CN103308086A - 多路光纤杨氏低相干干涉光纤法珀传感器复用方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多路光纤杨氏低相干干涉光纤法珀传感器复用方法与装置，该装置依光信号传输方向包括宽带光源、第一1×N耦合器、第一1×2耦合器阵列、光纤法珀传感器阵列、第二1×2耦合器阵列、第二1×N耦合器、光程差调节与校正结构、光纤杨氏干涉光程差空间线性扫描结构以及线阵光电探测器，光路中各部件之间采用多模光纤进行光信号传输。与现有技术相比，本发明实现多路传感器通道同时解调，效率高，结构设计适用于批量化制作，降低成本，具有推广价值；各传感器信号虽然在时域中相互叠加，但是在频域上相互独立，通过频域滤波分析与判定算法处理，实现各传感器信号同时、独立解调，不影响解调精度和稳定性。

Description

多路光纤杨氏低相干干涉光纤法珀传感器复用方法与装置

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，特别是涉及一种光纤法珀传感器复用方法及装置。

背景技术

光纤法珀传感器利用其法珀腔长的变化实现位移、压力、温度等物理量测量，由于其具有尺寸小、精度高、稳定性好等优点，在研究和应用领域均受到广泛关注。同时实现光纤法珀传感器多路复用，将极大降低测量系统成本，也是国内外研究人员关注的焦点之一。然而，光纤法珀传感器相比于光纤光栅等其他光纤传感器，实现多点同时传感测量的多路复用方法比较复杂。

近年来，随着研究人员对光纤法珀传感器复用方法研究的不断深入，提出了基于激光脉冲强度解调的时域复用法、基于光开关切换的空域复用法、基于发射信号频谱的频域复用法和基于低相干光程差扫描的相干复用法。而现阶段频域复用法和相干复用法，具有精度高、可实现绝对测量、复用数量大等优点，具有明显工程化应用优势。

1、频域复用法，其原理是探测光纤法珀传感器的干涉光谱，通过分析干涉光谱变化或者干涉光谱幅频特性变化，计算法珀腔长值。如Liu,T等(A frequency divisionmultiplexed low-finesse fiber optic Fabry–Perot sensor system for strain and displacementmeasurements,Review of Scientific Instruments,2000,71(3):1275-1278.)和Wang,J等(Multiplexed high temperature sensing with sapphire fiber air gap-based extrinsicFabry–Perot interferometers,Optics letters,2010,35(5):619-621.)采用光谱仪同时接收不同腔长光纤法珀传感器的干涉光谱之后，对干涉光谱进行傅里叶变换，得到幅频特性曲线，其中，每个腔长对应一个幅频特性曲线峰值，通过分析每个峰值的漂移，实现不同腔长光纤法珀传感器复用解调。

2,、相干复用法，其原理是采用低相干光源与光程差扫描匹配的方法，匹配出每个不同腔长光纤法珀传感器的腔长值。如M Singh等(Multiplexed optical fibreFabry-Perot sensors for strain metrology,Smart materials and structures,1999，8：549–553.)和Yichao Chen等(Multiplexed fiber Fabry–Perot temperature sensor systemusing white-light interferometry，Optics Letters,2002,27(11):903-905)将多个不同腔长的法珀传感器串联作为传感单元，再采用迈克尔逊干涉仪进行光程差扫描的方法，匹配出每个法珀传感器的腔长，实现法珀传感器复用解调。

然而，上述两种光纤法珀传感器复用方法均建立在不同腔长传感器复用的基础之上，传感器的制作过程中，需要精确控制各个传感器腔长，制作成本高，效率低。当前，基于MEMS加工技术容易实现腔长相同、一致性强的非本征光纤法珀传感器批量化制作，加工成本低，具有推广价值。

由上述分析可知，当光纤法珀传感器腔长相同或腔长变化过程中存在交叠情况时，上述复用方法将不再适用。

本发明所涉及的解调方法是基于低相干干涉理论。低相干干涉是指宽带光源产生的干涉，只有当光程差小于光源的相干长度时，才产生干涉条纹。当光程差为零时，干涉条纹对比度最强，即对应于干涉条纹包络峰值。低相干干涉测量即利用这一原理，系统由传感干涉仪(传感器)和解调干涉仪(解调仪)构成，当两者产生的光程差相等时，即匹配出零光程差，此时对应输出的低相干干涉条纹包络峰值。当传感器产生的光程差受外界待测量调制而发生变化时，解调干涉仪与之扫描匹配的光程差也将发生漂移，更直观的表现即为低相干干涉条纹发生漂移。测量过程中，通过精确确定低相干干涉条纹峰值位置，即可实现待测物理量的解调。多光纤杨氏低相干干涉光纤法珀传感器复用方法各个光纤法珀传感器通道对应的解调干涉仪光程差扫描范围不同，从而导致各通道间输出的低相干干涉信号频谱不同。各光纤法珀传感器通道反射光信号经过光纤阵列入射到光纤杨氏干涉仪，线阵光电探测器记录各通道叠加在一起的低相干干涉条纹，即所记录的干涉条纹中包含所有通道光程差信息。此时，在空域上各个信号相互交叠，无法解调出各通道信息。本发明通过傅里叶变换得到该低相干干涉条纹对应的幅频特性曲线。在频域中，各通道频域分量相互独立。根据各通道频域分量特性，依次构造带通滤波器，对幅频特性曲线滤波后，做傅里叶逆变换，即可还原各传感器通道独立低相干干涉条纹，实现各光纤法珀传感器信息彼此分离，进而同时分别确定各通道低相干干涉条纹包络峰值位置，完成各传感器通道同时、独立复用解调。

发明内容

基于现有技术中存在的问题，本发明提出一种多路光纤杨氏低相干干涉光纤法珀传感器复用方法与装置，采用多路传感通道设计，且其上所使用的光纤法珀传感器的腔长一致，其方法适用于多路传感器、多测量点、多参量的并行、独立测量，实现位移、压力、应变、温度、折射率等可转化为法珀腔长变化的物理量的高精度解调。。

本发明的提出的一种多路光纤杨氏低相干干涉光纤法珀传感器复用装置，该装置依光信号传输方向包括宽带光源、第一1×N耦合器、第一1×2耦合器阵列、光纤法珀传感器阵列、第二1×2耦合器阵列、第二1×N耦合器、光程差调节与校正结构、光纤杨氏干涉光程差空间线性扫描结构以及线阵光电探测器，光路中各部件之间采用多模光纤进行光信号传输，其中：

所述宽带光源，用于为整个装置提供低相干光源；

所述第一1×N耦合器，将宽带光源输出的低相干光同时分成N束光，并同时分别传输到1、2、……N路传感通道，构成N路传感通道，每路传感通道均由2个1×2耦合器、光纤法珀传感器和光程差调节与校正结构组成；

所述第一、第二1×2耦合器阵列，分别由1、2、……N号1×2耦合器构成，每个1×2耦合器对应一个传感通道：

由第一1×N耦合器分束后的光分别经过第一1×2耦合器阵列的各1×2耦合器，输入到光纤法珀传感器阵列中的各光纤法珀传感器；

光纤法珀传感器，由两个反射面和一个腔体构成，第一反射面作为参考面，第二反射面作为敏感面；所产生的两束反射光形成干涉光信号，作为传感干涉结果，且两者之间存在的光程差为光纤法珀传感器腔长的2倍；各光纤法珀传感器产生的干涉光信号反射依次经过分别属于第一1×2耦合器阵列和第二1×2耦合器阵列的2个1×2耦合器入射到光程差调节与校正结构；且第二1×N耦合器阵列中各1×2耦合器还分别与第二1×N耦合器连接；

光程差调节与校正结构，包括由两路光传输臂构成的马赫泽德干涉仪，其中一路光传输臂作为参考光，光程固定；另一路光传输臂包含第一、第二自聚焦透镜和一个纳米位移台，光程可调；调节和校正扫描光程差起点，作为信号光；光纤法珀传感器干涉光信号反射依次经过分别属于第一1×2耦合器阵列和第二1×2耦合器阵列的2个1×2耦合器入射到光程差调节与校正结构后，均分成两束光，第一束光经过参考光传输臂产生L_i1的光程，第二束光经过信号光传输臂产生L_i2的光程，信号光传输臂中，第二个自聚焦透镜与纳米位移台相连，调节两个自聚焦透镜之间的准直空间光束长度，从而改变光程L_i2，进行扫描光程差起点调节与校正；

光纤杨氏干涉光程差空间线性扫描结构，包括参考光输出光纤与信号光输出光纤封装成的光纤阵列，光纤间距为id；其中光纤阵列第一道对应参考光输出，从第二道开始依次为各通道信号光输出；参考光与信号光在空间传输过程中产生干涉，构成光纤杨氏干涉仪，作为解调干涉结果，光程差沿垂直于光传输方向呈线性分布；

线阵光电探测器，用于接收各个传感通道输出的叠加低相干干涉光信号，并转换成电信号。

所述纳米位移台移动第二自聚焦透镜，改变信号臂光程L_i2，调节和校正光纤杨氏干涉仪的扫描光程差起点是L_i1-L_i2。

该装置还包括数据采集卡和计算机，所述线阵光电探测器的输出通过数据采集卡采集，到计算机中做数据处理，数据处理包括：

（1）、对所采集电信号进行快速傅里叶变换，得到频域幅频特性曲线，由于各个通道低相干干涉信号频率不同，因而各通道信号频域分量各自分离、独立；

（2）、构造与各通道信号相匹配的带通滤波函数，分别滤出各通道频域分量；

（3）、分别将滤波后的频域分量做快速傅里叶逆变换，从而还原出各通道传感器独立的低相干干涉条纹；

（4）、通过标定算法，分别确定各通道传感器对应低相干干涉条纹峰值，最终通过确定干涉条纹峰值位置实现光纤法珀传感器复用解调。

所述宽带光源，根据线阵光电探测器感光要求，包括白光LED光源、卤素灯、氙气灯和ASE光源。

所述线阵光电探测器，根据光源光谱波段，选择线阵CCD相机，线阵CMOS相机，线阵砷化镓铟光电探测器。

本发明还提出了一种多光纤杨氏低相干干涉光纤法珀传感器复用方法，该方法包括以下具体步骤：

步骤一、将宽带光源出射的低相干光通过第一1×N耦合器分成N束光，每束光对应入射到一个传感通道，构成N路传感通道；每路传感通道均由2个1×2耦合器、光纤法珀传感器和光程差调节与校正结构组成；

步骤二、实现每个传感通道的相同的光传输过程：即，光经第一1×N耦合器分束的光经过第一耦合器阵列的各个1×2耦合器入射到光纤法珀传感器，产生的两束反射光形成干涉光信号且两者之间存在的光程差为光纤法珀传感器腔长的2倍；

步骤三、光纤法珀传感器反射光信号依次经过分别属于第一、第二耦合器阵列的2个1×2耦合器入射到光程差调节与校正结构后，均分成两束光，第一束光经过参考臂产生L_i1的光程，第二束光经过信号臂产生L_i2的光程，信号臂中，第二个自聚焦透镜与纳米位移台相连，调节两个自聚焦透镜之间的准直空间光束长度，从而改变光程Li_2，进行扫描光程差起点调节与校正；

步骤四、上述光程差起点调节与校正结果输入光纤杨氏干涉光程差空间线性扫描结构，参考光与信号光在空间传输过程中产生干涉，构成光纤杨氏干涉仪，光程差沿垂直于光传输方向呈线性分布；

步骤五、用线阵光电探测器记录解调低相干干涉信号，定义光程差线性分布方向为x轴，则光程差分布表示为

${\mathrm{\Δ}}_i=\frac{\mathrm{id}\·x}{D};$

上式中，i表示通道序号，d表示光纤阵列中相邻两光纤之间的中心间隔，D表示线阵光电探测器与光纤端面的距离。传感干涉结果与解调干涉结果的光程差叠加后表示为

Δ＝2ΔL_i-(l_i1-l_i2+Δ_i)；

上式中，ΔL_i表示传感器产生的光程差，l_i1-l_i2表示光程差调节与校正结构产生的光程差，Δ_i表示光纤杨氏干涉光程差空间线性扫描结构产生的光程差。当光程差Δ=0时，对应输出低相干干涉条纹包络峰值；通过精确确定各通道输出低相干干涉信号包络峰值位置x，即可实现腔长ΔL_i的解调；

步骤六、线阵光电探测器接收各个传感通道输出的叠加低相干干涉光信号，并转换成电信号。

所述步骤三通过纳米位移台移动第二自聚焦透镜，改变信号臂光程L_i2，调节和校正光纤杨氏干涉仪的扫描光程差起点是L_i1-L_i2。

所述步骤六还包括以下步骤：

所述线阵光电探测器的输出通过数据采集卡采集，到计算机中做数据处理，数据处理过程为：

1、对步骤五所采集电信号进行快速傅里叶变换，得到频域幅频特性曲线，由于各个通道低相干干涉信号频率不同，因而各通道信号频域分量各自分离、独立；

2、构造与各通道信号相匹配的带通滤波函数，分别滤出各通道频域分量；

3、分别将滤波后的频域分量做快速傅里叶逆变换，从而还原出各通道传感器独立的低相干干涉条纹；

4、通过标定算法，分别确定各通道传感器对应低相干干涉条纹峰值，最终通过确定干涉条纹峰值位置实现光纤法珀传感器复用解调。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果：

1、相比于现有的基于激光脉冲强度解调时域复用法、基于光开关切换空域复用法，本发明实现多路传感器通道同时解调，不存在解调速率受切换时间限制的问题。

2、相比于现有的基于发射信号频谱频域复用法和基于低相干光程差扫描相干复用法，本发明不受传感器腔长不同和腔长变化必须避免交叠的限制的问题。适用于基于MEMS加工技术完成的腔长一致、批量化制作的非本征光纤法珀传感器复用解调，降低系统的成本，具有推广价值。

3、各传感器信号虽然在时域中相互叠加，但是在频域上相互独立，通过频域滤波

分析与判定算法处理，实现各传感器信号同时、独立解调，解调精度不受色散因素影响，光程差空间分布线性扫描，解调过程无机械运动而保证解调稳定性高；不影响解调精度和稳定性。

附图说明

图1是多路光纤杨氏低相干干涉光纤法珀传感器复用系统装置图；

图2是光纤法珀传感器阵列及光纤法珀传感器传感原理示意图；

图3是第i通道光程差调节与校正结构示意图；

图4是光纤杨氏干涉光程差空间线性扫描结构示意图；

图5是光纤阵列中参考光信号与各通道光信号输出端面分布图；

图6是各个通道扫描光程差随线阵光电探测器像元位置变化曲线；

图7是线阵光电探测器接收的前四通道低相干干涉信号叠加波形。

图8是低相干干涉信号叠加波形的幅频特性曲线；

图9是前四通道对应的低相干干涉条纹分离结果。

图中，1、宽带光源，2、第一1×N耦合器，3、多模光纤，4、1×2耦合器，5、第一1×2耦合器阵列，6、光纤法珀传感器，7、光纤法珀传感器阵列，8、1×2耦合器，9、第二1×2耦合器阵列，10、第二1×N耦合器，11、光程差调节与校正结构，12、第一自聚焦透镜，13、第二自聚焦透镜，14、空间准直光束，15、纳米位移台，16、光纤杨氏干涉光程差空间线性扫描结构，17、光纤阵列，18、空间光束，19、线阵光电探测器，20、光纤阵列端面，21、参考光信号输出光纤，22、各通道光信号输出光纤，23、第一通道光程差扫描曲线，24、第二通道光程差扫描曲线，25、第三通道光程差扫描曲线，26、第四通道光程差扫描曲线，27、第五通道光程差扫描曲线，28、光纤法珀传感器第一反射面，29、光纤法珀传感器第二反射面，30、光纤法珀传感器第一反射光，31、光纤法珀传感器第二反射光，32、光程差调节与校正结构的参考臂，33、光程差调节与校正结构的信号臂，34、前四通道低相干干涉信号叠加波形，35、背景频域分量，36、第一通道频域分量，37、第二通道频域分量，38、第三通道频域分量，39、第四通道频域分量，40、第一通道低相干干涉信号，41、第二通道低相干干涉信号，42、第三通道低相干干涉信号，43、第四通道低相干干涉信号，44、柱面镜，45、数据采集卡，46、计算机。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述，这些实施方式若存在示例性的内容，不应解释成对本发明的限制。

实施例1：多光纤杨氏低相干干涉光纤法珀传感器复用系统装置

如图1所示，该装置组成包括宽带光源1、第一1×N耦合器2、第一1×2耦合器阵列5、光纤法珀传感器阵列7、光程差调节与校正结构11、光纤杨氏干涉光程差空间线性扫描结构16、线阵光电探测器19、数据采集卡45和计算机46，光路各部件之间采用多模光纤3进行光信号传输。具体的光信号传感步骤是：第一、将宽带光源1出射的低相干光通过第一1×N耦合器2分成N束光，每束光对应入射到一个传感通道，构成N个传感通道。每个传感通道均由2个耦合器（1×2耦合器4和1×2耦合器8）、光纤法珀传感器6和光程差调节与校正结构11组成。第二、光经1×N耦合器2分束后，经过1×2耦合器阵列5入射到光纤法珀传感器阵列7。光纤法珀传感器阵列7如图2所示，由1、2……N号光纤法珀传感器构成，每个传感器对应一个传感通道，传感器存在光纤法珀传感器第一反射面28和光纤法珀传感器第二反射面29，两反射光信号30、31产生干涉，并包含2倍法珀腔长的光程差信息2ΔLi。第三、光纤法珀传感器阵列7反射光信号依次经过2个1×2耦合器阵列5、9入射到光程差调节与校正结构11，光被均分成两束光，如图3所示。光程差调节与校正结构的参考臂32与信号臂33构成马赫泽德干涉仪，第一束光经过参考臂32产生Li1的光程，第二束光经过信号臂33产生li2的光程。信号臂33中，存在两个自聚焦透镜12、13和一个纳米位移台15，其中第一自聚焦透镜12固定设置于信号臂33上，第二自聚焦透镜13与纳米位移台15相连，其可以随着纳米位移台15移动以便调节两个自聚焦透镜之间的准直空间光束14长度，从而改变光程Li2，进行扫描光程差起点调节与校正。第四、参考光输出光纤21与信号光输出光纤22封装成光纤阵列17，如图4、5所示。光纤杨氏干涉仪16中，光纤阵列17后端放置一个柱面镜44将光会聚到与光纤阵列端面20距离为D的线阵光电探测器19上。第五、各通道的参考光通过一个1×N耦合器合成一束光，即每个通道的参考光输出光纤相同，光纤阵列端面20显示出参考光输出光纤与各通道信号光输出光纤位置，如图5所示，各个通道信号光输出信号光纤22与参考光输出光纤21间距呈等间距d分布，在垂直于光传输方向，光程差呈线性分布，定义光程差线性分布方向为x轴，则第i通道的光程差分布可表示为

传感器与解调仪光程差叠加后表示为Δ＝2ΔL_i-(l_i1-l_i2+Δ_i)，当光程差Δ=0时，对应输出低相干干涉条纹包络峰值，通过精确确定各通道输出低相干干涉信号包络峰值位置x，即可实现腔长ΔL_i的解调。由于各个通道对应不同的扫描范围0～Δi，如图6所示，导致各通道低相干干涉信号频率不同。线阵光电探测器19接收各个通道输出的叠加低相干干涉光信号转换成电信号之后，通过数据采集卡45输入到计算机46中，再进一步做傅里叶变换、带通滤波、傅里叶逆变换、标定算法等数据处理，实现多通道光纤法珀传感器同时、独立复用解调。

实施例2：光纤杨氏低相干干涉信号解调模型与理论分析

低相干干涉是指宽带光源产生的干涉，只有当光程差小于光源的相干长度时，才产生干涉条纹。当光程差为零时，干涉条纹对比度最强，当光程差逐渐增大时，干涉条纹可见度逐渐降低。即可得出结论：在光程差为零时，对应低相干干涉条纹包络峰值。这一结论即为基于低相干干涉测量的基础。

采用高斯光谱低相干光源，对本发明所述复用方法详细分析。第i通道中，传感器产生光程差表示为2ΔL_i，光纤杨氏干涉仪的扫描光程差起点是L_i1－L_i2，光程差扫描随线阵光电探测像元位置x表示为

则归一化低相干干涉条纹光强函数表示为：

$I_i(\mathrm{\λ},\mathrm{\ΔL},x)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}S\left(\mathrm{\λ}\right)\·I_i(\mathrm{\λ},{\mathrm{\ΔL}}_i)\·I_i(\mathrm{\λ},x)\mathrm{d\λ}---\left(1\right)$

$S\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{2\sqrt{1n2}}{\mathrm{\Δ\λ}\sqrt{\mathrm{\π}}}\exp [-(2\sqrt{1n2}\frac{\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_0}{\mathrm{\Δ\λ}}{)}^2]---\left(2\right)$

$I_i(\mathrm{\λ},\mathrm{\ΔL})=1-\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}\·2\mathrm{\Δ}{L}_i}{\mathrm{\λ}}\right)---\left(3\right)$

$I_i(\mathrm{\λ},x)=1-\cos \left[\frac{2\mathrm{\π}\·(l_{i1}-l_{i2}+{\mathrm{\Δ}}_i)}{\mathrm{\λ}}\right]---\left(4\right)$

上式(1)～(4)中，i=1、2……N，表示通道编号，λ表示光源波长，λ₀表示光源的中心波长，Δλ表示光源3dB带宽，S(λ)表示光源光谱函数，I_i(λ,ΔL)表示i通道传感器归一化干涉光强函数，I_i(λ,x)表示i通道解调仪归一化干涉光强函数。对公式(1)化简之后，得i通道低相干干涉条纹光强函数表达式：

$I_i\left(x\right)=I_0+\mathrm{\α}\·\exp \{-{\left\{\frac{[\mathrm{\π}\·(l_{i1}-l_{i2}+{\mathrm{\Δ}}_i)-\mathrm{\π}\·2{\mathrm{\ΔL}}_i]\mathrm{\Δ\ν}}{2\sqrt{\ln 2c}}\right\}}^2\}$

$\·\cos \left\{\frac{[2\mathrm{\π}\·(l_{i1}-l_{i2}+{\mathrm{\Δ}}_i)-\mathrm{\π}\·{4\mathrm{\ΔL}}_i]{\mathrm{\ν}}_0}{c}\right\}---\left(5\right)$

上式(5)中，I₀表示背景光强，α为系数，ν₀表示中心频率，Δν表示频率3dB带宽，c为光速。由上式(5)看出，i通道输出的相干干涉条纹是一个受高斯函数调制的余弦信号，当l_i1-l_i2+Δ_i＝2ΔL_i时，对应高斯函数的峰值，即为低相干干涉条纹包络峰值。因为Δ_i是x的函数，所以有表达式：

通过精确确定峰值位置x，即实现法珀腔长ΔL_i的解调。

各通道光信号叠加之后，线阵光电探测器19接收的光信号函数表达式为：

$I(\mathrm{\λ},\mathrm{\ΔL},x)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}S\left(\mathrm{\λ}\right)\·I_i(\mathrm{\λ},{\mathrm{\ΔL}}_i)\·I_i(\mathrm{\λ},x)\mathrm{d\λ}---\left(6\right)$

化简后为：

$I\left(x\right)=I_0^{\′}+\mathrm{\β}\·\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\exp \left\{{-\left\{\frac{[\mathrm{\π}\·(l_{i1}-l_{i2}+{\mathrm{\Δ}}_i)-\mathrm{\π}\·{2\mathrm{\ΔL}}_i]\mathrm{\Δ\ν}}{2\sqrt{\ln 2}c}\right\}}^2\right\}$

$\·\cos \left\{\frac{[2\mathrm{\π}\·(l_{i1}-l_{i2}+{\mathrm{\Δ}}_i)-\mathrm{\π}\·4\mathrm{\Δ}{L}_i]{\mathrm{\ν}}_0}{c}\right\}---\left(7\right)$

上式(7)中，I₀′表示背景光强，β为系数。由上式(7)余弦项看出，由于各通道之间Δ_i不同，导致余弦函数周期不同，即表现为各通道信号的频谱相互独立。

实施例3：光纤法珀传感器复用方法的数据处理过程

以前四通道光纤法珀传感器复用为例，对本发明所述复用方法的数据处理进行详细分析。所述前四个通道对应的光纤法珀传感器腔长分别是ΔL₁=12μm，ΔL₂=25μm，ΔL₃=25μm，和ΔL₄=40μm。光纤阵列17中每两相邻光纤之间的间距为d=125μm，光纤阵列端面20距离线阵光电探测器19的间距为D=90mm。如图7所示，线阵光电探测器19记录了前四通道低相干干涉信号叠加波形34，1、2、3、4通道解调低相干干涉信号峰值在线阵光电探测器19的位置分别对应为x₃、x₄、x₂、x₁（如图9所示）。当四通道信号在空域中存在严重重叠时，就无法有效实现各通道解调。然而在频域中，通过带通滤波有效将各通道信号分离，再分别做标定算法处理，即可实现各通道同时、独立复用解调。具体数据处理过程是：(1)对低相干干涉信号叠加波形34进行快速傅里叶变换，得到频域幅频特性曲线，如图8所示，由于各个通道信号频率不同，因而各通道信号频域分量各自分离、独立，图8中35表示背景分量，36、37、38、39分别表示1、2、3、4通道信号频域分量；(2)构造与各通道信号相匹配的带通滤波函数，分别滤出各通道频域分量；(3)分别将滤波后的频域分量做快速傅里叶逆变换，从而还原出各通道传感器独立的低相干干涉条纹，如图9所示，41、42、43、44分别表示从原始的低相干干涉信号叠加波形34中分离出来的1、2、3、4通道低相干干涉信号，分离出的四个通道低相干干涉信号峰值位置依然保持不变；(4)通过标定算法，分别确定各通道传感器对应低相干干涉条纹峰值，最终通过确定干涉条纹峰值位置实现光纤法珀传感器复用解调。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，用于帮助理解本发明的方法及核心思想，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，所以本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种多路光纤杨氏低相干干涉光纤法珀传感器复用装置，其特征在于，该装置依光信号传输方向包括宽带光源、第一1×N耦合器、第一1×2耦合器阵列、光纤法珀传感器阵列、第二1×2耦合器阵列、第二1×N耦合器、光程差调节与校正结构、光纤杨氏干涉光程差空间线性扫描结构以及线阵光电探测器，光路中各部件之间采用多模光纤进行光信号传输，其中：

所述宽带光源，用于为整个装置提供低相干光源；

所述第一1×N耦合器，将宽带光源输出的低相干光同时分成N束光，并同时分别传输到1、2、……N路传感通道，构成N路传感通道，每路传感通道均由2个1×2耦合器、光纤法珀传感器和光程差调节与校正结构组成；

所述第一、第二1×2耦合器阵列，分别由1、2、……N号1×2耦合器构成，每个1×2耦合器对应一个传感通道：

由第一1×N耦合器分束后的光分别经过第一1×2耦合器阵列的各1×2耦合器，输入到光纤法珀传感器阵列中的各光纤法珀传感器；

光纤法珀传感器，由两个反射面和一个腔体构成，第一反射面作为参考面，第二反射面作为敏感面；所产生的两束反射光形成干涉光信号，作为传感干涉结果，且两者之间存在的光程差为光纤法珀传感器腔长的2倍；各光纤法珀传感器产生的干涉光信号反射依次经过分别属于第一1×2耦合器阵列和第二1×2耦合器阵列的2个1×2耦合器入射到光程差调节与校正结构；且第二1×2耦合器阵列中各1×2耦合器还分别与第二1×N耦合器连接；

光程差调节与校正结构，包括由两路光传输臂构成的马赫泽德干涉仪，其中一路光传输臂作为参考光，光程固定；另一路光传输臂包含第一、第二自聚焦透镜和一个纳米位移台，光程可调；调节和校正扫描光程差起点，作为信号光；光纤法珀传感器干涉光信号反射依次经过分别属于第一1×2耦合器阵列和第二1×2耦合器阵列的2个1×2耦合器入射到光程差调节与校正结构后，均分成两束光，第一束光经过参考光传输臂产生L_i1的光程，第二束光经过信号光传输臂产生L_i2的光程，信号光传输臂中，第二个自聚焦透镜与纳米位移台相连，调节两个自聚焦透镜之间的准直空间光束长度，从而改变光程L_i2，进行扫描光程差起点调节与校正；

光纤杨氏干涉光程差空间线性扫描结构，包括参考光输出光纤与信号光输出光纤封装成的光纤阵列，光纤间距为id；其中光纤阵列第一道对应参考光输出，从第二道开始依次为各通道信号光输出；参考光与信号光在空间传输过程中产生干涉，构成光纤杨氏干涉仪，作为解调干涉结果，光程差沿垂直于光传输方向呈线性分布；

线阵光电探测器，用于接收各个传感通道输出的叠加低相干干涉光信号，并转换成电信号。

2.如权利要求1所述的多路光纤杨氏低相干干涉光纤法珀传感器复用装置，其特征在于，所述纳米位移台移动第二自聚焦透镜，改变信号臂光程L_i2，调节和校正光纤杨氏干涉仪的扫描光程差起点是L_i1-L_i2。

3.如权利要求1所述的多路光纤杨氏低相干干涉光纤法珀传感器复用装置，其特征在于，该装置还包括数据采集卡和计算机，所述线阵光电探测器的输出通过数据采集卡采集，到计算机中做数据处理，数据处理包括：

（1）、对所采集电信号进行快速傅里叶变换，得到频域幅频特性曲线，由于各个通道低相干干涉信号频率不同，因而各通道信号频域分量各自分离、独立；

（2）、构造与各通道信号相匹配的带通滤波函数，分别滤出各通道频域分量；

（3）、分别将滤波后的频域分量做快速傅里叶逆变换，从而还原出各通道传感器独立的低相干干涉条纹；

（4）、通过标定算法，分别确定各通道传感器对应低相干干涉条纹峰值，最终通过确定干涉条纹峰值位置实现光纤法珀传感器复用解调。

4.如权利要求1所述的多路光纤杨氏低相干干涉光纤法珀传感器复用装置，其特征在于，所述宽带光源，根据线阵光电探测器感光要求，包括白光LED光源、卤素灯、氙气灯和ASE光源。

5.如权利要求1所述的多路光纤杨氏低相干干涉光纤法珀传感器复用装置，其特征在于，所述线阵光电探测器，根据光源光谱波段，选择线阵CCD相机，线阵CMOS相机，线阵砷化镓铟光电探测器。

6.一种多路光纤杨氏低相干干涉光纤法珀传感器复用方法，其特征在于，该方法包括以下具体步骤：

步骤一、将宽带光源出射的低相干光通过第一1×N耦合器分成N束光，每束光对应入射到一个传感通道，构成N路传感通道；每路传感通道均由2个1×2耦合器、光纤法珀传感器和光程差调节与校正结构组成；

步骤二、实现每个传感通道的相同的光传输过程：即，光经第一1×N耦合器分束的光经过第一耦合器阵列的各个1×2耦合器入射到光纤法珀传感器，产生的两束反射光形成干涉光信号且两者之间存在的光程差为光纤法珀传感器腔长的2倍；

步骤三、光纤法珀传感器反射光信号依次经过分别属于第一、第二耦合器阵列的2个1×2耦合器入射到光程差调节与校正结构后，均分成两束光，第一束光经过参考臂产生L_i1的光程，第二束光经过信号臂产生L_i2的光程，信号臂中，第二个自聚焦透镜与纳米位移台相连，调节两个自聚焦透镜之间的准直空间光束长度，从而改变光程L_i2，进行扫描光程差起点调节与校正；

步骤四、上述光程差起点调节与校正结果输入光纤杨氏干涉光程差空间线性扫描结构，参考光与信号光在空间传输过程中产生干涉，构成光纤杨氏干涉仪，光程差沿垂直于光传输方向呈线性分布；

步骤五、用线阵光电探测器记录解调低相干干涉信号，定义光程差线性分布方向为x轴，则光程差分布表示为

${\mathrm{\Δ}}_i=\frac{\mathrm{id}\·x}{D}$

上式中，i表示通道序号，d表示光纤阵列中相邻两光纤之间的中心间隔，D表示线阵光电探测器与光纤端面的距离；

传感干涉结果与解调干涉结果的光程差叠加后表示为

Δ＝2ΔL_i-(l_i1-l_i2+Δ_i)，

上式中，ΔL_i表示传感器产生的光程差，l_i1-l_i2表示光程差调节与校正结构产生的光程差，Δ_i表示光纤杨氏干涉光程差空间线性扫描结构产生的光程差；

当光程差Δ=0时，对应输出低相干干涉条纹包络峰值；通过精确确定各通道输出低相干干涉信号包络峰值位置x，即可实现腔长ΔL_i的解调；

步骤六、线阵光电探测器接收各个传感通道输出的叠加低相干干涉光信号，并转换成电信号。

7.如权利要求6所述的多路光纤杨氏低相干干涉光纤法珀传感器复用方法，其特征在于，所述步骤三通过纳米位移台移动第二自聚焦透镜，改变信号臂光程L_i2，调节和校正光纤杨氏干涉仪的扫描光程差起点是L_i1-L_i2。

8.如权利要求6所述的多路光纤杨氏低相干干涉光纤法珀传感器复用方法，其特征在于，所述步骤六还包括以下步骤：

所述线阵光电探测器的输出通过数据采集卡采集，到计算机中做数据处理，数据处理过程为：

（1）、对步骤五所采集电信号进行快速傅里叶变换，得到频域幅频特性曲线，由于各个通道低相干干涉信号频率不同，因而各通道信号频域分量各自分离、独立；

（2）、构造与各通道信号相匹配的带通滤波函数，分别滤出各通道频域分量；

（3）、分别将滤波后的频域分量做快速傅里叶逆变换，从而还原出各通道传感器独立的低相干干涉条纹；

（4）、通过标定算法，分别确定各通道传感器对应低相干干涉条纹峰值，最终通过确定干涉条纹峰值位置实现光纤法珀传感器复用解调。

Images