CN103697922A - 一种光纤f-p腔传感器的高速解调系统 - Google Patents

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周会娟
陈晋央
郭士旭
杨吉祥
贾超
黄刘宏
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Abstract

本发明公开了一种光纤F-P腔传感器的高速解调系统包括宽带光源、三端口光纤环行器、密集波分复用器、光电探测器和采集处理单元。宽带光源发出的光通过三端口光纤环行器注入光纤F-P腔传感器；光纤F-P腔传感器的反射光再次经由该光纤环形器注入密集波分复用器；经密集波分复用器滤波后将注入的宽带反射光分解为三束不同波长的窄带光；这三束窄带光波注入光电探测器，经光电转换和滤波放大后由采集处理单元进行高速采样和数据处理，计算得到待测F-P腔传感器的相位或腔长变化量。本发明不仅降低了技术难度，大幅削减了系统成本，还能够实现光纤F-P腔传感器的高速、高精度解调，特别适合动态测量，如爆炸波压力的测量等。

Description

一种光纤F-P腔传感器的高速解调系统
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，特别是涉及一种光纤F-P腔传感器的高速解调仪。
背景技术
在光纤传感系统中，解调仪的作用为：（1）连续不断的向光纤传感器发送光信号；（2）接收携带有待测量信息的载波信号，也即是光纤传感器返回的信号，在经过光电转换、信号采集、信号调理将我们需要的信息提取出来。解调仪作为整个光纤传感系统的核心部件对整个光纤传感系统的精度、分辨率等性能参数起着决定性的作用。
在众多的光纤传感器中，光纤F-P腔传感器以其结构简单、体积小、高灵敏度、快时间响应、单光纤信号传输等优点受到人们普遍的关注，并成为近年来光纤传感技术及其应用研究的热点之一，这其中也包含与其配套使用的光纤F-P腔传感器解调仪的研制。最具代表的是加拿大的FISO公司、美国的Davidson公司和加拿大的Opsens公司，他们推出的光纤F-P腔传感器解调仪，实现了对温度、压力和应变等参量的测量，并已经在土木工程中得到应用。前两家公司的解调仪采用的是非扫描式相关解调技术，Opsens解调仪采用白光偏振干涉技术，这两种技术都需要制作精良的光楔和线阵CCD，由于技术垄断，解调仪市场售价高昂；国内以重庆大学为代表的研究机构也进行了非扫描式相关解调系统的研究，开发了相应的解调系统，但光楔的设计和制作技术还不成熟，无法满足解调所需的精度和稳定性要求，距离实用化还有很大的差距。
目前在实际工程中应用的光纤F-P腔传感器解调系统大多是基于光谱仪接收的，而光谱仪价格昂贵，体积庞大，且不能实现动态参量的测量，如测量爆炸压力等。因此，研制一种低成本、高精度、高频响的光纤F-P腔传感器解调仪具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种光纤F-P腔传感器的高速解调系统，该解调系统具有测量精度高、频响高、成本低的优点。
本发明的目的可采用如下技术方案来实现：所述的光纤F-P腔传感器的高速解调系统，包括宽带光源、三端口光纤环行器、密集波分复用器、光电探测器和采集处理单元，所述的宽带光源、三端口光纤环行器、密集波分复用器和光电探测器之间通过光纤连接，所述的光电探测器与采集处理单元之间通过同轴电缆连接；宽带光源发出的光通过三端口光纤环行器注入光纤F-P腔传感器；光纤F-P腔传感器的反射光再次经由该光纤环形器注入密集波分复用器；经密集波分复用器滤波后将注入的宽带反射光分解为三束不同波长的窄带光；这三束窄带光波注入光电探测器，经光电转换和滤波放大后由采集处理单元进行高速采样和数据处理，计算得到待测F-P腔传感器的相位或腔长变化量。
所述的宽带光源为发光二极管或光纤放大自发辐射光源，其输出光谱范围至少包含1540nm、1550nm和1560nm三个波长。
所述的三端口光纤环形器中心波长是1550nm；
所述的密集波分复用器包含1个输入端口，三个输出端口，并且三个输出端口的中心波长分别位于1540nm、1550nm、1560nm附近，谱宽约0.2nm。
所述的光电探测器包含三个PIN型的光电管及其配套的低噪声滤波放大电路，整个探测器的带宽大于500kHz；
所述的光电探测器的三路输出电压应满足幅值相等、零位一致的原则。
所述的采集处理单元包含一块高速A/D采集卡和一台计算机，A/D采集卡通过数据通讯端口与计算机连接。
与现有技术相比，本发明在技术上有较大突破：本发明所述的解调方法是一种基于任意相位差的三波长解调方法，传统的三波长方法采用三个独立的激光光源，并配备有与这三个波长正好匹配的窄带光滤波器，不仅成本较高，且难以获得匹配滤波器；本发明采用宽带光源，无需光滤波器的匹配，光通信领域中技术成熟、价格低廉的密集波分复用器即可满足三波长的滤波要求，大大降低了系统成本和技术难度。同时，由于三波长方法是一种补偿型的强度解调法，使得本发明的光纤F-P腔传感器高速解调系统具有分辨率高，测量速度快，不受光源波动的影响等多方面的优点，非常适合光纤F-P腔传感器的高速解调。
附图说明
图1为本发明的系统结构原理图。
图1中1、宽带光源，2、三端口光纤环行器，3、密集波分复用器，4、光电探测器，5、采集处理单元，6、光纤F-P腔传感器。
具体实施方式
结合附图，说明本发明的具体实施例。
如图1所示：本发明的解调系统主要由宽带光源1，三端口光纤环行器2，密集波分复用器3，光电探测器4和采集处理单元5组成。所述的宽带光源1、三端口光纤环行器2、密集波分复用器3和光电探测器4之间通过光纤连接，所述的光电探测器4与采集处理单元5之间通过同轴电缆连接；宽带光源1的输出光注入三端口光纤环行器2的第一端口21，再经环行器第二端口22注入光纤F-P腔传感器6，光纤F-P腔传感器的反射光再次注入环行器的第二端口22，经由环行器的第三端口23输出后注入密集波分复用器3的输入端口31，经密集波分复用器3滤波后将注入的宽带反射光分解为三束不同波长的窄带光；这三束窄带光波由密集波分复用器3的三个输出端口32、33、34同时输出并注入光电探测器4，经光电转换和滤波放大后由采集处理单元5进行高速采样和数据处理，解调得到待测F-P腔传感器的腔长变化量。所述的宽带光源1为发光二极管或光纤放大自发辐射光源，其输出光谱范围至少包含1540nm、1550nm和1560nm三个波长。所述的三端口光纤环形器2中心波长是1550nm；所述的密集波分复用器3包含1个输入端口，三个输出端口，并且三个输出端口的中心波长分别位于1540nm、1550nm、1560nm附近，谱宽约0.2nm。所述的光电探测器4包含三个PIN型的光电管及其配套的低噪声滤波放大电路，整个探测器的带宽大于500kHz；所述的光电探测器4的三路输出电压应满足幅值相等、零位一致的原则。所述的采集处理单元5包含一块高速A/D采集卡和一台计算机，A/D采集卡通过数据通讯端口与计算机连接。
本发明的解调原理如下：
对于低反射率（即端面反射率小于10%）的光纤F-P腔传感器，传感器反射光的强度                                                
Figure 2014100090510100002DEST_PATH_IMAGE001
可近似由下式的余弦函数表示：
                                          （1）
式中，为输入光强，
Figure 669045DEST_PATH_IMAGE004
为F-P腔平均反射率，
Figure 2014100090510100002DEST_PATH_IMAGE005
为F-P腔干涉可见度，为F-P腔的相位，
                    
Figure 2014100090510100002DEST_PATH_IMAGE007
                            （2）
其中，
Figure 2014100090510100002DEST_PATH_IMAGE009
为F-P腔的长度，
Figure 285020DEST_PATH_IMAGE010
为F-P腔内介质的折射率，
Figure 2014100090510100002DEST_PATH_IMAGE011
为入射光的波长。
在上面的实施例中，光纤F-P腔传感器的宽带反射光经由1×3密集波分复用器3滤波后分解成三束不同波长的窄带光波，假设这三束光波波长分别为
Figure 808405DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 2014100090510100002DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 300566DEST_PATH_IMAGE014
，则这三路输出光的强度可以表示为
                  
Figure 2014100090510100002DEST_PATH_IMAGE015
                      （3）
式中，
Figure 103044DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 2014100090510100002DEST_PATH_IMAGE017
、
Figure 378167DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 2014100090510100002DEST_PATH_IMAGE019
、
Figure 83955DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 2014100090510100002DEST_PATH_IMAGE021
分别对应波长
Figure 481438DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 210360DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 289174DEST_PATH_IMAGE014
的入射光强和输出相位。
这三束光经光电探测器4光电转换后的电信号为
                                          （4）
将三路正弦电压信号
Figure 2014100090510100002DEST_PATH_IMAGE023
、
Figure 621116DEST_PATH_IMAGE024
和
Figure 2014100090510100002DEST_PATH_IMAGE025
经采集处理单元5进行数据采集和分析处理。根据三波长解调原理，解调仪三路光信号经光电转换和放大后，其输出的电压应尽量满足正弦信号幅值相等、零位一致的原则。由于宽带光源输出光功率谱的不平坦、光电管响应度的差异、放大电路电阻值的偏差等原因，实际制作完成的解调电路很难满足上述三路输出信号幅值及零位的要求。本项目采用对采集后数据进行数字归一化调整的方法来满足上述要求，即采用软件解调技术，具体方法如下：
首先，对采集到的每一路数据进行正弦拟合得到每路正弦信号的的零位偏移和幅度
Figure 2014100090510100002DEST_PATH_IMAGE027
，然后通过对每路正弦信号乘以系数的方法使三路电压信号的零位偏移
Figure 80358DEST_PATH_IMAGE026
和幅度
Figure 432842DEST_PATH_IMAGE027
一致，即通过数字归一化处理后的三路信号如下：
         
Figure 375390DEST_PATH_IMAGE028
                （5）
式中
Figure 2014100090510100002DEST_PATH_IMAGE029
、
Figure 875642DEST_PATH_IMAGE030
为这三束光波之间的相位差，可由前面所述的正弦拟合得到。
将式（5）的后面两式按正弦公式展开，并令：
          
Figure 2014100090510100002DEST_PATH_IMAGE031
                 （6）
可求解得出：
          
Figure 296259DEST_PATH_IMAGE032
                   （7）
    
Figure 2014100090510100002DEST_PATH_IMAGE033
              （8）
由此，根据实测的三路电压信号求得了F-P腔的相位
Figure 831145DEST_PATH_IMAGE006
，而
Figure 944595DEST_PATH_IMAGE006
与传感器F-P腔的腔长
Figure 430677DEST_PATH_IMAGE009
之间存在如式（2）所示的线性关系，据此即可求得F-P腔的腔长变化。具体地，在将本发明的解调系统用于光纤F-P腔传感器解调时，首先将传感器在实验室内进行校准，即通过校准获得待测物理量和F-P腔长度或者相位之间的线性关系，得到传感器的灵敏度系数；在实地试验测试时，利用本发明的解调系统测量得到传感器的相位或者腔长变化，根据事先标定的灵敏度系数实现待测物理量的传感。
虽然参照上述实施例详细描述了本发明的原理，但是应该理解本发明并不限于所公开的实施例。对于本专业领域的技术人员来说，可以对其形式和细节进行各种改变。本发明意欲涵盖所附权利要求书的精神和范围内的各种变型，如本发明中的三端口光纤环行器可以用光纤耦合器代替等。

Claims (7)

1.一种光纤F-P腔传感器的高速解调系统，其特征是：所述的高速解调系统包括宽带光源、三端口光纤环行器、密集波分复用器、光电探测器和采集处理单元，所述的宽带光源、三端口光纤环行器、密集波分复用器和光电探测器之间通过光纤连接，所述的光电探测器与采集处理单元之间通过同轴电缆连接；宽带光源发出的光通过三端口光纤环行器注入光纤F-P腔传感器；光纤F-P腔传感器的反射光再次经由该光纤环形器注入密集波分复用器；经密集波分复用器滤波后将注入的宽带反射光分解为三束不同波长的窄带光；这三束窄带光波注入光电探测器，经光电转换和滤波放大后由采集处理单元进行高速采样和数据处理，计算得到待测F-P腔传感器的相位或腔长变化量。
2.根据权利要求1所述的一种光纤F-P腔传感器的高速解调系统，其特征是：所述的宽带光源为发光二极管或光纤放大自发辐射光源，其输出光谱范围至少包含1540nm、1550nm和1560nm三个波长。
3.根据权利要求1所述的一种光纤F-P腔传感器的高速解调系统，其特征是：所述的三端口光纤环形器中心波长是1550nm。
4.根据权利要求1所述的一种光纤F-P腔传感器的高速解调系统，其特征是：所述的密集波分复用器包含1个输入端口，三个输出端口，并且三个输出端口的中心波长分别位于1540nm、1550nm、1560nm附近，谱宽约0.2nm。
5.根据权利要求1所述的一种光纤F-P腔传感器的高速解调系统，其特征是：所述的光电探测器包含三个PIN型的光电管及其配套的低噪声滤波放大电路，整个探测器的带宽大于500kHz。
6.根据权利要求1或5所述的一种光纤F-P腔传感器的高速解调系统，其特征是：所述的光电探测器的三路输出电压应满足幅值相等、零位一致的原则。
7.根据权利要求1所述的一种光纤F-P腔传感器的高速解调系统，其特征是：所述的采集处理单元包含一块高速A/D采集卡和一台计算机，A/D采集卡通过数据通讯端口与计算机连接。
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