CN104792402A - 一种基于光纤萨格纳克干涉仪的声波传感测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤萨格纳克干涉仪的声波传感测量装置，包括单色光源、光纤耦合器、第一单模光纤、少模光纤、第二单模光纤、长周期光纤光栅、第三单模光纤、光电探测器和示波器；在光纤耦合器的第三端和第四端之间的第一单模光纤、少模光纤、第二单模光纤、长周期光纤光栅、第三单模光纤依次连接构成了萨格纳克闭环结构；长周期光纤光栅与少模光纤在萨格纳克闭环内实现了级联；当外界声波作用于该装置的长周期光纤光栅时，其曲率受到声频信号的调制，进而导致其损耗峰处的谐振波长发生漂移，通过斜边解调的方式解析损耗峰斜边对应波长处光功率变化解调出待测的声波信号，以实现对声波信号的传感测量。

Description

一种基于光纤萨格纳克干涉仪的声波传感测量装置

技术领域

本发明属于光纤声波测量技术领域，具体的，涉及一种基于光纤萨格纳克干涉仪的声波传感测量装置。

背景技术

近年来，由于自然灾害的频繁发生，光纤声波传感器逐渐进入人们的视野，在水听器、地震预报、石油勘探、安全检测、军事等领域均有重要的应用。光纤声波传感器主要是通过探测声压实现声波探测，与普通的电学声波传感器相比，光纤传感器具有极强的抗干扰能力，能在强电磁强辐射场合中使用，有极高的探测灵敏度，系统的响应范围大、耐腐蚀。

现有技术中基于法布里-珀罗干涉仪的光纤声波传感器，是通过声波引起构成法布里-珀罗腔(Fabry-Perot腔，FP腔)的薄膜振动，从而影响了FP腔的腔长，进而改变其输出光信号，这种方案的传感头制造较复杂，且信号解调难度较大。

现有技术中基于马赫-泽德干涉仪(Mach-ZehnderInterferometer,MZI)的光纤声波传感结构，采用MZI的一臂作为参考，另外一臂上的裸纤作传感臂，在外界声压的作用下产生形变，分别对声波频率和声压大小进行测量，这种结构需要用到两个光纤耦合器，且MZI的传感臂中需要对光纤进行合适的绕制，系统结构较为复杂。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于光纤萨格纳克干涉仪的声波传感测量装置，其目的在于通过单模光纤、少模光纤和长周期光纤光栅构成萨格纳克光纤闭环，且长周期光纤光栅与少模光纤在萨格纳克闭环内级联；通过级联实现少模光纤的干涉谱与长周期光纤光栅的损耗峰叠加以增加声波传感测量装置工作波长处输出光谱的斜率，以提高声波探测灵敏度。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于光纤萨格纳克干涉仪的声波传感测量装置，包括单色光源、光纤耦合器、第一单模光纤、少模光纤、第二单模光纤、长周期光纤光栅、第三单模光纤和光电探测器；

其中，光纤耦合器的第一端口连接单色光源的输出端；第一单模光纤的第一端连接光纤耦合器的第三端口；少模光纤的两端分别与第一单模光纤的第二端和第二单模光纤的第一端横向错位相连接；长周期光纤光栅的第一端连接第二单模光纤的第二端；第三单模光纤的第一端连接长周期光纤光栅的第二端；光纤耦合器的第四端口连接第三单模光纤的第二端；光电探测器的输入端连接光纤耦合器的第二端口；

其中，光纤耦合器的第三端口和第四端口之间的第一单模光纤、少模光纤、第二单模光纤、长周期光纤光栅、第三单模光纤依次连接构成了萨格纳克闭环结构；单色光源、光纤耦合器与萨格纳克闭环结构构成萨格纳克干涉仪；其中，长周期光纤光栅与少模光纤在萨格纳克闭环内实现了级联，通过级联实现少模光纤的干涉谱与长周期光纤光栅的损耗峰叠加以增加声波传感测量装置工作波长处输出光谱的斜率，进而提高探测灵敏度；

光电探测器用于探测自耦合器的第二端输出的光信号并将其转化为电信号；

用于声波测量时，将单色光源的波长设定在长周期光纤光栅的损耗峰斜边的线性区中心处；当声波作用于长周期光纤光栅时，由振动引起的光栅曲率变化使得长周期光纤光栅的损耗峰对应的谐振波长发生漂移；波长的漂移表现为光电探测器探测到的光功率变化；从而可采用单色光源-功率解调的工作方式，根据探测到的光功率变化解调出声波信号。

优选的，还包括示波器，示波器的输入端连接光电探测器的输出端，用于显示光电探测器的输出信号波形及数据信息。

优选地，还包括光纤调节架，用于固定长周期光纤光栅；所述长周期光纤光栅被固定夹持在光纤调节架上，光纤调节架的一端固定，通过微调其另一端来调整长周期光纤光栅的曲率以获得对声波的最佳响应。

优选地，所述少模光纤的两端分别与所述第一单模光纤和所述第二单模光纤横向错位熔接，横向错位的距离为6μm-12μm，在该范围内的横向错位熔接可以得到对比度较好的干涉谱，超出这个范围后少模光纤的输出干涉谱对比度较低。

优选地，光纤耦合器采用2×2光纤耦合器。

优选地，光纤耦合器的耦合比选择尽量不均匀的耦合比参数；

光信号从耦合器第一端口输入经过萨格纳克闭环后经耦合器第二端口输出的透过率T为：

其中，|E₁|²为从耦合器第一端口输入的光功率，|E₂|²为从耦合器第二端口输出的光功率；为两个模式经历少模光纤后产生的相位差，Δn为两个模式的折射率差，L为少模光纤的长度；表示少模光纤的干涉谱；η和δ分别为长周期光纤光栅的交流和直流耦合系数，l为长周期光纤光栅的长度； ${\cos }^2(l\·\sqrt{{\mathrm{\η}}^2+{\mathrm{\δ}}^2})+\frac{{\mathrm{\δ}}^2}{{\mathrm{\η}}^2+{\mathrm{\δ}}^2}{\sin }^2(l\·\sqrt{{\mathrm{\η}}^2+{\mathrm{\δ}}^2})$ 表示长周期光纤光栅的透射谱；k为光纤耦合器的耦合比；

由上述透过率T的表达式可知，系统的透过率为长周期光纤光栅的透射谱与少模光纤的干涉谱叠加，光纤耦合器的耦合比k越不均匀，透射谱的对比度越大，系统响应灵敏度越高。

优选的，光纤耦合器(2)采用耦合比为1:99的光纤耦合器。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明提供的基于光纤萨格纳克干涉仪的声波传感测量装置，采用了闭环萨格纳克光纤干涉仪的结构，由于萨格纳克光纤闭环对偏振不敏感，因此采用本发明可以减弱光源偏振态对系统工作的影响，提高探测的准确度；

(2)本发明提供的基于光纤萨格纳克干涉仪的声波传感测量装置，将少模光纤与长周期光纤光栅在萨格纳克光纤闭环内级联，通过在少模光纤的干涉谱上叠加长周期光纤光栅的损耗峰以增加系统工作波长处输出光谱的斜率进而提高探测灵敏度；

(3)本发明提供的基于光纤萨格纳克干涉仪的声波传感测量装置，采用单色光源-功率解调的方式来解调待测声波信号，与常用的光谱解调方法相比具有结构简单、价格低廉、易于解调、快速响应的优势。

附图说明

图1是本发明实施例1的基于光纤萨格纳克干涉仪的声波传感测量装置结构示意图；

图2是本发明实施例1中少模光纤与单模光纤横向错位熔接示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-单色光源，2-光纤耦合器，3-第一单模光纤，4-少模光纤，5-第二单模光纤，6-长周期光纤光栅，7-第三单模光纤，8-光电探测器，9-示波器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的基于光纤萨格纳克干涉仪的声波传感测量装置，包括单色光源、光纤耦合器、第一单模光纤、少模光纤、第二单模光纤、长周期光纤光栅、第三单模光纤和光电探测器；

其中，光纤耦合器的第一端口连接单色光源的输出端；第一单模光纤的第一端连接光纤耦合器的第三端口；少模光纤的两端分别与第一单模光纤的第二端和第二单模光纤的第一端横向错位相连接；长周期光纤光栅的第一端连接第二单模光纤的第二端；第三单模光纤的第一端连接长周期光纤光栅的第二端；光纤耦合器的第四端口连接第三单模光纤的第二端；光电探测器的输入端连接光纤耦合器的第二端口。

以下结合实施例1提供的基于光纤萨格纳克干涉仪的声波传感测量装置，进一步阐述本发明；本发明实施例1的基于光纤萨格纳克干涉仪的声波传感测量装置的结构如图1所示，包括单色光源1，光纤耦合器2，第一单模光纤3，少模光纤4，第二单模光纤5，长周期光纤光栅6，第三单模光纤7和光电探测器8；为了直观显示光电探测器输出信号波形，还包括示波器9；单色光源1连接光纤耦合器2的第一端口；光纤耦合器2的第三端口与第一单模光纤3相连，光纤耦合器2的第四端口连接第三单模光纤7；少模光纤4的两端分别与第一单模光纤3和第二单模光纤5横向错位相连接；长周期光纤光栅6的两端分别与第二单模光纤5和第三单模光纤7相连；光纤耦合器2的第二端口与光电探测器8相连；光电探测器8的输出与示波器9连接；

具体地，实施例1中，光纤耦合器2采用耦合比为1:99的2×2光纤耦合器；光纤耦合器2、第一单模光纤3、少模光纤4、第二单模光纤5、长周期光纤光栅6和第三单模光纤7之间通过熔接方式连接，光纤耦合器2与单色光源1以及光纤耦合器2与光电探测器8之间利用FC/APC光纤接头通过法兰盘对接。

少模光纤4与第一单模光纤3和少模光纤4、之间采用横向错位的方式进行熔接，熔接示意图如图2所示，横向错位的距离为8.5μm；采用这种错位熔接方式的目的在于控制少模光纤4中的模式；尽可能的在少模光纤中激励出两个幅值近似相等的模式，在输出端得到对比度较高的干涉光谱。

下面结合实施例1对上述基于光纤萨格纳克干涉仪的声波传感测量装置的工作原理进行阐述。

单色光源1发出的光经由光纤耦合器2后分成两束光，两束光在萨格纳克光纤闭环中分别沿顺时针方向和逆时针方向传播；两个传播方向的光信号，均在萨格纳克环内分别通过长周期光纤光栅6与少模光纤4；当光信号通过少模光纤4时，由于少模光纤与单模光纤之间是横向错位熔接，因此在少模光纤中会激励出两个模式，光信号通过这一段少模光纤后，由于两个模式所经历的光程差不同会产生模式干涉；当光信号通过长周期光纤光栅6时，由于有纤芯模耦合到包层模，导致在长周期光纤光栅的谐振波长处出现损耗峰，因此系统的透射谱为少模光纤的干涉谱与长周期光纤光栅的透射损耗谱的叠加；两束光经过萨格纳克光纤环后，均从光纤耦合器2的第二端口输出；

当外界声波作用于长周期光纤光栅6时，长周期光纤光栅6的曲率受到声频信号的调制，进而导致其损耗峰处的谐振波长发生漂移，通过解析损耗峰斜边对应波长处光功率变化解调出待测的声波信号。

由于不同的偏振态在萨格纳克光纤闭环内按顺时针方向传播与按逆时针方向传播所经历的光程差相同，因此本发明中的萨格纳克光纤闭环对偏振态不敏感，可以减弱由于光源和外界环境影响导致的偏振态的不稳定性对系统正常工作的影响，提高对声波测量的准确性。

本发明提供的基于光纤萨格纳克干涉仪的声波传感测量装置在应用于声波探测时，采用单色激光器作为光源，在输出端用光电探测器探测输出光功率的变化来解调待测声波信号；光源的波长尽可能的选在长周期光纤光栅的透射谱损耗峰的斜边处以提高探测灵敏度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于光纤萨格纳克干涉仪的声波传感测量装置，其特征在于，包括单色光源(1)、光纤耦合器(2)、第一单模光纤(3)、少模光纤(4)、第二单模光纤(5)、长周期光纤光栅(6)、第三单模光纤(7)和光电探测器(8)；

所述光纤耦合器(2)的第一端口连接单色光源(1)的输出端；第一单模光纤(3)的第一端连接光纤耦合器(2)的第三端口；少模光纤(4)的两端分别与第一单模光纤(3)的第二端和第二单模光纤(5)的第一端横向错位相连接；长周期光纤光栅(6)的第一端连接第二单模光纤(5)的第二端；第三单模光纤(7)的第一端连接长周期光纤光栅(6)的第二端；光纤耦合器(2)的第四端口连接第三单模光纤(7)的第二端；光电探测器(8)的输入端连接光纤耦合器(2)的第二端口；示波器(9)的输入端连接光电探测器(8)的输出端；

其中，所述第一单模光纤(3)、所述少模光纤(4)、所述第二单模光纤(5)、所述长周期光纤光栅(6)和所述第三单模光纤(7)在光纤耦合器(2)的第三端口与第四端口之间依次连接形成的闭环构成萨格纳克闭环；所述长周期光纤光栅(6)与少模光纤(4)在所述萨格纳克闭环内实现了级联；通过级联实现少模光纤的干涉谱与长周期光纤光栅的损耗峰叠加以增加声波传感测量装置工作波长处输出光谱的斜率，进而提高探测灵敏度。

2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，还包括示波器(9)，所述示波器(9)的输入端连接至光电探测器(8)的输出端；用于显示光电探测器输出信号的波形。

3.如权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，还包括用于固定所述长周期光纤光栅(6)的光纤调节架；所述光纤调节架的一端固定，通过微调所述光纤调节架的另一端来调整所述长周期光纤光栅(6)的曲率以获得对声波的最佳响应。

4.如权利要求1至3任一项所述的测量装置，其特征在于，所述少模光纤(4)的两端分别与所述第一单模光纤(3)和所述第二单模光纤(5)横向错位熔接，横向错位的距离为6μm-12μm。

5.如权利要求1至4任一项所述的测量装置，其特征在于，所述光纤耦合器(2)采用2×2光纤耦合器。

6.如权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述光纤耦合器(2)采用耦合比参数不均匀的光纤耦合器。

7.如权利要求6所述的测量装置，其特征在于，所述光纤耦合器(2)采用耦合比为1:99的光纤耦合器。