CN116481670A - 基于微波光子干涉光纤环路和构造虚拟反射面的蓝宝石光纤法珀温度传感系统及解调方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开基于微波光子干涉光纤环路和构造虚拟反射面的蓝宝石光纤法珀温度传感系统及解调方法，系统包括光源、电光调制器、矢量网络分析仪、环形器、第一耦合器、第二耦合器、光电转换模块、光纤传感器；方法包括以下步骤：所述第二耦合器的23号口接收和耦合第k次迭代的反射光，得到第k次迭代的耦合反射光，并将第k次迭代的耦合反射光分为两部分；一部分第k次迭代的耦合反射光通过21号口输出到光电转换模块；另一部分耦合反射光作为第k+1次迭代的输入光信号，通过22号口输出到所述第一耦合器的12号口，使光信号在环形器、第一耦合器、第二耦合器构成的环路内循环；本发明可以将灵敏度提高2倍以上，灵敏度放大倍数大于光纤环路的循环次数。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域，具体是基于微波光子干涉光纤环路和构造虚拟反射面的蓝宝石光纤法珀温度传感系统及解调方法。
背景技术
蓝宝石光纤法珀干涉传感器具有抗电磁干扰能力强、信号质量高、响应速度快的优点，并且由于蓝宝石光纤的高熔点(2040℃)，可用于超高温环境温度测量，典型的蓝宝石光纤法珀干涉传感系统如图1所示。
然而在实际的测量过程中，由于蓝宝石光纤的大模场直径引起的多模模间干涉造成的误差会是实际环境参量如温度、应变和压力的变化量的数十倍，为了能够解决这一问题，国内外专家学者对这一误差的校正从系统结构上做了大量的研究。
为了消除蓝宝石光纤内部模间干涉的问题，一般采用的是将调制解调频率从高频域的光学干涉场中转到低频域的微波光子干涉场，通过将光波作为载波，微波作为调制信号，一起进入传感端。当传感端受被测量变化影响时，通过传感器反射回来的干涉信号，既包含光波也包含微波。对探测到的信号，仅对微波信号随被测量的变化进行解调，即可避开光波的模间干涉问题，进而降低测量误差，从而准确的获取待测环境的环境参量如温度、应变和压力。美国的克莱姆森大学、我国的电子科技大学以及之江实验室就基于此原理进行了基于微波光子干涉的蓝宝石光纤法珀传感系统的研究。
2015年，HUANG.J等报道了基于微波调制的蓝宝石光纤微波迈克尔逊高温传感器，如图2(a)-图2(d)所示，用电弧方法将两根长度分别为85cm和70cm的蓝宝石光纤和两根石英多模光纤熔接起来，将光路分成两路，各自经蓝宝石光纤端面反射。由于两路光之间存在光程差，反射光在耦合器耦合发生干涉，实现100-1400℃的测温，灵敏度为64kHz/℃。
由于微波的波长相对光波较长，被测量变化引起的光程差相对于微波信号很小，进而导致微波光子法珀传感器灵敏度很低(只有-64kHz/℃)，系统的微波频率却是GHz级别。为了提高传感器的灵敏度，有文献报道利用游标效应放大传感器灵敏度的方法。并且在光纤传感器本身的热膨胀系数、热光系数以及折射率都是不可变的情况下，还可以通过增加传感器的长度来提高灵敏度。
华中科技大学的ZUOWEI.XU等人将一段长度为200m的单模光纤作为温度传感器，如图3(a)-图3(d)所示，另一段长度与其有略微差异的单模光纤作为参考段并将二者级联起来，利用游标效应将温度传感器的灵敏度从-19.068kHz/℃扩大到了-556.856kHz/℃。
如图4(a)-图4(d)所示，之江实验室Chen.Z等人利用一根7.568m的单模光纤作为参考法珀干涉仪，另一根7.854m的单模光纤作为温度传感法珀干涉仪，并将两法珀干涉仪级联起来形成微波光子游标效应，在20～80℃的测温范围内将温度传感法珀干涉仪的温度灵敏度提升到了-266.1kHz/℃。
2023年，厦门大学Chen.S等人利用利用一根11.43m的单模光纤作为参考臂，另一根21.57m的单模光纤作为温度传感臂，并将两法珀干涉仪并联形成微波光子游标效应，将传感臂的温度灵敏度从-31.18kHz/℃提升到了580.45kHz/℃，如图5(a)-图5(d)所示.
但目前基于微波光子干涉的光纤法珀传感系统存在的问题：
传感器灵敏度低。由于微波的波长相对光波较长，被测量变化引起的光程差相对于微波信号很小，进而导致传感器灵敏度很低。例如美国的克莱姆森大学的迈克尔逊干涉仪型传感器的灵敏度只有-64kHz/℃，然而系统的微波频率范围却是GHz级别。
传感器尺寸大。为了使得被测温度变化引起的光程差变化足够大，很多研究团队采用分米量级的长度作为敏感元的传感器。比如我国华中科技大学的马赫曾德干涉仪型传感器，其尺寸达到了200m。
发明内容
本发明的目的是提供基于微波光子干涉光纤环路和构造虚拟反射面的蓝宝石光纤法珀温度传感系统，包括光源、电光调制器、矢量网络分析仪、环形器、第一耦合器、第二耦合器、光电转换模块、光纤传感器；
所述光源向电光调制器发送光信号；
所述矢量网络分析仪向电光调制器发送微波扫描频率信号；
所述电光调制器对光信号和微波扫描频率信号进行调制，得到初始调制光信号，并传输至第一耦合器；
所述第一耦合器设有至少三个输入/输出口，分别记为11号口、12号口和13号口；
所述第一耦合器的11号口接收和耦合初始调制光信号，得到初始耦合光信号，并通过13号口将初始耦合光信号传输至环形器；
所述第一耦合器的12号口接收和耦合第k次迭代的输入光信号，得到第k次迭代的耦合光信号，并通过13号口将第k次迭代的耦合光信号传输至环形器；k初始值为2；k＝2，…，K；K为总迭代次数；
所述环形器将初始耦合光信号传输至光纤传感器，然后接收来自光纤传感器的初始反射光，并将初始反射光传输至第二耦合器；
所述环形器将第k次迭代的耦合光信号传输至光纤传感器，然后接收来自光纤传感器的第k次迭代的反射光，并将第k次迭代的光纤传感器反射光传输至第二耦合器；
所述第二耦合器设有至少三个输入/输出口，分别记为21号口、22号口和23号口；
所述第二耦合器的23号口接收和耦合初始反射光，得到初始耦合反射光，并将初始耦合反射光分为两部分；一部分耦合反射光通过21号口输出到光电转换模块；另一部分耦合反射光作为第2次迭代的输入光信号，通过22号口输出到所述第一耦合器的12号口；
所述第二耦合器的23号口接收和耦合第k次迭代的反射光，得到第k次迭代的耦合反射光，并将第k次迭代的耦合反射光分为两部分；一部分第k次迭代的耦合反射光通过21号口输出到光电转换模块；另一部分耦合反射光作为第k+1次迭代的输入光信号，通过22号口输出到所述第一耦合器的12号口；
所述光电转换模块对接收到的耦合反射光进行光电转换，得到反射光时域信号，并传输至矢量网络分析仪；
在蓝宝石光纤法珀系统工作过程中，光信号每在环形器、第一耦合器、第二耦合器构成的环路内多循环传输一次，光纤传感器的温度灵敏度就增加一倍；第k次迭代的反射光时域信号所对应的传感器温度灵敏度Svir,k＝kS0；S0为光纤传感器原始温度灵敏度；
矢量网络分析仪接收到光纤传感器远端反射面的时域反射峰信号后，构造一个虚拟反射面与光纤传感器远端反射面形成虚拟法珀腔，虚拟反射面与光纤传感器远端反射面之间的距离即为法珀腔长Lvir；
将虚拟法珀腔的时域信号利用复傅里叶变换进行时频域转换，使得虚拟法珀腔的两个反射面的时域信号在微波频域发生干涉，生成干涉频谱信号，此时光纤传感器的温度灵敏度S2＝k2S0；参数k2大于k；
进一步，还包括用于放大调制光信号的掺铒光纤放大器，用于放大微波扫描频率信号的射频放大器，以及用于对光信号进行偏振处理的偏振器。
基于微波光子干涉光纤环路和构造虚拟反射面的蓝宝石光纤法珀温度传感系统的解调方法，包括以下步骤：
1)所述光源向电光调制器发送光信号；
所述矢量网络分析仪向电光调制器发送微波扫描频率信号；
2)所述电光调制器对光信号和微波扫描频率信号进行调制，得到初始调制光信号，并传输至第一耦合器；
3)所述第一耦合器的11号口接收和耦合初始调制光信号，得到初始耦合光信号，并通过13号口将初始耦合光信号传输至环形器；
4)所述环形器将初始耦合光信号传输至光纤传感器，然后接收来自光纤传感器的初始反射光，并将初始反射光传输至第二耦合器；
5)所述第二耦合器的23号口接收和耦合初始反射光，得到初始耦合反射光，并将初始耦合反射光分为两部分；一部分耦合反射光通过21号口输出到光电转换模块；另一部分耦合反射光作为第2次迭代的输入光信号，通过22号口输出到所述第一耦合器的12号口；
6)所述光电转换模块对接收到的耦合反射光进行光电转换，得到反射光时域信号，并传输至矢量网络分析仪；
7)所述第一耦合器的12号口接收和耦合第k次迭代的输入光信号，得到第k次迭代的耦合光信号，并通过13号口将第k次迭代的耦合光信号传输至环形器；k初始值为2；k＝2，…，K；K为总迭代次数；
8)所述环形器将第k次迭代的耦合光信号传输至光纤传感器，然后接收来自光纤传感器的第k次迭代的反射光，并将第k次迭代的反射光传输至第二耦合器；
9)所述第二耦合器的23号口接收和耦合第k次迭代的反射光，得到第k次迭代的耦合反射光，并将第k次迭代的耦合反射光分为两部分；一部分第k次迭代的耦合反射光通过21号口输出到光电转换模块；另一部分耦合反射光作为第k+1次迭代的输入光信号，通过22号口输出到所述第一耦合器的12号口；
10)所述光电转换模块对接收到的耦合反射光进行光电转换，得到反射光时域信号，并传输至矢量网络分析仪；
在蓝宝石光纤法珀系统工作过程中，光信号每在环形器、第一耦合器、第二耦合器构成的环路内多循环传输一次，光纤传感器的温度灵敏度就增加一倍；第k次迭代的反射光时域信号所对应的传感器温度灵敏度Svir,k＝kS0；S0为光纤传感器原始温度灵敏度；
矢量网络分析仪接收到光纤传感器远端反射面的时域反射峰信号后，构造一个虚拟反射面与其形成虚拟法珀腔，二者之间距离即为法珀腔长Lvir；
将虚拟法珀腔的时域信号利用复傅里叶变换进行时频域转换，使得虚拟法珀腔的两个反射面的时域信号在微波频域发生干涉，生成干涉频谱信号，此时光纤传感器的温度灵敏度S2＝k2S0；k2大于k；
11)返回步骤7)，令输入光信号在环形器、第一耦合器、第二耦合器构成的环路中进行循环，直至迭代次数k大于等于K，从而扩大光纤传感系统的灵敏度。
进一步，在将调制光信号传输至第一耦合器前，还利用掺铒光纤放大器对调制光信号进行放大。
进一步，矢量网络分析仪发出的微波扫描频率信号先到达射频放大器，经射频放大器放大后，再传输至电光调制器。
进一步，宽带光源发出的光信号先到达偏振器，经偏振器处理成为偏振光信号后，再传输至电光调制器。
进一步，所述光纤传感器包括蓝宝石光纤传感器。
进一步，光纤传感器的温度灵敏度Svir,k的计算步骤包括：
a1)构建在时域上的传感器反射光时域信号X(t)，即：
式中，g为PD的增益；R为传感器反射率；M为微波信号调制深度；I为传播光强度；Ωmin和Ωmax分别为微波频率扫描最小值和最大值；W为光源、电光调制器和矢量网络分析仪内部的系统等效光程；OPDloop为光纤环路结构的等效光程；nsf和Lsf分别为蓝宝石光纤的折射率和长度，c为光速；t为时间；
a2)反射光信号每在系统内循环一次，反射光信号的光强度与光纤环路损耗、传感器反射损耗的关系如下：
式中，I为传播光强度，Q为光纤环路损耗和传感器反射损耗的总和，P为环路内的EDFA的增益；I0为第一次循环时的传播光强度；
a3)建立矢量网络分析仪在第k次、第K次循环时接收到的反射光时域信号表达式，即：
式中，K为循环的总次数；Xk(t)为第k次循环时接收到的反射光时域信号；XK(t)为第K次循环时接收到的反射光时域信号；
a4)引入外界温度变化△T，此时矢量网络分析仪在第k次循环时接收到的反射光时域信号XΔT(t)的表达式如下所示：
式中，α为热膨胀系数α；ξ为热光系数；
a5)分别计算温度变化前后，第1次循环和第k次循环的反射峰位置差，即：
式中，ΔLk为温度变化前后第k次循环的反射峰位置差；ΔL1为温度变化前后第1次循环的反射峰位置差；ΔOPDsf为温度引起的蓝宝石光纤传感器光程的变化值；
a6)计算第k次循环时光纤传感器的温度灵敏度Svir,k＝kS0。
进一步，光纤传感器的温度灵敏度的计算步骤包括：
s1)构造虚拟反射面，该虚拟反射面的函数峰Xvir(t)如下所示：
式中，Lvir为构造的虚拟反射面的光程长度；
该虚拟反射面的时域谱X(t)如下所示：
式中，K为循环的总次数；
虚拟反射面与光纤传感器远端反射面之间的距离，也即构造的虚拟法珀腔长OPDvir如下所示：
OPDvir＝Lvir (11)
s2)利用一个窗函数g(t)将光纤传感器端面与虚拟反射面的反射峰选出，得到时域信号gk(t)·X(t)；gk(t)为第k次迭代的窗函数；
对时域信号gk(t)·X(t)进行复傅里叶变换，得到微波干涉频谱，即：
Wk＝Wvir*G(Ω)exp(-jΩτ0) (12)
式中，Wk为重构出的第k次循环的干涉频谱；Wvir为虚拟反射面的干涉频谱；G(Ω)为门函数g(t)的傅里叶逆变换函数，τ0为传输延迟；Ω为傅里叶变换频域参数；
s3)计算虚拟法珀腔形成的法珀干涉频谱的谐振频率fvir,m,k和自由频谱范围FSR，即：
式中，m为谐振阶数；
s4)在外界环境温度变化△T时，光纤温度传感器的第k次循环的反射信号时域谱Xk(t,ΔT)如下所示：
s5)保持虚拟反射面的位置不变，更新反射信号时域谱，得到：
s6)计算外界环境温度变化引起的虚拟法珀干涉频谱谐振频率fvir,m,k和自由频谱范围FSR，即：
s7)计算谐振频率的温度灵敏度，即：
式中，Δfvir,k为外界环境温度变化引起的虚拟法珀干涉频谱谐振频率的变化量；
其中，放大倍数K2如下所示：
式中，Svir,k、Svir,1为第k次循环、第1次循环时，谐振频率的温度灵敏度。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明的有益效果如下：
1)提出利用光纤环路进行传感器灵敏度放大的方法，理论上可以将灵敏度提高2倍以上，灵敏度放大倍数等于光纤环路的循环次数。
2)提出利用构造虚拟反射面进行传感器灵敏度放大的方法，在光纤环路的基础上，可以将灵敏度放大倍数进一步提高到大于光纤环路循环次数的水平。
3)将反射式蓝宝石光纤法珀传感器作为本系统的传感器，减小传感器的尺寸至20cm以下。
4)利用基于微波光子干涉的蓝宝石光纤法珀传感系统进行温度测量，消除了在高频率的光干涉场中蓝宝石光纤内部存在的模间干涉信号干扰问题，提高了测温精度。
4)在微波光子干涉中加入光纤环，提升了温度传感灵敏度，减小了传感器的尺寸大小。
6)利用构造虚拟反射面，进一步提升温度传感灵敏度。
附图说明
图1为典型的蓝宝石光纤法珀干涉传感系统；
图2(a)-图2(d)为基于微波光子干涉的蓝宝石光纤法珀高温温度传感器；
图3(a)-图3(d)为利用游标效应放大灵敏度的光纤环温度传感器；
图4(a)-图4(d)为利用游标效应放大灵敏度的级联光纤法珀温度传感器。
图5(a)-图5(d)为利用游标效应放大灵敏度的光纤法珀温度传感器；
图6为本发明方法所涉及的系统硬件示意图；
图7为5次循环时域峰；
图8为在外界环境温度变化1000℃后，时域谱的变化情况；
图9(a)-(b)为第1次、第5次循环反射时域峰；
图10为温度变化量步进为100℃时，时域峰移动量与温度的关系；
图11为温度灵敏度与光纤环路循环次数的关系；
图12为蓝宝石光纤传感器的反射端面以及构造的虚拟反射面在第一次循环和第五次循环的时域反射峰；
图13(a)-(b)为第一次循环的两个反射面的干涉频谱；
图14为温度变化1000℃后，两个循环的虚拟法珀腔时域谱的变化；
图15(a)-(b)为第一次和第五次循环的蓝宝石光纤法珀传感器反射面频域变化；
图16(a)-(b)为温度变化量步进为100℃时，从0℃变化到1000℃过程中，第一次和第五次循环时域谱和虚拟法珀干涉频谱的变化情况；
图17为第一次和第五次循环5.5GHz附近的谐振频率变化情况；
图18为时域峰移动量与谐振频率移动量与温度的关系；
图19为光纤环路的温度灵敏度放大倍数K1与光纤环路结合构造虚拟反射面的温度灵敏度放大倍数K2的关系；
图20为只有光纤环路作用时的温度灵敏度放大倍数K1与构造虚拟反射面结合光纤环路作用时的温度灵敏度放大倍数K2的关系。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
参见图6至图20，基于微波光子干涉光纤环路和构造虚拟反射面的蓝宝石光纤法珀温度传感系统，包括光源(ASE)、电光调制器(EOM)、矢量网络分析仪(VNA)、环形器(optical circulator)、第一耦合器(optical coupler)、第二耦合器、光电转换模块(PD)、光纤传感器；
所述光源向电光调制器发送光信号；
所述矢量网络分析仪向电光调制器发送微波扫描频率信号；
所述电光调制器对光信号和微波扫描频率信号进行调制，得到初始调制光信号，并传输至第一耦合器；
所述第一耦合器设有至少三个输入/输出口，分别记为11号口、12号口和13号口；
所述第一耦合器的11号口接收和耦合初始调制光信号，得到初始耦合光信号，并通过13号口将初始耦合光信号传输至环形器；
所述第一耦合器的12号口接收和耦合第k次迭代的输入光信号，得到第k次迭代的耦合光信号，并通过13号口将第k次迭代的耦合光信号传输至环形器；k初始值为2；k＝2，…，K；K为总迭代次数；
所述环形器将初始耦合光信号传输至光纤传感器，然后接收来自光纤传感器的初始反射光，并将初始反射光传输至第二耦合器；
所述环形器将第k次迭代的耦合光信号传输至光纤传感器，然后接收来自光纤传感器的第k次迭代的反射光，并将第k次迭代的光纤传感器反射光传输至第二耦合器；
所述第二耦合器设有至少三个输入/输出口，分别记为21号口、22号口和23号口；
所述第二耦合器的23号口接收和耦合初始反射光，得到初始耦合反射光，并将初始耦合反射光分为两部分；一部分耦合反射光通过21号口输出到光电转换模块；另一部分耦合反射光作为第2次迭代的输入光信号，通过22号口输出到所述第一耦合器的12号口；
所述第二耦合器的23号口接收和耦合第k次迭代的反射光，得到第k次迭代的耦合反射光，并将第k次迭代的耦合反射光分为两部分；一部分第k次迭代的耦合反射光通过21号口输出到光电转换模块；另一部分耦合反射光作为第k+1次迭代的输入光信号，通过22号口输出到所述第一耦合器的12号口；
所述光电转换模块对接收到的耦合反射光进行光电转换，得到反射光时域信号，并传输至矢量网络分析仪；
在蓝宝石光纤法珀系统工作过程中，光信号每在环形器、第一耦合器、第二耦合器构成的环路内多循环传输一次，光纤传感器的温度灵敏度就增加一倍；第k次迭代的反射光时域信号所对应的传感器温度灵敏度Svir,k＝kS0；S0为光纤传感器原始温度灵敏度；
矢量网络分析仪接收到光纤传感器远端反射面的时域反射峰信号后，构造一个虚拟反射面与光纤传感器远端反射面形成虚拟法珀腔，虚拟反射面与光纤传感器远端反射面之间的距离即为法珀腔长Lvir；
将虚拟法珀腔的时域信号利用复傅里叶变换进行时频域转换，使得虚拟法珀腔的两个反射面的时域信号在微波频域发生干涉，生成干涉频谱信号，此时光纤传感器的温度灵敏度S2＝k2S0；参数k2＞k＞0；
实施例2：
参见图6至图20，基于微波光子干涉光纤环路和构造虚拟反射面的蓝宝石光纤法珀温度传感系统，技术内容同实施例1，进一步的，还包括用于放大调制光信号的掺铒光纤放大器。
实施例3：
参见图6至图20，基于微波光子干涉光纤环路和构造虚拟反射面的蓝宝石光纤法珀温度传感系统，技术内容同实施例1-2任一项，进一步的，还包括用于放大微波扫描频率信号的射频放大器。
实施例4：
参见图6至图20，基于微波光子干涉光纤环路和构造虚拟反射面的蓝宝石光纤法珀温度传感系统，技术内容同实施例1-3任一项，还包括用于对光信号进行偏振处理的偏振器。
实施例5：
实施例1-4任一项基于微波光子干涉光纤环路和构造虚拟反射面的蓝宝石光纤法珀温度传感系统的解调方法，包括以下步骤：
1)所述光源向电光调制器发送光信号；
所述矢量网络分析仪向电光调制器发送微波扫描频率信号；
2)所述电光调制器对光信号和微波扫描频率信号进行调制，得到初始调制光信号，并传输至第一耦合器；
3)所述第一耦合器的11号口接收和耦合初始调制光信号，得到初始耦合光信号，并通过13号口将初始耦合光信号传输至环形器；
4)所述环形器将初始耦合光信号传输至光纤传感器，然后接收来自光纤传感器的初始反射光，并将初始反射光传输至第二耦合器；
5)所述第二耦合器的23号口接收和耦合初始反射光，得到初始耦合反射光，并将初始耦合反射光分为两部分；一部分耦合反射光通过21号口输出到光电转换模块；另一部分耦合反射光作为第2次迭代的输入光信号，通过22号口输出到所述第一耦合器的12号口；
6)所述光电转换模块对接收到的耦合反射光进行光电转换，得到反射光时域信号，并传输至矢量网络分析仪；
7)所述第一耦合器的12号口接收和耦合第k次迭代的输入光信号，得到第k次迭代的耦合光信号，并通过13号口将第k次迭代的耦合光信号传输至环形器；k初始值为2；k＝2，…，K；K为总迭代次数；
8)所述环形器将第k次迭代的耦合光信号传输至光纤传感器，然后接收来自光纤传感器的第k次迭代的反射光，并将第k次迭代的反射光传输至第二耦合器；
9)所述第二耦合器的23号口接收和耦合第k次迭代的反射光，得到第k次迭代的耦合反射光，并将第k次迭代的耦合反射光分为两部分；一部分第k次迭代的耦合反射光通过21号口输出到光电转换模块；另一部分耦合反射光作为第k+1次迭代的输入光信号，通过22号口输出到所述第一耦合器的12号口；
10)所述光电转换模块对接收到的耦合反射光进行光电转换，得到反射光时域信号，并传输至矢量网络分析仪；
在蓝宝石光纤法珀系统工作过程中，光信号每在环形器、第一耦合器、第二耦合器构成的环路内多循环传输一次，光纤传感器的温度灵敏度就增加一倍；第k次迭代的反射光时域信号所对应的传感器温度灵敏度Svir,k＝kS0；S0为光纤传感器原始温度灵敏度；
矢量网络分析仪接收到光纤传感器远端反射面的时域反射峰信号后，构造一个虚拟反射面与其形成虚拟法珀腔，二者之间距离即为法珀腔长Lvir；
将虚拟法珀腔的时域信号利用复傅里叶变换进行时频域转换，使得虚拟法珀腔的两个反射面的时域信号在微波频域发生干涉，生成干涉频谱信号，此时光纤传感器的温度灵敏度S2＝k2S0；k2大于k；
11)返回步骤7)，令输入光信号在环形器、第一耦合器、第二耦合器构成的环路中进行循环，直至迭代次数k大于等于K，从而扩大光纤传感系统的灵敏度。
实施例6：
实施例1-4任一项基于微波光子干涉光纤环路和构造虚拟反射面的蓝宝石光纤法珀温度传感系统的解调方法，技术内容同实施例5，进一步的，在将调制光信号传输至第一耦合器前，还利用掺铒光纤放大器对调制光信号进行放大。
实施例7：
实施例1-4任一项基于微波光子干涉光纤环路和构造虚拟反射面的蓝宝石光纤法珀温度传感系统的解调方法，技术内容同实施例5-6任一项，进一步的，矢量网络分析仪发出的微波扫描频率信号先到达射频放大器，经射频放大器放大后，再传输至电光调制器。
实施例8：
实施例1-4任一项基于微波光子干涉光纤环路和构造虚拟反射面的蓝宝石光纤法珀温度传感系统的解调方法，技术内容同实施例5-7任一项，进一步的，宽带光源发出的光信号先到达偏振器，经偏振器处理成为偏振光信号后，再传输至电光调制器。
实施例9：
实施例1-4任一项基于微波光子干涉光纤环路和构造虚拟反射面的蓝宝石光纤法珀温度传感系统的解调方法，技术内容同实施例5-8任一项，进一步的，所述光纤传感器包括蓝宝石光纤传感器。
实施例10：
实施例1-4任一项基于微波光子干涉光纤环路和构造虚拟反射面的蓝宝石光纤法珀温度传感系统的解调方法，技术内容同实施例5-9任一项，进一步的，光纤传感器的温度灵敏度Svir,k的计算步骤包括：
a1)构建在时域上的传感器反射光时域信号X(t)，即：
式中，g为PD的增益；R为传感器反射率；M为微波信号调制深度；I为传播光强度；Ωmin和Ωmax分别为微波频率扫描最小值和最大值；W为光源、电光调制器和矢量网络分析仪内部的系统等效光程；OPDloop为光纤环路结构的等效光程；nsf和Lsf分别为蓝宝石光纤的折射率和长度，c为光速；t为时间；
a2)反射光信号每在系统内循环一次，反射光信号的光强度与光纤环路损耗、传感器反射损耗的关系如下：
式中，I为传播光强度，Q为光纤环路损耗和传感器反射损耗的总和，P为环路内的EDFA的增益；I0为第一次循环时的传播光强度；
a3)建立矢量网络分析仪在第k次、第K次循环时接收到的反射光时域信号表达式，即：
式中，K为循环的总次数；Xk(t)为第k次循环时接收到的反射光时域信号；XK(t)为第K次循环时接收到的反射光时域信号；
a4)引入外界温度变化△T，此时矢量网络分析仪在第k次循环时接收到的反射光时域信号XΔT(t)的表达式如下所示：
式中，α为热膨胀系数α；ξ为热光系数；
a5)分别计算温度变化前后，第1次循环和第k次循环的反射峰位置差，即：
式中，ΔLk为温度变化前后第k次循环的反射峰位置差；ΔL1为温度变化前后第1次循环的反射峰位置差；ΔOPDsf为温度引起的蓝宝石光纤传感器光程的变化值；
a6)计算第k次循环时光纤传感器的温度灵敏度Svir,k＝kS0。
实施例11：
实施例1-4任一项基于微波光子干涉光纤环路和构造虚拟反射面的蓝宝石光纤法珀温度传感系统的解调方法，技术内容同实施例5-10任一项，进一步的，光纤传感器的温度灵敏度的计算步骤包括：
s1)构造虚拟反射面，该虚拟反射面的函数峰Xvir(t)如下所示：
式中，Lvir为构造的虚拟反射面的光程长度；
该虚拟反射面的时域谱X(t)如下所示：
式中，K为循环的总次数；
虚拟反射面与光纤传感器远端反射面之间的距离，也即构造的虚拟法珀腔长OPDvir如下所示：
OPDvir＝Lvir (11)
s2)利用一个窗函数g(t)将光纤传感器端面与虚拟反射面的反射峰选出，得到时域信号gk(t)·X(t)；gk(t)为第k次迭代的窗函数；
对时域信号gk(t)·X(t)进行复傅里叶变换，得到微波干涉频谱，即：
Wk＝Wvir*G(Ω)exp(-jΩτ0) (12)
式中，Wk为重构出的第k次循环的干涉频谱；Wvir为虚拟反射面的干涉频谱；G(Ω)为门函数g(t)的傅里叶逆变换函数，τ0为传输延迟；Ω为傅里叶变换频域参数；
s3)计算虚拟法珀腔形成的法珀干涉频谱的谐振频率fvir,m,k和自由频谱范围FSR，即：
式中，m为谐振阶数；
s4)在外界环境温度变化△T时，光纤温度传感器的第k次循环的反射信号时域谱Xk(t,ΔT)如下所示：
s5)保持虚拟反射面的位置不变，更新反射信号时域谱，得到：
s6)计算外界环境温度变化引起的虚拟法珀干涉频谱谐振频率fvir,m,k和自由频谱范围FSR，即：
s7)计算谐振频率的温度灵敏度，即：
式中，Δfvir,k为外界环境温度变化引起的虚拟法珀干涉频谱谐振频率的变化量；
其中，放大倍数K2如下所示：
式中，Svir,k、Svir,1为第k次循环、第1次循环时，谐振频率的温度灵敏度。
实施例12：
基于微波光子干涉光纤环路和构造虚拟反射面的蓝宝石光纤法珀解调方法，内容如下：
如图6所示，本发明的系统硬件结构包括以下内容：
ASE光源。输出波长范围较宽的宽带光进入到光纤传感器中。
偏振器：将光源的输出光信号变为任意偏振光信号，进而使得系统中的微波信号能够更好的调制光信号、负载光信号，同时降低系统中的偏振相关性。
电光调制器。使光载波的强度随着调制的微波信号变化，进而实现光信号承载微波信号。
射频放大器：将矢量网络分析仪VNA输出的微波信号强度放大到更匹配电光调制器输入的微波信号强度。
矢网仪：本系统的核心，即矢量网络分析仪VNA，输出微波射频信号，接收返回的微波射频信号，并对信号进行处理及储存。
光电探测模块：用于将反射回的携带待测环境温度信息的光信号转换为电信号，并输出到VNA进行后续处理。
蓝宝石光纤法珀传感器：用于在待测环境中感受温度变化。
蓝宝石光纤法珀解调方法的步骤如下：
电光调制器同时接收来自ASE宽带光源产生的光信号以及VNA发出的微波扫描频率信号，将微波信号调制到光信号并输出。由于经过调制后的光信号强度不高，所以需要经过掺铒光纤放大器EDFA放大光强。EDFA输出的光信号由第一个1×2耦合器的1端口输入，再由3端口输出到环形器的输入端，然后进入蓝宝石光纤传感器。蓝宝石光纤传感器反射光再经由环形器的输出端，输出到第二个耦合器的3端口。第二个耦合器再将光分为两部分：第一部分由1端口输出到PD进行光电转换，进入VNA进行同步扫描测量反射频谱(即S21参数)，此时即为环路的第一次循环输出；第二部分仍然留在环路内，由2端口输出到EDFA放大后，进入第一个耦合器的2端口，作为输入光再次由耦合器和环形器输出到蓝宝石光纤传感器，此时即为环路的第二次循环输出，以此类推重复循环，光纤环路内不断的进行循环。
同时，为了获得更高的温度灵敏度，在第k次循环后的时域信号传感器反射峰旁构造一虚构反射面，使其与该反射面在微波域形成干涉。
本发明的原理：
在基于微波光子干涉光纤环路和构造虚拟反射面的蓝宝石光纤法珀解调方法中，在时域上的传感器时域信号为：
其中，g为PD的增益，R为传感器反射率，M为微波信号调制深度，I0为传播光强度，Ωmin和Ωmax分别为微波频率扫描最小值和最大值，W为ASE、EOM和VNA内部的系统等效光程，OPDloop为光纤环路结构的等效光程，nsf和Lsf分别为蓝宝石光纤的折射率和长度，c为光速。
每一次循环后的传播光强度都会随着传输损耗和蓝宝石光纤传感器反射而逐渐降低，假设环路传感器的总损耗是固定的，衰减的强度由环路和传感器的总损耗决定，k次循环后的光强与时间t的关系为：
其中I为传播光强度，Q为光纤环路损耗和传感器反射损耗的总和，P为环路内的EDFA的增益，将I作为t的函数解出：
其中I0为第一次循环时的传播光强度，可以看到耦合出的光信号将呈指数衰减。结合两式，得到VNA采集到的第k次循环时域信号为：
得到时域信号为：
其中kmax为循环的总次数。可以看到，光纤环路的时域信号将由一个个的sinc函数峰组成，且sinc函数峰的峰值呈指数衰减，sinc函数峰的位置由环路和蓝宝石光纤传感器的等效光程决定。在外界温度变化△T后，蓝宝石光纤传感器的等效光程也会发生变化，则此时VNA采集到的第k次循环时域信号为：
由式中可以看到，温度变化前后第1次循环和第k次循环的sinc函数峰位置差分别为：
可以看到，第k次循环的sinc函数峰位置差刚好是第1次循环的sinc函数峰位置差的k倍：
单个反射面无法形成微波频域法珀干涉，为了使其形成法珀干涉，进而获得更高的温度灵敏度，通过构造一个虚拟反射面来与该反射面形成干涉。将该虚拟反射面放置于蓝宝石光纤端面的远处。在时域谱上表现为，虚拟反射峰出现在蓝宝石光纤端面反射峰的右侧。
在其反射峰旁一定距离的位置构造一个与其一模一样的sinc函数峰：
其中Lvir为构造的虚拟反射面的光程长度。得到时域谱为：
其中kmax为循环的总次数。构造的虚拟反射面与实际的蓝宝石光纤传感器端面之间的距离(为了方便，设置虚拟法珀腔的传输介质折射率为1)，即构造的虚拟法珀腔长可表示为：
OPDvir＝Lvir
利用一个窗函数g(t)将蓝宝石光纤传感器端面与构造虚拟反射面的反射峰选出，门函数作用后的时域信号变为gk(t)·X(t)，将框选出来的时域信号施加复傅里叶变换到频域上，实现对微波干涉频谱的重新构建，表示为：
Wk＝Wvir*G(Ω)exp(-jΩτ0)
其中Wk为重构出的第k次循环的干涉频谱，Wvir为虚拟反射面的干涉频谱，G(Ω)为门函数g(t)的傅里叶逆变换函数，τ0为传输延迟。
虚拟法珀腔形成的法珀干涉频谱的谐振频率fvir,m,k和自由频谱范围FSR可表示为：
其中m为谐振阶数。在外界环境温度变化△T时，蓝宝石光纤温度传感器的第k次循环的反射信号时域谱为：
为了使得虚拟法珀腔长的变化只取决于蓝宝石光纤传感器端面的变化，保持构造的虚拟反射面的位置不变(即Xvir(t)与△T无关)，此时的时域谱为：
由外界环境温度变化引起的虚拟法珀干涉频谱谐振频率fvir,m,k和自由频谱范围FSR的变化表示为：
则谐振频率的温度灵敏度可表示为：
可以看到，谐振频率fvir,m,k的温度灵敏度与循环次数k、蓝宝石光纤的折射率nsf、蓝宝石光纤长度Lsf和虚拟法珀腔长OPDvir相关。
第k次循环的温度灵敏度相比于第1次循环的放大倍数为：
图19为只有光纤环路的温度灵敏度放大倍数K1与光纤环路结合构造虚拟反射面的温度灵敏度放大倍数K2的关系，可以看到随着循环次数的增加，K2逐渐增大，且呈指数增长；而K1虽然也逐渐增大，但是增长曲线为线性曲线，增长率相比于K1更低。这意味着通过在蓝宝石光纤温度传感器远端构造一虚拟反射面，表现在时域上为在光纤环路循环后的时域反射峰旁构造一虚拟反射峰，将蓝宝石光纤传感器反射峰与虚拟反射峰构造为一虚拟法珀腔在频域内进行干涉，能获得相比时域更高的温度灵敏度放大倍数。
考虑蓝宝石光纤的折射率nsf为1.75，长度为0.2m(等效光程为1.75×0.2＝0.35m)，微波频率带宽为0～8.5GHz(与实际的VNA微波频率带宽相对应)，光电探测器PD的增益g为1，蓝宝石光纤反射率为0.07，传播光强度I0为1W，调制深度M为1，光纤环路等效光程OPDloop为1m，光速c为3×10^8，光纤环路损耗以及传感器反射的总损耗P为-40dB，EDFA增益为20dB(假设循环5次以后的光强就低于EDFA的输入阈值，无法被有效放大)，系统内部光程为16m，得到最终的5次循环时域峰，如图7所示。
可以看到，在时域上的5个反射峰均匀分布，每个反射峰之间的间隔均为OPDloop+nsfLsf/2c，为9ns(即光程为5.4m)，且反射峰的强度随着循环次数的增多是呈指数下降。
在外界环境温度变化1000℃后，查看时域谱的变化情况，如图8所示。
从图8-图9中可以看到，时域谱的第一次循环峰向右移动了0.07ns，第五次循环峰向右移动了0.35ns，刚好是5倍的关系，这也与理论计算一致：第k次循环的反射时域峰移动量是第一次循环反射时域峰移动量的k倍。
考察温度变化量步进为100℃时，从0℃变化到1000℃过程中时域谱的变化情况，对五次循环的时域谱进行追踪，得到时域峰移动量与温度的关系，如图10所示。
可以看到前五次循环的温度灵敏度分别为0.07ps/℃、0.14ps/℃、0.21ps/℃、0.28ps/℃和0.35ps/℃，温度灵敏度是随着循环次数的增加而逐渐增加的，得到温度灵敏度放大倍数与光纤环路循环次数的关系，如图11所示。
温度灵敏度随着光纤环路循环次数的增加而增加，且呈线性增长，与理论计算一致。
为了使得蓝宝石光纤的单反射面可以形成干涉，在其时域反射峰旁构造一虚拟的反射面与其进行干涉。设置构造的虚拟法珀腔长为0.2m，得到蓝宝石光纤传感器的反射端面以及构造的虚拟反射面在第一次循环和第五次循环的时域反射峰，如图12所示。
再利用一个汉宁窗将第一次循环的两个反射面选出后，进行复傅里叶变换到频域查看其干涉频谱，如图13所示。
得到第一次与第五次循环干涉频谱的自由频谱范围FSR为1.5GHz，而根据理论计算FSR为1.5GHz，与理论一致。
考察温度变化1000℃后，两个循环的虚拟法珀腔时域谱的变化，如图14所示。
在温度变化1000℃后，第一次和第五次循环的蓝宝石光纤法珀传感器反射面在时域谱上分别移动了0.07ns和0.35ns。固定虚拟反射面在温度变化前后的位置，利用汉宁窗在时域谱上选出两反射面后变换到频域，如图15所示。
可以看到在温度变化后，第一次循环的虚拟法珀腔干涉峰移动了0.274GHz。第五次循环的虚拟法珀腔干涉峰移动了1.757GHz。
考察温度变化量步进为100℃时，从0℃变化到1000℃过程中时域谱和虚拟法珀干涉频谱的变化情况，如图16所示。
考察5.5GHz附近的谐振频率变化情况，如图17所示。
对第1～5次循环下的虚拟法珀腔干涉频谱谐振频率进行追踪，，如图18所示。第1～5次循环下的虚拟法珀腔干涉频谱的谐振频率温度灵敏度分别为275kHz/℃、348kHz/℃、476kHz/℃、749kHz/℃和1763kHz/℃。在谐振频率移动量-温度曲线图中，第5次循环的温度灵敏度相比于第1次循环的温度灵敏度放大倍数K2为6.4倍，与理论计算K2＝6.33接近。
得到灵敏度放大倍数与循环次数之间的关系，如图19所示。
图20为只有光纤环路作用时的温度灵敏度放大倍数K1与构造虚拟反射面结合光纤环路作用时的温度灵敏度放大倍数K2的关系，可以看到随着循环次数的增加，K2逐渐增大，且增长率相比于K1更高。也就是说，通过构造虚拟法珀腔的方法，能获得相比时域更高的温度灵敏度放大倍数。
Claims (9)
1.基于微波光子干涉光纤环路和构造虚拟反射面的蓝宝石光纤法珀温度传感系统，其特征在于，包括光源、电光调制器、矢量网络分析仪、所述环形器、第一耦合器、第二耦合器、光电转换模块、光纤传感器。
所述光源向电光调制器发送光信号；
所述矢量网络分析仪向电光调制器发送微波扫描频率信号；
所述电光调制器对光信号和微波扫描频率信号进行调制，得到初始调制光信号，并传输至第一耦合器；
所述第一耦合器设有至少三个输入/输出口，分别记为11号口、12号口和13号口；
所述第一耦合器的11号口接收和耦合初始调制光信号，得到初始耦合光信号，并通过13号口将初始耦合光信号传输至环形器；
所述第一耦合器的12号口接收和耦合第k次迭代的输入光信号，得到第k次迭代的耦合光信号，并通过13号口将第k次迭代的耦合光信号传输至环形器；k初始值为2；k＝2，…，K；K为总迭代次数；
所述环形器将初始耦合光信号传输至光纤传感器，然后接收来自光纤传感器的初始反射光，并将初始反射光传输至第二耦合器；
所述环形器将第k次迭代的耦合光信号传输至光纤传感器，然后接收来自光纤传感器的第k次迭代的反射光，并将第k次迭代的光纤传感器反射光传输至第二耦合器；
所述第二耦合器设有至少三个输入/输出口，分别记为21号口、22号口和23号口；
所述第二耦合器的23号口接收和耦合初始反射光，得到初始耦合反射光，并将初始耦合反射光分为两部分；一部分耦合反射光通过21号口输出到光电转换模块；另一部分耦合反射光作为第2次迭代的输入光信号，通过22号口输出到所述第一耦合器的12号口；
所述第二耦合器的23号口接收和耦合第k次迭代的反射光，得到第k次迭代的耦合反射光，并将第k次迭代的耦合反射光分为两部分；一部分第k次迭代的耦合反射光通过21号口输出到光电转换模块；另一部分耦合反射光作为第k+1次迭代的输入光信号，通过22号口输出到所述第一耦合器的12号口；
所述光电转换模块对接收到的耦合反射光进行光电转换，得到反射光时域信号，并传输至矢量网络分析仪；
在蓝宝石光纤法珀系统工作过程中，光信号每在环形器、第一耦合器、第二耦合器构成的环路内多循环传输一次，光纤传感器的温度灵敏度就增加一倍；第k次迭代的反射光时域信号所对应的传感器温度灵敏度Svir,k＝kS0；S0为光纤传感器原始温度灵敏度；
矢量网络分析仪接收到光纤传感器远端反射面的时域反射峰信号后，构造一个虚拟反射面与光纤传感器远端反射面形成虚拟法珀腔，虚拟反射面与光纤传感器远端反射面之间的距离即为法珀腔长Lvir；
将虚拟法珀腔的时域信号利用复傅里叶变换进行时频域转换，使得虚拟法珀腔的两个反射面的时域信号在微波频域发生干涉，生成干涉频谱信号，此时光纤传感器的温度灵敏度S2＝k2S0；参数k2大于k。
2.根据权利要求1所述的基于微波光子干涉光纤环路和构造虚拟反射面的蓝宝石光纤法珀温度传感系统，其特征在于，还包括用于放大调制光信号的掺铒光纤放大器，用于放大微波扫描频率信号的射频放大器，以及用于对光信号进行偏振处理的偏振器。
3.权利要求1-2任一项所述基于微波光子干涉光纤环路和构造虚拟反射面的蓝宝石光纤法珀温度传感系统的解调方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)所述光源向电光调制器发送光信号；
所述矢量网络分析仪向电光调制器发送微波扫描频率信号；
2)所述电光调制器对光信号和微波扫描频率信号进行调制，得到初始调制光信号，并传输至第一耦合器；
3)所述第一耦合器的11号口接收和耦合初始调制光信号，得到初始耦合光信号，并通过13号口将初始耦合光信号传输至环形器；
4)所述环形器将初始耦合光信号传输至光纤传感器，然后接收来自光纤传感器的初始反射光，并将初始反射光传输至第二耦合器；
5)所述第二耦合器的23号口接收和耦合初始反射光，得到初始耦合反射光，并将初始耦合反射光分为两部分；一部分耦合反射光通过21号口输出到光电转换模块；另一部分耦合反射光作为第2次迭代的输入光信号，通过22号口输出到所述第一耦合器的12号口；
6)所述光电转换模块对接收到的耦合反射光进行光电转换，得到反射光时域信号，并传输至矢量网络分析仪；
7)所述第一耦合器的12号口接收和耦合第k次迭代的输入光信号，得到第k次迭代的耦合光信号，并通过13号口将第k次迭代的耦合光信号传输至环形器；k初始值为2；k＝2，…，K；K为总迭代次数；
8)所述环形器将第k次迭代的耦合光信号传输至光纤传感器，然后接收来自光纤传感器的第k次迭代的反射光，并将第k次迭代的反射光传输至第二耦合器；
9)所述第二耦合器的23号口接收和耦合第k次迭代的反射光，得到第k次迭代的耦合反射光，并将第k次迭代的耦合反射光分为两部分；一部分第k次迭代的耦合反射光通过21号口输出到光电转换模块；另一部分耦合反射光作为第k+1次迭代的输入光信号，通过22号口输出到所述第一耦合器的12号口；
10)所述光电转换模块对接收到的耦合反射光进行光电转换，得到反射光时域信号，并传输至矢量网络分析仪；
在蓝宝石光纤法珀系统工作过程中，光信号每在环形器、第一耦合器、第二耦合器构成的环路内多循环传输一次，光纤传感器的温度灵敏度就增加一倍；第k次迭代的反射光时域信号所对应的传感器温度灵敏度Svir,k＝kS0；S0为光纤传感器原始温度灵敏度；
矢量网络分析仪接收到光纤传感器远端反射面的时域反射峰信号后，构造一个虚拟反射面与其形成虚拟法珀腔，二者之间距离即为法珀腔长Lvir；
将虚拟法珀腔的时域信号利用复傅里叶变换进行时频域转换，使得虚拟法珀腔的两个反射面的时域信号在微波频域发生干涉，生成干涉频谱信号，此时光纤传感器的温度灵敏度S2＝k2S0；k2大于k；
11)返回步骤7)，令输入光信号在环形器、第一耦合器、第二耦合器构成的环路中进行循环，直至迭代次数k大于等于K，从而扩大光纤传感系统的灵敏度。
4.根据权利要求3所述的基于微波光子干涉光纤环路和构造虚拟反射面的蓝宝石光纤法珀温度传感系统的解调方法，其特征在于，在将调制光信号传输至第一耦合器前，还利用掺铒光纤放大器对调制光信号进行放大。
5.根据权利要求3所述的基于微波光子干涉光纤环路和构造虚拟反射面的蓝宝石光纤法珀温度传感系统的解调方法，其特征在于，矢量网络分析仪发出的微波扫描频率信号先到达射频放大器，经射频放大器放大后，再传输至电光调制器。
6.根据权利要求3所述的基于微波光子干涉光纤环路和构造虚拟反射面的蓝宝石光纤法珀温度传感系统的解调方法，其特征在于，宽带光源发出的光信号先到达偏振器，经偏振器处理成为偏振光信号后，再传输至电光调制器。
7.根据权利要求3所述的基于微波光子干涉光纤环路和构造虚拟反射面的蓝宝石光纤法珀温度传感系统的解调方法，其特征在于，所述光纤传感器包括蓝宝石光纤传感器。
8.根据权利要求3所述的基于微波光子干涉光纤环路和构造虚拟反射面的蓝宝石光纤法珀温度传感系统的解调方法，其特征在于，光纤传感器的温度灵敏度Svir,k的计算步骤包括：
1)构建在时域上的传感器反射光时域信号X(t)，即：
式中，g为PD的增益；R为传感器反射率；M为微波信号调制深度；I为传播光强度；Ωmin和Ωmax分别为微波频率扫描最小值和最大值；W为光源、电光调制器和矢量网络分析仪内部的系统等效光程；OPDloop为光纤环路结构的等效光程；nsf和Lsf分别为蓝宝石光纤的折射率和长度，c为光速；t为时间；
2)反射光信号每在系统内循环一次，反射光信号的光强度与光纤环路损耗、传感器反射损耗的关系如下：
式中，I为传播光强度，Q为光纤环路损耗和传感器反射损耗的总和，P为环路内的EDFA的增益；I0为第一次循环时的传播光强度；
3)建立矢量网络分析仪在第k次、第K次循环时接收到的反射光时域信号表达式，即：
式中，K为循环的总次数；Xk(t)为第k次循环时接收到的反射光时域信号；XK(t)为第K次循环时接收到的反射光时域信号；
4)引入外界温度变化△T，此时矢量网络分析仪在第k次循环时接收到的反射光时域信号XΔT(t)的表达式如下所示：
式中，α为热膨胀系数；ξ为热光系数；
5)分别计算温度变化前后，第1次循环和第k次循环的反射峰位置差，即：
式中，ΔLk为温度变化前后第k次循环的反射峰位置差；ΔL1为温度变化前后第1次循环的反射峰位置差；ΔOPDsf为温度引起的蓝宝石光纤传感器光程的变化值；
6)计算第k次循环时光纤传感器的温度灵敏度Svir,k＝kS0。
9.根据权利要求3所述的基于微波光子干涉光纤环路和构造虚拟反射面的蓝宝石光纤法珀温度传感系统的解调方法，其特征在于，光纤传感器的温度灵敏度的计算步骤包括：
1)构造虚拟反射面，该虚拟反射面的函数峰Xvir(t)如下所示：
式中，Lvir为构造的虚拟反射面的光程长度；
该虚拟反射面的时域谱X(t)如下所示：
式中，K为循环的总次数；
虚拟反射面与光纤传感器远端反射面之间的距离，也即构造的虚拟法珀腔长OPDvir如下所示：
OPDvir＝Lvir (11)
2)利用一个窗函数g(t)将光纤传感器端面与虚拟反射面的反射峰选出，得到时域信号gk(t)·X(t)；gk(t)为第k次迭代的窗函数；
对时域信号gk(t)·X(t)进行复傅里叶变换，得到微波干涉频谱，即：
Wk＝Wvir*G(Ω)exp(-jΩτ0) (12)
式中，Wk为重构出的第k次循环的干涉频谱；Wvir为虚拟反射面的干涉频谱；G(Ω)为门函数g(t)的傅里叶逆变换函数，τ0为传输延迟；Ω为傅里叶变换频域参数；
3)计算虚拟法珀腔形成的法珀干涉频谱的谐振频率fvir,m,k和自由频谱范围FSR，即：
式中，m为谐振阶数；
4)在外界环境温度变化△T时，光纤温度传感器的第k次循环的反射信号时域谱Xk(t,ΔT)如下所示：
5)保持虚拟反射面的位置不变，更新反射信号时域谱，得到：
6)计算外界环境温度变化引起的虚拟法珀干涉频谱谐振频率fvir,m,k和自由频谱范围FSR，即：
7)计算谐振频率的温度灵敏度S2，即：
式中，Δfvir,k为外界环境温度变化引起的虚拟法珀干涉频谱谐振频率的变化量；
其中，放大倍数K2如下所示：
式中，Svir,k、Svir,1为第k次循环、第1次循环时，谐振频率的温度灵敏度。
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| CN202310446242.2A CN116481670A (zh) | 2023-04-24 | 2023-04-24 | 基于微波光子干涉光纤环路和构造虚拟反射面的蓝宝石光纤法珀温度传感系统及解调方法 |
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