CN109612571A - 一种基于共生光纤迈克尔逊干涉仪的动态信号测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于共生光纤迈克尔逊干涉仪的动态信号测量方法，属于干涉型光纤传感技术领域。通过在传感臂上串联两个不同中心波长的宽带光纤布拉格光栅，在参考臂上连接一个宽带反射镜，形成共生光纤迈克尔逊干涉仪(SMI)。SMI包含两个共用同一3×3耦合器及参考臂的迈克尔逊干涉仪(MI)。2个MI通过基于3×3耦合器的被动解调法进行解调。对两个MI解调信号求差，消除加载在干涉仪参考臂及传导光纤上的干扰，并恢复出待测信号。这一原理还可以使用省略宽带反射镜的变形结构来实现。该解调技术能够实现迈克尔逊干涉仪的远距离遥测，具有高灵敏度、宽频率响应范围的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于共生光纤迈克尔逊干涉仪的动态信号测量方法，属于干涉型光纤传感技术领域。
背景技术
近年来，光纤动态信号(振动、声等)测量技术受到了广泛的关注。其中，由于不受传导光纤上干扰信号的影响且适于进行远程测量，基于Fabry-Perot干涉仪(FPI)的动态信号传感器是一种备受瞩目的方案。然而，受限于传感器的腔长，FPI传感器的灵敏度有限。迈克尔逊干涉仪(MI)的干涉臂可以很长，因此可以获得很高的测量灵敏度，但是，长参考臂使得MI传感器对干扰信号非常敏感，给信号测量带来很大的困难，也不能实现远距离测量。
目前，已提出很多解调方案，用以从不同干涉仪中解调动态信号，包括有源零差正交解调法，相位载波法，基于双波长的被动解调法，以及基于3×3耦合器的被动解调法等。有源零差正交解调法，相位载波法等有源解调方案所解调信号的频率上限受系统中有源器件的限制，不适于进行高频信号的解调。基于双波长的被动解调法和基于3×3耦合器的被动解调法属于被动解调方案，可以进行高频信号的测量。然而，基于双波长的被动解调法对干涉仪的初始光程差(OPD)敏感[A.M.R.Pinto,etc.,“Interrogation of a suspended-core Fabry–Pérot temperature sensor through a dual wavelength Raman fiberlaser,”J.Lightw.Technol.28(21),3149–3155；Jingshan Jia,etc.,“Dual-wavelengthDC compensation technique for the demodulation of EFPI fiber sensors,”IEEEPhoton.Technol.Lett.30(15),1380–1383]，而长臂的干涉仪由于易受外界环境波动的影响，初始OPD往往会不断漂移，因而，该解调方案无法用于解调MI这类长臂干涉仪。基于3×3耦合器的被动解调法则无法消除加载在干涉臂上的干扰信号[Feifei Chen,Yi Jiang,andLan Jiang,“3×3coupler based interferometric magneticfield sensor using aTbDyFe rod,”Appl.Opt.54(8),2085–2090]；同时，由于FPI产生的干涉信号通过3×3耦合器后产生的三路信号没有相位差，使得FPI传感器无法用基于3×3耦合器的被动解调法解调。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术无法满足远程测量高灵敏度、高频信号的问题，提供一种基于共生光纤迈克尔逊干涉仪(SMI)的动态信号测量方法，该方法对两个共生的MI的测量信号求差，消除加载在SMI上的干扰，并恢复出待测信号，满足远程测量高灵敏度、高频信号的需求。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种基于共生光纤迈克尔逊干涉仪的动态信号测量方法，激光器发射出不同波长的两束激光，所述两束激光分别被对应的光纤光栅反射后，与反射镜反射的同波长光束形成两个迈克尔逊干涉仪；分别对两个迈克尔逊干涉仪进行解调，解调出相位信号，然后对信号作差，即可消除传输路径上的干扰信号，同时得到所测量的动态信号；
一种基于共生光纤迈克尔逊干涉仪的动态信号测量方法，激光器发射出不同波长的两束激光，每个波长的激光遇到对应的光纤光栅，由光纤光栅的两端反射后形成两束反射光，并发生干涉，形成两个迈克尔逊干涉仪；分别对两个迈克尔逊干涉仪进行解调，解调出相位信号，然后对信号作差，即可消除传输路径上的干扰信号，同时得到所测量的动态信号；
实现上述方法的装置，包括双波长光纤激光器、2×2耦合器、3×3耦合器、第一宽带光纤布拉格光栅、第二宽带光纤布拉格光栅、宽带反射镜、波分复用器组、光电转换模块、被动解调模块和减法器。
当两光纤光栅为串联结构，且均与3×3耦合器连接，形成闭合光路时，宽带光纤布拉格光栅的两端分别发生反射，形成两束反射光，省略宽带反射镜；
双波长光纤激光器发射的激光依次通过2×2耦合器和3×3耦合器后每个波长的部分光束通过第一宽带光纤布拉格光栅或第二宽带光纤布拉格光栅反射，得到光栅反射光；另一部分光束通过宽带反射镜反射，得到宽带镜反射光或者由第一宽带光纤布拉格光栅及第二宽带光纤布拉格光栅的另外一端反射，形成第二光栅反射光；同一波长的两束反射光被反射回3×3耦合器，并发生双光束干涉，产生干涉信号；干涉信号通过3×3耦合器后，分为两两之间相位差为120°的三束光，即得到三路干涉信号。所述三路干涉信号分别通过传输光纤以及2×2耦合器后，按照不同波长被波分复用器组分为两组光信号，再通过光电转换模块将光信号转变为电信号，被动解调模块对电信号进行运算后解调出两个相位信号；减法器对两个相位信号作差即可消除传输路径上的干扰信号，同时得到所测量的动态信号；
由单个MI输出的干涉信号可表达为：
式中，A为干涉信号的直流量，B为干涉条纹的对比度，为加载在干涉仪上的相位信号。
不同波长的干涉信号转换后的电信号分别输入到被动解调模块，通过基于3×3耦合器的被动解调法解调：
式中，Fi，i＝1,2,3为中间变量；Fi＝fi-[(f1+f2+f3)]/3,i＝1,2,3。f1、f2、f3均为波分复用器组中一个波分复用器输出的任意波长的干涉信号；
所述第一宽带光纤布拉格光栅的反射光与宽带反射镜的反射光发生干涉，或第一宽带光纤布拉格光栅两端的反射光反生干涉，形成干涉仪MI1；MI1中解调出的相位信号为
所述第二宽带光纤布拉格光栅的反射光与宽带反射镜的反射光发生干涉，或第二宽带光纤布拉格光栅两端的反射光反生干涉，形成干涉仪MI2；MI2中解调出的相位信号为
对两个解调器的输出的相位信号求差，消除传输路径上的干扰信号，得到待测动态信号：
有益效果
本发明的一种基于共生迈克尔逊干涉仪的动态信号测量方法，具有不同波长的两个MI在一支3×3耦合器上复用。在无源检测方案中去除了施加到SMI上的干扰信号。满足远程测量高灵敏度、高频信号的需求。
附图说明
图1为本发明典型系统结构示意图；
图2为本发明涉及的双波长光纤激光器光谱；
图3为本发明涉及的SMI传感器的反射光谱；
图4本发明涉及的一种基于SMI的振动传感器结构示意图；
图5为在基于SMI的振动传感器上施加频率为200Hz，加速度为3m/s2振动信号时的实验结果；
图6为图5中黑框标识处的局部放大图；
图7为本发明涉及的省略宽带反射镜时实现系统的结构示意图；
图8为在基于SMI的振动传感器上施加频率为300Hz，加速度为20m/s2振动信号时的实验结果；
图9为图8中黑框标识处的局部放大图；
图10为本发明涉及的一种基于SMI的声传感器结构示意图。
其中，1为双波长光纤激光器，2为2×2耦合器，3为3×3耦合器，4为第一宽带光纤布拉格光栅，5为第二宽带光纤布拉格光栅，6为宽带反射镜，7为波分复用器组，8为光电转换模块，9为被动解调模块，10为减法器，11为传导光纤L-B，12为传感光纤S-C，13为参考臂L-A。
具体实施方案
下面结合说明书附图以及实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1
基于SMI的动态信号测量方法典型系统结构如图1所示。本发明所采用的双波长光纤激光器1的波长为λ1＝1558.05nm(174μW)、λ2＝1549.38nm(430μW)，线宽小于7.5MHz，激光器光谱如图2所示。第一宽带光纤布拉格光栅4的中心波长1558.03nm，带宽为2nm，第二宽带光纤布拉格光栅5的中心波长为1549.67nm，带宽为2nm。两个布拉格光栅的反射率都为98％，如图3所示。宽带反射镜6的带宽为1500-1600nm，反射率为98％。参考臂L-A13的长度为100.5m，传导光纤L-B11的长度为100m，传感光纤S-C12长度为3m。
一种基于共生光纤迈克尔逊干涉仪的动态信号测量方法，激光器发射出不同波长的两束激光，所述两束激光分别被对应的光纤光栅反射后，与反射镜反射的同波长光束形成两个迈克尔逊干涉仪；分别对两个迈克尔逊干涉仪进行解调，解调出相位信号，然后对信号作差，即可消除传输路径上的干扰信号，同时得到所测量的动态信号；
3×3耦合器3通过参考臂L-A13连接宽带反射镜6；3×3耦合器3通过传导光纤L-B11连接了第一宽带光纤布拉格光栅4；第一宽带光纤布拉格光栅4和第二宽带光纤布拉格光栅5之间由传感光纤S-C12连接，作为传感器的敏感部分进行动态信号传感；由此，构成SMI。为了防止由于温度变化引起光纤布拉格光栅中心波长漂移而造成传感器失效，这两个光纤布拉格光栅选用宽带光纤布拉格光栅。由宽带反射镜6及第一宽带光纤布拉格光栅4的反射光构成一个迈克尔逊干涉仪MI1，而由宽带反射镜6及第二宽带光纤布拉格光栅5的反射光构成MI2。为了使MI1与MI2的光程差最小，参考臂L-A13的长度因等于传导光纤L-B11的长度与传感光纤S-C12的半长之和。由双波长光纤激光器1发射的波长为λ1和λ2的激光通过2×2耦合器2后注入SMI中。同一波长的反射光在3×3耦合器3处发生双光束干涉，干涉光信号通过3×3耦合器3后分为两两之间相位差为120°的三束光。这三路干涉信号通过传输光纤与2×2耦合器2后，为波分复用器组7分为不同波长的光信号，之后，通过光电转换模块8进行光电转换。不同波长的干涉信号转换后的电信号分别输入到被动解调模块9，之后通过减法器10进行求差，得到所测动态信号。
将传感光纤S-C12缠绕在一个3D打印聚乳酸(PLA)材料的空心柱体上，构成基于SMI的振动传感器，如图4所示。该PLA柱体受到振动信号驱动而发生形变，通过缠绕其上的光纤测量PLA柱体的形变来测量振动信号。在传感器上施加频率为200Hz，加速度为3m/s2的振动信号，实验结果如图5所示。
图5为MI1、MI2测量的相位信号及二者的差，图6为图5中黑框标识处的局部放大图。通过对比和可以看出，加载在SMI上的干扰信号被成功消除，并成功解调出待测信号。证明了本发明的可行性。
实施例2
一种基于共生光纤迈克尔逊干涉仪的动态信号测量方法，激光器发射出不同波长的两束激光，每个波长的激光遇到对应的光纤光栅，由光纤光栅的两端反射后形成两束反射光，并发生干涉，形成两个迈克尔逊干涉仪；分别对两个迈克尔逊干涉仪进行解调，解调出相位信号，然后对信号作差，即可消除传输路径上的干扰信号，同时得到所测量的动态信号；
基于SMI的动态信号测量方法的变形系统结构如图7所示。本变形系统省略了宽带反射镜6。3×3耦合器3通过传导光纤L-B11与第一宽带光纤布拉格光栅4连接，第一宽带光纤布拉格光栅4通过传感光纤S-C12与第二宽带光纤布拉格光栅5连接，第二宽带光纤布拉格光栅5通过参考臂L-A13连接到3×3耦合器3，形成闭合光路，从而构成SMI。由第一宽带光纤布拉格光栅4两侧反射的光在3×3耦合器3处反生干涉，形成了MI1。同样的，由第二宽带光纤布拉格光栅5两侧反射的光在CP2处反生干涉，形成了MI2。
如实施例1中所述基于SMI的振动传感器，在传感器上施加频率为300Hz，加速度为20m/s2的振动信号，实验结果如图8所示。
图8为MI1、MI2测量的相位信号及二者的差，图9为图8中黑框标识处的局部放大图。通过对比和可以看出，加载在SMI上的干扰信号被成功消除，并成功解调出待测信号。证明了本发明变形系统的可行性。
在实施例1及实施例2中，由一个3D打印PLA材料的实心柱体缠绕10m长的传感光纤S-C12构成基于SMI的声传感器，该PLA柱体受到其中传播的声信号而发生形变，通过缠绕其上的光纤测量PLA柱体的形变来测量声信号，由于不存在梁或者膜片等挠性结构，共振频率很高，因此传感器测量非常高频的声信号。如图10所示。
以上所述的具体描述，对发明的目的、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，并不用于限定本发明的保护范围，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。
Claims (6)
1.一种基于共生光纤迈克尔逊干涉仪的动态信号测量方法，其特征在于：激光器发射出不同波长的两束激光，所述两束激光分别被对应的光纤光栅反射后，与反射镜反射的同波长光束形成两个迈克尔逊干涉仪；分别对两个迈克尔逊干涉仪进行解调，解调出相位信号，然后对信号作差，即可消除传输路径上的干扰信号，同时得到所测量的动态信号。
2.实现如权利要求1所述方法的装置，其特征在于：包括双波长光纤激光器、2×2耦合器、3×3耦合器、第一宽带光纤布拉格光栅、第二宽带光纤布拉格光栅、宽带反射镜、波分复用器组、光电转换模块、被动解调模块和减法器；
双波长光纤激光器发射的激光依次通过2×2耦合器和3×3耦合器后，每个波长的部分光束通过第一宽带光纤布拉格光栅或第二宽带光纤布拉格光栅反射，得到光栅反射光；另一部分光束通过宽带反射镜反射，得到宽带镜反射光；同一波长的两束反射光被反射回3×3耦合器，并发生双光束干涉，产生干涉信号；干涉信号通过3×3耦合器后，分为两两之间相位差为120°的三束光，即得到三路干涉信号；所述三路干涉信号分别通过传输光纤以及2×2耦合器后，按照不同波长被波分复用器组分为两组光信号，再通过光电转换模块将光信号转变为电信号，被动解调模块对电信号进行运算后解调出两个相位信号；减法器对两个相位信号作差即可消除传输路径上的干扰信号，同时得到所测量的动态信号。
3.如权利要求2所述方法，其特征在于：所述被动解调模块对电信号进行运算后解调出两个相位信号的方法为：
单个MI输出的干涉信号表达为：
式中，A为干涉信号的直流量，B为干涉条纹的对比度，为加载在干涉仪上的相位信号；
不同波长的干涉信号转换后的电信号分别输入到被动解调模块，通过基于3×3耦合器的被动解调法解调：
式中，Fi，i＝1,2,3为中间变量；Fi＝fi-[(f1+f2+f3)]/3,i＝1,2,3；f1、f2、f3均为波分复用器组中一个波分复用器输出的任意波长的干涉信号；
所述第一宽带光纤布拉格光栅的反射光与宽带反射镜的反射光发生干涉，形成干涉仪MI1；MI1中解调出的相位信号为所述第二宽带光纤布拉格光栅的反射光与宽带反射镜的反射光发生干涉，形成干涉仪MI2；MI2中解调出的相位信号信号为
对两个解调器的输出的相位信号求差，消除传输路径上的干扰信号，得到待测动态信号：
4.一种基于共生光纤迈克尔逊干涉仪的动态信号测量方法，其特征在于：激光器发射出不同波长的两束激光，每个波长的激光遇到对应的光纤光栅，由光纤光栅的两端反射后形成两束反射光，并发生干涉，形成两个迈克尔逊干涉仪；分别对两个迈克尔逊干涉仪进行解调，解调出相位信号，然后对信号作差，即可消除传输路径上的干扰信号，同时得到所测量的动态信号。
5.实现如权利要求4所述方法的装置，其特征在于：包括双波长光纤激光器、2×2耦合器、3×3耦合器、第一宽带光纤布拉格光栅、第二宽带光纤布拉格光栅、波分复用器组、光电转换模块、被动解调模块和减法器；
所述第一宽带光纤布拉格光栅与第二宽带光纤布拉格光栅通过一条光纤串联，且均与3×3耦合器连接，形成闭合光路；每个宽带光纤布拉格光栅的两端分别发生反射，形成两束反射光；
双波长光纤激光器发射的激光依次通过2×2耦合器和3×3耦合器后，两个波长的光束分别通过第一宽带光纤布拉格光栅和第二宽带光纤布拉格光栅两端发生反射，分别形成两束反射光；同一波长的两束反射光被反射回3×3耦合器，并发生双光束干涉，产生干涉信号；干涉信号通过3×3耦合器后，分为两两之间相位差为120°的三束光，即得到三路干涉信号；所述三路干涉信号分别通过传输光纤以及2×2耦合器后，按照不同波长被波分复用器组分为两组光信号，再通过光电转换模块将光信号转变为电信号，被动解调模块对电信号进行运算后解调出两个相位信号；减法器对两个相位信号作差即可消除传输路径上的干扰信号，同时得到所测量的动态信号。
6.如权利要求5所述方法，其特征在于：所述被动解调模块对电信号进行运算后解调出两个相位信号的方法为：
单个MI输出的干涉信号表达为：
式中，A为干涉信号的直流量，B为干涉条纹的对比度，为加载在干涉仪上的相位信号；
不同波长的干涉信号转换后的电信号分别输入到被动解调模块，通过基于3×3耦合器的被动解调法解调：
式中，Fi，i＝1,2,3为中间变量；Fi＝fi-[(f1+f2+f3)]/3,i＝1,2,3；f1、f2、f3均为波分复用器组中一个波分复用器输出的任意波长的干涉信号；
所述第一宽带光纤布拉格光栅一端的反射光与另一端的反射光发生干涉，形成干涉仪MI1；MI1中解调出的相位信号为所述第二宽带光纤布拉格光栅一端的反射光与另一端的反射光发生干涉，形成干涉仪MI2；MI2中解调出的相位信号为
对两个解调器的输出的相位信号求差，消除传输路径上的干扰信号，得到待测动态信号：
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