中示出，其中λ_G1和λ_G2分别是FBG1和FBG2的反射波长。 

由式(1)也可知，对传感F-P腔，其I₂～t曲线的相邻的峰值(或谷值)之间的光频率之差为 

$\mathrm{\Δf}=\frac{c}{{2\mathrm{nd}}_s}---\left(2\right)$

相邻的峰值和谷值之间的光频率差为Δf/2，其中c为光波的速度，d_s为传感 F-P腔的腔长。 

设参考光栅FBG1和FBG2的反射光的频率为f_G1和f_G2，λ_G1与相邻的波谷间的时间间隔Δt′₁所对应的频率差为Δf₁，λ_G2与相邻的波谷间的时间间隔Δt′₂所对应的频率差为Δf₂，见图2。 

因为前面假定了可调谐光源的输出波长随时间线性变化，而且通常Δf₁＜＜f_G1总能满足，所以 

${\mathrm{\Δf}}_1=\frac{\mathrm{\Δf}}{2}\·\frac{{\mathrm{\Δt}}_1^{\′}}{{\mathrm{\Δt}}_1}---\left(3\right)$

其中Δt₁为λ_G1附近相邻波峰波谷间的时间间隔。 

同理 ${\mathrm{\Δf}}_2=\frac{\mathrm{\Δf}}{2}\·\frac{{\mathrm{\Δt}}_2^{\′}}{{\mathrm{\Δt}}_2}---\left(4\right)$

其中Δt₂为λ_G2附近相邻波峰波谷间的时间间隔。 

则 $f_{G2}-f_{G1}=(k+\frac{{\mathrm{\Δt}}_1^{\′}}{{\mathrm{\Δt}}_1}+\frac{{\mathrm{\Δt}}_2^{\′}}{{\mathrm{\Δt}}_2})\·\frac{\mathrm{\Δf}}{2}$

$\mathrm{\Δf}=\frac{2c}{k+\frac{{\mathrm{\Δt}}_1^{\′}}{{\mathrm{\Δt}}_1}+\frac{{\mathrm{\Δt}}_2^{\′}}{{\mathrm{\Δt}}_2}}\·(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{G2}}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{G1}})---\left(5\right)$

其中k是传感F-P腔在波长λ_G1和λ_G2间光强变化的半周期的个数，再由式(2)即可得到传感F-P腔的腔长 

$d_s=\frac{k+\frac{{\mathrm{\Δt}}_1^{\′}}{{\mathrm{\Δt}}_1}+\frac{{\mathrm{\Δt}}_2^{\′}}{{\mathrm{\Δt}}_2}}{4n}\·\frac{{\mathrm{\λ}}_{G1}{\mathrm{\λ}}_{G2}}{{\mathrm{\λ}}_{G1}-{\mathrm{\λ}}_{G2}}---\left(6\right)$

由式(6)可知，此种方法的腔长解调结果与光强无关，消除了光源的光强波动对解调结果的影响，也属于相位解调法。 

以上讨论的是波长随时间减小(下行)过程中解调F-P腔腔长的方法，对波长上行过程亦可用类似的方法解调腔长。 

光纤光栅的反射波长会随着温度的变化而改变，其温度系数K_T大约是 7.55×10^-6/℃(《光纤光栅传感原理及应用》，吴朝霞，国防工业出版社，2011年3月第一版，P42)，设温度变化ΔT后参考光栅FBG1和FBG2的反射波长为λ′_G1和λ′_G2，则 

$\frac{{\mathrm{\λ}}_{G2}^{\′}{\mathrm{\λ}}_{G2}^{\′}}{{\mathrm{\λ}}_{G1}^{\′}-{\mathrm{\λ}}_{G2}^{\′}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{G1}{\mathrm{\λ}}_{G2}}{{\mathrm{\λ}}_{G1}-{\mathrm{\λ}}_{G2}}(1+K_T\mathrm{\ΔT})---\left(7\right)$

由于K_T极小，即使ΔT＝50℃，引起的腔长解调误差也小于0.04％，可见环境温度变化对腔长解调结果影响很小。 

前面的推导过程中没有考虑PZT的非线性和迟滞，但非线性和迟滞是PZT的固有属性，由PZT的非线性和迟滞引起的可调谐F-P滤波器腔长变化的非线性和迟滞，必然会使得可调谐光源输出的单色光的波长不随时间线性变化，并且上行曲线和下行曲线也不重合。 

显然，波长随时间的非线性变化不会影响传感F-P腔输出曲线I₂～t中完整的半周期数目k的精度，但会影响式(3)、式(4)的精度。对于较长的F-P腔， 

一般总能满足，所以PZT的非线性对测量精度影响较小，而且在Δt₁和Δt₂时间间隔内由于非线性引起的误差要比整个扫描范围内的非线性误差小很多，传感F-P腔越长，Δt₁和Δt₂就越小，在Δt₁和Δt₂时间间隔内把可调谐光源的输出波长近似成随时间线性变化，引起的误差就越小。所以为了提高测量精度，在设计过程中应尽可能增大传感F-P腔的腔长，就可以降低对PZT线性度的要求。 

由于在上述测量过程中并不需要预先知道PZT的位移-电压曲线，只要PZT的位移-电压曲线尽可能线性就行，所以PZT的迟滞并不影响腔长解调的精度。 

由于宽带光源的光谱不可能非常平坦，必然会引起传感F-P腔输出波形的局部畸变(见图3)，从图2可以看出F-P腔输出波形的局部畸变不会引起式(6)中k的变化，只可能引起 和 

的变化，但只要F-P腔较长，就有 

使得F-P腔输出波形的局部畸变对解调精度的影响可以忽略。 

如果把作为参考的两个光纤布拉格光栅和待测量其腔长的传感F-P腔串联在一条光路上(见图4)，通过光电探测器测出两个光纤布拉格光栅和传感F-P腔的反射谱后，也可以用类似的算法及式(6)解调出传感F-P腔的腔长。 

在图1、4中，如果用长周期光栅代替光纤布拉格光栅FBG作为参考，通过光电探测器测出长周期光栅和待测量其腔长的传感F-P腔的透射谱(而不是测量发射谱)后，也可以用式(6)解调传感F-P腔的腔长。 

本发明的重要特征在于用两个光纤光栅作为参考来确定在一定光频率范围内传感F-P腔输出光强变化的周期数，进而解调传感F-P腔的腔长。本说明书为了方便起见仅给出了图1和图4两种连接方式。如果对光路进行改进，但原理上仍然是采用两个光纤光栅作为参考来解调传感F-P腔的腔长，也属于本发明的保护范围。 

以上给出的计算F-P传感腔腔长的式(6)，并不是用两个光纤光栅作为参考解调F-P传感器腔长的唯一算法，如果仅对计算F-P传感腔腔长的式(6)进行改进，但原理上仍然是采用两个光纤光栅作为参考来解调F-P传感腔的腔长，也属于本发明的保护范围。 

为了验证上述方法的可行性，下面用matlab软件对其进行仿真验证。设两个参考光栅FBG的反射波长为1520nm和1580nm，传感F-P腔中介质的折射率为1，腔长为300δμm，艾里函数F为3，matlab的计算结果表明k＝29、 

代入式(6)计算得到的腔长为299.7μm。可见本发明的理论和方法是正确的，并且腔长解调精度很高。 

Claims (3)

1.利用光纤光栅解调Fabry-Pérot腔腔长的方法，其特征在于包括如下步骤：将一定频率范围的扫描光耦合到作为参考的两个光纤光栅和待测腔长的传感Fabry-Pérot腔中，利用光电探测器测量所述参考光纤光栅和传感Fabry-Pérot腔的输出信号，并确定在一定光频率范围内传感Fabry-Pérot腔输出光强变化的周期数，再根据此周期数计算传感Fabry-Pérot腔的腔长。

2.根据权利要求1所述的利用光纤光栅解调Fabry-Pérot腔腔长的方法，其特征在于，该方法具体步骤如下：将两个光纤光栅作为参考光栅串联在一起，宽带光源发出的光经隔离器进入由压电陶瓷控制的可调谐Fabry-Pérot滤波器，三角波信号发生器向所述可调谐Fabry-Pérot滤波器施加电压；所述可调谐Fabry-Pérot滤波器输出的光经第一耦合器分成两路，一路通过第二耦合器供给两个参考光栅，另一路通过第三耦合器供给传感Fabry-Pérot腔；被所述两个参考光栅反射回来的光通过所述第二耦合器进入光电探测器PD1转换成电信号输出；被所述传感Fabry-Pérot腔反射回来的光通过所述第三耦合器进入光电探测器PD2转换成电信号输出；最后由所述光电探测器PD1和PD2的输出信号计算传感Fabry-Pérot腔的腔长。

3.根据权利要求1所述的利用光纤光栅解调Fabry-Pérot腔腔长的方法，其特征在于，该方法具体步骤如下：将两个光纤光栅作为参考光栅并与传感Fabry-Pérot腔串联在一起，宽带光源发出的光经隔离器进入由压电陶瓷控制的可调谐Fabry-Pérot滤波器，三角波信号发生器向所述可调谐Fabry-Pérot滤波器施加电压；所述可调谐Fabry-Pérot滤波器输出的光经耦合器供给两个参考光栅和传感Fabry-Pérot腔，被所述两个参考光栅和传感Fabry-Pérot腔反射回来的光通过所述耦合器进入光电探测器PD转换成电信号输出，再由所述光电探测器PD的输出信号计算传感Fabry-Pérot腔的腔长。

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