CN113375592B - 一种基于光纤模式色散的弯曲测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于光纤模式色散的弯曲测量装置，属于光纤弯曲/曲率传感或测量领域，该装置包括：宽谱白光光源、光纤耦合器、光电探测模块、软件驱动模块、单模‑多模‑单模光纤结构、光纤探头、延迟扫描反射镜。主要通过光纤白光干涉仪空间域扫描，测量单模‑多模‑单模光纤结构末端面反射信号的相位延迟，凭借光纤白光干涉技术高分辨率和大动态范围的特点，实现光纤模式色散的精准测量，并实时解调弯曲过程中的各个模式弯曲损耗变化，实现弯曲/曲率测量或传感。

Description

一种基于光纤模式色散的弯曲测量装置
技术领域
本发明涉及一种基于光纤模式色散的弯曲测量装置，属于光纤弯曲/曲率传感或测量领域。
背景技术
光纤弯曲传感器相比于电学传感器而言，体积更小并且抗电磁干扰，通常具有较高的灵敏度和多样的功能性，比较广泛地应用在能源输送、医学仪器、航空航天、核电设备、工业生产等领域，在平面度检测和表面曲率检测方面也有重要应用。
目前光纤弯曲传感器一直是较为热门的研究方向，现有的光纤弯曲传感器主要包括：强度型、干涉型和光栅型三大类[Di,H.,Y.Xin and J.Jian,Review of optical fibersensors for deformation measurement.Optik,2018.168:703-713.]。
强度型主要依赖于光纤弯曲损耗的检测分析[游善红,郝素君,殷宗敏,李新碗,单模光纤中弯曲损耗的测试与分析.光子学报,2003(04):409-412]，光纤弯曲时纤芯中的能量会泄露到包层，甚至直接辐射出光纤。这种传感装置结构简单，但是弯曲测量精度有限，最大问题在于弯曲损耗随弯曲半径的变化呈现震荡衰减的趋势[L.,F.and M.G.,Bendloss in single-mode fibers.Journal of Lightwave Technology,1997.15(4):671-679.]。
干涉型普遍采用模式干涉(也称模间干涉)的原理，主要通过表面腐蚀、错位熔接、多段级联、光纤拉锥、球形熔接、多芯光纤等结构，实现多种模式激发并干涉，结合光谱检测实现光纤弯曲传感。此类方法中有些光纤微结构难以制备，脆弱易坏，有些装置的曲率测量范围有限。
光栅型包括光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅，对于光纤布拉格光栅而言，需要借助其他方法加工处理才能实现弯曲传感，比如错位熔接、栅区拉锥、倾斜光栅、侧面腐蚀等手段，长周期光栅在应用中一直存在温度、应变、折射率、弯曲等物理量交叉敏感的问题[饶云江,王义平,朱涛,光纤光栅原理及应用.科学出版社,2006:p.13.]，为了解决这个问题常常需要更加复杂的设计。
发明内容
本发明的目的在于针对现有光纤弯曲传感器的局限性，提出一种利用光纤白光干涉空间域扫描技术检测模式色散的新型弯曲传感或测量装置，将光纤中弯曲损耗根据不同模式进行拆分，解决传统分析过程中弯曲损耗随弯曲半径的变化呈现震荡衰减的问题，同时该装置传感测量区是由常见的单模光纤、多模光纤和单模光纤熔接形成的简单结构，成本低、容易制备且便于封装。
本发明的目的是这样实现的：包括宽谱白光光源(1)、光纤耦合器(2)、光电探测模块(3)、软件驱动模块(4)、单模-多模-单模光纤结构(5)、光纤探头(6)、延迟扫描反射镜(7)；光纤耦合器通过单模光纤分别与宽谱白光光源、光电探测模块、单模-多模-单模光纤结构、光纤探头连接，软件驱动模块通过电路与延迟扫描反射镜、光电探测模块连接。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.宽谱白光光源(1)中光信号通过光纤耦合器(2)分束，一束光进入测量臂，经单模光纤与多模光纤熔接点处激发出多种模式，并经过单模光纤末端端面反射，原路返回至光纤耦合器(2)，另一束光进入光纤探头(6)，形成准直空间光束，并经过延迟扫描反射镜(7)原路返回至光纤耦合器(2)，两束光信号合并在一起被光电探测模块(3)检测；软件驱动模块(4)通过电路控制延迟扫描反射镜(7)的空间域扫描，并与光电探测模块(3)的白光干涉信号实时对应并解调。
2.测量臂光纤中激发出的每一个模式对应一种相位常数，沿光纤纵向传输至末端端面时会有不同的相位延迟，形成光纤中的模式色散；扫描参考臂中延迟扫描反射镜(8)移动时，两臂光信号相位延迟相匹配时，光电探测模块(3)得到对应的干涉光强，获取测量臂各个模式对应的反射光强。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明创新性提出利用光纤模式色散，通过光纤白光干涉仪空间域扫描多模光纤末端面，区分多模光纤不同模式的弯曲损耗变化情况，实现弯曲传感；通过相位延迟扫描的方法区分不同模式，解决了传统强度型弯曲传感方法中弯曲损耗随弯曲半径增大而震荡衰减、难于分析的问题；该装置依赖光纤迈克尔逊干涉仪的测量臂作为传感部分，测量臂是通过单模光纤、多模光纤和单模光纤熔接而成，容易制备，且不用剥除涂覆层，便于外部封装。
附图说明
图1是弯曲传感装置示意图；
图2是多模光纤中4种模式的场分布；
图3是没有弯曲时单模-多模-单模结构场分布；
图4是弯曲时单模-多模-单模结构场分布；
图5是不同弯曲半径下白光干涉延迟扫描结果分布。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明的一种基于多模光纤模式色散的弯曲传感装置包括：宽谱白光光源1、光纤耦合器2、光电探测模块3、软件驱动模块4、单模-多模-单模光纤结构5、光纤探头6、延迟扫描反射镜7。
宽谱白光光源选用更加稳定的超辐射半导体激光二极管，是连续的宽谱光源，且输出端含有光纤隔离器。多模光纤可以选用芯径为52.5微米，包层半径62.5微米的阶跃折射率光纤，单模光纤与多模光纤正常熔接即可，且该装置的传感区域不需要剥除涂覆层，对于恶劣环境下应用也可以外加保护套管等。软件驱动模块控制的延迟扫描反射镜，可以实时反馈扫描参考臂的光程距离变化，并与光电探测模块的实时采集相匹配。
为便于光纤中不同模式的区分识别，多模光纤的长度不能太短，否则各个模式的相位延迟差小于宽谱白光光源的相干长度，就不利于模式的拆分检测。如果有必要对远距离的弯曲点进行传感，可以通过增加干涉仪两臂的单模光纤长度。延迟扫描反射镜的扫描区间没必要过长，只需要扫描多模光纤末端端面左右小范围区间即可，具体范围视多模光纤长度而定。
光纤末端端面的状态会直接影响传感器性能，需要尽量保证末端整齐切割，实际应用中，在不影响末端反射的前提下，可以对末端进行封装保护。
光纤探头与延迟扫描反射镜位置应严格调试，调试后两者相对位置固定不变，延迟扫描反射镜内部可嵌入误差/损耗补偿结构，用以进一步提升装置性能。
依赖于白光干涉技术较为成熟的技术发展，尤其是在信号处理解调等方面，衍生了若干种提高装置性能的方法，干涉中心条纹的绝对强度获取更是为其大动态范围性能奠定基础，同时宽谱光源的相干长度也使得空间分辨率更高。对于空间域扫描的光学白光干涉技术，以迈克尔逊干涉仪为例，当干涉仪两臂之间的光程差小于光源的相干长度时，就会产生一个白光干涉图样，图样的中央条纹振幅极大值，它对应于干涉仪两臂的光程绝对相等[苑立波,杨军,光纤白光干涉传感技术.北京航空航天大学出版社,2011,P.21]。
单模光纤中的传输光场主要以一种模式在纤芯中传输，在单模光纤与多模光纤熔接处，两者芯径的不匹配，光束扩宽并激发出多种模式，具体的波动理论[Journal ofLightwave Technology,2004.22(2):p.469.]如下：
首先是单模光纤出射场的表达式：
Figure BDA0003101740930000031
其中：
Figure BDA0003101740930000032
表示光纤截面方向半径为r的位置，单模光纤与多模光纤熔接点定义为z0，单模光纤纤芯中的传输常数为βs，单模光纤的纤芯半径asmf_core，单模光纤的纤芯折射率nsmf_core，单模光纤的包层折射率nsmf_clad，λ表示光波长。
多模光纤中整体的场分布是各个模式场的叠加，表达式如下：
Figure BDA0003101740930000041
下脚标m表示第m个模式，共有M个，其中Ψm(r,z)来自于，在多模光纤中，运用分离变量法求解麦克斯韦方程组，且鉴于单模光纤与多模光纤是无偏心熔接，多模光纤中只有高阶本征模被激发，具体表达式如下：
Figure BDA0003101740930000042
其中：
Figure BDA0003101740930000043
cm和dm是强度系数J0是零阶贝塞尔函数，K0是零阶改进贝塞尔函数，多模光纤的纤芯半径ammf_core，多模光纤的纤芯折射率nmmf_core，多模光纤的包层折射率nmmf_clad，k0是波矢量。Um和Wm可根据导波模特征方程求解(在纤芯与包层的界面上，电磁场的切线分量连续)，进而可以求出第m个模式的传输常数βm；
利用重叠积分可以求出各个模式场强的系数：
Figure BDA0003101740930000044
因此多模光纤中每个模式的传输场Ψm(r,z)得以求解。
多模光纤的长度为z1＝LMMF，所以在多模光纤末端截面上(只考虑纤芯)，每个模式场为：
Figure BDA0003101740930000045
如图2所示，展示了多模光纤中4种模式的归一化场分布，每个模式的功率幅值为
Figure BDA0003101740930000046
每个模式相位延迟
Figure BDA0003101740930000047
由
Figure BDA0003101740930000048
可以得到对应每种模式的有效折射率。
在光继续传播到下一段单模光纤时，与上面形式类似，设末端单模光纤的长度为z2＝LSMF，每种模式的相位常数是βn，每种模式的幅值Pn，此处省略具体模式计算的表达式，除了沿纤芯传播以外还会激发出单模光纤的包层模，这些模式共同向单模光纤末端传播，在末端面反射，原路返回。在这个过程中不同的模式对应不同的相位常数，在整段光路中，对应的相位延迟
Figure BDA0003101740930000058
就会不同。
光纤弯曲时，会对每一种传输模式造成弯曲损耗[Journal of the OpticalSociety of America,1976.66(3):p.216-220]，具体如下：
Figure BDA0003101740930000051
其中：R是多模光纤弯曲半径，k是光波矢
Figure BDA0003101740930000052
Figure BDA0003101740930000053
Figure BDA0003101740930000054
V2＝k2asmf_core 2(nsmf_core 2-nsmf_clad 2)；
在单模-多模-单模光纤结构中，弯曲前后截面各模式叠加场分布仿真结果，如图3和图4所示。
若光纤末端反射率为q1，在末端反射时，反射功率为q1Pn[1-2α(R)]
与白光干涉装置的扫描参考臂相匹配时，被逐一检测，得到对应的Pn，扫描参考臂光功率恒定为Pref，则第n个模式的干涉测量值Qn(R)(取干涉条纹主极大值)表达式如下：
Figure BDA0003101740930000055
鉴于装置应用的是宽谱白光光源，所以还需要对波长域进行积分，即
Figure BDA0003101740930000056
光场的反向传输原理相似，这里不做进一步展示。光纤模式色散的各个模式对应的相位延迟为
Figure BDA0003101740930000057
通过光纤白光干涉仪的延迟扫描反射镜与其对应匹配，仿真结果如图5所示，根据干涉测量值Qn(R)的变化，即可反映弯曲R的大小。
综上，本发明属于光纤弯曲/曲率传感或测量领域，具体涉及一种基于光纤模式色散的弯曲测量装置，主要通过光纤白光干涉仪空间域扫描，测量单模-多模-单模光纤结构末端面反射信号的相位延迟，凭借光纤白光干涉技术高分辨率和大动态范围的特点，实现光纤模式色散的精准测量，并实时解调弯曲过程中的各个模式弯曲损耗变化，实现弯曲/曲率测量或传感。

Claims (2)

1.一种基于光纤模式色散的弯曲测量装置，其特征在于：包括宽谱白光光源(1)、光纤耦合器(2)、光电探测模块(3)、软件驱动模块(4)、单模-多模-单模光纤结构(5)、光纤探头(6)、延迟扫描反射镜(7)；光纤耦合器通过单模光纤分别与宽谱白光光源、光电探测模块、单模-多模-单模光纤结构、光纤探头连接，软件驱动模块通过电路与延迟扫描反射镜、光电探测模块连接；宽谱白光光源(1)中光信号通过光纤耦合器(2)分束，一束光进入测量臂，经单模光纤与多模光纤熔接点处激发出多种模式，并经过单模光纤末端端面反射，原路返回至光纤耦合器(2)，另一束光进入光纤探头(6)，形成准直空间光束，并经过延迟扫描反射镜(7)原路返回至光纤耦合器(2)，两束光信号合并在一起被光电探测模块(3)检测；软件驱动模块(4)通过电路控制延迟扫描反射镜(7)的空间域扫描，并与光电探测模块(3)的白光干涉信号实时对应并解调。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤模式色散的弯曲测量装置，其特征在于：测量臂光纤中激发出的每一个模式对应一种相位常数，沿光纤纵向传输至末端端面时会有不同的相位延迟，形成光纤中的模式色散；扫描参考臂中延迟扫描反射镜(7)移动时，两臂光信号相位延迟相匹配时，光电探测模块(3)得到对应的干涉光强，获取测量臂各个模式对应的反射光强。
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