CN105091939A - 一种用于光纤Sagnac干涉仪传感器的高分辨率绝对相位解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光纤Sagnac干涉仪传感器的高分辨率绝对相位解调方法，输入为光纤Sagnac干涉仪传感器的输出光谱数据，首先将光谱数据的横坐标由波长转换为波数，纵坐标取线性坐标，将光纤Sagnac干涉仪传感器的输出干涉谱形转换为标准的余弦函数谱型；再利用快速傅立叶变换(FFT)，提取余弦函数谱型的特征频率，计算出反映干涉谱周期特性的干涉级次；提取特征频率附近区域数据进行反变换(IFFT)，计算出相对相位；结合干涉级次和相对相位，计算总相位，从而实现对偏振非互易相移或光程差(OPD)的绝对测量。本发明方法结合了频率解调及相对相位解调技术，同时具有测量范围大和分辨率高的优点。

Description

一种用于光纤Sagnac干涉仪传感器的高分辨率绝对相位解调方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种用于光纤Sagnac干涉仪传感器的高分辨率绝对相位解调方法。

背景技术

常见的光纤Sagnac干涉仪是将一段双折射光纤接入光纤耦合器而形成的。在Sagnac干涉仪系统中，分别沿双折射光纤快慢轴传输的两个偏振模式，经过环路之后会产生光程差(OPD)，在耦合器处耦合形成干涉输出。外界物理量作用时，两偏振模式之间的相位差受到调制，输出干涉谱将会变化。利用这一特性，可制成基于Sagnac干涉仪的光纤传感器，实现压力、温度、气体浓度等物理量的测量。此类传感器具有制作简单，光学结构简易，插入损耗低以及对输入光偏振态不敏感等优点，具有重要的实用价值。

传统的混合Sagnac干涉仪传感器一般使用波长解调方案，即通过跟踪干涉谱峰值波长的移动来解调偏振非互易相移(或光程差)的变化。这种方案实施简单，灵敏度较高。但是存在不同峰值灵敏度不同、测量动态范围受光源谱宽限制、只能实现相对测量和不易实现自动测量等缺点。另一类常见的解调方案是分析干涉谱的周期特性，测量其谱型周期或通过傅立叶分析得其频率。近几年的许多研究采用这类基于频率解调的方案进行传感测量，解决了测量范围受光源谱宽限制的问题，实现了大动态范围的测量，但是存在分辨率较低的问题。综上，峰值波长跟踪法虽然测量分辨率高但测量动态范围小；频率解调法测量动态范围大，但是分辨率低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种用于光纤Sagnac干涉仪传感器的高分辨率绝对相位解调方法，同时具有测量范围大和分辨率高的优点。

本发明采用的具体技术方案是：一种用于光纤Sagnac干涉仪传感器的高分辨率绝对相位解调方法，包括以下计算步骤：

步骤1)、针对光纤Sagnac干涉仪传感器的输出光谱数据，利用波数k取代波长λ作为自变量，光谱的功率值取线性坐标，将干涉仪的输出光谱数据即干涉信号转化为标准的余弦函数；

其原理在于，光纤Sagnac干涉仪的输出干涉谱，可以由下式表示：

$I=1-cos(2\mathrm{\π}\·\frac{BL}{\mathrm{\λ}})=1-cos(2\mathrm{\π}BL\·k)=1-cos(2{\mathrm{\πf}}_k\·k)---\left(1\right)$

其中：I为干涉信号的光强，B是保偏光纤(PMF)的双折射，L是PMF的长度，λ是工作波长，k＝1/λ是波数。B和L的乘积是PMF中两个偏振模式间的光程差(OPD)，其对应的相位差即为Sagnac干涉中的偏振非互易相移。BL可以被定义为特征频率f_k，即该余弦函数随自变量k变化的频率。

通过公式(1)，利用波数k取代波长λ作为横坐标，可以将输出光谱转化为标准的余弦波形。

步骤2)、对步骤1中所得的标准余弦谱型，作快速傅立叶变换(FFT)得频谱曲线，在频谱曲线中提取特征频率f_k，并由此计算出干涉级次m随波数k的分布；

具体方法和原理在于：作FFT变换，在频谱曲线中提取峰值频率，即为特征频率f_k。理论上，得到f_k就直接得到了OPD，但是由于光源谱宽有限，相当于对余弦信号引入了一个滤波窗口，这种截断效应将会严重降低f_k的分辨率，因此频率解调方法的分辨率很低。为了在保持大的测量范围的同时提高解调分辨率，本发明结合干涉级次和相对相位的概念，将公式(1)重写为如下形式：

m＝floor(BL·k)＝floor(f_k·k)(3)

其中，floor()是向下取整函数，定义为2π范围内的相对相位值，m定义为Sagnac干涉仪干涉光谱中某一点在波数域的干涉级次。

通过公式(3)，便可由f_k计算出干涉级次m，m反映了干涉光谱的周期特性。

步骤3)、对步骤2中FFT运算所得频谱曲线，采用窗口滤波方法进行处理，滤波窗口以特征频率左侧第一个波谷处为起点，右侧第一个波谷处为终点，对峰值频谱滤波之后作快速傅立叶反变换(IFFT)，由IFFT结果的虚部得到相对相位的分布曲线；

步骤4)、将反傅里叶变换得到的相对相位曲线的极值位置处的初始相对相位为0，在某个m和m+1极值位置间取一确定的波数k_m值，计算光纤Sagnac干涉仪传感器在该波数处的总相位φ_T，进而计算BL积。

具体方法是：由IFFT计算得到的相对相位被包裹在[-π,π]的范围内，即相对相位曲线每过一个周期便会发生2π的相位突变，而每一个m值均对应曲线的一个极值位置。为方便计算，可认为极值位置处的初始相对相位为0，因此以某一干涉级次m所在极值位置为起点的相对相位可为：因此，当选定某一波数值k_m作为测量点时，通过公式(3)可以计算出干涉级次m。结合相对相位，通过以下公式可以计算出干涉谱在k_m处总的绝对相位φ_T：

$BL=\frac{{\mathrm{\φ}}_T}{2{\mathrm{\πk}}_m}---\left(5\right)$

其中：k_m为选定的波数值，为相对相位曲线中k_m处对应的相对相位值，φ_T是k_m处的总相位；

通过公式(4)计算出总的绝对相位φ_T，即实现了对偏振非互易相移的绝对测量。通过公式(5)可实现对光程差的绝对测量。

进一步的，所述的光纤Sagnac干涉仪传感器由用于传感的双折射光纤和和光纤耦合器构成Sagnac干涉仪环路，待测参数如温度、压力等对双折射光纤中两本征偏振模式的相位差产生调制，作用得到的光程差为BL积，计算出BL积便可确定待测参数。

进一步的，所述的双折射光纤可以是应力型保偏光纤、形状型保偏光纤和光子晶体保偏光纤。

进一步的，所述的光纤Sagnac干涉仪传感器的输出光谱数据可以通过光谱仪获得，也可通过光谱解调仪获得。

本发明的有益效果是：本发明方法将输出干涉谱从波长域转换到波数域，使之成为标准的余弦函数谱型，结合频率解调及相对相位解调方法，分别计算出干涉级次和相对相位，进而计算出总相位，实现对绝对相位的解调，同时具有测量范围大和分辨率高的优点。以温度传感为例，可以实现常温到900℃的大范围测量，且温度分辨率优于0.1℃。

附图说明

图1是本发明应用于光纤Sagnac干涉仪温度传感器的一个具体实施方案，并依据此结构搭建系统进行温度实验；

图2是波数域上的输出干涉光谱曲线；

图3是本发明的解调流程图；

图4(a)是干涉光谱经FFT变换后所得的频谱图及滤波窗口；

图4(b)是滤波后的频谱经IFFT变换后得到的相对相位随波数k的变化曲线；

图5是实验一中，由本发明解调方法所得的总相位φ_T随温度T的变化关系；

图6是实验二中，由本发明解调方法所得的总相位φ_T随温度T的变化关系；

图1中，1是光谱解调仪，其中Ch1是宽谱光源，Ch2是透射光接收口；2是隔离器(ISO)；3是2×2单模耦合器(DC)；4是温箱；5是PMF传感光纤。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明内容作进一步的说明。

图1是本发明的一个光纤Sagnac干涉仪温度传感器实例的结构示意图。依据此结构搭建实验系统，对本发明的解调方法进行了验证，参见图2～4；其中实验一验证了本发明的高分辨率特性，参见图5，实验二验证了本发明的大动态测量范围，参见图6。

如图1所示：从光谱解调仪1的Ch1通道发出的宽谱光经2×2单模耦合器3后分成两路分别沿顺时针和逆时针方向绕光纤环传输，并在2×2单模耦合器3处汇合，发生干涉。输出干涉光经过隔离器2后进入Ch2通道被光谱解调仪1检测并记录。隔离器2用于消除光谱解调仪1Ch2通道的输出光的影响。PMF传感光纤5放置于温箱4中，通过数字温度计对温箱中的温度进行监测。输出的干涉谱和温度值被传输到电脑，进行数据处理。

实验中所用器件为光谱解调仪(MICRONOPTICSSM-125)，波长分辨率为5pm，测量更新率为2Hz，光谱测量范围为1510nm-1590nm，光谱采样点数为16001点。采用熊猫型保偏光纤(PandaPMF)作为传感光纤，实验一选用水浴加热温箱，实验二选用高温炉。

图2～4展示了采用本发明方法对实验数据进行解调处理的过程：对于采集到的输出光谱，首先利用插值将横坐标从波长域转换到波数域，输出光谱将转化为标准的余弦波形，如图2所示。然后对转换后的干涉信号进行解调，解调流程如图3所示。解调过程为：先进行FFT变换得到峰值频率f_k，如图4(a)所示，由f_k计算得到干涉级次m；对频谱滤波后经IFFT变换得到相对相位与波数k的关系曲线，如图4(b)所示。选定某一波数位置k_m，结合干涉级次及相对相位，便可计算得到其总的绝对相位值。上述计算过程通过Labview编程实现。

实验一对本发明的分辨率性能进行了研究。实验条件为：选取一段长约20cm的熊猫型保偏光纤作为传感光纤，并将其放置在稳定的水浴温箱中(温度波动小于0.05℃)。在20至30℃范围内，每隔1℃进行一次光谱测试。图5为利用本发明方法解调的结果，即总相位φ_T随温度变化的曲线，图中可以看到二者具有良好的线性关系，线性度为0.9998，其灵敏度为-0.51rad/℃，温度分辨率优于0.1℃。

实验二对本发明动态测量范围的解调能力进行了研究，进行了从100℃到900℃的大温度范围测量实验。实验条件为：将长度约为40cm的熊猫型保偏光纤段放置于高温炉中，与炉外DC熔接形成混合Sagnac干涉仪。炉温由100℃升到900℃，每隔100℃保温10min，并记录光谱和温度数据。图6为高温实验的解调结果，可以看到在900℃的温度范围内，绝对相位与温度具有较好的线性关系。实验结果表明，本发明方法具有很大的动态测量范围，可以实现大范围的温度测量。

本发明未详细阐述的技术内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种用于光纤Sagnac干涉仪传感器的高分辨率绝对相位解调方法，其特征在于，包括以下计算步骤：

步骤1、针对光纤Sagnac干涉仪传感器的输出光谱数据，利用波数k取代波长λ作为自变量，光谱的功率值取线性坐标，将干涉仪的输出光谱数据即干涉信号转化为标准的余弦函数，表示为如下公式：

其中：I为干涉信号的光强，采用线性坐标；B、L分别为插入环路中的双折射光纤的双折射值和长度；λ为波长，k为波数，f_k为特征频率；

步骤2、对步骤1中所得的标准余弦谱型，作快速傅立叶变换(FFT)得频谱曲线，在频谱曲线中提取特征频率f_k，由此计算出干涉级次m随波数k的分布，干涉级次公式如下：

m＝floor(BL·k)＝floor(f_k·k)(2)

其中：m为干涉级次，floor()是向下取整函数；

步骤3、对步骤2中FFT运算所得频谱曲线，采用窗口滤波方法进行处理，滤波窗口以特征频率左侧第一个波谷处为起点，右侧第一个波谷处为终点，对峰值频谱滤波之后作快速傅立叶反变换(IFFT)，由IFFT结果的虚部得到相对相位的分布曲线；

步骤4、将IFFT变换得到的相对相位曲线的极值位置处的初始相对相位为0，在某个m和m+1极值位置间取确定的波数k_m值，计算光纤Sagnac干涉仪传感器在该波数处的总相位φ_T，进而计算BL积，公式如下：

其中：k_m为选定的波数值，为相对相位曲线中k_m处对应的相对相位值，φ_T是k_m处的总相位。

2.根据权利要求1所述的一种用于光纤Sagnac干涉仪传感器的高分辨率绝对相位解调方法，其特征在于：所述光纤Sagnac干涉仪传感器由用于传感的双折射光纤和光纤耦合器构成Sagnac干涉仪环路，待测参数包括温度、压力对双折射光纤中两本征偏振模式的相位差产生调制，调制得到的光程差为BL积，计算出BL积便能够确定待测参数。

3.根据权利要求1所述的一种用于光纤Sagnac干涉仪传感器的高分辨率绝对相位解调方法，其特征在于：所述双折射光纤是应力型保偏光纤、形状型保偏光纤和光子晶体保偏光纤。

4.根据权利要求1所述的一种用于光纤Sagnac干涉仪传感器的高分辨率绝对相位解调方法，其特征在于：所述光纤Sagnac干涉仪传感器的输出光谱数据通过光谱仪获得，或通过光谱解调仪获得。