CN115931022B - 光纤法布里珀罗传感器解调系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种光纤法布里珀罗传感器解调系统，其包括：光源；法布里珀罗传感器；耦合器；第一光学组件，配置为将干涉光成形为线性的第一干涉条纹图案；第二光学组件，配置为基于线性的第一干涉条纹图案形成第二干涉条纹图案；第一探测器，设置在第二光学组件下游的光路中且配置为接收第一光信号以形成第一光信号曲线；第二探测器，设置在第二光学组件下游的光路中且配置为接收第二光信号以形成第二光信号曲线；数据采集装置，配置为从第一探测器接收第一光信号曲线以生成第一光强曲线，并从第二探测器接收第二光信号曲线以生成第二光强曲线；以及处理器，配置为基于第一光强曲线和第二光强曲线来计算法布里珀罗传感器的腔长变化量。

Description

光纤法布里珀罗传感器解调系统

技术领域

本公开涉及光纤法布里珀罗传感器解调系统。

背景技术

光纤法布里珀罗（Fabry-Perot，F-P）传感器具有结构简单、体积小、灵敏度高、稳定性好、免受电磁干扰等优点，因此被广泛应用于应变、温度、压力等测量领域。在光纤F-P传感器的应用中，解调系统用于连续不断地向光纤F-P传感器发送光信号并接收从光纤F-P传感器返回来的携带待测量信息的光信号，在经过光电转换、信号采集、信号解调后将需要的信息提取出来。具体来说，F-P传感器接收的光信号在其腔内发生多光束干涉，当F-P传感器的腔长随着外界待测物理量的变化而变化时，所述光信号因此被调制。经过调制的光信号被F-P传感器反射出去，经由耦合器传输到信号采集系统。然后，经调制的光信号通过计算机进行信号解调。因此，可通过F-P传感器的腔长变化量反演得到待测物理量的变化。由此可见，解调系统是光纤F-P传感器应用的核心。

目前，光纤F-P传感器解调系统一般采用波长解调法，需要可调谐激光器或光谱仪，成本高且速度慢。

在另外一些方案中，光纤F-P传感器解调系统采用强度解调法，它通过测量输出光强的变化得到腔长信息，具有低成本、解调速度快的特点。然而，在强度解调法中，光纤F-P传感器的输出光强和F-P腔长变化量成正弦关系。显然，一个输出光强对应多个腔长变化量。为了得到输出光强和腔长变化量的单值关系，需要将腔长变化量控制在很小的范围内，这大大限制了解调范围。此外，当待测物理量动态往复变化时，干涉条纹会出现明显拐点，但当拐点恰好是正弦曲线的最高点或者最低点时，无法准确判断拐点。因此，针对往复变化的物理量，既要利用强度解调法速度快的优点，又要准确判断出拐点，是光纤F-P传感器强度解调方法必须解决的一大难题。

发明内容

因此，本公开之目的是提供一种光纤法布里珀罗传感器解调系统。所述解调系统采用条纹计数法和强度解调法的组合来解调法布里珀罗传感器的腔长变化量，既保证了解调速度，又保证了解调精度。此外，所述解调系统采用相位差为90°的两路光束探测，确保了能够准确判断待测物理量动态往复变化时干涉条纹的拐点，因此进一步提高了解调精度，扩展了应用场景。

本公开涉及一种光纤法布里珀罗传感器解调系统，所述光纤法布里珀罗传感器解调系统包括：光源；法布里珀罗传感器，配置为使得光在其中发生多光束干涉以形成干涉光；耦合器，配置为接收从所述光源发出的光并将所述光传输至所述法布里珀罗传感器，以及传输由所述法布里珀罗传感器形成的干涉光；第一光学组件，配置为将所述干涉光成形为线性的第一干涉条纹图案；第二光学组件，配置为基于所述线性的第一干涉条纹图案形成第二干涉条纹图案；第一探测器，设置在所述第二光学组件下游的光路中且配置为接收第一光信号以形成第一光信号曲线；第二探测器，设置在所述第二光学组件下游的光路中且配置为接收第二光信号以形成第二光信号曲线；数据采集装置，配置为从所述第一探测器接收所述第一光信号曲线以生成第一光强曲线，并从所述第二探测器接收所述第二光信号曲线以生成第二光强曲线；以及处理器，配置为从所述数据采集装置接收所述第一光强曲线和所述第二光强曲线，并基于所述第一光强曲线和所述第二光强曲线来计算所述法布里珀罗传感器的腔长变化量，其中，所述第一光信号与所述第二光信号之间具有90°的相位差。

在一实施方式中，所述光纤法布里珀罗传感器解调系统还包括：第一光纤跳线，设置于所述第二光学组件与所述第一探测器之间且配置为传输所述第一光信号；以及第二光纤跳线，设置于所述第二光学组件与所述第二探测器之间且配置传输所述第二光信号。

在一实施方式中，所述第一光学组件包括柱透镜或柱面反射镜。

在一实施方式中，所述第二光学组件包括第一偏振器和第二偏振器，以及其中，所述第一偏振器和所述第二偏振器的偏振方向相互垂直或平行。

在一实施方式中，所述第二光学组件还包括双折射元件，所述双折射元件设置于所述第一偏振器和所述第二偏振器之间。

在一实施方式中，所述双折射元件具有楔形形状。

在一实施方式中，所述第二干涉条纹图案的明条纹和暗条纹的宽度通过设定所述双折射元件的倾角来调节。

在一实施方式中，所述双折射元件布置于所述第一光学组件的焦平面附近。

在一实施方式中，所述处理器配置为对所述第一光强曲线和所述第二光强曲线进行除法运算以生成第三光强曲线，并且基于所述第三光强曲线来计算所述法布里珀罗传感器的腔长变化量。

在一实施方式中，所述腔长变化量基于与整数波长部分相关的第一腔长变化量和与非整数波长部分相关的第二腔长变化量之和来获得，以及其中，所述处理器配置为基于所述整数波长部分所包含的波长数量计算所述第一腔长变化量，并且使用光强-腔长函数计算所述第二腔长变化量。

在一实施方式中，所述第三光强曲线为正切曲线。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下文中将对本公开实施例的附图进行简单介绍。其中，附图仅仅用于展示本公开的一些实施例，而非将本公开的全部实施例限制于此。附图中:

图1示出了根据本公开的一个实施例的光纤法布里珀罗传感器解调系统的示意图；

图2示出了根据本公开的一个实施例的光纤法布里珀罗传感器解调系统的第一探测器所获得的第一光强曲线；

图3示出了根据本公开的一个实施例的光纤法布里珀罗传感器解调系统的第二探测器所获得的第二光强曲线；和

图4示出了由第一光强曲线和第二光强曲线生成的第三光强曲线。

具体实施方式

为了使得本公开的技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚，下文中将结合本公开具体实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。附图中相同的附图标记代表相同的部件。需要说明的是，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”、“包含”或者“具有”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“连通”等类似的词语并非限定于附图中所示的物理的或者机械的连接或连通，而是可以包括与其等效的连接或连通，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

下面参考图1至图4详细描述根据本公开的光纤法布里珀罗传感器解调系统的优选实施方式。

为了解决波长解调法速度慢的问题，本公开采用强度解调法。通过测量输出光强的变化得到光纤F-P传感器的腔长信息。具体来说，本公开的光纤法布里珀罗传感器解调系统采用单色光源，直接用光电探测器对法布里珀罗传感器输出的光进行接收。随着法布里珀罗传感器的腔长的变化，其输出光强也变化。法布里珀罗传感器的反射光强和腔长的关系由下式表示：

其中，I_R为反射光强，L为法布里珀罗传感器的腔长，I₀是初始光强，即由光源发出的光束的光强，R是法布里珀罗传感器的腔反射率。

由上式可知，当以腔长为横坐标，反射光强为纵坐标绘制曲线时，反射光强与腔长呈现正弦关系。显然，一个输出光强，即反射光强对应于多个腔长，即，输出光强是腔长的多值函数。但是，由上式只能计算不满整数周期的部分所对应的腔长变化量。

在如图1所示的本公开的一个实施方式中，光纤法布里珀罗传感器解调系统包括光源1、耦合器2、法布里珀罗传感器3、第一光学组件4、第二光学组件4’、第一光纤跳线8、第二光纤跳线9、第一探测器10、第二探测器11、数据采集装置12以及处理器13。

光源1例如为半导体激光器，配置为发射窄带单色光。考虑到光纤的传输损耗，光源1例如发射波长为1550 nm的光。当然，本公开的光源1也可以发射其他波长的光，这取决于具体情况。

耦合器2接收从光源1发出的光并将其传输至法布里珀罗传感器3，所述光在法布里珀罗传感器3中发生多光束干涉以形成干涉光。本文中所述的法布里珀罗传感器3为本领域常见的法布里珀罗传感器，例如包括两个平行表面，光在这两个平行表面之间发生多光束干涉。法布里珀罗传感器3和往复变化的待测物理量相互作用，使得法布里珀罗传感器的腔长变化，从而导致干涉信号的变化。

然后，法布里珀罗传感器3将调制形成的干涉光传输（也可以说是，反射）至耦合器2，耦合器2将所述干涉光传输至下游光学部件。

第一光学组件4配置为将来自于耦合器2的干涉光成形为线性的第一干涉条纹图案。例如，第一光学组件4包括柱透镜，将干涉光会聚成线性干涉光。在其他实施例中，第一光学组件4可以包括柱面反射镜，在这种情况下，图1所示的光路需相应修改，视需要增加或减少光学部件。当然，第一光学组件4也可以包括任何其他可以形成线光束的光学元件。

第二光学组件4’配置为基于第一光学组件4生成的线性的第一干涉条纹图案形成第二干涉条纹图案，第二干涉条纹图案比第一干涉条纹图案更锐化，即，将线性干涉光在空间中展开以形成更清晰的干涉条纹图案。例如，第二光学组件包括第一偏振器5和第二偏振器7，并且第一偏振器5和第二偏振器7的偏振方向相互垂直或平行。通过设置两个偏振方向相互垂直或平行的偏振器，可以提高干涉条纹的对比度。

此外，第二光学组件还包括双折射元件6，例如双折射晶体，所述双折射元件6设置于第一偏振器5和第二偏振器7之间。如图1所示，双折射元件6可以具有楔形形状。双折射元件的倾角可以被选择为使得干涉条纹图案的明条纹和暗条纹具有下游光信号接收元件可分辨的宽度。也就是说，通过设置双折射元件6的倾角，可以调节干涉条纹的明、暗条纹的宽度，以便于后续的探测。例如，当设定双折射元件6的倾角使得干涉条纹图案的明条纹和暗条纹的宽度较细时，使用光纤跳线来接收从第二光学组件发出的光信号。例如，当设定双折射元件6的倾角使得干涉条纹图案的明条纹和暗条纹的宽度较粗时，可以不使用光纤跳线，而直接使用探测器来接收从第二光学组件发出的光信号。也就是说，双折射元件的倾角被选择为使得第二干涉条纹图案的明条纹和暗条纹的宽度适配于第二光学组件下游的光信号接收元件。双折射元件的倾角以及干涉条纹图案的明条纹和暗条纹的宽度的具体数值可以由下游所使用的光信号接收元件的类型来决定，本公开在此不作具体限制。

例如，双折射元件6可以布置于第一光学组件4的焦平面附近，此时可以在双折射元件6的后方形成明暗相间的干涉条纹图案。

第一光纤跳线8例如可以设置于第二光学组件与第一探测器10之间且配置为与所述第二干涉条纹图案的明条纹对应并基于明条纹传输第一光信号。第二光纤跳线9例如可以设置于第二光学组件与第二探测器11之间且配置为与所述第二干涉条纹图案的暗条纹对应并基于暗条纹传输第二光信号。本文所述的“对应”指的是，第一光纤跳线8布置在与干涉条纹图案中的明条纹对应的位置，第二光纤跳线9布置在与干涉条纹图案中的暗条纹对应的位置。以此方式，第一光纤跳线8与第二光纤跳线9所接收的光信号之间相差2kπ±π/2、例如90°的相位差。当然，本公开不限于此，第一光纤跳线8和第二光纤跳线9可以无需分别对应明条纹和暗条纹，只要其传输的光信号之间具有90°的相位差即可。

例如，第一光纤跳线8和第二光纤跳线9紧邻第二偏振器7布置。或者，第一光纤跳线8和第二光纤跳线9可以分别与第二偏振器7相距一定距离。

第一探测器10可以配置为接收来自于第一光纤跳线8的第一光信号以形成第一光信号曲线，如图2所示的余弦光强曲线。例如，第一探测器10布置在第一光纤跳线8的输出端。第二探测器11可以配置为接收来自于第二光纤跳线9的第二光信号以形成第二光信号曲线，如图3所示的正弦光强曲线。例如，第二探测器11布置在第二光纤跳线9的输出端。例如，第一探测器10和第二探测器11为诸如雪崩光电二极管的光电探测器，用于将光信号转换为电信号并将模拟信号转换为数字信号。然后，数字信号被传送至后续的装置。在第二光学组件4’所形成的第二干涉条纹图案的明条纹和暗条纹的宽度较粗的情况下，或者在所述宽度为探测器可分辨的情况下，在光纤法布里珀罗传感器解调系统中可以省略第一和第二光纤跳线，而将第一探测器10和第二探测器11直接设置于第二光学组件下游的光路中以用于分别接收相位差为90°的第一光信号和第二光信号。

数据采集装置12配置为从第一探测器10接收第一光信号曲线以生成第一光强曲线，并从第二探测器11接收第二光信号曲线以生成第二光强曲线。第一光强曲线和第二光强曲线可以分别对应于图2和3中所示的三角函数曲线，例如具有相似的形状等。例如，数据采集装置12为高速采集卡。例如，数据采集装置12以有线方式或无线方式与第一探测器10和第二探测器11通信。

处理器13配置为从数据采集装置12接收第一光强曲线和第二光强曲线，并基于第一光强曲线和第二光强曲线来计算法布里珀罗传感器的腔长变化量。例如，处理器13为计算机。例如，处理器13以有线方式或无线方式与数据采集装置12通信。

处理器13配置为对第一光强曲线和第二光强曲线进行除法运算以生成第三光强曲线，如图4所示的正切曲线。通过获得比正弦函数或余弦函数更加陡直的正切曲线，可以更容易确定拐点，因此可以提高解调的精确度。此外，以此方式可以拓展本公开的解调系统的应用场景，使得解调系统不仅适用于测量单调变化的物理量，而且也适用于测量往复变化的物理量。

处理器13还配置为基于第三光强曲线来计算法布里珀罗传感器的腔长变化量。本公开的解调系统采用两步法来处理由处理器获得的信号。首先，处理器13配置为使用条纹计数法计算与整数波长部分相关的第一腔长变化量ΔL₁。本文中所述的“使用条纹计数法”是基于整数波长部分所包含的波长数量进行计数。根据干涉理论知正切函数的一个周期对应腔长变化量λ/4，那么利用条纹计数法可得n个周期对应的腔长变化量为nλ/4。然后，处理器13使用上文所述的光强-腔长关系式（即，利用光强解调法）计算与非整数波长部分相关的第二腔长变化量ΔL₂。由此，总的腔长变化量记为ΔL=ΔL₁+ΔL₂。根据传感器的灵敏度，可得到腔长变化量对应的待测物理量的变化。

本公开的解调系统采用条纹计数法和强度解调法的组合来解调法布里珀罗传感器的腔长变化量，既保证了解调速度，又保证了解调精度。此外，所述解调系统采用相位差为90°的两路光束探测，确保了能够准确判断待测物理量动态往复变化时干涉条纹的拐点，因此进一步提高了解调精度，扩展了应用场景。进一步，本公开的解调系统不需要昂贵且大尺寸的波长相关器件，装置简单，且大幅削减了制造成本。

此外，上述披露的各技术特征并不限于已披露的与其它特征的组合，本领域技术人员还可根据公开目的进行各技术特征之间的其它组合，以实现本公开之目的为准。

Claims (9)

1.一种光纤法布里珀罗传感器解调系统，其中，所述光纤法布里珀罗传感器解调系统包括：

光源；

法布里珀罗传感器，配置为使得光在其中发生多光束干涉以形成干涉光；

耦合器，配置为接收从所述光源发出的光并将所述光传输至所述法布里珀罗传感器，以及传输由所述法布里珀罗传感器形成的干涉光；

第一光学组件，配置为将所述干涉光成形为线性的第一干涉条纹图案；

第二光学组件，配置为基于所述线性的第一干涉条纹图案形成第二干涉条纹图案；

第一探测器，设置在所述第二光学组件下游的光路中且配置为接收第一光信号以形成第一光信号曲线；

第二探测器，设置在所述第二光学组件下游的光路中且配置为接收第二光信号以形成第二光信号曲线；

第一光纤跳线，设置于所述第二光学组件与所述第一探测器之间且配置为与所述第二干涉条纹图案的明条纹对应并基于所述明条纹传输所述第一光信号；

第二光纤跳线，设置于所述第二光学组件与所述第二探测器之间且配置为与所述第二干涉条纹图案的暗条纹对应并基于所述暗条纹传输所述第二光信号；

以此方式，所述第一光纤跳线与所述第二光纤跳线所接收的光信号之间相差90°的相位差；

数据采集装置，配置为从所述第一探测器接收所述第一光信号曲线以生成第一光强曲线，并从所述第二探测器接收所述第二光信号曲线以生成第二光强曲线；以及

处理器，配置为从所述数据采集装置接收所述第一光强曲线和所述第二光强曲线，并基于所述第一光强曲线和所述第二光强曲线来计算所述法布里珀罗传感器的腔长变化量，

其中，所述第一光信号与所述第二光信号之间具有90°的相位差；

所述第二光学组件包括双折射元件，所述双折射元件的倾角被选择为使得干涉条纹图案的明条纹和暗条纹具有下游光信号接收元件可分辨的宽度；当设定所述双折射元件的倾角使得干涉条纹图案的明条纹和暗条纹的宽度较细时，使用光纤跳线来接收从所述第二光学组件发出的光信号；当设定所述双折射元件的倾角使得干涉条纹图案的明条纹和暗条纹的宽度较粗时，可以不使用光纤跳线，而直接使用探测器来接收从所述第二光学组件发出的光信号。

2.根据权利要求1所述的光纤法布里珀罗传感器解调系统，其中，所述第一光学组件包括柱透镜或柱面反射镜。

3.根据权利要求1所述的光纤法布里珀罗传感器解调系统，其中，所述第二光学组件包括第一偏振器和第二偏振器，以及其中，所述第一偏振器和所述第二偏振器的偏振方向相互垂直或平行。

4.根据权利要求3所述的光纤法布里珀罗传感器解调系统，其中，所述第二光学组件还包括双折射元件，所述双折射元件设置于所述第一偏振器和所述第二偏振器之间。

5.根据权利要求4所述的光纤法布里珀罗传感器解调系统，其中，所述双折射元件具有楔形形状。

6.根据权利要求4所述的光纤法布里珀罗传感器解调系统，其中，所述双折射元件布置于所述第一光学组件的焦平面附近。

7.根据权利要求1所述的光纤法布里珀罗传感器解调系统，其中，所述处理器配置为对所述第一光强曲线和所述第二光强曲线进行除法运算以生成第三光强曲线，并且基于所述第三光强曲线来计算所述法布里珀罗传感器的腔长变化量。

8.根据权利要求7所述的光纤法布里珀罗传感器解调系统，其中，所述腔长变化量基于与整数波长部分相关的第一腔长变化量和与非整数波长部分相关的第二腔长变化量之和来获得，以及其中，所述处理器配置为基于所述整数波长部分所包含的波长数量计算所述第一腔长变化量，并且使用光强-腔长函数计算所述第二腔长变化量。

9.根据权利要求7所述的光纤法布里珀罗传感器解调系统，其中，所述第三光强曲线为正切曲线。

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