CN101738215A - 一种基于多次反射的双光束脉冲干涉法 - Google Patents

Abstract

一种基于多次反射的双光束脉冲干涉法，用于实现对于由各种待测参量引起的光相位的高灵敏检测。该方法主要使用单光脉冲(P)进行激励和检测，通过定向耦合器(L)进入到信号臂(L1)和参考臂(L2)，在信号臂和参考臂光路中都分别包含有一个由两个部分光耦合器件组成的光腔，使得光脉冲能够在光腔中进行多次反射，使得微小的待测变化量通过多次作用而进行放大，等效于提高了光纤段的有效长度。从信号臂和参考臂输出的两束脉冲光进行相干检测，得到引起的光相位的变化量，从而进一步提高了系统的测量精度，A，B，C，D为光反射镜，Id为光电探测器。

Description

一种基于多次反射的双光束脉冲干涉法

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，具体涉及一种基于多次反射的双光束脉冲干涉法，可应用于对于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、加速度、电流、电压、电场、磁场、温度、声场、流量、pH值等各种参量的检测。

背景技术

光纤能集信息传输与传感于一体，由它构成的传感器，只需要一光源和一探测线路，就可以对沿光纤传输路径上长达数千米甚至数十千米的信息如应力、温度、损伤状况等进行测量与监控[1]。由于光纤传感具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、电绝缘性好、安全可靠、耐腐蚀、响应速度快、无源性、防爆、体积小、重量轻、成本低、可构成光纤传感网等诸多优点，它在众多领域均有广阔的应用前景[2]。光纤传感器将待测量在光纤内传输的光波参量进行调制，并对被调制过的光波信号进行解调检测，从而获得待测量值。它可广泛用于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、加速度、电流、磁场、电压、温度、声场、流量、浓度、值等各种参量的测量。

光纤检测技术利用外界因素使光在光纤中传播时光强、相位、偏振态以及波长或频率等特征参量发生变化，从而对外界因素进行检测和信号传输。光纤传感器按被调制的光波参数的不同可分为相位调制光纤传感器、偏振调制光纤传感器、强度调制光纤传感器和波长调制光纤传感器[3]。其中，相位调制光纤传感器通常是通过干涉的方式进行测量。相位调制光纤传感器是物理微扰与光纤干涉仪的某一干涉臂或两干涉臂相作用，对光纤中光波的相位进行调制，而干涉仪的输出是与相位差成一定关系的光强信号。相位传感器不论用于磁场传感，还是声、旋转等传感，在理论上的灵敏度都要比现有传感技术高几个数量级。基于相干检测技术的干涉型光纤传感器，因其灵敏度高、动态范围大且便于复用，被广泛应用到电场、磁场、温度、水声、地震波等的测量中。

在光纤检测技术中采用干涉技术，则其检测灵敏度会大大提高。常用的有Michelson干涉式光纤传感器、Mach-Zehnder干涉式光纤传感器、Fabry-Perot干涉式光纤传感器、Sagnac干涉式光纤传感器和Fizeau干涉式光纤传感器[4]。Michelson干涉仪因其结构简单、条纹对比度好、信噪比高、条纹的计数和被测位移的计算关系简单等优点而受到广泛的研究和应用[5]。

随着光纤传感技术的发展，对于待测参量的测量，出现了许多解决方法[6]，主要包括相位追踪法、各种外差法和相位载波(PGC)调制解调法。但是传统的相位跟踪法需要在干涉仪中引入压电陶瓷作为相位解调器，降低了系统的可靠性和稳定性，对于许多要求无源的应用场合是不可取的。另外由于温漂等环境因素的影响，现有的相位检测法对于更小相位的检测就成为一个难题。

鉴于上述方法的局限性，本发明提出了一种基于多反射的双光束脉冲干涉法，用于实现由各种待测参量引起的光相位变化的高灵敏检测。

[1]莫淑华.光纤传感技术在力学测试中的发展与应用.哈尔滨师范大学自然科学学报.2000

[2]肖军，王颖.光纤传感技术的研究现状与展望.机械管理开发.2006.12

[3]吴洁，薛玲玲.光纤传感器的研究发展.激光杂志.2007，5(28)

[4]姚建永，张森.基于Michelson干涉仪的光纤AE传感器的研究.光通信研究.2008

[5]原安娟，柴常.基于迈克尔逊干涉原理的光纤传感器研究.山西大同大学学报(自然科学版).2008.2

[6]F.Roser，J.Rothhard.B.Ortac et al，131W 220 fs fiber lasersystem[J].Opt.Lett.2005

发明内容

本发明提出了一种基于多次反射的双光束脉冲干涉法，用于实现对于由各种待测参量引起的光相位的高灵敏检测。该方法中包括信号臂和参考臂，信号臂的作用是将由待测参量引起的光路长度变化量转换成对在光路中传输的光相位的改变，参考臂的作用是作为信号臂光相位变化的参照。在信号臂和参考臂光路中都分别包含有一个由两个部分光耦合器件(可以是部分光反射镜以及光纤耦合器)组成的光腔，使得光脉冲能够在光腔中进行多次反射，使得微小的光相位变化量通过多次作用而进行放大，等效于提高了光纤段的有效长度。信号臂和参考臂输出的两束光进行相干干涉，得到引起的光相位的变化量。

以基于Michelson干涉法的光纤型多反射的双光束脉冲干涉法为例进行说明。

图1是本发明所涉及光纤传感器结构的示意图，该光纤传感器包括相干光或部分相干光光脉冲(P)，定向耦合器(L)，信号臂(L1)，参考臂(L2)，光反射镜(A，B，C，D)和光电探测器(Id)。

本专利所涉及的光纤传感器是在传统的Michelson干涉仪结构的信号臂(L1)和参考臂(L2)上分别增加两个能部分透射的高反射镜面A和C，如图1所示，使得光脉冲能够在各臂中进行多次反射，从而实现等效作用长度的增加，进而提高测量的精确度。同时，将从信号臂和参考臂输出的光脉冲进行相干干涉，从而进一步提高系统的测量精度。

从图1中可以看出，信号臂和参考臂的材料及制作工艺是完全相同的。唯一不同的是，参考臂是放在一个密封的空间里，而信号臂放置在待测物质中，从而使光纤的折射率和长度发生变化。信号臂和参考臂结构的一致性，是为了避免其他外部因素在两个臂上引起的改变能够相互抵消，从而保证系统的稳定性。为了避免反射回的光与输入的光在时间上相互重叠，本发明所涉及的光纤传感器采用光脉冲检测。

本发明所涉及的光纤型多反射双光束脉冲干涉法的工作原理为：

待测参数的作用使得光纤的长度及折射率都会发生变化。设光纤的长度为l，折射率为n，待测参数的作用使得光纤的长度变化Δl，折射率的变化为Δn。则应变量

根据弹光效应，可以推导出：其中p₁₁，p₁₂是Pockel系数；v是Poisson比率。设p₁₁＝0.113；p₁₂＝0.252；n＝1.482；v＝0.16，因此得到折射率n与应变量ε的关系是：

由于信号臂长度和折射率变化导致在光纤中传输的光相位发生改变，为了得到相位的改变大小，又增设了一个参考臂，由于参考臂与待测参数相隔离，因此参考臂中的光相位没有改变。通过将信号臂和参考臂后输出的两束光进行相干检测，从而得到信号臂输出光相位差导致的信号强度的改变。由于光相位为：因此两个臂输出光的相位差

开始使用前，首先校准两个臂，使得n₁l₁＝n₂l₂，因此开始时的相位差为零。将信号臂放入待测参数环境中，则光脉冲每经过一次两臂的光相位差为：

$s\left(t\right)=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{nl}(\frac{\mathrm{\Δn}}{n}+\frac{\mathrm{\Δl}}{l})---\left(2\right)$

设光在两臂内反射了m次，则m次后两臂光的光程差为(n+Δn)(m-1)(l+Δl)-n(m-1)l，相应的相位差为：

$s\left(t\right)=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(m-1)\mathrm{nl}(\frac{\mathrm{\Δn}}{n}+\frac{\mathrm{\Δl}}{l})=0.78*\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(m-1)\mathrm{n\Δl}---\left(3\right)$

t是时间，它与反射次数m成正比例关系，满足关系式ml＝ct，其中c为光速。

具有以上相位差的两光脉冲经过一个3dB耦合器，输入到光电探测器中，探测器的输出电信号Id(t)为：

Id(t)＝2αI₀ cos[s(t)]    (4)

其中，I₀是正比于输入相干光强峰值的常量，α是与偏振态和耦合器分光比相关的效应系数。

设前反射镜A、C具有相同的反射系数且为ρ，后反射镜B、D的反射系数为1，A、B两反射镜之间的距离和C、D两反射镜之间的距离均为l，光纤的损耗系数为β，因此最后输出的探测器输入值Id(t)为：

$\mathrm{Id}\left(t\right)={2\mathrm{\αI}}_0{e}^{-(\frac{c}{l}t-1)\mathrm{\βl}}{\mathrm{\ρ}}^{(\frac{c}{l}t-1)}(1-\mathrm{\ρ})\cos [0.78*\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(\frac{c}{l}t-1)n\×l]---\left(5\right)$

从式(5)可看出，当待测参量发生变化时，就会导致探测器的输入值Id(t)的改变。通过测量Id(t)的改变，就能够得到待测参数的值。

本发明具有以下优点：

(1)本发明所涉及的方法由于在信号臂和参考臂中分别增加了反射镜面，使得光能够在光纤中进行多次反射，从而增加与待测参量相互作用光纤段的有效长度，从而大大提高了传感器探测的灵敏度。

(2)利用高灵敏度的相干干涉检测法测量光相位的改变，可以进一步提高光纤传感器的灵敏度。

(3)本发明所涉及的测量方法可以应用于多种物理量变化的检测。

另外，虽然本发明内容以光纤型Michelson结构为例，但是也适用于其它相干结构以及其它光传输介质构成的双光束干涉系统。

附图说明

图1：光纤Michelson双光束脉冲干涉结构示意图，其中P为光脉冲，L为定向耦合器；L1，L2分别为信号臂和参考臂；A，B，C，D为光反射镜；Id为光电探测器。

图2：光纤Michelson双光束脉冲干涉传感器结构示意图，其中CW为光源，ISO为隔离器，M为调制器，L为定向耦合器；L1，L2分别为信号臂和参考臂；A，B，C，D为光反射镜；Id为光电探测器。

图3：仿真结果图(光纤长度变化量Δl＝6nm)，其中横坐标t为时间，纵坐标Id为输出强度。

图4：仿真结果图(光纤长度变化量Δl＝3nm)，其中横坐标t为时间，纵坐标Id为输出强度。

图5：仿真结果图(光纤长度变化量Δl＝10nm)，其中横坐标t为时间，纵坐标Id为输出强度。

图6：结果分析图；其中：……表示镜面反射率对于输出的影响，------表示双光束相干余弦函数对于输出的影响，-表示激励光脉冲波形对于输出的影响，其中横坐标t为时间，纵坐标Id为输出强度。

具体实施方式

图2为光纤Michelson双光束脉冲干涉传感器结构示意图。具体实施方法为：从光源(CW)发出一长相干长度的连续光波，经隔离器(ISO)和调制器(M)转化成一单光脉冲，该单光脉冲再经定向耦合器(L)分别进入到信号臂(L1)和参考臂(L2)中，信号臂输出的光脉冲相位发生了改变，与参考臂输出的光脉冲进行干涉。由于信号臂和参考臂的两端都放有部分透射的光反射镜，光脉冲在光纤中进行多次反射，每次透射出去的两个光脉冲进行干涉。因此随着反射次数的增加，信号臂光纤的有效长度也增长，光相位差不断积累增加，从而使得传感器输出的探测器输入值Id(t)发生了改变。通过测Id(t)所发生的变化，得到信号臂输出光相位所发生的改变，得到光纤折射率和长度的变化，从而可以得到待测参数的值。通过以上的讨论，得到了待测值与待测参量所引起的光纤长度变化量Δl的关系如下：

$\mathrm{Id}\left(t\right)=2\mathrm{\α}{I}_0{e}^{-(\frac{c}{l}t-1)\mathrm{\βl}}{\mathrm{\ρ}}^{(\frac{c}{l}t-1)}(1-\mathrm{\ρ})\cos [0.78*\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(\frac{c}{l}t-1)n\×\mathrm{\Δl}]$

为了更好的验证本发明所涉及的光纤传感器与待测参量所引起的光纤长度变化量Δl的关系，通过仿真得到如图3所示的关系图。当光纤制作完成后，关系式中除待测参量所引起的光纤长度变化量Δl外，其余值都是固定值。设α＝0.5；I₀＝1；λ＝1550nm；n＝1.48；l＝1mm；ρ＝0.999；β＝0.1。图3中表示时间t与传感器输出的探测器输入值Id(t)的关系。为了更好地表示出反射镜的作用，图4和图5分别表示了由待测参量引起的不同的光纤长度变化量Δl对输出影响的仿真结果。可以发现，随着光纤长度变化量Δl的减少，曲线下降的的速率也逐渐减少，要下降到某一个特定的阈值，所需要的反射的次数就增多。

本发明方法中，输入光脉冲激励、反射镜透射率、双光束相干函数对于输出均有影响，图6所示结果分析分别表明各项单独作用对于输出的影响。

Claims (7)

1.一种基于多次反射的双光束脉冲干涉相位检测法。

2.权利要求1中所述的相位检测法包括信号臂和参考臂，信号臂的作用是将由待测参量引起的光路长度变化量转换成对在光路中传输的光相位的改变，参考臂的作用是作为信号臂光相位变化的参照，相位变化由信号臂和参考臂的输出光进行干涉检测。

3.权利要求1中所述的相位检测法采用相干光或部分相干光的脉冲光激励。

4.权利要求1中所述的相位检测法中，在信号臂和参考臂光路中都分别包含有一个由两个部分光耦合器件(可以是部分光反射镜以及光纤耦合器)组成的光腔，使得光脉冲能够在光腔中进行多次反射。

5.权利要求1中所述的相位检测法中，采用双光脉冲相干检测。

6.权利要求1中所述的相位检测法适用于任何光传输介质构成的双光束干涉结构。

7.权利要求1中所述的相位检测法为基础构成的任何系统。

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