CN110631684A - 传感探头、抑制偏振衰落的光纤干涉装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种传感探头、抑制偏振衰落的光纤干涉装置及方法。其中，一种传感探头，包括密封腔，密封腔内设置有传感膜片、第一环形器和第一法拉第旋镜；传感膜片用于感知外界声波振动信号；传感膜片上还设有凸台以增加传感探头的灵敏度；传感膜片上设有传感光纤环，传感光纤环一端与输入光纤相连，另一端与第一环形器的第一端口相连，第一环形器的第二端口与第一法拉第旋镜相连；第一环形器的第三端口输出感知外界声波振动信号变化的探测光。

Description

传感探头、抑制偏振衰落的光纤干涉装置及方法

技术领域

本公开属于光纤干涉装置领域，尤其涉及一种传感探头、抑制偏振衰落的光纤干涉装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

光纤干涉广泛应用于各种外界信号的测量中，比如振动、温度、应力等，它的原理是根据外界物理量的变化导致干涉光的相位变化，通过检测干涉光的相位变化量实现对外界物理量的测量。于是对于稳定干涉光的获取就成了实现外界物理量准确测量的关键。

马赫-曾德尔光纤干涉结构在振动信号测量中有着广泛的应用，但是当光纤受到外界干扰时，由于光纤的双折射效应，在普通单模光纤中的偏振态会随机变化，导致检测信号的随机衰落，特别是当光纤干涉仪两臂中光的偏振态相正交时，干涉仪输出的干涉信号为零，所以偏振诱导信号衰落已经成为影响干涉型光纤传感器信号测量的严重问题。发明人发现，目前，研究者普遍采用在单模光纤上加装偏振控制器来抑制偏振衰落，虽然具有一定的成效，但是增加了系统成本并且会有明显的迟滞现象。浙江大学的周效东等人通过对分集检测技术消除干涉型光纤传感器偏振诱导信号衰落进行了理论分析和仿真研究，但是需要三路检测器同时进行检测，系统比较麻烦。此外还有偏振态调制技术，但这种方法会明显降低系统信噪比。

发明内容

为了解决上述问题，本公开提供一种传感探头、抑制偏振衰落的光纤干涉装置及方法。

本公开的第一方面提供一种传感探头，其能够避免外界环境的干扰，使得探知声波信号更加准确。

本公开的第二方面提供一种抑制偏振衰落的光纤干涉装置，其利用法拉第旋镜和环形器相结合的方式来抑制在光纤干涉结构中的偏振衰落，能够有效抑制偏振衰落，提高系统的信噪比和稳定性，实现对振动信号的准确测量。

本公开的第三方面提供一种抑制偏振衰落的光纤干涉装置的工作方法，其利用法拉第旋镜和环形器相结合的方式来抑制在光纤干涉结构中的偏振衰落，能够有效抑制偏振衰落，提高系统的信噪比和稳定性，实现对振动信号的准确测量。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

本公开第一方面的一种传感探头，包括：

密封腔，密封腔内设置有传感膜片、第一环形器和第一法拉第旋镜；传感膜片用于感知外界声波振动信号；传感膜片上还设有凸台以增加传感探头的灵敏度；传感膜片上设有传感光纤环，传感光纤环一端与输入光纤相连，另一端与第一环形器的第一端口相连，第一环形器的第二端口与第一法拉第旋镜相连；第一环形器的第三端口输出感知外界声波振动信号变化的探测光。

作为一种实施方式，所述传感膜片采用圆形弹性膜片。

上述技术方案的优点在于，本实施例采用圆形弹性膜片来检测声波振动信号，这样只检测圆形弹性膜片中心的受压形变量，可以在微弱的声波信号下发生形变，并进而使得粘贴在弹性膜片上传感光纤环产生应变，提高声波信号检测的准确性。

作为一种实施方式，所述凸台为圆形凸台，所述圆形凸台与圆形弹性膜片的圆心重合。

上述技术方案的优点在于，本实施例的凸台形状为与弹性膜片同圆心的圆形凸台，作用是为了增加传感膜片探知声波信号的灵敏度。

作为一种实施方式，所述密封腔为金属圆筒。

金属圆筒能够避免外界环境的干扰，本实施例将传感膜片，光环形器和法拉第旋镜都整合在金属圆筒内，能够准确探知声波信号。

作为一种实施方式，所述传感膜片和凸台均采用有机聚合物材料制成。

这样能够提高声波信号探知的准确性。

本公开第二方面的一种抑制偏振衰落的光纤干涉装置，包括：

激光器，其输出的光信号经过第一耦合器等分成两束光，分别进入传感臂光纤和参考臂光纤中；所述传感臂光纤与如上述所述的传感探头相连，其中，传感臂光纤为输入光纤；所述参考臂光纤与第二光环形器的第一端口相连，第二光环形器的第二端口与第二法拉第旋镜相连；第二光环形器的第三端口输出参考光；

第一光环形器的第三端口和第二环形器的第三端口均与第二耦合器相连，在所述第二耦合器中探测光与参考光形成干涉，并输出两路干涉光，两路干涉光作差后经解调器解调输出由振动引起的相位变化，进而得到声波振动信息。

作为一种实施方式，所述第二耦合器输出的输出两路干涉光分别经第一光电探测器和第二光电探测器传输至解调器中。

作为一种实施方式，传感臂光纤和参考臂光纤均为单模光纤。

本公开第三方面的一种抑制偏振衰落的光纤干涉装置的工作方法，包括：

激光器输出的光信号经过第一耦合器等分成两束光，分别进入传感臂光纤和参考臂光纤中；

当外界存在声波振动时，传感探头感知外界声波振动信号，使得传感臂光纤传输的光发生变化并输出探测光；

参考臂光纤经第二光环形器输出参考光；

探测光与参考光在第二耦合器中形成干涉，并由第二耦合器输出两路干涉光，两路干涉光作差后经解调器解调输出由振动引起的相位变化，进而得到声波振动信息。

本公开的有益效果是：

(1)本公开的传感探头将传感膜片、第一环形器和第一法拉第旋镜整合在密封腔内，避免外界干扰，提高探测的准确性；

(2)本公开的环形器的使用可以有效避免由法拉第旋镜反射的光对光源造成影响，使得探测的干涉信号更加稳定，从而更加准确地测量外界信号的变化；

(3)本公开的抑制偏振衰落的光纤干涉装置结构为马赫-曾德尔干涉结构，本公开将法拉第旋镜和环形器应用于马赫-曾德尔干涉结构中，由于法拉第旋镜可以使得反射光波的偏振态只与入射光波的偏振态有关，而不受中间传输光纤双折射效应的影响，使两臂返回的光始终具有相同的偏振态，因而能够有效抑制单模光纤的双折射效应和偏振波动，能够有效抑制偏振衰落，提高了系统的信噪比和稳定性，实现了对振动信号的准确测量。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是本公开实施例的传感探头结构示意图；

图2是本公开实施例的抑制偏振衰落的光纤干涉装置结构示意图；

图3是本公开实施例的法拉第旋镜工作原理图；

图4是本公开实施例的第一耦合器的工作原理图；

图5是本公开实施例的第一探测器经第二耦合器输出的探测原理图；

图6是本公开实施例的第二探测器经第二耦合器输出的探测原理图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种传感探头，其包括：

密封腔12，密封腔12内设置有传感膜片3、第一环形器6和第一法拉第旋镜7；传感膜片3用于感知外界声波振动信号；传感膜片3上还设有凸台13以增加传感探头的灵敏度；传感膜片3上设有传感光纤环18，传感光纤环18一端与输入光纤相连，另一端与第一环形器6的第一端口d相连，第一环形器6的第二端口e与第一法拉第旋镜7相连；第一环形器6的第三端口f输出感知外界声波振动信号变化的探测光。

作为一种实施方式，所述传感膜片采用圆形弹性膜片。

例如：圆形弹性膜片的杨氏模量为10GPa，泊松比为0.3，半径为50mm，厚度为1mm。

上述技术方案的优点在于，本实施例采用圆形弹性膜片来检测声波振动信号，这样只检测圆形弹性膜片中心的受压形变量，可以在微弱的声波信号下发生形变，并进而使得粘贴在弹性膜片上传感光纤环产生应变，提高声波信号检测的准确性。

作为一种实施方式，所述凸台为圆形凸台，所述圆形凸台与圆形弹性膜片的圆心重合。

在本实施例中，所述传感膜片和凸台的材质相同，且均采用有机聚合物材料制成。这样能够提高声波信号探知的准确性。

其中，凸台13可以相应地增加传感探头的灵敏度，凸台和膜片均采用有机聚合物材料，例如：凸台半径为5mm，厚度为0.3mm。

上述技术方案的优点在于，本实施例的凸台形状为与弹性膜片同圆心的圆形凸台，作用是为了增加传感膜片探知声波信号的灵敏度。

传感探头采用带圆形凸台的弹性膜片，可以在微弱的声波信号下发生形变，并进而影响粘贴在弹性膜片上传感光纤环的应变。假设外界作用的声波为：

其中，p_a为声波的振幅，ω₁为声波的圆频率。

设弹性膜片的厚度为h，半径为R，设定凸台和膜片为同一种材料，且凸台的厚度为H，半径为r_a，圆形弹性膜片的边缘固定。对于此类声波传感器往往只关心圆形弹性膜片中心的受压形变量，即当r＝0时的形变量η。

其中χ为：

其中α＝r_a/R，β＝h/(h+H)，μ为膜片材料的泊松比，E为传感膜片的杨氏模量。

圆形弹性膜片的形变导致光纤长度发生变化ΔL：

其中L为整个传感光纤的长度，d_f为传感光纤的直径，r₁为传感光纤环的内半径。

作为一种实施方式，所述密封腔为金属圆筒。如图1所示，金属圆筒为铝制圆筒14构成。

传感膜片采用周边固支的方式固定在金属圆筒(比如：铝制圆筒)，并在膜片四周施加一定的预应力。当扬声器的声波作用于圆形薄膜时，薄膜会随声压的变化而发生形变，从而改变粘贴在上面的传感光纤环18的应力分布，传感光纤环的长度和有效折射率发生改变。

金属圆筒能够避免外界环境的干扰，本实施例将传感膜片，光环形器和法拉第旋镜都整合在金属圆筒内，能够准确探知声波信号。

实施例2

如图2所示，本实施例的一种抑制偏振衰落的光纤干涉装置，包括：

激光器1，其输出的光信号经过第一耦合器2等分成两束光，分别进入传感臂光纤和参考臂光纤中；所述传感臂光纤与如图1所示的传感探头相连，其中，传感臂光纤为输入光纤；所述参考臂光纤与第二光环形器4的第一端口a相连，第二光环形器4的第二端口b与第二法拉第旋镜相连；第二光环形器4的第三端口c输出参考光；

第一光环形器6的第三端口f和第二环形器4的第三端口c均与第二耦合器8相连，在所述第二耦合器8中探测光与参考光形成干涉，并输出两路干涉光，两路干涉光作差后经解调器11解调输出由振动引起的相位变化，进而得到声波振动信息。

其中，所述第二耦合器8输出的输出两路干涉光分别经第一光电探测器10和第二光电探测器9传输至解调器11中。

在本实施例中，激光器采用波长为1550nm的分布反馈式激光器。

可以理解的是，在其他实施例中，本领域技术人员可根据实际情况来具体选择激光器的型号及其发射波长。

传感光纤环18通过光纤进孔16进入传感探头内部。传感臂光纤以环状粘贴在带凸台13的传感膜片3上，传感膜片3以周边固支的方式固定在铝制圆筒14上，传感光纤环的尾端连接第一环形器6的d端口，第一环形器6的e端口连接第一法拉第旋镜7，第一环形器6和第一法拉第旋镜7均采用弹性压片15固定在铝制圆筒14的底端面，第一环形器6的f端口接光纤通过铝制圆筒上的光纤出孔17外接到第二耦合器8中。第二耦合器8的输出端分别接第二光电探测器9和第一光电探测器10，该结构构成马赫-曾德尔干涉，第二光电探测器9和第一光电探测器10再连接到解调器11。

本实施例的一种抑制偏振态衰弱的马赫曾德尔光纤干涉过程描述如下：

由激光器发出光波，入射光的光场可表示为：

式中E₀为光波的振幅，ω为光波频率，k₀为光波在真空中传播时的波数，n为石英单模光纤纤芯的折射率，x为光波传播过程中通过的光程，并进而可得到光波的光强为：

I₀＝EE^*＝E₀ ²

其中，传感臂光纤和参考臂光纤均为单模光纤。

光波入射到第一耦合器后，被分成两路光传到两个单模光纤中，其中一个作为传感臂，另一个作为参考臂。由于是交叉耦合，使得传感臂中的传输光发生π/2的相位延后，如图4所示。

入射光波经过第一耦合器和参考臂光后的光场为：

式中干涉仪两臂有相同光衰减系数α，ζ为第一耦合器的耦合系数，l_r为经过参考臂光纤中的光程。

由于相位延后，入射光波经过第一耦合器和传感臂后的光场为：

式中l_s为传感臂光纤中的光程。

传感探头采用带圆形凸台的弹性膜片，可以在微弱的声波信号下发生形变，并进而影响粘贴在弹性膜片上传感光纤环的应变。假设外界作用的声波为：

其中，p_a为声波的振幅，ω₁为声波的圆频率。

设弹性膜片的厚度为h，半径为R，设定凸台和膜片为同一种材料，且凸台的厚度为H，半径为r_a，圆形弹性膜片的边缘固定。对于此类声波传感器往往只关心圆形弹性膜片中心的受压形变量，即当r＝0时的形变量η。

其中χ为：

其中α＝r_a/R，β＝h/(h+H)，μ为膜片材料的泊松比，E为传感膜片的杨氏模量。

圆形弹性膜片的形变导致光纤长度发生变化ΔL：

其中L为整个传感光纤的长度，d_f为传感光纤的直径，r₁为传感光纤环的内半径。

由于传感光纤长度的变化使得干涉光相位发生变化

其中n是传输光纤纤芯的折射率，λ是入射光的波长。由此可以得到外界声波信号而导致的干涉光的相位变化。

由于光纤的双折射效应，光在光纤中传播时偏振态会缓慢随机变化，会影响输出干涉信号的可见度降低而导致信号衰落。而法拉第旋镜可以实现对输入光偏振态的正交变换，可以有效避免光纤偏振态的随机变化。

传感臂传输光由第一光环形器6端口的d入射到端口e，参考臂传输光经由第二光环形器端口a入射到端口b，分别经第一法拉第旋镜和第二法拉第旋镜反射后由第一光环形器和第二光环形器端口f、c射出，有效避免了反射光对光源造成影响。当法拉第旋镜的旋转角为45°时，若不考虑损耗，光经过它又被反射出第二光环形器和第一光环形器端口c、f的过程可用Jones矩阵表示为：

如图3所示，假设入射光波的偏振方向为垂直方向，当法拉第材料19的外层磁环产生的磁场大小合适时，可以让光波的偏振方向偏转45°，通过高反射镜20反射后，反射光再次通过法拉第材料19，这样反射光波的偏振方向在上次偏转方向的基础上再次偏转45°变为水平方向，从而使得入射光波在法拉第旋镜的作用下偏转90°，即实现输出光的偏振态与输入光的偏振态正交，且与传输光纤的传输矩阵无关，经过环形器和法拉第旋镜，可以消除传输光纤中双折射的影响，那么由两臂出射的光在第二耦合器中会发生完全干涉，有效抑制传感光和参考光的偏振衰落。

一段单模光纤可以看成是一个相位延迟器和一个旋光器的级联，不计光纤传输损耗，那么马赫-曾德尔干涉仪的其中一个臂的单模光纤Jones矩阵为：

其中：

其中参数a，b的取值与该段光纤的双折射特性有关，*为取共轭，θ_m表示等效相位延迟器的快轴方向与参考坐标x轴之间的夹角，δ_m表示单模光纤中快慢轴之间的等效相位差。当光从第二光环形器端口c和第一光环形器端口f出射后，后段光纤的逆向传输Jones矩阵为：

当一束线偏振光E_i＝[E_ix E_iy]^T通过等效传输光纤到达法拉第旋镜被反射到后段等效传输光纤，将各自元件的等效琼斯矩阵依次相乘，可得输出光E₀：

即存在：E_i·E_o ^T＝[E_ix E_iy]^T·[-E_iy E_ix]0

可知输出光的偏振态与输入光的偏振态正交，且与传输光纤的传输矩阵无关。即当一线偏振光经过一段光纤正向传输后，由于法拉第旋器的作用，光波的偏振方向将顺时针或者逆时针旋转45°，而从反射镜反射回的光反方向经过法拉第旋转器时，光波的偏振态在相同的方向将再次转过45°，光在光纤中的逆向传输矩阵和正向传输矩阵互为转置，整个传输过程中反射回的光与入射光相比偏振态旋转了90°，即仅与入射光的偏振态有关，而不受传输光纤的影响，可以消除传输光纤中双折射的影响，有效克服光偏振的缓慢随机变化。那么由两臂出射的光在第二耦合器中会发生完全干涉，有效抑制了马赫-曾德尔干涉仪内的偏振衰落。

由两臂发出光波在第二耦合器中形成干涉，这时参考光和探测光都会产生相位延后，这时可以分为两种情况：

1:干涉光入射至第一光电探测器，如图5所示：

对于参考光，在第二耦合器中产生第一次相位延后，其光场为：

对于探测光，在第二耦合器中不产生相位延后，由于二次耦合，其光场为：

从参考臂和传感臂发出的光会在第二耦合器中发生干涉，并由第一光电探测器探测到的干涉光的光强I₁为：

其中

为外界振动信号导致的相位差。

2：干涉光入射至第二光电探测器，如图6所示：

由于参考光在第二耦合器中不产生相位延后，其光场为：

对于探测光，在第二耦合器中产生第二次相位延后，其光场为：

从参考臂和传感臂发出的光会在第二耦合器中发生干涉，并由第二光电探测器探测到的干涉光的光强I₂为：

I₂＝(E_r2+E_s2)(E_r2+E_s2)^*

根据双光束干涉的结论可以得到：

其中I₀为激光器辐射光强，

为外界振动信号导致的相移，为干涉仪两臂的初始相位差。

两个耦合器的耦合系数ζ＝0.5，则两个光电探测器所探测的光强信号分别为：

将探测到的两光强信号作差可得：

通过解调器对光强的解调可得到相位的变化，并进而实现对振动信号的测量。

在马赫-曾德尔光纤干涉结构中增加法拉第旋镜可以使得传输光的偏振态不受光纤的双折射效应的影响，光纤干涉条纹可见度稳定为1，干涉信号强度稳定，抑制了偏振衰落现象，提高了所探测信号的质量，同时保证系统光纤不受外界环境噪声的影响，能够有效提高系统的信噪比，增强了系统的偏振稳定性，为马赫-曾德尔干涉结构提供了稳定的光路状态。

法拉第旋镜使得两束相干涉的光偏振态方向一致，得到的干涉效果最佳，提高了光干涉功率谱强度，能够降低解调干涉信号所得数据的误差，从而提高整个声波传感系统的精度，可以在一定程度上增大系统的测量光程差的测量范围，从而提高系统的动态范围。

本实施例的一种抑制偏振衰落的光纤干涉装置的工作方法，包括：

激光器输出的光信号经过第一耦合器等分成两束光，分别进入传感臂光纤和参考臂光纤中；

当外界存在声波振动时，传感探头感知外界声波振动信号，使得传感臂光纤传输的光发生变化并输出探测光；

参考臂光纤经第二光环形器输出参考光；

探测光与参考光在第二耦合器中形成干涉，并由第二耦合器输出两路干涉光，两路干涉光作差后经解调器解调输出由振动引起的相位变化，进而得到声波振动信息。

由于参考光波和传感光波存在相位差，于是由第一光环形器端口f和第二光环形器端口c出射的两束光会在第二耦合器中形成干涉，最终由第一光电探测器和第二光电探测器进行探测，将探测到的两光强信号作差，并由上位机解调模块解调出由振动引起的相位变化，并进而得到声波振动信息。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种传感探头，其特征在于，包括：

密封腔，密封腔内设置有传感膜片、第一环形器和第一法拉第旋镜；传感膜片用于感知外界声波振动信号；传感膜片上还设有凸台以增加传感探头的灵敏度；传感膜片上设有传感光纤环，传感光纤环一端与输入光纤相连，另一端与第一环形器的第一端口相连，第一环形器的第二端口与第一法拉第旋镜相连；第一环形器的第三端口输出感知外界声波振动信号变化的探测光。

2.如权利要求1所述的一种传感探头，其特征在于，所述传感膜片采用圆形弹性膜片。

3.如权利要求2所述的一种传感探头，其特征在于，所述凸台为圆形凸台，所述圆形凸台与圆形弹性膜片的圆心重合。

4.如权利要求1所述的一种传感探头，其特征在于，所述密封腔为金属圆筒。

5.如权利要求1所述的一种传感探头，其特征在于，所述传感膜片和凸台均采用有机聚合物材料制成。

6.一种抑制偏振衰落的光纤干涉装置，其特征在于，包括：

激光器，其输出的光信号经过第一耦合器等分成两束光，分别进入传感臂光纤和参考臂光纤中；所述传感臂光纤与如权利要求1-5中任一项所述的传感探头相连，其中，传感臂光纤为输入光纤；所述参考臂光纤与第二光环形器的第一端口相连，第二光环形器的第二端口与第二法拉第旋镜相连；第二光环形器的第三端口输出参考光；

第一光环形器的第三端口和第二环形器的第三端口均与第二耦合器相连，在所述第二耦合器中探测光与参考光形成干涉，并输出两路干涉光，两路干涉光作差后经解调器解调输出由振动引起的相位变化，进而得到声波振动信息。

7.如权利要求6所述的抑制偏振衰落的光纤干涉装置，其特征在于，所述第二耦合器输出的输出两路干涉光分别经第一光电探测器和第二光电探测器传输至解调器中。

8.如权利要求6所述的抑制偏振衰落的光纤干涉装置，其特征在于，传感臂光纤和参考臂光纤均为单模光纤。

9.一种如权利要求6-8中任一项所述的抑制偏振衰落的光纤干涉装置的工作方法，其特征在于，包括：

激光器输出的光信号经过第一耦合器等分成两束光，分别进入传感臂光纤和参考臂光纤中；

当外界存在声波振动时，传感探头感知外界声波振动信号，使得传感臂光纤传输的光发生变化并输出探测光；

参考臂光纤经第二光环形器输出参考光；

探测光与参考光在第二耦合器中形成干涉，并由第二耦合器输出两路干涉光，两路干涉光作差后经解调器解调输出由振动引起的相位变化，进而得到声波振动信息。

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