專利名稱：利用光纖光柵解調Fabry–Pérot腔腔長的方法
技術領域：
本發明涉及一種利用光纖光柵解調分振幅干涉的多光束干涉腔-Fabry-P6r0t腔 (簡稱F-P腔)腔長的方法，屬于光纖傳感技術領域。
背景技術：
光纖傳感技術以其抗電磁干擾、適用于易燃易爆環境、耐腐蝕、高絕緣性、測量范圍寬、靈敏度高、便于復用成網、可微型化等優點，得到世界范圍內的廣泛關注，成為傳感領域內發展很快的技術之一。在土木工程、航空航天、石油化工、電力、醫療、船舶工業等領域得到了廣泛的應用。例如光纖Fabry-PSrot(F-P)型壓力傳感器是現今測量流體壓力的一種重要方法。流體壓力的變化會引起F-P腔腔長的變化，從而使F-P腔的透射光譜或反射光譜發生移動。根據加載后F-P腔的透射光譜或反射光譜算出F-P腔的腔長，就可得到流體壓力的大小。F-P腔腔長的解調是實現光纖Fabry-P6rot型傳感的關鍵技術之一。目前的F-P腔腔長解調方法主要有強度解調、相位解調等。強度解調法僅需要單色光源，非常簡單、直接、成本低廉，但此解調方法對F-P腔的制造工藝要求苛刻，而且測量精度不高，在實際應用中采用較少。相位解調法使用寬帶光源，采用光譜分析儀或可調諧光濾波器得到F-P腔的透射光譜或反射光譜。光譜分析儀體積大、價格高，并且數據采集速度慢，一般不適用于實際工程化的F-P傳感系統。可調諧光濾波器是光纖通信中的常用器件， 其掃描過程一般通過壓電陶瓷(PZT)器件實現，PZT器件掃描速度較快，而且尺寸小，相對于光譜儀來說價格較低，在實際工程系統中經常采用。裸壓電陶瓷的非線性及遲滯現象嚴重，影響了光譜測量的精度，為了保證測量精度，通常采用高精度的機械封裝式PZT器件， 但高精度機械封裝式PZT器件價格也很高，這就使得F-P傳感器的成本難與目前廣泛采用的電學類傳感器相競爭，影響了 F-P傳感器的推廣。
發明內容
本發明的目的是提出一種利用可調諧光源結合光纖光柵解調F-P腔腔長的方法， 該方法無需高精度的機械封裝式PZT器件，能顯著降低測量系統的成本，有利于F-P傳感器的應用推廣。為了實現上述發明目的，本發明采用的技術方案如下利用光纖光柵解調Fabry-PSrot腔腔長的方法，包括如下步驟將一定頻率范圍的掃描光稱合到作為參考的兩個光纖光柵和待測腔長的傳感Fabry-P6rοt腔中，利用光電探測器測量所述參考光纖光柵和傳感Fabry-P6rot腔的輸出信號，并確定在一定光頻率范圍內傳感Fabry-P6rot腔輸出光強變化的周期數,再根據此周期數計算傳感Fabry-P6rot 腔的腔長。本發明的進一步方案為將兩個光纖光柵作為參考光柵串聯在一起，寬帶光源發出的光經隔離器進入由壓電陶瓷控制的可調諧Fabry-P6r0t濾波器，三角波信號發生器向所述可調諧Fabry-P6rot濾波器施加電壓；所述可調諧Fabry_P6rot濾波器輸出的光經第一耦合器分成兩路，一路通過第二耦合器供給兩個參考光柵，另一路通過第三耦合器供給傳感Fabry-P6r0t腔；被所述兩個參考光柵反射回來的光通過所述第二耦合器進入光電探測器PDl轉換成電信號輸出；被所述法傳感Fabry-P6rot腔反射回來的光通過所述第三率禹合器進入光電探測器PD2轉換成電信號輸出；最后由所述光電探測器PDl和PD2的輸出信號計算傳感Fabry-P6rot腔的腔長。本發明的另一個進一步技術方案如下將兩個光纖光柵作為參考光柵并與傳感 Fabry-PSrot腔串聯在一起，寬帶光源發出的光經隔離器進入由壓電陶瓷控制的可調諧 Fabry-Perot濾波器，三角波信號發生器向所述可調諧Fabry-P6r0t濾波器施加電壓；所述可調諧Fabry-P6rot濾波器輸出的光經稱合器供給兩個參考光柵和傳感Fabry_P6rot腔, 被所述兩個參考光柵和傳感Fabry-P6r0t腔反射回來的光通過所述耦合器進入光電探測器F1D轉換成電信號輸出，再由所述光電探測器F1D的輸出信號計算傳感Fabry-P6rot腔的腔長。其中，所述參考光柵采用光纖布拉格光柵或者長周期光柵。本發明的方法可以實現對Fabry-P6r0t腔腔長的解調，其解調精度幾乎不受溫度變化的影響，而且寬帶光源光譜不平坦等因素引起的傳感F-P腔輸出波形的局部畸變，也對本發明方法的解調精度影響較小。
圖I為本發明F-P傳感器腔長解調系統示意圖。圖2為本發明F-P腔腔長解調系統有關信號波形示意圖。圖3為本發明F-P腔輸出波形局部畸變示意圖。圖4為本發明參考光柵FBG與F-P腔串聯的腔長解調系統示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明做進一步詳細說明。本發明提出的解調F-P腔腔長的解調系統的結構如圖I所示(以光纖布拉格光柵 FBG為例)，圖中的寬帶光源、隔離器、三角波信號發生器及由PZT控制的可調諧F-P濾波器構成一個波長可調諧光源。光纖布拉格光柵FBGl和FBG2作為參考光柵，F-P傳感器的腔長是待測量。可調諧光源輸出光經耦合器Couplerl分成兩路，一路供給參考光柵FBGl和 FBG2，一路供給F-P傳感器。被參考光柵FBGl和FBG2反射回來的光通過光電探測器PDl 轉換成電信號輸出，被F-P傳感器反射回來的光通過光電探測器PD2轉換成電信號輸出。 啟動三角波電壓發生器，給可調諧光濾波器施加三角波電壓，同時用數據采集系統采集PDl 和PD2輸出的FBG和傳感F-P腔反射的光強隨時間變化的曲線(數據采集處理電路圖I中未給出)，即圖2中的I1 t和I2 t曲線。只要可調諧濾波器的腔長足夠小，其自由光譜寬度FSR就可以大于寬帶光源的帶寬，以便在整個調諧范圍內，僅有一個波長的光輸出。輸出光的波長與可調諧F-P濾波器的腔長之間滿足λ = 2nd/m, m = 1,2,3, ............(I)其中η為折射率，d為腔長。如果不考慮PZT的遲滯和非線性(其影響后面分析)，即假設PZT的位移-電壓關系完全線性，則當PZT的輸入電壓V隨時間t線性變化時，其位移亦隨時間線性變化，可調諧光源的輸出波長λ亦隨時間t線性變化，如圖2所示。光電探測器PDl和TO2的光強Ip I2與時間t的關系亦在圖2中示出，其中λει和λε2分別是 FBGl和FBG2的反射波長。由式⑴也可知，對傳感F-P腔，其I2 t曲線的相鄰的峰值(或谷值)之間的光頻率之差為 Α/= ⑵相鄰的峰值和谷值之間的光頻率差為Af/2，其中c為光波的速度，ds為傳感F-P 腔的腔長。設參考光柵FBGl和FBG2的反射光的頻率為fei和fe2，λ G1與相鄰的波谷間的時間間隔At' i所對應的頻率差為Af1, Ae2與相鄰的波谷間的時間間隔At' 2所對應的頻率差為Af2，見圖2。因為前面假定了可調諧光源的輸出波長隨時間線性變化，而且通常Af1 << fG1 總能滿足，所以
(3)
1 2 M1
其中At1為λ ei附近相鄰波峰波谷間的時間間隔。
同理Δ/2=|責
其中At2為Ae2附近相鄰波峰波谷間的時間間隔。
f " At^ AZ7. Af 則/g2-/gi=(々 W. 了
δ/=τ^γ(+—(5)
k _|__I _|__2_2 /lG\
At Al
(4)
其中k是傳感F-P腔在波長Xei和Xe2間光強變化的半周期的個數，再由式⑵ 即可得到傳感F-P腔的腔長 ,Af, Af1
k H---1--j — Α,ι 八,2 Ug2(6)
" 4η Λ - Λ 2由式(6)可知，此種方法的腔長解調結果與光強無關，消除了光源的光強波動對解調結果的影響，也屬于相位解調法。以上討論的是波長隨時間減小(下行)過程中解調F-P腔腔長的方法，對波長上行過程亦可用類似的方法解調腔長。光纖光柵的反射波長會隨著溫度的變化而改變，其溫度系數Kt大約是 7. 55Χ 10_6/°C (《光纖光柵傳感原理及應用》，吳朝霞，國防工業出版社，2011年3月第一版， P42)，設溫度變化Λ T后參考光柵FBGl和FBG2的反射波長為λ ' ei和λ ' G2,則=+KtAT)(7)
AGl ~AG2 AGl ~AG2
5
由于Kt極小，即使AT = 50°C，引起的腔長解調誤差也小于O. 04%，可見環境溫度變化對腔長解調結果影響很小。前面的推導過程中沒有考慮PZT的非線性和遲滯，但非線性和遲滯是PZT的固有屬性，由PZT的非線性和遲滯引起的可調諧F-P濾波器腔長變化的非線性和遲滯，必然會使得可調諧光源輸出的單色光的波長不隨時間線性變化，并且上行曲線和下行曲線也不重
口 ο顯然，波長隨時間的非線性變化不會影響傳感F-P腔輸出曲線I2 t中完整的半
周期數目k的精度，但會影響式(3)、式(4)的精度。對于較長的F-P腔，k》令、*卜一
般總能滿足，所以PZT的非線性對測量精度影響較小，而且在At1和At2時間間隔內由于非線性引起的誤差要比整個掃描范圍內的非線性誤差小很多，傳感F-P腔越長，AtJP At2 就越小，在At1和At2時間間隔內把可調諧光源的輸出波長近似成隨時間線性變化，引起的誤差就越小。所以為了提高測量精度，在設計過程中應盡可能增大傳感F-P腔的腔長，就可以降低對PZT線性度的要求。由于在上述測量過程中并不需要預先知道PZT的位移-電壓曲線，只要PZT的位移-電壓曲線盡可能線性就行，所以PZT的遲滯并不影響腔長解調的精度。由于寬帶光源的光譜不可能非常平坦，必然會引起傳感F-P腔輸出波形的局部畸變(見圖3)，從圖2可以看出F-P腔輸出波形的局部畸變不會引起式(6)中k的變化，只可
能引起3和f的變化，但只要F-P腔較長，就有k #、#，使得F-P腔輸出波形的局 Atl At2Atl At2
部畸變對解調精度的影響可以忽略。如果把作為參考的兩個光纖布拉格光柵和待測量其腔長的傳感F-P腔串聯在一條光路上(見圖4)，通過光電探測器測出兩個光纖布拉格光柵和傳感F-P腔的反射譜后，也可以用類似的算法及式(6)解調出傳感F-P腔的腔長。在圖I、4中，如果用長周期光柵代替光纖布拉格光柵FBG作為參考，通過光電探測器測出長周期光柵和待測量其腔長的傳感F-P腔的透射譜(而不是測量發射譜)后，也可以用式(6)解調傳感F-P腔的腔長。本發明的重要特征在于用兩個光纖光柵作為參考來確定在一定光頻率范圍內傳感F-P腔輸出光強變化的周期數，進而解調傳感F-P腔的腔長。本說明書為了方便起見僅給出了圖I和圖4兩種連接方式。如果對光路進行改進，但原理上仍然是采用兩個光纖光柵作為參考來解調傳感F-P腔的腔長，也屬于本發明的保護范圍。以上給出的計算F-P傳感腔腔長的式(6)，并不是用兩個光纖光柵作為參考解調 F-P傳感器腔長的唯一算法，如果僅對計算F-P傳感腔腔長的式(6)進行改進，但原理上仍然是采用兩個光纖光柵作為參考來解調F-P傳感腔的腔長，也屬于本發明的保護范圍。為了驗證上述方法的可行性，下面用matlab軟件對其進行仿真驗證。設兩個參考光柵FBG的反射波長為1520nm和1580nm，傳感F-P腔中介質的折射率為1，腔長為
權利要求
1.利用光纖光柵解調Fabry-P6r0t腔腔長的方法，其特征在于包括如下步驟將一定頻率范圍的掃描光耦合到作為參考的兩個光纖光柵和待測腔長的傳感Fabry-P6rot腔中，利用光電探測器測量所述參考光纖光柵和傳感Fabry-P6r0t腔的輸出信號，并確定在一定光頻率范圍內傳感Fabry-P6r0t腔輸出光強變化的周期數，再根據此周期數計算傳感 Fabry-Perot腔的腔長。
2.根據權利要求I所述的利用光纖光柵解調Fabry-P6r0t腔腔長的方法，其特征在于，該方法具體步驟如下將兩個光纖光柵作為參考光柵串聯在一起，寬帶光源發出的光經隔離器進入由壓電陶瓷控制的可調諧Fabry-P6r0t濾波器，三角波信號發生器向所述可調諧Fabry-P6rot濾波器施加電壓；所述可調諧Fabry_P6rot濾波器輸出的光經第一率禹合器分成兩路，一路通過第二耦合器供給兩個參考光柵，另一路通過第三耦合器供給傳感 Fabry-Perot腔；被所述兩個參考光柵反射回來的光通過所述第二耦合器進入光電探測器 PDl轉換成電信號輸出；被所述傳感Fabry-P6rot腔反射回來的光通過所述第三稱合器進入光電探測器PD2轉換成電信號輸出；最后由所述光電探測器PDl和PD2的輸出信號計算傳感Fabry-P6rot腔的腔長。
3.根據權利要求I所述的利用光纖光柵解調Fabry-P6r0t腔腔長的方法，其特征在于，該方法具體步驟如下將兩個光纖光柵作為參考光柵并與傳感Fabry-P6r0t腔串聯在一起，寬帶光源發出的光經隔離器進入由壓電陶瓷控制的可調諧Fabry-PSrot濾波器，三角波信號發生器向所述可調諧Fabry-P6rot濾波器施加電壓；所述可調諧Fabry_P6rot濾波器輸出的光經耦合器供給兩個參考光柵和傳感Fabry-P6r0t腔，被所述兩個參考光柵和傳感Fabry-P6rot腔反射回來的光通過所述稱合器進入光電探測器F1D轉換成電信號輸出， 再由所述光電探測器H)的輸出信號計算傳感Fabry-P6r0t腔的腔長。
全文摘要
本發明公開了一種利用光纖光柵解調分振幅干涉的多光束干涉腔腔長的方法，分振幅多光束干涉的典型結構就是Fabry-Pérot干涉(簡稱F-P干涉)。本發明利用寬帶光源、隔離器、三角波電壓發生器和由壓電陶瓷控制的可調諧F-P濾波器構成可調諧光源，利用兩個光纖光柵作為參考，通過光電探測器測出光纖光柵及F-P傳感器的反射光強(或透射光強)隨時間變化的關系，再從測得的光纖光柵及F-P傳感器的反射光強(或透射光強)隨時間變化的關系，就可計算出傳感F-P腔的腔長。本發明的方法無需高精度的PZT器件，顯著地降低了系統的成本，而且環境溫度變化幾乎不影響該解調方法的解調精度，傳感F-P腔輸出波形的局部畸變對解調精度影響較小。
文檔編號G01D5/26GK102589588SQ20121003538
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月17日 優先權日2012年2月17日
發明者周秀珍, 戎華, 王鳴 申請人:南京師范大學