CN109443403B - 一种光纤efpi传感器解调装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种综合光谱解调、强度解调技术的光纤EFPI传感器高速解调装置，可应用于大动态范围低频信号和高频微扰动同时存在的工作环境，有效提取传感器特征信息。该装置通过采用光谱解调技术确定光纤EFPI传感器的准静态腔长，在此基础上由强度解调技术得到腔长的高频微扰，实现高速解调。为避免强度解调中出现“盲区”现象，该装置采用双波长强度解调技术，确保在一定EFPI腔长变化范围内始终存在位于“非盲区”的光信号。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感领域，尤其涉及一种光纤外腔法布里-珀罗干涉型(EFPI)传感器解调装置。
背景技术
光纤EFPI传感器被广泛应用于压力、应变、振动、温度等参数监测，是光纤传感技术的典型代表产品，在航天、航空、海洋、地质、医疗健康等领域发挥着重要作用。随着光纤EFPI传感器应用领域拓展，高频信号测量逐渐成为该类传感器应用的瓶颈。该瓶颈主要是归结于光纤EFPI传感器解调端能力不足。光纤EFPI传感器解调的本质在于获取EFPI腔长。低精细度光纤EFPI传感器可近似为双光束干涉，其解调方法可分为强度解调、光谱解调和光楔解调。光谱解调需要获取光纤EFPI传感器输出宽带光信号的光谱分布，无论采用扫描激光法、体相位光栅CCD光谱分光法或傅里叶变换光谱法均难以在极短时间内获取光谱信息。光楔解调方法需获取光楔不同位置处的自相关强度分布，也需要依赖线阵CCD进行光强度分布测量，其速度与光谱法相仿，均难以满足高速光纤EFPI传感器解调需求。强度解调方法通过三角函数运算，可高速获取对应的腔长信息，但存在腔长可变化动态范围小、易出现过周期、“盲区”等现象。
另一方面，结构材料超声探伤、环境脉动压力监测等典型高频应用往往伴随温度变化、结构变形、静态压力。而温度等缓变信号往往对EFPI腔长产生显著影响，EFPI腔长变化呈现出大动态范围准直流量与小动态范围高频交流量叠加的特性。现有各种解调方法难以充分满足上述复杂环境应用需求，限制了光纤EFPI传感器的进一步应用。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种光纤EFPI传感器解调装置，实现大动态范围低频信号和高频微扰动同时存在的环境下的传感器高速解调，拓展了光纤EFPI传感器的应用领域。
本发明的技术解决方案是：
一种光纤EFPI传感器解调装置，包括光源、第一分光耦合器、第二分光耦合器、第三分光耦合器、第四分光耦合器、光纤环行器、光谱测量模块、数据采集及处理终端、双波长强度参考模块和双波长强度测量模块；
光源用于向第一分光耦合器提供主动测量宽带光信号；
第一分光耦合器将宽带光信号分为两路，其中一路通过光纤环行器传输给传感器，另一路经第二分光耦合器，分成两路，进入双波长强度参考模块，进行滤波和强度测量，得到的强度参考信号输出给数据采集及处理终端；
传感器的反射光信号经光纤环行器传输给第三分光耦合器，第三分光耦合器将接收的光信号分成了两路，其中一路进入光谱测量模块进行光谱测量，测量得到的电信号输出给数据采集及处理终端；另一路经第四分光耦合器分成两路，进入双波长强度测量模块，进行滤波和强度测量，得到的强度测量信号输出给数据采集及处理终端；
数据采集及处理终端根据光谱测量结果计算得到传感器准静态腔长，根据准静态腔长、强度参考信号和强度测量信号计算得到传感器腔长高频微扰量和实际腔长。
双波长强度参考模块和双波长强度测量模块组成相同，均包括两组窄带光强度探测单元，每组窄带光强度探测单元包括一个窄带滤波器和一个光电探测器，两组窄带光强度探测单元中的窄带滤波器中心波长分别为λ1、λ2，λ1、λ2应满足传感器腔长变化范围内的强度解调需求，确保始终至少有一个中心波长位于强度解调“盲区”外。
数据采集及处理终端根据光谱测量结果，通过傅里叶变换、自相关或寻峰算法，确定传感器准静态腔长；
基于传感器准静态腔长，判断窄带滤波器中心波长λ1或λ2对应光信号是否位于强度解调“盲区”，选择位于“非盲区”中心波长对应光信号进行强度解调，获取传感器腔长的高频微扰量；
准静态腔长和高频微扰量的和即为实际腔长。
光源、第一分光耦合器、第二分光耦合器、第三分光耦合器、第四分光耦合器、光纤环行器和光谱测量模块工作波长具有兼容性，其工作区间重叠部分能够满足宽带光谱测量要求，光谱带宽不小于30nm。
一种光纤EFPI传感器解调装置，包括光源，第一单色光源、第二单色光源、第一分光耦合器、第二分光耦合器、光纤环行器、光纤WDM复用器、光纤WDM波分器，光谱测量模块，光纤滤波器，第一探测器组合、第二探测器组合及数据采集及处理终端；
光源用于向光纤WDM复用器提供主动测量宽带光信号；
第一单色光源向第一分光耦合器提供光信号，第二单色光源向第二分光耦合器提供光信号；
第一分光耦合器将光信号分成两路，其中一路进入光纤WDM复用器，另一路进入第一探测器组合；第二分光耦合器将光信号分成两路，其中一路进入光纤WDM复用器，另一路进入第一探测器组合进行强度参考测量，测量结果输出给数据采集及处理终端；
光纤WDM复用器将接收的三路光信号汇成一路，通过光纤环行器输出给传感器，传感器的反射光信号经光纤环行器传输给光纤WDM波分器；
光纤WDM波分器将光信号按波长范围分为两路，其中一路为光源发出的光信号，该路光信号进入光谱测量模块，进行光谱测量，测量得到的电信号输出给数据采集及处理终端；另一路为第一单色光源和第二单色光源发出的光信号，该路光信号经光纤滤波器按波长范围分成两路，输出给第二探测器组合进行强度测量，测量结果输出给数据采集及处理终端；
数据采集及处理终端根据光谱测量结果计算得到传感器准静态腔长，根据准静态腔长、强度参考信号和强度测量信号计算得到传感器腔长高频微扰量和实际腔长。
第一单色光源和第二单色光源的中心波长分别为λ1、λ2，λ1、λ2应满足传感器腔长变化范围内的强度解调需求，确保始终至少有一个中心波长位于强度解调“盲区”外。
数据采集及处理终端根据光谱测量结果，通过傅里叶变换、自相关或寻峰算法，确定传感器准静态腔长；
基于传感器准静态腔长，判断第一单色光源和第二单色光源中心波长λ1或λ2对应光信号是否位于强度解调“盲区”，选择位于“非盲区”中心波长对应光信号进行强度解调，获取传感器腔长的高频微扰量；
准静态腔长和高频微扰量的和即为实际腔长。
光源波长涵盖通信波段，包括但不限于C波段(40nm)或C+L波段(80nm)，为卤钨灯、掺铒光纤光源、SLED光源或ASE光源。
光谱测量模块工作波段应与光源波段匹配。
所述高速光纤EFPI传感器解调装置适用于低精细度光纤EFPI传感器，低精细度光纤EFPI传感器包括光纤EFPI压力传感器、光纤EFPI应变传感器、光纤EFPI温度传感器和光纤EFPI温度传感器。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明高速光纤EFPI传感器解调装置结合光谱解调技术和强度解调技术，采用光谱解调技术确定光纤EFPI传感器的准静态腔长，可满足大动态范围低频信号解调需求。在此基础上由强度解调技术得到腔长的高频微扰，实现高速解调。
为避免强度解调中出现“盲区”现象，该装置采用双波长强度解调技术，通过同时引入不同波长的两路光信号，确保在一定EFPI腔长变化范围内始终存在位于“非盲区”的光信号，配合光谱解调技术得到的准静态腔长，有效突破了传统强度解调技术的动态范围限制。
附图说明
图1是一种低精细度光纤EFPI应变传感器结构示意图；
图2是该低精细度光纤EFPI应变传感器输出光谱；
图3是本发明提供的一种基于宽带光源的高速光纤EFPI传感器解调装置结构示意图；
图4为引入中间函数，进行双波长强度解调“非盲区”存在性证明；
图5是在一定EFPI腔长变化范围内，双波长强度解调方法中有效工作区域示意图。
图6是本发明提供的一种基于宽带光源/单色光源组合的高速光纤EFPI传感器解调装置结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中各部分的尺寸并不与真实尺寸成比例以方便标示。再者，附图中未绘示或描述的元件或实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
本发明提出的一种综合光谱解调、强度解调技术的高速光纤EFPI传感器解调装置，采用EFPI干涉光信号光谱解调技术对大动态范围缓变参数进行测量，在此基础上采用EFPI干涉光信号强度解调技术对高频微扰参数进行测量，进而可以充分利用光谱解调技术动态范围大、强度解调技术解调速度快的优势，实现对光纤EFPI传感器的高速解调，拓展了光纤EFPI传感技术应用领域。
实施例1：
针对一种典型低精细度光纤EFPI应变传感器(结构示意图见图1)开展高速解调工作。该低精细度光纤EFPI应变传感器由两根光纤、毛细管和固定点构成，两根光纤端面构成EFPI腔，毛细管用于进行EFPI腔保护和光纤单维运动约束，两根光纤和毛细管分别由固定点固定在待测结构体上。结构体应变变化导致两根光纤对应固定点间距离发生改变，进而拉动光纤沿毛细管运动，使EFPI腔长发生变化。图2给出了EFPI腔长分别为100um和110um时，该光纤EFPI应变传感器的输出光谱。可以看出，该光纤EFPI应变传感器输出光谱近似为三角函数，峰值、周期均随EFPI腔长变化。
本实施例构建了如图3所示的高速光纤EFPI传感器解调装置。该装置由宽带光源4，第一分光耦合器5、第二分光耦合器6、第三分光耦合器7、第四分光耦合器8、光纤环行器9、体相位光栅CCD分光光谱测量模块10、数据采集及处理终端15、双波长强度参考模块和双波长强度测量模块。
双波长强度参考模块和双波长强度测量模块组成相同，均包括两组窄带光强度探测单元，每组窄带光强度探测单元包括一个窄带滤波器和一个光电探测器，窄带滤波器中心波长应位于光源工作波长和光电探测器工作波长交集之内。具体地，两组窄带光强度探测单元中的窄带滤波器中心波长分别为λ1＝1551.2nm、λ2＝1553.7nm，λ1、λ2应满足传感器腔长变化范围内的强度解调需求，确保始终至少有一个中心波长位于强度解调“盲区”外。窄带滤波器可以为但不限于光纤光栅、阵列波导光栅、光纤F-P滤波器。
宽带光源4输出C+L波段宽带光信号(波长范围1510～1590nm)，经第一分光耦合器5、光纤环行器9通道A、通道B后传输至低精细度光纤EFPI应变传感器，EFPI传感器反射光信号依次经过光纤环行器通道B、通道C，进入第三分光耦合器7。第三分光耦合器7输出两路光信号分别进行光谱解调和强度解调。其中一路由体相位光栅CCD分光光谱测量模块10进行光谱分布测量，得到EFPI传感器反射光信号的光谱分布(参见图2)。数据采集及处理终端15将上述光谱转换为强度随波数变化关系并进行傅里叶变换，可以得到光强-波数分布对应的频率信息f，由f＝2d即可得到EFPI腔长d。需要指出的是，上述光谱解调方法受限于体相位光栅CCD分光光谱测量模块10的扫描速度，解调得到的EFPI腔长d是准静态假设下的平均结果。
光谱测量模块工作波段应与光源波段匹配，波长分辨率不低于0.5nm，可以但不限于为体相位光栅CCD光谱模块、傅里叶变换光谱模块。
第三分光耦合器7输出的另一路光信号用于强度解调。该光信号经第四分光耦合器8分为两路，分别进入双波长强度测量模块的两个中心波长分别为λ1＝1551.2nm、λ2＝1553.7nm的窄带滤波器，并分别由光电探测器(PD)转换为电信号，经由数据采集及处理终端15进行处理。类似的，第一分光耦合器5输出的另一路光信号经第二分光耦合器6进入双波长强度参考模块，得到宽带光源4在中心波长λ1、λ2下的强度分布，用于对双波长强度测量模块的测量结果进行光源波动补偿。在进行强度解调时，首先根据准静态EFPI腔长d，确定λ1＝1551.2nm、λ2＝1553.7nm对应光信号是否位于“非盲区”。由强度解调可知，EFPI反射光信号
其中，Δd为应变微扰动导致的EFPI腔长变化，
为初始腔长d、应变、温度等参数相关的准静态参数。任意波长下反射光信号强度均与EFPI腔长变化呈三角函数变化。令
可以得到腔长d在90-150μm范围内变化时，It强度分布如图4所示。由上图可以看出，腔长d在90-150μm范围内变化时，It最大值不超过0.7，这意味着至少有一个余弦函数小于
对应的余弦角度范围在(33.2°,146.8°)或(213.3°,326.8°)，如图5所示。可以看出，在一定EFPI腔长变化范围内，采用合适的双波长单色光源进行强度解调，可以保证始终存在位于“非盲区”的信号。准静态EFPI腔长d可计算得到特定波长下EFPI反射光信号三角函数中的准静态参数
进而判断对应光信号是否位于“盲区”。选择非盲区光信号，根据该光信号瞬时强度值Ir、该波长下Ir三角函数强度峰值/谷值、准静态参数
根据反三角函数运算即可得到对应的瞬态EFPI腔长变化Δd(高频微扰量)，实现强度解调。
将光谱解调得到的准静态EFPI腔长d和强度解调得到的瞬态EFPI腔长变化Δd相加，即可得到该瞬态下的EFPI腔长，实现光纤EFPI传感器高速解调。
宽带光源4，第一分光耦合器5、第二分光耦合器6、第三分光耦合器7、第四分光耦合器8、光纤环行器9、体相位光栅CCD分光光谱测量模块10工作波长应具有兼容性，其工作区间重叠部分应能够满足宽带光谱测量要求，光谱带宽不小于30nm。
实施例2：
采用独立单色光源组作为强度解调光源，构建了如图6所示的高速光纤EFPI传感器解调装置。该装置由宽带光源4，第一单色光源16、第二单色光源17，第一分光耦合器5、第二分光耦合器6，光纤WDM复用器18，光纤环行器9，光纤WDM波分器19，体相位光栅CCD分光光谱测量模块10，光纤滤波器20，第一探测器组合13、第二探测器组合14及数据采集及处理终端15构成。宽带光源4输出C波段宽带光信号(波长范围1530～1570nm)，第一单色光源16、第二单色光源17分别为中心波长λ1＝1310nm、λ2＝1311.7nm的窄带激光器。宽带光源4、单色光源16、17输出光信号经由光纤WDM复用器18进行复用，合束为一路，并经光纤环行器9通道A、通道B后传输至低精细度光纤EFPI应变传感器，EFPI传感器反射光信号依次经过光纤环行器通道B、通道C后进入光纤WDM波分器19进行波分处理。其中1530～1570nm宽带光信号由光谱测量模块10进行测量，得到EFPI传感器反射光信号的光谱分布。在此基础上，对该光谱分布进行傅里叶变换，即可得到对应的准静态EFPI腔长d。光纤WDM波分器19输出的另一路光信号(λ1＝1310nm、λ2＝1311.7nm窄带光信号)进入光纤滤波器20，根据其波长特点被分为两路(波长分别为λ1＝1310nm、λ2＝1311.7nm)，并分别被第二探测器组合14中的分立光电探测器PD进行强度测量。第一单色光源16、第二单色光源17输出光信号分别传输至第一分光耦合器5、第二分光耦合器6。第一分光耦合器5将光信号分成两路，其中一路进入光纤WDM复用器18，另一路进入第一探测器组合13；第二分光耦合器6将光信号分成两路，其中一路进入光纤WDM复用器18，另一路进入第一探测器组合13。对进入第一探测器组合13的光信号进行强度参考测量，测量结果输出给数据采集及处理终端15，用于对探测器组合14得到的测量结果进行光源波动补偿。结合第一探测器组合13、第二探测器组合14测量得到的强度信息，即可实现对EFPI腔长瞬态微扰变化Δd的高速测量。将光谱解调得到的准静态EFPI腔长d和强度解调得到的瞬态EFPI腔长变化Δd相加，即可得到该瞬态下的EFPI腔长，实现光纤EFPI传感器高速解调。
本发明的高速光纤EFPI传感器解调装置适用于低精细度光纤EFPI传感器，可应用于大动态范围低频信号和高频微扰动同时存在的工作环境，有效获取EFPI腔长信息。可以用于但不限于光纤EFPI压力传感器、光纤EFPI应变传感器、光纤EFPI温度传感器、光纤EFPI温度传感器。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
Claims (10)
1.一种光纤EFPI传感器解调装置，其特征在于：包括光源(4)、第一分光耦合器(5)、第二分光耦合器(6)、第三分光耦合器(7)、第四分光耦合器(8)、光纤环行器(9)、光谱测量模块(10)、数据采集及处理终端(15)、双波长强度参考模块和双波长强度测量模块；
光源(4)用于向第一分光耦合器(5)提供主动测量宽带光信号；
第一分光耦合器(5)将宽带光信号分为两路，其中一路通过光纤环行器(9)传输给传感器，另一路经第二分光耦合器(6)，分成两路，进入双波长强度参考模块，进行滤波和强度测量，得到的强度参考信号输出给数据采集及处理终端(15)；
传感器的反射光信号经光纤环行器(9)传输给第三分光耦合器(7)，第三分光耦合器(7)将接收的光信号分成了两路，其中一路进入光谱测量模块(10)进行光谱测量，测量得到的电信号输出给数据采集及处理终端(15)；另一路经第四分光耦合器(8)分成两路，进入双波长强度测量模块，进行滤波和强度测量，得到的强度测量信号输出给数据采集及处理终端(15)；
数据采集及处理终端(15)根据光谱测量结果计算得到传感器准静态腔长，根据准静态腔长、强度参考信号和强度测量信号计算得到传感器腔长高频微扰量和实际腔长。
2.根据权利要求1所述的一种光纤EFPI传感器解调装置，其特征在于：双波长强度参考模块和双波长强度测量模块组成相同，均包括两组窄带光强度探测单元，每组窄带光强度探测单元包括一个窄带滤波器和一个光电探测器，两组窄带光强度探测单元中的窄带滤波器中心波长分别为λ1、λ2，λ1、λ2应满足传感器腔长变化范围内的强度解调需求，确保始终至少有一个中心波长位于强度解调“盲区”外。
3.根据权利要求2所述的一种光纤EFPI传感器解调装置，其特征在于：数据采集及处理终端(15)根据光谱测量结果，通过傅里叶变换、自相关或寻峰算法，确定传感器准静态腔长；
基于传感器准静态腔长，判断窄带滤波器中心波长λ1或λ2对应光信号是否位于强度解调“盲区”，选择位于“非盲区”中心波长对应光信号进行强度解调，获取传感器腔长的高频微扰量；
准静态腔长和高频微扰量的和即为实际腔长。
4.根据权利要求3所述的一种光纤EFPI传感器解调装置，其特征在于：光源(4)、第一分光耦合器(5)、第二分光耦合器(6)、第三分光耦合器(7)、第四分光耦合器(8)、光纤环行器(9)和光谱测量模块(10)工作波长具有兼容性，其工作区间重叠部分能够满足宽带光谱测量要求，光谱带宽不小于30nm。
5.一种光纤EFPI传感器解调装置，其特征在于：包括光源(4)，第一单色光源(16)、第二单色光源(17)、第一分光耦合器(5)、第二分光耦合器(6)、光纤环行器(9)、光纤WDM复用器(18)、光纤WDM波分器(19)，光谱测量模块(10)，光纤滤波器(20)，第一探测器组合(13)、第二探测器组合(14)及数据采集及处理终端(15)；
光源(4)用于向光纤WDM复用器(18)提供主动测量宽带光信号；
第一单色光源(16)向第一分光耦合器(5)提供光信号，第二单色光源(17)向第二分光耦合器(6)提供光信号；
第一分光耦合器(5)将光信号分成两路，其中一路进入光纤WDM复用器(18)，另一路进入第一探测器组合(13)；第二分光耦合器(6)将光信号分成两路，其中一路进入光纤WDM复用器(18)，另一路进入第一探测器组合(13)进行强度参考测量，测量结果输出给数据采集及处理终端(15)；
光纤WDM复用器(18)将接收的三路光信号汇成一路，通过光纤环行器(9)输出给传感器，传感器的反射光信号经光纤环行器(9)传输给光纤WDM波分器(19)；
光纤WDM波分器(19)将光信号按波长范围分为两路，其中一路为光源(4)发出的光信号，该路光信号进入光谱测量模块(10)，进行光谱测量，测量得到的电信号输出给数据采集及处理终端(15)；另一路为第一单色光源(16)和第二单色光源(17)发出的光信号，该路光信号经光纤滤波器(20)按波长范围分成两路，输出给第二探测器组合(14)进行强度测量，测量结果输出给数据采集及处理终端(15)；
数据采集及处理终端(15)根据光谱测量结果计算得到传感器准静态腔长，根据准静态腔长、强度参考信号和强度测量信号计算得到传感器腔长高频微扰量和实际腔长。
6.根据权利要求5所述的一种光纤EFPI传感器解调装置，其特征在于：第一单色光源(16)和第二单色光源(17)的中心波长分别为λ1、λ2，λ1、λ2应满足传感器腔长变化范围内的强度解调需求，确保始终至少有一个中心波长位于强度解调“盲区”外。
7.根据权利要求6所述的一种光纤EFPI传感器解调装置，其特征在于：数据采集及处理终端(15)根据光谱测量结果，通过傅里叶变换、自相关或寻峰算法，确定传感器准静态腔长；
基于传感器准静态腔长，判断第一单色光源(16)和第二单色光源(17)中心波长λ1或λ2对应光信号是否位于强度解调“盲区”，选择位于“非盲区”中心波长对应光信号进行强度解调，获取传感器腔长的高频微扰量；
准静态腔长和高频微扰量的和即为实际腔长。
8.根据权利要求1或5所述的一种光纤EFPI传感器解调装置，其特征在于：光源(4)波长涵盖通信波段，包括C波段(40nm)或C+L波段(80nm)，为卤钨灯、掺铒光纤光源、SLED光源或ASE光源。
9.根据权利要求1或5所述的一种光纤EFPI传感器解调装置，其特征在于：光谱测量模块(10)工作波段应与光源(4)波段匹配。
10.根据权利要求1或5所述的一种光纤EFPI传感器解调装置，其特征在于：所述光纤EFPI传感器解调装置适用于低精细度光纤EFPI传感器，低精细度光纤EFPI传感器包括光纤EFPI压力传感器、光纤EFPI应变传感器、光纤EFPI温度传感器和光纤EFPI温度传感器。
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