CN102119323B

CN102119323B - 使用推挽双波长法布里-珀罗传感器的光纤声传感器系统和方法

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Publication number: CN102119323B
Application number: CN200980131656.4A
Authority: CN
Inventors: D·B·霍尔
Original assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 2008-07-10
Filing date: 2009-07-09
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2029-07-09
Also published as: US8264692B2; CN102119323A; AU2009269103B2; JP2011527755A; WO2010005574A2; EP2304398B1; JP5220923B2; US20100007893A1; CA2730004A1; WO2010005574A3; EP2304398A2; CA2730004C; AU2009269103A1

Abstract

两个光波长用于询问具有可移动隔膜(34)的光纤法布里-珀罗传感器(1-4)，该可移动隔膜(34)改变在两个反射表面(38、40)之间的间隙(36)宽度。通过针对间隙(36)挑选正确的操作点，随着间隙宽度改变，一个波长的功率输出增大且另一波长的功率减小。形成两功率之差对比两功率总和的比率，从而生成与信号源(46、48)和传感器(1-4)之间以及传感器(1-4)和检测器(73)之间的光纤(22)中的功率和相位波动无关的检测信号。称作能见度的该比率具有的响应与移动隔膜(34)的声干扰的压力成比例。推挽传感器(1-4)可与TDM和CW扇出阵列体系结构(45、47)两者一起使用。

Description

使用推挽双波长法布里-珀罗传感器的光纤声传感器系统和方法

相关申请的交叉引用

基于2008年7月10日提交的美国临时申请S/N.61/134,509，申请人为本申请要求优先权。

背景技术

本发明一般涉及用于在光纤传感器阵列中用来感测声压变化的法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪。本发明尤其涉及用于感测声压的双波长法布里-珀罗传感器系统。

已多次提出在光纤声传感器阵列中使用法布里-珀罗传感器。但是所面临的难题在于难以用法布里-珀罗干涉仪实现这种传感器阵列。光纤传感器系统具有与激光源、光纤中的时间相关偏振效应、以及激光源和传感器之间与传感器和光电二极管检测器之间的其它干扰相关联的功率波动。

发明内容

本发明提供双波长法布里-珀罗干涉仪传感器系统，其克服现有干涉仪声传感器系统中由光功率波动造成的问题。

根据本发明的光纤传感器系统包括产生波长为λ_A的光信号的第一相干光信号源，安排成接收波长为λ_A的光信号的第一光纤，产生波长为λ_B的光信号的第二相干光信号源，安排成接收波长为λ_B的光信号的第二光纤，安排成分别从第一和第二光纤接收波长为λ_A和λ_B的光信号的输入波分多路复用器，安排成从波分多路复用器接收波长为λ_A和λ_B两者的光信号的信号传输光纤，耦合到信号传输光纤且安排成从该光纤接收波长为λ_A和λ_B的光信号的双波长法布里-珀罗干涉仪传感器阵列，该双波长法布里-珀罗干涉仪传感器阵列安排成以推挽模式操作以便于响应于入射到双波长法布里-珀罗干涉仪传感器阵列的声压波来产生干涉仪输出信号，耦合到信号传输光纤以响应于干涉仪输出信号产生电信号的检测器阵列，以及用于处理来自检测器阵列的电信号以指示来自声压波的压力的信号处理器。

根据本发明的光纤传感器阵列可进一步包括安排成控制光信号通过信号传输光纤的传输的光通断开关。

双波长法布里-珀罗干涉仪传感器阵列可包括：连接到光开关的时分多路复用体系结构，其中多个光耦合器将相应的多个双波长法布里-珀罗干涉仪传感器耦合到信号传输光纤；以及安排成将从多个法布里-珀罗干涉仪传感器输出的光信号分成具有λ_A波长的第一输出信号和具有λ_B波长的第二输出信号的输出波分多路复用器。

双波长法布里-珀罗干涉仪传感器阵列可替代地包括：多个双波长法布里-珀罗干涉仪传感器的扇出体系结构，这些传感器耦合到输入波分多路复用器以从输入波分多路复用器接收波长为λ_A和λ_B的光信号；以及耦合到扇出体系结构的光电检测器阵列，以使其中的每个双波长法布里-珀罗干涉仪传感器具有一输出，该输出耦合到安排成检测波长为λ_A的信号的第一相应光电检测器并且耦合到安排成检测波长为λ_B的信号的第二相应光电检测器。

该光纤传感器阵列可包括法布里-珀罗干涉仪传感器，该法布里-珀罗干涉仪传感器形成为包括：单模光纤、装在单模光纤的端部从而延伸超出该端部距离W_间隙的插芯、装在该插芯之上用于形成被包围区域的隔膜，该隔膜安排成接收声压波，该隔膜可相对于单模光纤的端部移动以响应于声压波中的压力变化来调制隔膜和单模光纤端部之间的距离，在该被包围区域中存在流体；以及具有多模芯的端部的多模光纤，该多模芯安排成使在单模光纤中传播的波长为λ_A和λ_B的光信号遭遇多重反射且产生发散光束，该发散光束包括穿过隔膜传播且射入多模芯的端部的波长为λ_A和λ_B的干涉信号。

附图简述

图1示出用光纤形成的反射模式法布里-珀罗干涉仪；

图2图解地示出图1的反射模式法布里-珀罗干涉仪对于1550nm波长的作为间隙宽度的函数的反射率；

图3图解地示出图1的反射模式法布里-珀罗干涉仪对于1550nm第一波长和1480nm第二波长的作为间隙宽度的函数的反射率；

图4图解地示出图1的反射模式法布里-珀罗干涉仪对于1550nm第一波长和1475.5nm第二波长的作为间隙宽度的函数的反射率；

图5图解地示出图1的反射模式法布里-珀罗干涉仪对于1550nm第一波长和1480nm第二波长的作为间隙宽度的函数的能见度；

图6图解地示出图1的反射模式法布里-珀罗干涉仪对于1550nm第一波长和1480nm第二波长的作为间隙宽度的函数的能见度斜率；

图7图解地示出图1的反射模式法布里-珀罗干涉仪对于以单推模式操作的两个波长的作为间隙宽度的函数的反射率；

图8图解地示出图1的反射模式法布里-珀罗干涉仪对于以单推模式操作的两个波长的作为间隙宽度的函数的反射率比；

图9图解地示出反射模式法布里-珀罗干涉仪对于以单推模式操作的两个波长的作为间隙宽度的函数的反射率比的斜率；

图10示意性地示出根据本发明的时分多路复用(TDM)双波长反射模式法布里-珀罗传感器阵列；

图11示意性地示出根据本发明的连续波(CW)双波长反射模式扇出法布里-珀罗传感器阵列；

图12示出传输模式法布里-珀罗干涉仪；

图13示意性地示出根据本发明的连续波(CW)双波长传输模式法布里-珀罗传感器阵列，其包括根据图12的多个传输模式法布里-珀罗干涉仪；

图14图解地示出对于以推挽模式操作的图9的传输模式法布里-珀罗干涉仪的作为间隙宽度的函数的信号传输；

图15图解地示出对于以推挽模式操作的图9的传输模式法布里-珀罗干涉仪的作为间隙宽度的函数的传输能见度比；以及

图16图解地示出对于以推挽模式操作的图9的传输模式法布里-珀罗干涉仪的作为间隙宽度的函数的输出能见度斜率。

具体实施方式

图1示出为了纳入到光纤传感器阵列而设计的法布里-珀罗干涉仪20。法布里-珀罗干涉仪20包括光纤22，该光纤具有芯24和包围芯24的包层26。光纤通常具有保护套(未示出)。在图1所示的光纤22的部分中，套已被移除且用插芯28来替代，该插芯28优选为由中空玻璃棒形成。插芯28的端30延伸超出芯24和包层26一小段距离以形成小腔32。隔膜34接合到插芯28的外端30以使在隔膜34和光纤端38之间存在小间隙36。隔膜34可由二氧化硅形成。间隙36优选为用诸如油或者其它物质的流体填充，该其它物质具有与水良好匹配的阻抗。

光纤22中的光波离开光纤端38且进入填充有流体的间隙36。在间隙36的远侧上，隔膜34响应于水环境中的入射声压波移动。光从光纤芯24的端38和隔膜34的内表面40两者反射回光纤22。光纤端38和隔膜表面40各自的反射率R₁和R₂，以及间隙宽度W_间隙确定多少光返回至光纤22。反射率是光纤芯24和隔膜表面40的特性。间隙宽度是入射到隔膜34上的声波中的压力的函数。

光纤端38和隔膜34的面向光纤梢38的表面40可具有涂层42和44，在光纤端38和隔膜34的表面40上分别形成的涂层42和44用于增强反射率。涂层可包括介电材料或者金属材料。光纤稍38和隔膜34之间的间隙宽度W_间隙典型地小于50微米。如果间隙宽度太大，则离开光纤稍38的光通过一定程度的衍射来扩散，该衍射程度可达到在两次穿过间隙36后，光的极小部分可耦合返回到光纤22的程度。对于15微米或更小的间隙宽度，对以1550nm传播光的单模光纤而言该衍射扩散因子是可忽略的。

图2图解地示出图1的反射模式法布里-珀罗干涉仪对于1550nm波长的作为间隙宽度的函数的反射率。

法布里-珀罗干涉仪10的返回至光纤12的反射功率R_fp由下式给出：

间隙中的流体的折射率为n_流体。图2示出作为间隙宽度的函数的回到光纤的反射功率和镜面反射率的曲线图。该曲线图示出在

的倍数处的反射功率最小值，其中λ为1550nm且流体为具有n＝1.33的折射率的水。经匹配的0.3、0.6和0.82的镜面反射率示出当反射率上升时共振倾斜显著变窄。仅对于反射率匹配的情况，该共振倾斜变为零。与最高反射率相关联的锐度为16。

在共振倾斜的各侧上，随间隙宽度改变的反射率的斜率或改变在约30％的反射率处为最大值。这是传感器的操作点。在该点处，隔膜的小位移造成间隙宽度的小改变以在回到光纤22的功率中产生最大改变。

双波长推挽方法

图3和4示出对于两个波长λ_A和λ_B的作为两个波长间隙的函数的回到光纤12的反射功率的曲线图。两个曲线图示出在约30％的反射功率处相互交叉的两条迹线。图3的图4的比较示出波长的小变化造成期望间隙宽度的显著改变。已选择约1480和1550nm的两个波长。这些是常见波长，其通过小型且便宜的波分多路复用器(WDM)可容易地彼此分开。

在与交叉点相关联的间隙宽度处，间隙宽度的小改变增大一个波长的反射功率并将另一波长的反射功率减小相似量。该推挽行为在形成声传感器时可具有优势。两个反射功率的差是任一个单独随间隙宽度中的小改变而变化时的两倍。

为了在光纤传感器阵列中实现该配置，应当考虑更多因素。

包含两个波长处的所接收功率的比率的方法可克服这些难题。在两个波长处的反射功率的能见度函数可由下式给出：

其中α是在两个波长处输入的光功率的比率。当α等于1时，两个波长处相同量的光功率传递到法布里-珀罗传感器20。

图5是作为间隙宽度的函数的能见度的曲线图。能见度在-1和+1的范围内，其在能见度约为零的传感器操作点处具有最陡峭的斜率。如该曲线图所示，在两个波长处的两个功率的显著不平衡对能见度具有最小影响。举例而言，在两个波长处的入射功率的20％不平衡对能见度函数具有很小的影响。

图6是能见度函数、或者Δ能见度在Δ间隙宽度上的斜率的曲线图。对于5nm移动的范围而言，该斜率对α＝1.0平坦至约3％。平坦斜率指示线性响应。换言之，声压中的改变在能见度函数中产生成比例的改变。随着移动范围增大，针对极大声调产生增大的谐波失真的斜率中存在更多变化性。这不同于相位生成的载波的情况，在相位生成的载波中存在突变失效。

图7图解地示出反射模式法布里-珀罗干涉仪对于以单推模式操作的两个波长的作为间隙宽度的函数的反射率。图8图解地示出反射模式法布里-珀罗干涉仪对于以单推模式操作的两个波长的作为间隙宽度的函数的反射率比。图9图解地示出反射模式法布里-珀罗干涉仪对于以单推模式操作的两个波长的作为间隙宽度的函数的反射率比的斜率。

图10和11示出用于推挽法布里-珀罗传感器的两种不同阵列体系结构的示例。图10示出时分多路复用(TDM)体系结构45，且图11示出扇出连续波(CW)体系结构47。

参考图10，一对激光器46和48分别将波长为λ_A和λ_B的光信号提供至对应光纤50和52。光纤50和52将从激光器46和48输出的信号引导至输入波分多路复用器(WDM)54。输入WDM 54将来自激光器46和48的信号输入到光纤56，该光纤56安排成将波长为λ_A和λ_B的激光信号引导至光通断开关58。将从开关58输出的信号输入到光纤耦合器(或循环器)60。两个波长λ_A和λ_B在信号传输光纤62中从耦合器60传播到法布里-珀罗传感器阵列39，该法布里-珀罗传感器阵列39包括如上参考图1所述形成的双波长法布里-珀罗传感器1-4。光耦合器C1-C3将光信号耦合至双波长法布里-珀罗传感器1-3。信号传输光纤62终止于法布里-珀罗传感器4。

从法布里-珀罗传感器1-4输出的信号在信号传输光纤62中传播回光耦合器60以便耦合至光纤64。光纤64将传感器输出信号引导至输出WDM66，输出WDM 66安排成将波长为λ_A的传感器输出信号输入到光纤68并将波长为λ_B的传感器输出信号输入到光纤70。光纤68将波长为λ_A的传感器输出信号引导至包括光电检测器72和74的光电检测器阵列73。光电检测器72还被指示为光电检测器A，且光电检测器74还被指示为光电检测器B。光纤70将波长为λ_B的传感器输出信号引导至光电检测器74。光电检测器72和74分别产生指示波长为λ_B和λ_B的信号强度的电信号，并由信号处理器76处理以确定入射声波中的压力。

脉冲的门控由所示外部通断开关58产生或者通过电流调制开通或者关断激光器46和48来产生。光开关58可以是半导体光放大器(SOA)门或者电光门。诸如用于电信的价格低廉的分布式反馈(DFB)激光器对于诸多应用而言应该是足够的。针对回到检测器的最大返回信号设计各分接耦合器的耦合比率。对于N个传感器而言，因子

管理从各传感器入射到检测器上的光量。

图11的扇出体系结构47不具有光门控，其允许低得多的带宽操作。其代价为要求多得多的检测器。然而，尤其针对低带宽操作而言，可用具有小的覆盖面积的检测器阵列。对于N个传感器而言，因子1/N管理从各传感器入射到检测器上的光量。

参考图11，扇出体系结构47包括激光器46和48，如上参考图10所述。光纤78和80分别将两个波长为λ_B和λ_B的信号引导至2x2光耦合器81，其将输入信号均等地分到光纤82和83。在光纤82中信号传播到1x2光耦合器84，其将来自光纤82的光耦合到两个光纤85和86。在光纤83中信号传播到1x2耦合器88，其将来自光纤83的光耦合到两个光纤89和90。

光纤85、86、89和90向相应的双波长法布里-珀罗传感器1-4提供波长为λ_B和λ_B两者的信号。从法布里-珀罗传感器1-4输出的信号分别耦合到WDM 92-95，WDM 92-95安排成向光电检测器阵列100提供波长为λ_A和λ_B的传感器输出信号，该光电检测器阵列100针对从各法布里-珀罗传感器1-4输出的波长为A和B的信号具有单独的光电检测器A和B。信号处理器102连接到光电检测器阵列100以接收来自光电检测器阵列100的电信号。

图12示出以传输模式操作的法布里-珀罗干涉仪103的第二实施例。法布里-珀罗干涉仪103包括图1的光纤22、插芯28、以及填充有流体的间隙36。然而，法布里-珀罗干涉仪103包括将入射光的一部分作为发散光束传输到多模光纤104的端107的隔膜35。多模光纤具有多模芯105和包层106，如图12所示。入射到多模芯105的干涉信号用于传输至光电检测器阵列100。传输模式法布里-珀罗干涉仪103具有的能见度比率可由下式表示：

其中T₁和T₂分别是波长为λ₁和λ₂时法布里-珀罗干涉仪103的传输率。

图14图解地示出对于以推挽模式操作的图9的传输模式法布里-珀罗干涉仪的作为间隙宽度的函数的信号传输。图15图解地示出对于以推挽模式操作的图9的传输模式法布里-珀罗干涉仪的作为间隙宽度的函数的输出能见度比。图16图解地示出对于以推挽模式操作的图9的传输模式法布里-珀罗干涉仪的作为间隙宽度的函数的输出能见度斜率。

图13示出包括根据图12形成的多个法布里-珀罗干涉仪5-8的传输模式传感器阵列109。阵列109包括分别提供波长为λ_A和λ_B的激光的激光器46和48。从激光器46和48输出的光信号分别输入至光纤110和112，光纤110和112的每一个连接至2X2光耦合器114。WMD 114将波长为λ_A和λ_B两者的信号耦合到光纤116和118。光纤116将其中的光信号引导至1X2光耦合器120，该光耦合器120将光信号分到分别将光提供至法布里-珀罗干涉仪5和6的光纤116和光纤122。光纤118将其中的光信号引导至1X2光耦合器124，该光耦合器124将光信号分到分别将光提供至法布里-珀罗干涉仪7和8的光纤118和光纤126。

法布里-珀罗干涉仪5-8分别向相应的WDM 128-131提供干涉信号。WDM根据波长将来自各法布里-珀罗干涉仪5-8的信号分成单独信号，以便针对各法布里-珀罗干涉仪5-8提供波长为λ_A和λ_B的单独信号。从WDM输出的信号针对各波长λ_A和λ_B入射到光电检测器A和B。

传输模式法布里-珀罗干涉仪5-8的阵列所需的耦合器少于反射模式法布里-珀罗干涉仪体系结构阵列45和47所需的耦合器，且提供增大的检测功率。

Claims

1.一种光纤传感器系统（37），包括：

产生波长为λ_A的光信号的第一相干光信号源（46），

安排成接收所述波长为λ_A的光信号的第一光纤（50），

产生波长为λ_B的光信号的第二相干光信号源（48），

安排成接收所述波长为λ_B的光信号的第二光纤（52），

安排成分别从所述第一和第二光纤（50、52）接收λ_A和λ_B的所述光信号的输入波分多路复用器（54）；

安排成从所述输入波分多路复用器（54）接收波长为λ_A和λ_B两者的光信号的信号传输光纤（62）；和

耦合到所述信号传输光纤（62）且安排成从所述信号传输光纤（62）接收波长为λ_A和λ_B的光信号的双波长法布里-珀罗干涉仪传感器（1-4）阵列（39），所述双波长法布里-珀罗干涉仪传感器（1-4）阵列（39）安排成响应于入射到所述双波长法布里-珀罗干涉仪传感器（1-4）阵列（39）的声压波来产生干涉仪输出信号；

耦合到所述信号传输光纤（62）以响应于所述干涉仪输出信号产生电信号的检测器阵列（73），

其特征在于，所述光纤传感器系统（37）还包括：

信号处理器（76），用于通过形成所述干涉仪输出信号的两功率总和除该两功率之差的比率，来处理来自所述检测器阵列的所述电信号，以指示来自所述声压波的压力，且

所述法布里-珀罗干涉仪传感器（1-4）使得所述声压波中的声压变化造成对于所述波长λ_A和λ_B的一个波长的输出强度增大，并造成对于所述另一波长的输出强度减小。

2.如权利要求1所述的光纤传感器系统（37），其特征在于，还包括安排成控制光信号通过所述信号传输光纤（62）的传输的光通断开关（58）。

3.如权利要求2所述的光纤传感器系统（37），其特征在于，所述双波长法布里-珀罗干涉仪传感器阵列（39）包括：

连接到光通断开关（58）的时分多路复用体系结构（45），其中多个光耦合器（C1-C3）将相应的多个双波长法布里-珀罗干涉仪传感器（1-4）耦合到所述信号传输光纤（62）；以及

输出波分多路复用器（66），其安排成将从所述多个法布里-珀罗干涉仪传感器输出的光信号分成具有λ_A波长的第一输出信号和具有λ_B波长的第二输出信号。

4.如权利要求1所述的光纤传感器系统，其特征在于，所述双波长法布里-珀罗干涉仪传感器（1-4）是法布里-珀罗干涉仪传感器（103），法布里-珀罗干涉仪传感器（103）形成为包括单模光纤（22）、装在所述单模光纤（22）的端部（38）以延伸超出所述端部（38）距离W_间隙的插芯（28）、装在所述插芯（28）之上用于形成被包围腔（32）的隔膜（34），所述隔膜（34）安排成接收声压波，所述隔膜（34）可相对于所述单模光纤（22）的所述端部移动以便于响应于所述声压波中的压力变化来调制所述隔膜（34）和所述单模光纤（22）的端部（38）之间的距离，在所述被包围腔（32）中存在流体；以及具有多模芯（105）的端部（107）的多模光纤（104），所述多模芯（105）安排成使在所述单模光纤（22）中传播的波长为λ_A和λ_B的光信号在所述腔（32）中遭遇多重反射且产生发散光束，所述发散光束包括穿过所述隔膜（34）传播且射入所述多模芯（105）的所述端部（107）的波长为λ_A和λ_B的干涉信号。

5.一种用于形成光纤传感器系统（37）的方法，包括以下步骤：

设置产生波长为λ_A的光信号的第一相干光信号源（46）；

安排接收所述波长为λ_A的光信号的第一光纤（50）；

设置产生波长为λ_B的光信号的第二相干光信号源（48）；

安排接收所述波长为λ_B的光信号的第二光纤（52）；

安排输入波分多路复用器（54）以分别从所述第一和第二光纤（46、48）接收所述λ_A和λ_B的光信号；

安排信号传输光纤（62）以从所述输入波分多路复用器（54）接收波长为λ_A和λ_B两者的光信号；

将双波长法布里-珀罗干涉仪传感器（1-4）阵列（39）耦合到所述信号传输光纤（62）以从其接收波长为λ_A和λ_B的光信号；

安排所述双波长法布里-珀罗干涉仪传感器（1-4）阵列（39）以响应于入射到所述双波长法布里-珀罗干涉仪传感器（1-4）阵列（39）的声压波来产生干涉仪输出信号；和

将检测器阵列（73）耦合到所述信号传输光纤（62）以响应于所述干涉仪输出信号产生电信号，

其特征在于，所述方法还包括：

通过形成所述干涉仪输出信号的两功率总和除该两功率之差的比率，来处理来自所述检测器阵列（73）的所述电信号，以指示来自所述声压波的压力，和

形成所述双波长法布里-珀罗干涉仪（1-4），使得在所述声压波中的声压变化造成对于所述波长λ_A和λ_B的一个波长的输出强度增大，并造成对于所述另一波长的输出强度减小。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括安排光通断开关（58）以控制光信号通过所述信号传输光纤（62）的传输的步骤。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

将时分多路复用体系结构（45）连接到所述光通断开关（58）；

安排多个光耦合器（C1-C3）以将相应的多个双波长法布里-珀罗干涉仪传感器耦合到所述信号传输光纤；以及

安排输出波分多路复用器（66）以将从所述多个法布里-珀罗干涉仪传感器（1-4）输出的光信号分成具有λ_A波长的第一输出信号和具有λ_B波长的第二输出信号。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述双波长法布里-珀罗干涉仪传感器（1-4）是法布里-珀罗干涉仪传感器（103），其中法布里-珀罗干涉仪传感器（103）包括单模光纤（22）、将插芯（28）装在所述单模光纤（22）的端部（38）处以延伸超出所述端部（38）距离W_间隙、将隔膜（34）装在所述插芯（28）之上用于形成被包围区域（40），安排所述隔膜（34）以接收声压波，所述隔膜（34）可相对于所述单模光纤（22）的所述端部（38）移动以便响应于所述声压波中的压力变化来调制所述隔膜（34）和所述单模光纤（22）的所述端部（38）之间的所述距离，在所述被包围区域（40）中放置流体；安排具有多模芯（105）的端部（107）的多模光纤（104），所述多模芯（105）安排成使在所述单模光纤（22）中传播的波长为λ_A和λ_B的光信号遭遇多重反射且产生发散光束，所述发散光束包括穿过所述隔膜（34）传播且射入所述多模芯（105）的所述端部（107）的波长为λ_A和λ_B的干涉信号。