CN103175557A - 一种改善光纤干涉信号稳定性的光电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改善光纤干涉信号稳定性的光电系统，本发明的方案包括光源、光纤、光纤耦合器、光电探测器和数据采集与识别处理电路等；光分顺时针和逆时针两个方向进入光学闭合回路，经过扰动信号感应光纤及耦合器形成干涉信号，由两个探测器接收。本发明解决了光纤传感器中，光纤中随机产生的双折射现象造成的干涉信号强度不够和不稳定的问题。通过上述方式，本发明能够提供多种测量光纤干涉信号的光电探测系统，它具有光纤干涉信号稳定、不受环境因素影响的优点。

Description

一种改善光纤干涉信号稳定性的光电系统

技术领域

本发明涉及光纤传感技术，具体是指一种改善光纤干涉信号稳定性的光电系统。

背景技术

本发明主要基于光学干涉原理。该光纤干涉系统是在同一光纤，即光学闭合回路中两束沿正反方向传播的来自同一激光源的光形成干涉。当光学闭合回路受到外界扰动时，沿正反方向传播的光程将受到影响。尽管两路光受到的影响是一样的，这种影响到达探测器的时间却不一样。探测器上测到的干涉光强将受到影响，从而引起相应的变化响应。

以传统的光学闭合回路干涉环为例，如图1所示，激光器发出的光经2x2耦合器分顺时针和逆时针两个方向进入光学闭合回路，经过扰动信号感应光纤及2x2耦合器再汇合到探测器形成干涉信号。任何扰动施加到光学闭合回路上，都会引起传播光的相位的变化                                               ，而这个变化到达探测器的时间差由扰动发生在光学闭合回路上的位置和光学闭合回路的长度决定。时间差越大，探测器探测到的干涉电流变化越大

             (1)

上式中

,

. 

为光学闭合回路中扰动点顺时针方向到2x2耦合器的距离，为光学闭合回路中扰动点逆时针方向到2x2耦合器的距离，

 为光在光纤中传播的速度，

 为无干涉时探测器从耦合器的一个输出端接受到的光强，

 是初始相位差，2x2耦合器将带来π 的相差，但是光纤中的双折射效应也会影响到。

当

较小时，干涉光强的变化为

          (2)

由于 2x2 耦合器的特性，在不考虑光纤中的双折射效应时,上式右边的第一项消失，因此光学闭合回路中光纤干涉系统对微小扰动的响应是扰动的平方，而不是线性响应，较难观测到干涉信号的变化。

该光学闭合回路通常用单模光纤作传感光纤，光纤中的双折射效应是不可避免的，这种双折射效应将会影响

的值。光学闭合回路干涉环的这种特性使得其干涉信号的强弱也受组成光学闭合回路的光纤中的双折射效应影响，会使光学闭合回路中的两路相反方向的光经历不同的光程，尽管它们重新汇合后仍然有相同的偏振态。光纤中的双折射效应受安装时光纤被扭曲曲率、温度变化、施加于光纤上的压力等因素的影响。所以既使相同的扰动施加于同样的两个系统，观察到的信号强弱也不会相同。同一个系统在不同的时间，如在白天和在晚上，温差使得相同的扰动也会测得不同强弱的信号。有时甚至观察不到扰动信号。这将使得系统不能稳定可靠地工作。

上述问题，是所有应用干涉原理的光纤系统都不可避免的问题；这些因素会造成光纤干涉信号不稳定、信噪比变差、系统的漏报率及误报率增高等一系列问题。

发明内容

   本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，而提供多种测量光纤干涉信号的光电探测系统，它具有光纤干涉信号稳定、信噪比得到明显改善的优点。

本发明的目的可以采用以下技术措施解决：一种改善光纤干涉信号稳定性的光电系统，它包括光源、两个光电探测器、耦合器、光纤、和数据采集与识别处理电路，光纤的两端分别与耦合器的两个同向端口相连接，光源经耦合器，分顺时针和逆时针两个方向进入光学闭合回路，经过扰动信号感应光纤回到耦合器形成干涉信号，由两个探测器接收。

优选的是，所述耦合器是多端口耦合器，至少有一边的端口数大于2个，且每边的端口数不少于2个，所述光纤为单模光纤。

优选的是，所述该光电系统设有一个白光光源，两个光电探测器，光源经耦合器分顺时针和逆时针两个方向进入光学闭合回路，经过扰动信号感应光纤回到耦合器后两路信号形成干涉信号，被两个探测器接收。

优选的是，所述耦合器是3x3耦合器，3x3耦合器分束比均为1：1: 1，所述光纤为单模光纤。

优选的是，所述耦合器是3x2耦合器，3x2耦合器分束比均为1：1: 1 和1：1，所述光纤为单模光纤。

优选的是，所述耦合器是4x4耦合器，4x4耦合器分束比均为1：1: 1 :1，所述光纤为单模光纤。

优选的是，所述耦合器是4x2耦合器，4x2耦合器分束比均为1：1: 1: 1 和1：1，所述光纤为单模光纤。

   本发明的有益效果是：

   （1）为了解决光纤中的双折射现象带来的信号不稳的问题，本发明提供的

一个方法是使用3x3,3x2,4x4或4x2耦合器，代替常用的2x2耦合器。这一设计也适用于更多输出端的均匀分配光强的耦合器，代替常用的2x2耦合器。系统通过检测两个探测器之间信号的相关性，可以有效地补偿光纤干涉信号的稳定性，使信噪比得到明显改善。这一理论也适用于更多输出端的耦合器。

（2）本发明在光学闭合回路上同时输入不同波长的光，即输入白光。因为该光学闭合回路中的双折射效应也会给不同波长的光带来不同的相差；因此，对一种波长的光而言，公式（2）中的

将会受光纤安装时光纤的扭曲曲率、温度变化、施加于光纤上的压力等因素的影响。虽然我们使用的耦合器避免了探测器测不到干涉光强变化的情况发生，但是这样测到的干涉光强变化的幅度仍然受传感光纤的双折射效应影响。在该光学闭合回路中同时输入不同波长的激光，即输入白光，因为该光学闭合回路中的干涉对相干长度的要求非常低，我们仍然能观察到干涉现象，而对不同的波长的光，公式（1）（2）中的都不相同，从而观测到的是一种平均效应，这使得观察到的干涉强度的变化更加稳定，受环境变化的影响更小。

   （3）本发明的测量可分为多个级别，分别适用于不同的噪音环境，用户也可以调到适当的级别。

附图说明

图1是传统的光学闭合回路光学干涉实施例图；

图2是本发明一种改善光纤干涉信号稳定性的光电系统实施例一示意图；

附图中各部件的标记如下：

1、白光光源；2、耦合器；3、探测器；4、光纤。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例一：如图2所示，一种改善光纤干涉信号稳定性的光电系统，它包括白光光源（1）、两个光电探测器（3）、3x3耦合器（2）、传感光纤（4）、以及数据采集与识别处理电路，光纤（4）的两端分别与3x3耦合器（2）的两个同向端口相连接，白光从白光光源（1）出来后到3x3耦合器（2），由3x3耦合器（2）出来的光经光纤（4）再回到3x3耦合器（2），构成一个光学闭合回路。所述3x3耦合器（2）分束比为1：1：1，光纤（4）为通迅单模光纤。本实施方案中的3x3耦合器（2）也可由3x2,  4x4,  4x2耦合器，或更多端口的耦合器代替，这些耦合器应能均匀分配任一通道输入的光。

本发明的测量光纤干涉信号的光电系统为了解决光纤中的双折射现象带来的信号不稳的问题，本发明提供的一个方法是使用3x3耦合器，也可用3x2, 4x4,  4x2耦合器，或更多端口的耦合器，代替常用的2x2耦合器，而两个光电探测器将接受3x3耦合器或4x4耦合器的两个输出脚的光信号。

本发明的测量可分为多个级别，分别适用于不同的噪音环境，用户也可以调到适当的级别。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种改善光纤干涉信号稳定性的光电系统，其特征是，它包括光源、两个光电探测器、耦合器、光纤、和数据采集与识别处理电路，光纤的两端分别与耦合器的两个同向端口相连接，光源经耦合器，分顺时针和逆时针两个方向进入光学闭合回路，经过扰动信号感应光纤回到耦合器形成干涉信号，由两个探测器接收。

2.根据权利要求1所述的一种改善光纤干涉信号稳定性的光电系统，其特征在于：所述耦合器是多端口耦合器，至少有一边的端口数大于2个，且每边的端口数不少于2个，所述光纤为单模光纤。

3.根据权利要求2所述的一种改善光纤干涉信号稳定性的光电系统，其特征在于：所述该光电系统设有一个白光光源，两个光电探测器，光源经耦合器分顺时针和逆时针两个方向进入光学闭合回路，经过扰动信号感应光纤回到耦合器后两路信号形成干涉信号，被两个探测器接收。

4.根据权利要求2所述的一种改善光纤干涉信号稳定性的光电系统，其特征在于：所述耦合器是3x3耦合器，3x3耦合器分束比均为1：1: 1，所述光纤为单模光纤。

5.根据权利要求2所述的一种改善光纤干涉信号稳定性的光电系统，其特征在于：所述耦合器是3x2耦合器，3x2耦合器分束比均为1：1: 1 和1：1，所述光纤为单模光纤。

6.根据权利要求1所述的一种改善光纤干涉信号稳定性的光电系统，其特征在于：所述耦合器是4x4耦合器，4x4耦合器分束比均为1：1: 1: 1，所述光纤为单模光纤。

7.根据权利要求1所述的一种改善光纤干涉信号稳定性的光电系统，其特征在于：所述耦合器是4x2耦合器，4x2耦合器分束比均为1：1: 1: 1 和1：1，所述光纤为单模光纤。

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