CN113984712A - 一种利用迈克尔逊干涉仪结构的微波光子滤波器测量液体折射率（盐度）的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用迈克尔逊干涉仪结构的微波光子滤波器测量液体折射率(盐度)的装置及方法。该装置包括宽谱光源、电光调制器、多输入多输出的光纤耦合器、传感光纤、光电探测器、频谱分析模块，所述多输入多输出的光纤耦合器可以优先选择为2×2光学耦合器。本发明提供的一种利用微波光子滤波器测量光纤端面接触液体折射率(盐度)的方法，通过外调制的方法对输出光进行调制，使用宽谱光源，降低了光源要求，同时不需要使用光谱仪对波长进行解调，降低了系统成本，可实现长距离的液体折射率(盐度)检测，如海洋盐度检测，湖泊盐度检测等方面的检测。
Description
技术领域
本发明涉及微波光子学、微波光子滤波器、以及微波光子滤波器应用于传感的技术领域，具体地说，是一种利用微波光子滤波器测量端面液体折射率(盐度) 的装置及方法。
背景技术
液体折射率是重要的光学参数，在物理、化学、生物、医学等领域对其进行精确地测量有着十分重要的意义。对折射率测量方法的研究一直受到科学工作者的关注。目前，测量液体折射率的方法主要有几何光学法和光学干涉法两种。几何光学法有掠入射法[1]和全反射法[2]，几何光学法的测量原理简单、操作方便，但测量精度不高，无法满足精确测量的要求。光学干涉法的基本思路是：采用干涉仪同时测量光程nL和几何长度L的变化，其比值即为折射率n，因此该方法在理论上不受折射率大小的限制。
光纤传感技术发轫于20世纪70年代，作为光纤通信技术的核心组成之一，光纤传感技术采用光波作为信息载体，通过光纤传输媒介，实现对环境中各类测量信号的采集，并传输至数据处理单元。
光纤折射率传感器以其体积小、带宽宽、抗光强变化、抗电磁干扰、耐腐蚀等突出优点引起了研究人员广泛的研究兴趣[3]、[4]。根据调制类型，这些光纤RI 传感器可分为波长调制传感器[5]和强度调制传感器[6]。然而，波长调制传感器通常对温度敏感，存在交叉敏感性，在实际应用过程中需要克服这一难题。至于强度调制传感器，如法布里-珀罗干涉仪(FPI)[7]、迈克尔逊干涉仪(MI)[8]、马赫-曾德尔干涉仪[9]、多模干涉仪[10]、表面等离子体共振传感器[11]、光纤光栅传感器[12]等，这些传感器显示了RI测量的高灵敏度。然而，它们都存在着共同的问题即制作工艺复杂，结构复杂、集成度差等问题，且在RI测量期间，它们都需要将其传感单元浸入测试溶液中。这些传感单元在实际应用中容易损坏，难以固定，这将造成巨大的经济损失。
二十世纪六十年代至今，光纤通信技术作为全球前沿技术热点，越来越被普及到日常生活中，并在不断地寻求着发展。随着光子技术的快速崛起和微波技术的成熟应用，集成光子学和微波学的优点，产生了一门新兴交叉学科-微波光子学，在宽带无线接入网、传感网络、雷达、卫星通信等方面有着广泛的应用[13-16]。
微波光子学将微波学与光子学相结合，集成了微波学与光子学的优点，能够克服传统电信号处理器中因采样速度有限造成的固有瓶颈且不受电磁干扰，具有广泛的应用前景。
微波光子学中关键技术之一就是微波光子滤波器，其主要目的是代替传统的方法来处理射频信号，即利用射频信号直接调制光载波。微波光子滤波器是一种针对宽带微波信号最为重要的光子信号处理技术。采用微波光子滤波器可以增强电信系统和雷达射频系统中使用的标准微波滤波器的功能，从而具有更大范围的可调谐性、可重构性，且兼具抗电磁干扰等一系列优点。
本发明提供的一种利用迈克尔逊干涉仪结构的微波光子滤波器测量液体折射率(盐度)的装置及方法，将光纤端面作为传感器件感知待测溶液，无需使用光谱仪对波长进行解调，大大减少了系统成本，且其具有传输距离上的灵活性，可实现远距离分布式的液体折射率(盐度)检测，满足实际工业生产应用需求。
参考文献：
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[2]余文芳，黄佐华，周进朝，等.用全反射法测冰醋酸和酒精的折射率[J].激光技术，2014，38(2)：161-164.
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发明内容
本发明的目的在于提供一种利用微波光子滤波器测量端面液体折射率(盐度)的装置及方法，为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明提出的一种利用迈克尔逊干涉仪结构的微波光子滤波器测量液体折射率(盐度)的装置及方法，包括：
宽谱光源(101)，用于产生放大的自发辐射光(Amplified spontaneous emissionlight)；
电光调制器(102)，用于将频率范围为f1-f2的射频信号调制到自发辐射光上，即形成以FSR(Free spectral range)为周期的频谱，其中FSR为微波光子滤波器的自由频谱范围；
多输入多输出的光纤耦合器(103)，该光纤耦合器为包含N个输入端口和N个输出端口的光纤耦合器，用来将从输入端口1输入的信号光传输到输出端口1所连接的传感光纤1，输出端口2所连接的传感光纤2，……，以及输出端口k所连接传感光纤k，……，输出端口N所连接的传感光纤N；多输入多输出的光纤耦合器(103) 的输入端口1连接电光调制器，输入端口2连接光电探测器(105)，其它输入端口不连接任何光器件，或者添加折射率与光纤匹配的溶液；其中，k为1至N范围内的整数；
传感光纤1-N(104)，该光纤为长度为Lk，其中，k为1至N范围内的整数；用来形成微波光子滤波器，传感光纤k的a端连接多输入多输出的光纤耦合器(103) 的输出端口k，b端作为液体折射率(盐度)感应器件，待测量为端面接触液体的折射率(盐度)，待测液体存在于传输光纤k的b端的端面上，为了形成微波光子滤波器，传感光纤1-N(104)中至少有一根传感光纤的b端的端面上存在待测液体，至少有一根光纤的b端的端面上存在匹配液体，其它光纤的b端口上涂有与光纤折射率接近的匹配液，以减少反射光的存在；其中，k为1至N范围内的整数；
光电探测器(105)，用来把调制了射频信号的光信号转化为电信号；
频谱分析模块(106)，用来把光电探测器输出的电信号转化为频率域的输出，通过对不同频率的电信号响应形成微波光子滤波器的频率响应，即显示输出信号的频谱。
进一步，该微波光子传感系统是通过位于与多输入多输出的光纤耦合器(103) 相连接的传感光纤1-N(104)b端的多个PC(Physical Contact)型光纤端面之间的反射，形成微波光子滤波器，并且通过改变传感光纤1-N(104)其中一根传感光纤的b端所接触液体折射率(盐度)的方法来实现传感；其中PC(Physical Contact)型端口是采用微球面研磨抛光技术实现物理接触的光纤端口，其插芯表面研磨成轻微球面，光纤纤芯位于弯曲最高点，这样可有效减少光纤组件之间的空气隙，使两个光纤端面达到物理接触；
进一步，多输入多输出的光纤耦合器(103)可以采用2×2光学耦合器，且满足如下条件：FSR＝c/(2ne|L2-L1|)，其中c为光的传播速度，ne为传感光纤1- N(104)的折射率，L1和L2分别为传感光纤1和传感光纤2的长度，且f1和f2满足：|f2-f1|＝nFSR。
进一步，该系统中所用到的传感光纤1-N(104)的a端口的光纤端面类型与多输入多输出的光纤耦合器(103)相连接的输出端口N的光纤端面类型相同，均为 APC(AnglePhysical Contact)型光纤端口的单模光纤或PC(Physical Contact)型光纤端口的单模光纤，传感光纤1-N(104)的b端为PC(Physical Contact)型光纤端口的单模光纤。
进一步，该系统中所用到的传感光纤1-N(104)的a端与多输入多输出的光纤耦合器(103)的输出端口N连接，传感光纤1-N(104)其中一根传感光纤k的b 端用作液体折射率(盐度)传感器件，传感光纤1-N(104)其中一根传感光纤 k+1的b端蘸取匹配液体，其余传感光纤1-N(104)的b端蘸取折射率与光纤匹配的溶液；
进一步，当传感光纤1-N(104)中某一根传感光纤k的b端的液体折射率(盐度)发生改变时，应通过调整另外一根传感光纤(记作传感光纤k+1)的b端的匹配液体折射率(盐度)，满足传感光纤k的b端的液体折射率nk与传感光纤k+1的b端的液体折射率nk+1近似相等，即nk≈nk+1，以此来保证微波光子滤波器能够正常工作并实现较高灵敏度传感。
进一步，该微波光子滤波器传感系统可以采用如下的测量方法，当光纤端面接触液体折射率发生改变时，所探测到的射频信号强度发生变化，从而改变微波光子滤波器的陷波深度Er(dB)，其中Er为微波光子滤波器的频率响应中最大值和最小值之间的差值。
进一步，微波光子滤波器频率谐振曲线陷波深度Er(dB)定义为：所测得的扫频谱中的最大值和最小值差值，即Er＝Pmax-Pmin，Pmin为扫频谱中的最小值，Pmax为扫频谱中的最大值。
进一步，在本发明的微波光子滤波器的传感系统中，具有如下特征：
可根据如下方法确定微波光子滤波器谐振频率处的最小射频功率：
a)确定宽谱光源的输出光功率PBOS，以及加载到电光调制器上射频信号的功率，或者射频功率对应的射频电压数值；
b)在每种液体折射率(盐度)下，测量光电探测器的扫频谱，
读取扫频谱中n个最小值Pminn(dBm)，{Pmin1，Pmin2...Pminn}；计算n个最小值
的平均值，即
c)或者在每种液体折射率(盐度)下，测量光电探测器的扫频谱，
读取扫频谱中n个最小值中的一个，重复扫描n1次，计算n1个最小值
的平均值，即
d)将上述根据a)和b)或者根据a)和c)测量的方法形成数据库。
进一步，在实际测量中，对于不同的待测液体，用上述检测方法进行测量，所得结果与上述方法中形成的数据库进行对比。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
1、本发明提供的一种利用迈克尔逊干涉仪结构的微波光子滤波器测量液体折射率(盐度)的装置及方法所使用的光源为宽谱光源，输出的性能更为稳定，在系统内不需要使用任何偏振控制器件。
2、本发明提供的一种利用迈克尔逊干涉仪结构的微波光子滤波器测量液体折射率(盐度)的装置及方法通过外调制的方法对输出光进行调制；
3、本发明提供的一种利用迈克尔逊干涉仪结构的微波光子滤波器测量液体折射率(盐度)的装置及方法将光纤端面作为传感器件；
4、本发明提供的一种利用迈克尔逊干涉仪结构的微波光子滤波器测量液体折射率(盐度)的装置及方法通过输出的电频谱幅度变化对端面液体折射率进行测量，不需要使用光谱仪对波长进行解调，减少了系统成本；
5、本发明提供的一种利用迈克尔逊干涉仪结构的微波光子滤波器测量液体折射率(盐度)的装置及方法可实现长距离的液体折射率(盐度)测量。
附图说明
图1为本发明提供的多输入多输出光纤耦合器的结构示意图
图2为本发明提供的一种利用迈克尔逊干涉仪结构的微波光子滤波器测量液体折射率(盐度)的装置及方法示意图
图3采用本发明检测端面液体折射率(盐度)的具体实施示意图
图4为采用本发明检测端面液体折射率(盐度)的微波光子响应曲线图
图5为采用本发明检测端面液体折射率(盐度)的实验结果拟合图
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，多输入多输出的光纤耦合器(103)包含输入端口1-N和输出端口 1-N；
如图2所示，光源(101)是宽谱光源(BOS)发出的放大自发辐射光(ASE)，其输出光经过电光调制器(102)，与射频信号进行调制，调制后的微波信号经过多输入多输出的光纤耦合器(103)，再经过一段长度为L的传感光纤1-N(104)，该调制后的微波信号经过光纤两端口的反射，最终形成干涉，被光电探测器(105) 接收，最后经过解调进入频谱分析仪(106)进行数据采集以便后续做数据处理。
如图3所示，实验结构的具体实施方案如下：选择多输入多输出的光纤耦合器(103)为2×2光纤耦合器，其输出端口1处与APC-PC型的光纤跳线的APC 端相连接，空置PC端记为PC1。选取传感光纤长度为100m，一端与2×2光纤耦合器的输出端口2相连接，另一端与APC-PC型的光纤跳线的APC端相连接，空置PC端记为PC2。在PC1处蘸取匹配溶液，改变PC2处的待测溶液的浓度，通过光电探测器(105)进行光电转换后，在频谱分析仪(106)上进行数据采集。
如图4所示，待测溶液盐度为30‰时的微波光子滤波器响应曲线。
如图5所示，按照图3具体实施方案，根据所述确定微波光子滤波器谐振频率处的最小射频功率的方法(b)，读取扫频谱中5个最小值并计算出每个待测液体折射率(盐度)下的平均最小射频功率，得到各谐振频率处的最小射频功率随待测液体折射率(盐度)的变化趋势。选取其中一个谐振频率的最小射频功率随待测液体折射率(盐度)的变化量进行一次拟合，可以看出，采用本发明进行光纤端面液体折射率(盐度)的检测，可以取得较高的拟合度。
Claims (7)
1.一种微波光子滤波器的传感系统，包括：
宽谱光源(101)，用于产生放大的自发辐射光(Amplified spontaneous emissionlight)；
电光调制器(102)，用于将频率范围为f1-f2的射频信号调制到自发辐射光上，即形成以FSR(Free spectral range)为周期的频谱，其中FSR为微波光子滤波器的自由频谱范围；
多输入多输出的光纤耦合器(103)，该光纤耦合器为包含N个输入端口和N个输出端口的光纤耦合器，用来将从输入端口1输入的信号光传输到输出端口1所连接的传感光纤1，输出端口2所连接的传感光纤2，……，以及输出端口k所连接传感光纤k，……，输出端口N所连接的传感光纤N；多输入多输出的光纤耦合器(103)的输入端口1连接电光调制器，输入端口2连接光电探测器(105)，其它输入端口不连接任何光器件，或者添加折射率与光纤匹配的溶液；其中，k为1至N范围内的整数；
传感光纤1-N(104)，该光纤为长度为Lk，其中，k为1至N范围内的整数；用来形成微波光子滤波器，传感光纤k的a端连接多输入多输出的光纤耦合器(103)的输出端口k，b端作为液体折射率(盐度)感应器件，待测量为端面接触液体的折射率(盐度)，待测液体存在于传输光纤k的b端的端面上，为了形成微波光子滤波器，传感光纤1-N(104)中至少有一根传感光纤的b端的端面上存在待测液体，至少有一根光纤的b端的端面上存在匹配液体，其它光纤的b端口上涂有与光纤折射率接近的匹配液，以减少反射光的存在；其中，k为1至N范围内的整数；
光电探测器(105)，用来把调制了射频信号的光信号转化为电信号；
频谱分析模块(106)，用来把光电探测器输出的电信号转化为频率域的输出，通过对不同频率的电信号响应形成微波光子滤波器的频率响应，即显示输出信号的频谱。
2.如权利要求1所述的系统，其特征为：
多输入多输出的光纤耦合器(103)可以采用2×2光学耦合器，且满足如下条件：FSR＝c/(2ne|L2-L1|)，其中c为光的传播速度，ne为传感光纤1-N(104)的折射率，L1和L2分别为传感光纤1和传感光纤2的长度，且f1和f2满足：|f2-f1|＝nFSR。
3.如权利要求1所述的系统，其特征为：
该系统中所用到的传感光纤1-N(104)的两端口的接头类型如下：a端连接多输入多输出的光纤耦合器(103)的输出端口k，a端的接头类型与输出端口k的接头类型相同，即均为PC(Physical Contact)型光纤接头，或者APC(Angle Physical Contact)型光纤接头，b端空置作为感应端面或涂有与光纤折射率接近的匹配液；
测量传感光纤1-N(104)中某一根传感光纤k的b端的液体折射率(盐度)时，应通过调整另外一根传感光纤(记作传感光纤k+1)的b端的匹配液体折射率(盐度)，满足传感光纤k的b端的液体折射率nk与传感光纤k+1的b端的液体折射率nk+1近似相等，即nk≈nk+1，以此来保证微波光子滤波器能够正常工作并实现较高灵敏度传感。
4.如权利要求1所述的系统，其特征为：
多输入多输出的光纤耦合器(103)为均匀分光的耦合器，即光波从一个输入端口输入，从各个输出端口输出的光功率平均分配，或者，各个输出端口的分光比为使得微波光子滤波器频率谐振曲线陷波深度Er(dB)最大的数值，其中，微波光子滤波器频率谐振曲线陷波深度Er(dB)定义为：所测得的扫频谱中的最大值和最小值的差值，即Er＝Pmax-Pmin，Pmin为扫频谱中的最小射频功率值，Pmax为扫频谱中的最大射频功率值。
5.如权利要求1所述的系统，其特征为：
当传感光纤1-N(104)中某一根传感光纤k的b端所接触的待测液体不同时，由于所述液体折射率(盐度)不同，所探测到的最小射频信号功率发生变化；该微波光子滤波器的液体折射率(盐度)传感系统通过测量不同液体折射率(盐度)下微波光子滤波器谐振频率处的最小射频功率的变化来实现。
6.如权利要求1所述的系统，
可根据如下方法确定微波光子滤波器谐振频率处的最小射频功率：
a)确定宽谱光源的输出光功率PBOS，以及加载到电光调制器上射频信号的功率，或者射频功率对应的射频电压数值；
b)在每种液体折射率(盐度)下，测量光电探测器(105)的扫频谱，
读取扫频谱中n个最小值Pminn(dBm)，{Pmin1，Pmin2...Pminn}；计算n个最小值
的平均值，即
c)或者在每种液体折射率(盐度)下，测量光电探测器的扫频谱，
读取扫频谱中n个最小值中的一个，重复扫描n1次，计算n1个最小值
的平均值，即
d)将上述根据a)和b)或者根据a)和c)测量的方法形成数据库。
7.如权利要求1所述的系统，其特征为：
在实际测量中，对于不同的待测液体，用权利要求6中对应的检测方法进行测量，所得结果与权利要求6所述方法中形成的数据库进行对比，进而得到待测液体折射率(盐度)。
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