CN108593119A - 一种连续分布式微结构光纤生化传感器和信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续分布式微结构光纤生化传感器和方法，涉及光纤传感技术领域。包括沿光纤周期分布的传感单元，所述光纤包括光纤纤芯和包裹光纤纤芯的光纤包层；其特征在于，所述传感单元由光纤锥、偶联剂涂覆段以及反射环依次相连而成。还包括间隔分布在传感单元之间的参考单元，由芯层和包裹芯层的涂覆层组成，芯层两端有一对弱反射点。本发明还提出一种连续分布式微结构光纤生化传感器的信号处理方法。本发明可以实现对传感光纤沿线目标参量的连续分布式感测，同时消除外部的温度、应力场等所施加的影响。

Description

一种连续分布式微结构光纤生化传感器和信号处理方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是一种连续分布式微结构光纤生化传感器和信号处理方法。

背景技术

连续分布式光纤传感技术(Distributed Optical Fiber Sensing,DOFS)以光纤为感应和传输介质，通过监测光纤中光信号的强度、波长、相位、频率、偏振态等参量的变化，即可实现对光纤沿线的连续分布式感测。将传感光纤排布为二维或三维拓扑结构，就能够全方位无死角地覆盖被测对象。在诸如战场环境下的生化武器预警、生化制剂的安全生产管控等特殊应用中，目标事件全程均伴随有生物、化学物质的异常变化，因此对生化参量进行连续分布式的光纤传感非常重要。

光纤传感技术领域的研究过去多集中在光学系统的结构优化上，近年来开始尝试将人工微结构嵌入传感光纤，但现有方案仍然只能实现对损耗、温度、应变以及振动等基础物理参量的感测。所引入的微结构直接制作在常规光纤上，轴向尺寸多在mm量级，光波仍束缚在光纤的芯层内部传输。由于外部介质与光波之间不直接发生作用，现有方案并不能实现对光纤外部生化参量的传感。

对光纤生化传感器的相关工作大多集中在对μm乃至nm尺度人工微结构的研究上。在这一尺度上，光波可以通过倏逝场、表面等离子体共振等机制与目标物质发生强烈作用，多模耦合形成的干涉谱自由光谱范围(Free Spectrum Range,FSR)分布状况将直接反映外部介质的特性。Y.Zhao等人在发表于Sensors&Actuators B Chemical期刊的《Fiber opticSPR sensor for liquid concentration measurement》中首次利用化学方法在表面等离子体传感探头上镀金属膜，实现液体浓度的单点检测。实验测得甘油溶液浓度从0％～5％，对应的灵敏度范围为346.7nm/％～890.7nm/％。引入微纳尺寸的人工微结构虽然可以赋予光纤传感器对生化参量的高敏感特性，但现有方案多依赖于对光波模场干涉形成的FSR模式的检测，在结构上属于典型的点式传感器，无法实现对传感光纤沿线的完全覆盖。为了获得多点级联，X.Y.Bao研究组在发表于Optics Express期刊的《Application of spectrumdifferential integration method in an in-line fiber Mach-Zehnder refractiveindex sensor》中提出了光谱差分综合法，但是在不降低吸收谱对比度的前提下，传感器复用规模依然有限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：

为了突破传统微结构传感器仅能够对自身所在区域目标参量敏感的限制，实现对传感光纤沿线目标参量的连续分布式感测，提出一种连续分布式微结构光纤生化传感器和信号处理方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提出一种连续分布式微结构光纤生化传感器，包括沿光纤分布的传感单元，所述光纤包括纤芯和包裹纤芯的光纤包层；其特征在于，所述传感单元由光纤锥、偶联剂涂覆段以及反射环依次相连而成；

所述光纤锥为减薄光纤包层的光纤段，用以实现基模与高阶模之间的耦合；

所述偶联剂涂覆段为去除光纤包层并在纤芯上涂覆偶联剂的光纤段；

所述反射环由分布在光纤包层的结构缺陷组成，所述结构缺陷大小均匀，在横截面上围绕纤芯排布多圈，并在光路方向上排布多层，用于对光纤包层内传输的模产生宽谱反射。

如前所述的一种连续分布式微结构光纤生化传感器，进一步地，所述光纤锥为非绝热型设计。

如前所述的一种连续分布式微结构光纤生化传感器，进一步地，所述光纤锥的基模/高阶模耦合系数范围为10^-2～10^-3。

如前所述的一种连续分布式微结构光纤生化传感器，进一步地，还包括间隔分布在传感单元之间的参考单元，所述参考单元由纤芯和包裹纤芯的涂覆层组成，所述参考单元的纤芯两端设有一对弱反射点。

如前所述的一种连续分布式微结构光纤生化传感器，进一步地，所述参考单元的涂覆层材料与传感单元偶联剂在热膨胀系数和弹性形变系数上相匹配；所述一对弱反射点之间的间距与传感单元中的敏感区域长度相等。

本发明还提出一种基于如前所述的连续分布式微结构光纤生化传感器的信息处理方法，具体步骤包括：

步骤一、对包含光场空间分布信息的外差中频模拟信号首先进行模数转换，再通过一个带通滤波器剔除数字化中频信号中所包含的近直流和高频宽带噪声；

步骤二、将数字化中频信号分为两路，一路通过数字延迟器，再经过2级数字移相器后形成3路包含不同相移量的信号，另一路则不加任何延迟；

步骤三、将3路包含不同相移量的信号分别与不加任何延迟的另一路叠加，对叠加结果进行平方运算，并以数字低通滤波器滤除高频镜像，得到3路输出信号；求解出相位差；

步骤四、连续观测相位差的变化，再现光纤沿线等效折射率分布状况；再结合预先标定得到的查找表，由等效折射率映射得到各传感单元外部目标物质浓度随时间的变化情况。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)突破传统微结构传感器仅能够对自身所在区域目标参量敏感的限制，实现对传感光纤沿线目标参量的连续分布式感测；

(2)基本消除外部的温度、应力场等对感测所施加的影响。

附图说明

图1是传感单元侧视图。

图2是传感光纤剖面图。

图3是包层模反射信号相位差的数字化解调流程图。

图4是参考单元侧视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

如图1所示是本发明的融合光纤锥与反射环的传感单元，每一个传感单元，由光纤锥、偶联剂涂覆段以及反射环3个主要部件构成。其中，光纤锥为非绝热型设计；偶联剂涂覆段为去除涂覆层的单模光纤，其表面可根据目标物质选择不同的偶联剂类型；反射环的构建来自外部激光注入引入的材料改进，本质是一种材料结构缺陷，可以是光栅，也可以是空洞。主要分布在光纤包层中，可以产生类似镜面的宽谱反射，其中心区域避开了光纤的芯层，几乎不对芯层中传输的光波产生作用。传感系统从光纤一端注入的探测光将在芯层中以基模形式前向传输，通过光纤锥1后一小部分能量被耦合至包层中形成高阶模场，剩余的大部分能量仍继续在芯层中传输。高阶模场经过涂覆有偶联剂的光纤段包层传输后，在光纤锥2前部受反射环作用，大部分能量折返，在光纤锥1再次被耦合回芯层。芯层中保留的前向探测光继续传输，在传感单元2内部重复上述过程。携带有各传感单元感测信息的反向光波将先后返回探测光注入端，且互不干扰，通过对光纤空间域的高分辨率解调，就可以独立地获得各个传感单元的测量结果。

若在相邻2个反射环处产生的包层模反射信号分别为RS₁和RS₂。前一个传感单元的反射环到第二个传感单元的偶联剂涂覆层起点处长度为L_c，其尺寸为10～100μm。第二个传感单元的偶联剂涂覆层起点处至其反射环的长度为L，其尺寸为1～10mm。则这2个光波信号的光程差S为：

S＝2(L_cn_c+Ln_eff) (1)

其中系数2表示包层中的正向和反向2次传输，n_eff代表包层模传输过程中所经历的等效折射率。n_c为L_c所覆盖的区域内的等效折射率，可认为基本不受外部介质的影响，且L_c的尺寸远小于L，因此L_cn_c近似为一可忽略的常数。包层模反射信号RS₁和RS₂之间各自可以表示为：

其中E₁和E₂为包层模反射信号的电场强度，f代表光波的频率，和为包层模反射信号RS₁和RS₂的相位。如果偶联剂涂覆区域的目标生化物质浓度保持恒定，且该光纤段未受其它因素的扰动，则包层模反射信号RS₁和RS₂的相位差就是并保持恒定。当目标生化物质被偶联剂吸附后，其浓度变化将对n_eff形成调制，由此引发的包层模反射信号RS₁和RS₂之间的光程差变化量ΔS为：

ΔS＝2LΔn_eff (4)

Δn_eff为偶联剂涂覆段光纤包层等效折射率的变化量，则包层模反射信号RS₁和RS₂的相位差将额外地叠加一个变化量

只要能够独立地解调出每一个传感单元返回的光波相位，并对相邻单元的结果进行差分，就可以借由反推Δn_eff，通过基准标定和连续积分，就可以对包层等效折射率状况进行连续分布式地重构。

如图2所示是包层模反射信号相位差的数字化解调流程，通常包含光场空间分布信息的外差中频模拟信号会首先进行模数转换，此时可以通过对沿光纤分布的光场信号进行数字化解调获得相位差首先通过一个带通滤波器剔除数字化中频信号RS中所包含的近直流和高频宽带噪声。之后该信号被复制为上下2路，上路通过数字延迟器产生一个对应光程差S的延迟，形成信号RS_A。另一路则不加任何延迟，形成信号RS_B。延迟S的存在将会令两路信号RS_A和RS_B在空间上错开2(L_cn_c+Ln_eff)的长度后叠加在一起。以包层模反射信号RS₁和RS₂为例，对叠加结果进行平方运算，并以数字低通滤波器滤除高频镜像，可以得到其强度的表达式为：

式(6)包含相位差的余弦项，包层等效折射率n_eff受目标物质浓度变化调制后，会发生变化，从而引起叠加后信号强度I的变化。然而余弦函数并非单调函数，存在多解的情况。因此仅依靠强度I并无法直接重构等效折射率的分布。需额外附加图4所示的2π/3数字相移结构，RS_A经过2级数字移相器后形成3路包含不同相移量的信号，分别与RS_B叠加并进行平方和滤波处理，可以得到3路输出信号，其表达式为：

联立式(7)-(9)，就可以求解出的值。连续观测的变化，就可以实现对光纤沿线等效折射率分布状况的重构。再结合预先标定得到的查找表，就可以由等效折射率映射得到各传感单元外部目标物质浓度随时间的变化情况。根据式(5)可知有：

根据式(5)求解等效折射率变化Δn_eff是一个非常理想情况下的假设，实际应用中，温度、应力、振动等基础物理参量也都不可避免地借由热膨胀、形变、热光、弹光等效应在测量结果中引入额外的波动，形成多参量的交叉敏感，此时式(5)将变为：

其中ΔL与Δn_d分别是由非目标参量引入的光纤长度和折射率变化。如图3所示为参考单元对非目标参数进行监测。参考单元的尺寸与传感单元接近，并在空间上与传感单元紧密排布。参考单元的外部包裹有与传感单元偶联剂的热膨胀系数与弹性形变系数相匹配的涂覆层，其内部在芯层两端制作一对弱反射点。弱反射点间距与传感单元中的敏感区域长度L近似相等。弱反射点的反射率控制在10^-3～10^-4，以保证能够返回远高于散射光的后向芯层模能量，同时又不给芯层模带来明显的前向传输插损。

对参考单元中的两个弱反射点产生的反向光波信号进行类似(6)～(9)的解调，同样可以获得参考相位差变化量

式(12)中并不包含Δn_eff项，这是由于参考单元返回的光波信号仅在芯层传输，其相位几乎不受外部介质影响。由于参考单元与传感单元各自的尺寸和间距均在mm量级，外部的温度、应力场等对两种单元所施加的影响具有高度的相似性，可以认为是一种共模噪声，能够通过差分计算予以消除。令考虑到长度和折射率的变化量均为微量变化，则差分结果有如下近似：

因此基于式(11)～(13)，可以基本实现非目标参量对等效折射率测量结果影响的补偿：

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种连续分布式微结构光纤生化传感器，包括沿光纤分布的传感单元，所述光纤包括纤芯和包裹纤芯的光纤包层；其特征在于，所述传感单元由光纤锥、偶联剂涂覆段以及反射环依次相连而成；

所述光纤锥为减薄光纤包层的光纤段，用以实现基模与高阶模之间的耦合；

所述偶联剂涂覆段为去除光纤包层并在纤芯上涂覆偶联剂的光纤段；

所述反射环由分布在光纤包层的结构缺陷组成，所述结构缺陷大小均匀，在横截面上围绕纤芯排布多圈，并在光路方向上排布多层，用于对光纤包层内传输的模产生宽谱反射。

2.如权利要求1所述的一种连续分布式微结构光纤生化传感器，其特征在于，所述光纤锥为非绝热型设计。

3.如权利要求1所述的一种连续分布式微结构光纤生化传感器，其特征在于，所述光纤锥的基模/高阶模耦合系数范围为10^-2～10^-3。

4.如权利要求1所述的一种连续分布式微结构光纤生化传感器，其特征在于，还包括间隔分布在传感单元之间的参考单元，所述参考单元由纤芯和包裹纤芯的涂覆层组成，所述参考单元的纤芯两端设有一对弱反射点。

5.如权利要求1或4所述的一种连续分布式微结构光纤生化传感器，其特征在于，所述参考单元的涂覆层材料与传感单元偶联剂在热膨胀系数和弹性形变系数上相匹配；所述一对弱反射点之间的间距与传感单元中的敏感区域长度相等。

6.一种基于权利要求1所述的连续分布式微结构光纤生化传感器的信号处理方法，其特征在于，具体步骤包括：

步骤一、对包含光场空间分布信息的外差中频模拟信号首先进行模数转换，再通过一个带通滤波器剔除数字化中频信号中所包含的近直流和高频宽带噪声；

步骤二、将数字化中频信号分为两路，一路通过数字延迟器，再经过2级数字移相器后形成3路包含不同相移量的信号，另一路则不加任何延迟；

步骤三、将3路包含不同相移量的信号分别与不加任何延迟的另一路叠加，对叠加结果进行平方运算，并以数字低通滤波器滤除高频镜像，得到3路输出信号；求解出相位差；

步骤四、连续观测相位差的变化，再现光纤沿线等效折射率分布状况；再结合预先标定得到的查找表，由等效折射率映射得到各传感单元外部目标物质浓度随时间的变化情况。