CN109141492A - 一种光纤法珀传感器腔长解调系统和解调方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种光纤法珀传感器腔长解调系统和解调方法。本发明包括SLED光源、准直器和线阵CCD、光纤隔离器、2×1光纤耦合器、1×2光开关、光纤法珀传感器、光纤衰减器、光纤反射镜、鲍威尔棱镜、光楔和光开关控制与信号处理单元；所述光纤准直器的出射光依次通过鲍威尔棱镜、光楔到达线阵CCD探测器，并由信号处理单元解算出光纤法珀传感器腔长。本装置和方法采用基于鲍威尔棱镜的扩束准直系统，通过光开关和光纤反射镜引入参考信号，扣除相关干涉信号基底，可显著提升传感信号质量和动态测量范围。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种光纤法珀传感器腔长解调系统和解调方法。
背景技术
光纤法珀传感器由于其重量轻、体积小、灵敏度高、动态响应范围大和抗电磁干扰能力强等特点，已经成为光纤传感领域的重要研究方向之一，尤其是在强电磁干扰、高温、高压等恶劣环境下的应用更是具有传统传感器无法比拟的优势。而光纤法珀传感器性能的发挥主要取决于后端解调系统。
针对光纤法珀传感器的解调方法主要有强度解调和相位解调。强度解调法在探测方法和信号处理上更为简单，光源的扰动、光路损耗等均会引起光强的波动，精度低、稳定性差。而相位法分为光谱法和相关法，其中以相关法应用更为广泛。光纤法珀传感器非扫描相关解调该系统具有体积小，可实现光纤法珀传感器腔长的绝对测量等特点，因而具有较强的工程实用性。
光纤法珀传感器非扫描相关解调该系统一般由宽带光源、传感光路、信号解调装置，信号处理及控制单元构成。非扫描相关解调装置中一般采用线阵CCD作为信号探测器，因而解调光路中的线性光斑整形装置的出射光斑质量对解调的精度和范围的影响极大。常规采用大口径准直器和柱面透镜的方式，形成线性出射光斑，该装置存在出射光斑在空间上光强呈显著高斯分布分布的缺点，限制了解调系统的解调范围与解调精度；同时，由于光纤准直器的口径受限于柱面透镜和线阵CCD的尺寸，解调系统难以实现小型化。此外，采用光纤端面发散出射与凹面反射镜组合的方式形成线性光斑，相比于前文所述常规方式，缩短了解调光路，但整体尺寸仍偏大，同时光场空间分布依然为不均匀的高斯分布，限制了解调系统解调性能的提升。
发明内容
本发明要提供一种光纤法珀传感器腔长解调系统和解调方法，以克服现有技术存在的解调系统的解调范围较小，解调精度不够和整体尺寸偏大的问题。
为了达到本发明的目的，本发明提供的技术方案如下：
一种光纤法珀传感器腔长解调系统，包括SLED光源、准直器和线阵CCD，其特征在于：还包括光纤隔离器、2×1光纤耦合器、1×2光开关、光纤法珀传感器、光纤衰减器、光纤反射镜、鲍威尔棱镜、光楔和光开关控制与信号处理单元)，所述准直器选用光纤准直器，所述SLED光源(通过单模光纤熔接或光纤连接器)与光纤隔离器相连，光纤隔离器的出射端口与2×1光纤耦合器的一个入射端口相连，2×1光纤耦合器的出射端口通过1×2光开关分别与光纤法珀传感器和光纤衰减器相连，光纤衰减器的另一端与光纤反射镜相连，2×1光纤耦合器的另一个入射端口与光纤准直器相连，光纤准直器后依次放置鲍威尔棱镜、光楔和线阵CCD，线阵CCD通过金属导线与光开关控制与信号处理单元相连，光开关控制与信号处理单元还通过金属导线与1×2光开关相连。
所述的鲍威尔棱镜采用≤90°的出射光扇角，其非球面圆锥系数以及参数共同决定的入射光斑尺寸与光纤准直器的出射光斑尺寸一致，且光纤准直器出射光垂直入射至鲍威尔棱镜的非球面中心。
一种光纤法珀传感器腔长解调系统的解调方法，利用光开关控制与信号处理单元控制光开关，根据信号帧频采集速率，设定光开关切换光纤传感信号通道时间，分时采集光纤反射镜反射的基底信号和光纤法珀传感器产生的携带基底信号的相关干涉信号；所述光开关控制与信号处理单元内完成分时采集的两路信号，并对其进行除法运算，扣除基底信号，提取相关干涉信号峰值位置，并由相关干涉信号的峰值位置解算得到此刻的腔长值。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、采用鲍威尔划线棱镜，大扇角输出，缩短了准直器、划线棱镜和线阵CCD探测器之间的光路，同时由于使用小型光纤准直器替代大口径准直器，从而极大地缩小了解调装置的体积，使该装置可实现手持、便携，提高了其工程实用性。
2、采用光开关控制两路返回光信号，其中传感光路携带传感信号，另外一路利用内反射镜采集光源的基底信号，使其两路信号进行运算，去除了基底信号，减小了噪声的干扰，提高了信号质量，最终提高了解调精度和解调范围。
附图说明：
图1是本发明实施例的结构示意图
图2是鲍威尔棱镜线性光斑整形装置示意图
图3是CCD探测的原始干涉信号
图4是CCD探测的基底信号
图5是运算单元滤除基底信号的相关干涉信号
图6是相关干涉信号局部图
具体实施方式：
本发明的基本原理是：当外界物理量改变并作用于光纤法珀传感器时，光纤法珀腔的腔长发生变化，根据非扫描相关解调原理，当光楔厚度与同一时刻光纤法珀传感器腔长值匹配时，产生相关干涉信号，通过线阵CCD完成对关干涉信号峰值位置的测量实现对腔长信息的解调。
基于上述原理，本发明采用大扇角鲍威尔划线棱镜和小光斑尺寸光纤准直透镜构成光斑整形系统，并通过控制光开关选择法珀传感器信号通道和光纤反射镜产生的基底信号通道，分时采集传感器干涉信号和基底信号，通过数据处理扣除基底，实现了一种小型高精度光纤法珀传感器解调系统。
进一步说明如下：本发明采用鲍威尔棱镜和小光斑小尺寸光纤准直器组合的线性光斑整形装置，有效改善为了线性光斑的均匀性，并缩小了装置的体积，采用光开关分时采集不携带腔长信息的基底信号和携带腔长信息的相关干涉信号，扣除了基底信号。然后再对扣除了基底信号的相关干涉信号进行解算，求出相关干涉信号峰值对应的像素点位置，根据与其对应的光楔位置xmax，由关系式获得此时法珀腔的腔长信息。从而提高了光纤法珀传感器腔长实现了对法珀腔腔长的绝对解调。
一种光纤法珀传感器腔长解调系统，包括SLED光源1、准直器、光纤隔离器2、2×1光纤耦合器3、1×2光开关4、光纤法珀传感器5、光纤衰减器6、光纤反射镜7、鲍威尔棱镜9、光楔10、线阵CCD11和光开关控制与信号处理单元12，所述准直器选用光纤准直器8，所述SLED光源1通过单模光纤熔接或光纤连接器与光纤隔离器2相连，光纤隔离器2的出射端口与2×1光纤耦合器3的一个入射端口相连，2×1光纤耦合器3的出射端口通过1×2光开关4分别与光纤法珀传感器5和光纤衰减器6相连，光纤衰减器6的另一端与光纤反射镜7相连，2×1光纤耦合器3的另一个入射端口与光纤准直器8相连，光纤准直器8后依次放置鲍威尔棱镜9、光楔10和线阵CCD11，线阵CCD11通过金属导线与光开关控制与信号处理单元12相连，光开关控制与信号处理单元12还通过金属导线与1×2光开关4相连。
所述的鲍威尔棱镜采用≤90°的出射光扇角，其非球面圆锥系数以及参数共同决定的入射光斑尺寸与光纤准直器的出射光斑尺寸一致，且光纤准直器出射光垂直入射至鲍威尔棱镜的非球面中心。
一种光纤法珀传感器腔长解调系统的解调方法，利用光开关控制与信号处理单元12控制光开关，根据信号帧频采集速率，设定光开关切换光纤传感信号通道时间，分时采集光纤反射镜7反射的基底信号和光纤法珀传感5器产生的携带基底信号的相关干涉信号；所述光开关控制与信号处理单元12内完成分时采集的两路信号，并对其进行除法运算，扣除基底信号，提取相关干涉信号峰值位置，并由相关干涉信号的峰值位置解算得到此刻的腔长值。
所述1×2光开关4控制引脚通过金属导线与光开关控制与信号处理单元12相连接，工作波段覆盖本发明所采用的SLED光源1的波长范围。本实施例采用中心波段为850nm光开关，工作波段为800nm-1000nm，转换时间典型值为0.5ms。所述鲍威尔棱镜9置于光纤准直器8出射光斑束腰位置，与光纤准直器同轴安装；本实施例选用光纤准直器8出射光斑直径为0.3mm，工作距离为5mm，鲍威尔棱镜9直径为9mm,长度为8.5mm，出射光斑扇角为60°，且入射光斑尺寸要求为0.3mm；鲍威尔棱镜位于光纤准直器之后，与光纤准直器同轴安装，且最佳位置位于光纤准直器出射光斑束腰位置。
所述的光楔10紧贴线阵CCD11接收面，且位于鲍威尔棱镜9后50mm处。线阵CCD11通过金属导线与光开关控制及信号处理单元12连接；光楔10采用两块平面玻璃搭建，外表面镀宽带增透膜，内表面镀50％宽带反射膜，光楔夹角与厚度均可改变，也可以使用楔块来实现。
需要说明的是本实施例通过光开关控制及信号处理单元12控制1×2光开关4的信号通道转换，首先采集光纤法珀腔5和光楔10作用的相关干涉信号，得到如图3所示的相关干涉信号；然后采集光纤反射镜返回的如图4所示的基底信号，光开关控制及信号处理单元12对两帧数据进行除法运算，得到如图5所示的扣除基底信号的相关干涉信号，其相关干涉信号局部放大图见图6，与基底信号去除前后信号波形对比，信号质量得到明显的提高。
Claims (3)
1.一种光纤法珀传感器腔长解调系统，包括SLED光源(1)、准直器和线阵CCD(11)，其特征在于：还包括光纤隔离器(2)、2×1光纤耦合器(3)、1×2光开关(4)、光纤法珀传感器(5)、光纤衰减器(6)、光纤反射镜(7)、鲍威尔棱镜(9)、光楔(10)和光开关控制与信号处理单元(12)，所述准直器选用光纤准直器(8)，所述SLED光源(1)(通过单模光纤熔接或光纤连接器)与光纤隔离器(2)相连，光纤隔离器(2)的出射端口与2×1光纤耦合器(3)的一个入射端口相连，2×1光纤耦合器(3)的出射端口通过1×2光开关(4)分别与光纤法珀传感器(5)和光纤衰减器(6)相连，光纤衰减器(6)的另一端与光纤反射镜(7)相连，2×1光纤耦合器(3)的另一个入射端口与光纤准直器(8)相连，光纤准直器(8)后依次放置鲍威尔棱镜(9)、光楔(10)和线阵CCD(11)，线阵CCD(11)通过金属导线与光开关控制与信号处理单元(12)相连，光开关控制与信号处理单元(12)还通过金属导线与1×2光开关(4)相连。
2.根据权利要求1所述的一种光纤法珀传感器腔长解调系统，其特征在于：所述的鲍威尔棱镜采用≤90°的出射光扇角，其非球面圆锥系数以及参数共同决定的入射光斑尺寸与光纤准直器的出射光斑尺寸一致，且光纤准直器出射光垂直入射至鲍威尔棱镜的非球面中心。
3.根据权利要求1所述的一种光纤法珀传感器腔长解调系统的解调方法，其特征在于：利用光开关控制与信号处理单元(12)控制光开关，根据信号帧频采集速率，设定光开关切换光纤传感信号通道时间，分时采集光纤反射镜(7)反射的基底信号和光纤法珀传感(5)器产生的携带基底信号的相关干涉信号；所述光开关控制与信号处理单元(12)内完成分时采集的两路信号，并对其进行除法运算，扣除基底信号，提取相关干涉信号峰值位置，并由相关干涉信号的峰值位置解算得到此刻的腔长值。
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| GR01 | Patent grant | ||
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