CN1694389B - 一种光纤法珀传感器波分频分复用系统 - Google Patents

Abstract

一种光纤法珀传感器波分频分复用系统，包括宽带光源、粗波分复用器、光纤、耦合器(分束器)、折射率匹配液、传感器和光谱仪，其中光纤采用普通单模光纤，传感器采用光纤法珀传感器。利用粗波分复用器将宽带光分成多个通道以实现波分复用；在每个通道上通过分束器接入不同腔长的传感器以实现了频分复用。波分频分复用系统可以复用的传感器的数量是单独波分和频分复用数量的乘积，从而可以大大提高传感器的复用效率，且仍能得到较精确的测量值。这无疑将大大降低光纤法珀传感器复用系统的成本，为光纤法珀传感器的大规模应用奠定了基础。

Description

一种光纤法珀传感器波分频分复用系统

技术领域

本发明属光纤传感器技术领域，具体涉及一种光纤法珀传感器的复用系统。

技术背景

目前在光纤智能结构中，光纤法珀(Fabry-Perot)传感器是应用较成功的一种。光纤法珀传感器的基本结构如图4所示，主要由毛细石英玻璃管和光导入/反射单模光纤构成，其中，两光纤端面相互平行放置，在石英管两端，光纤和石英管用胶粘合在一起。一般情况下，光纤法珀传感器中两光纤端面的反射率相等，且反射光纤未镀膜，其反射率较小；若将光纤法珀传感器中两光纤端面镀上一层反射膜，做成高反射率的且反射率不相等的结构，我们把具有这样特殊结构的光纤法珀传感器成为光纤Fizeau传感器(目前暂时还没有合适的中文译名)。

光纤法珀传感器在工作状态下，入射光在两反射端面之间往返多次形成多光束干涉的输出；当腔长d(相互平行的两光纤端面之间的距离)或腔中的媒质折射率n随外界因素改变时，其干涉输出也随之改变，这就是光纤法珀传感器的基本工作原理(靳伟等著作，导波光学传感器：原理与技术，科学出版社，1998，pp291)。一般是通过外界环境的变化对腔长d产生的影响，来进行应变、温度、压力等的测量。如对于应变测量，应变使腔长d产生变化，通过求出d在应变下的变化量Δd，即可求出应变量ε＝Δd/L，其中L为传感器的长度。对于传感信号的解调这里使用傅里叶方法进行解调，因为传感器信号近似余弦分布，可以通过求出信号频率来得到传感器的腔长。外界环境发生变化时，导致腔长发生变化从而传感信号频率发生变化，这样通过传感信号频率的计算即可得到外界环境的变化。

随着现代测量技术的发展，光纤法珀传感器越来越受到人们的重视(亨利泰勒著作，光纤传感器，纽约：马索德科出版社，2002，pp41及饶云江等人论文，光学学报，2002，22：85)，它可以进行应变、温度及压力等的测量。现已广泛应用到复合材料、大型工程结构(如桥梁等)、宇航飞行器、飞机等的结构健康监测，以实现所谓的智能结构(见艾瑞克伍德著作，光纤传感器，纽约：马索德科出版社，2002；见戴维杰克逊论文，物理工程杂志：科学仪器，1985，18：981)。与传统的传感器相比，光纤法珀传感器具有不受电磁干扰、适用范围广、稳定性好、可靠性好、分辨率高、精度高、体积小、重量轻等显著优点(见戴维杰克逊著作，光纤传感技术，伦敦：查普曼霍出版社，1998，2：167；戴维杰克逊论文，物理工程杂志：科学仪器，1985，18：981)。

但光纤法珀传感器仍然存在一个缺点就是较难复用，从而导致系统成本较高，限制了其实际应用范围。

为了提高其复用能力，80年代以来，人们提出了一些复用方法，如空分复用(见饶云江等论文，SPIE 1995，2507：90)，它是将各个传感器的接收光纤按照空间位置编码，通过扫描机构控制光开关选址，这种方法结构复杂，复用数量有限；时分复用(见亨利泰勒等论文，应用光学，1995，34：5861)，利用光在不同长度光纤中传输的时间差来产生复用，从而各个传感器信号在不同的时间先后到达光探测器，但是这种方法由于工作在单波长系统中，测量范围小，测量精度低；相干复用(见戴维斯等论文，SPIE 1988，904：114)，它需要参考干涉仪，导致系统结构复杂，复用数量也较小，不能满足实际应用的要求。

为此，我们也对光纤法珀传感器的复用方法进行了研究，提出了光纤法珀传感器的波分复用方法(见周昌学等论文，亚洲-太平洋光学会议2004，SPIE，5634：41)，其系统结构如图1所示，通过粗波分复用器(CWDM)将宽带光分成多个通道，如对于一个1×4CWDM，可以将波长范围为1521～1601nm的宽带光分解为1521～1541nm，1541～1561nm，1561～1581nm，1581～1601nm四个不同波长范围的通道，在每个通道连接一个传感器即实现了4个传感器的波分复用，其结构简单，测量精度也高，但由于传感器必须占据足够宽的带宽(如20nm)，并且由于受到光源带宽与光谱仪工作光谱范围的限制，使传感器的复用数量受到限制，即使200nm带宽的宽带光源也只能复用10个传感器。

我们也提出了另外一种光纤法珀传感器的复用方法一光纤Fizeau传感器空间频分复用方法(见饶云江等论文，亚洲-太平洋光学会议2004，SPIE，5634：304)，其系统结构如图2所示，该方法利用不同腔长的传感器信号的频率不同，对法珀传感器进行改造，其中导入光纤与普通法珀传感器一样，为端面平整的普通单模光纤，但反射光纤端面镀了一层金属银，形成具有高反射率(反射率约95％)的反射面。由于该传感头两光纤端面反射率不等，为与两端面反射率相等的普通法珀腔相区别，将之称为Fizeau腔(见饶云江等人论文，IEEE光波科技杂志，1994，12：1685)。由于普通光纤法珀传感器反射光纤未镀膜，其反射率较小，导致从反射光纤反射到入射光纤处的信号太弱，这样普通法珀传感器的腔长不能太长，一般不超过1mm，否则由于反射光纤反射光经长距离衰减后太弱，已不能发生干涉；但反射光纤镀膜后，由于镀膜光纤的反射率较高，这样使传感器腔长可以做得更长，达到15mm左右，这样混在一起的不同腔长的传感器信号可以通过傅里叶频谱分析方法将腔长解调出来。采用上述方法做成的光纤Fizeau传感器空间频分复用系统，结构简单，测量精度高，但是由于各个传感器之间串扰的原因，任意两传感器腔长之差必须大于一定值(约600～800微米)，这样由于腔长和腔长差的限制，可以复用的传感器的数量仍然只有十几个，远远不能满足传感器大规模应用的要求，需要一种更有效率的复用系统。

可见，常见的光纤法珀传感器复用系统都存在复用数量低，不能满足实际应用的要求；有的光纤法珀传感器复用系统还存在测量精度低、设备复杂或成本较高的缺点。

发明内容

针对常见的光纤法珀传感器复用系统所存在的缺点，本发明的目的在于提供一种高复用效率的光纤法珀传感器波分频分复用系统。该系统将波分复用技术与空间频率复用技术结合起来建立光纤法珀传感器的波分频分复用系统，通过粗波分复用器(CWDM)将光源分成多个不同波长的波段，在每个波段通过分束器接入多个法珀传感器进行频分复用。由于该传感系统在各个CWDM波段上同时实现空间频分复用，所以大大的提高了传感器的复用能力，在大型结构的健康监测中，可大大降低系统的成本，因此有着很好的性价比和较大实用价值。

本发明的技术方案如下：

一种光纤法珀传感器波分频分复用系统，如图3所示，它包括宽带光源、粗波分复用器(CWDM)、光纤、分束器、折射率匹配液、传感器和光谱仪，其中光纤采用普通单模光纤，传感器采用光纤法珀传感器。以分束器为中心，通过光纤分别与宽带光源、粗波分复用器、折射率匹配液、光谱仪相连，粗波分复用器通过分束器以光纤与光纤法珀传传感器相连，光谱仪通过数据线与计算机相连，从宽带光源发出的光经2×2分束器后，进入CWDM，通过CWDM的宽带光被分解成多个带宽约为20nm(带宽太小时测量精度较低)的通道，每个通道之间无干扰，可以接入传感器即实现了波分复用，从传感器反射回来的信号经CWDM和分束器后进入光谱仪，然后通过计算机采集数据，进行数据处理；由于传感器信号近似余弦波形，并且不同腔长的传感器信号频率不同，混在一起的多个传感器信号可以通过傅里叶变换频谱分析实现解调，这样在CWDM的每个通道上通过分束器接入多个具有不同腔长的法珀传感器，即实现了波分和频分的同时复用。波分频分复用系统可以复用的传感器的数量是单独波分和频分复用数量的乘积，从而可以大大提高传感器的复用效率。系统中的折射率匹配液用来防止光纤端面反射带来的干扰。法珀传感头的结构如图4所示，由毛细石英玻璃管和光导入/反射单模光纤构成，在石英管两端，光纤和石英管用胶粘合在一起，构成光纤法珀传感器。

由于普通光纤法珀传感器腔长一般不超过1mm，而且由于腔长之间要有一定的差值，从而可以频分复用的数量只有2～3个。为此使用光纤法珀传感器的改造形式：光纤Fizeau传感器(其中导入光纤为将端面切割成平面的普通单模光纤，反射光纤端面镀了一层金属银，形成具有高反射率(反射率约95％)的反射面。由于该传感头两光纤端面反射率不等，为与两端面反射率相等的普通法珀腔相区别，将之称为Fizeau腔)。由于光纤Fizeau传感器腔长可以达到15mm，如果将传感器之间腔长差设为1mm(实际可以更小)，这样频分复用可以复用15个的Fizeau传感器。系统中使用的是1×N CWDM，这样利用光纤Fizeau传感器波分频分复用方法可以在每个CWDM通道上复用15个的传感器时，即一共可以复用15×N个的传感器；如果使用1×10CWDM，可以复用的传感器数量将达到约150个。

该系统的有益效果是：

1、该系统中，由于光纤法珀传感器中光束的干涉可以近似等效为双光束干涉，其光谱近似为余弦分布(如图5)，并且不同腔长的法珀传感器的频率不同。这样当混在一起各个法珀传感器信号的频率不同即法珀腔的腔长不同时，可以通过FFT将各个法珀传感器的腔长解调出来。并且，由于Fizeau腔的腔长可以很长，达到10mm以上而对比度下降不大，所以可以很方便的进行频分复用。

2、该系统中，使用了CWDM，各路传感信号分别位于不同的波段，对各路信号分别进行同样的信号解调即实现了多路传感信号的波分复用。对于CWDM，其相邻通道隔离度大于35dB，可以认为相邻通道之间无串扰，其回波损耗更是大于45dB，可以不作考虑，即与普通的光纤法珀传感器系统(无CWDM)相比，此系统加入的元器件CWDM对系统的信噪比影响很小，仍能得到较精确的测量值。

3、波分和频分复用技术结合起来大大提高了法珀传感器的复用数量，其复用数量是单独波分和频分复用数量的乘积，解决了光纤法珀传感器复用效率低的问题，这无疑将大大降低传感器系统的成本，为光纤法珀传感器的大规模应用奠定了基础。为了检验该系统的测量精度，进行了应变测量实验，实验表明该传感器复用系统应变测量精度可达±5με，可满足实际应用的要求。因此，该传感系统具有复用能力强，信号处理方法简单，结果准确，且测量精度较高，成本低的特点，有着较高的实用价值。

附图说明

图1是光纤法珀传感器波分复用传感系统结构图，其中，1.宽带光源，2.光谱仪，3.分束器，4.折射率匹配液，5.粗波分复用器，6.传感器，7.PC机；

图2是光纤Fizeau传感器空间频分复用系统结构图，其中，1.宽带光源，2.光谱仪，3.分束器，4.折射率匹配液，6.传感器，7.PC；

图3是光纤法珀传感器波分频分复用系统结构图，其中，1.宽带光源，2.光谱仪，3.分束器，4.折射率匹配液，5.粗波分复用器，6.传感器，7.PC；

图4是光纤法珀传感器结构图，其中，8.导入单模光纤，9.毛细石英玻璃管，10.胶，11.反射光纤(对光纤Fizeau传感器，为镀高反射率膜反射光纤))；

图5是光纤法珀传感器典型的反射谱；

图6是光纤法珀传感器波分频分复用系统的一种具体实施方式结构图，其中，1.宽带光源，2.光谱仪，3.分束器，4.折射率匹配液，5.粗波分复用器，6.传感器，7.PC；

图7是4个Fizeau传感器的混合信号；

图8是具有不同腔长的四传感器信号FFT谱；

图9波分频分复用应变实验系统，其中，1.宽带光源，2.光谱仪，3.分束器，4.折射率匹配液，5.粗波分复用器，6.传感器，7.PC)；

图10CWDM两通道的反射谱(图9所示系统)；

图11是应变实验结果图；

具体实施方案

先将系统建立成图6所示的结构，四个具有不同腔长(即0.5mm，1.5mm，2.5mm，3.5mm)的Fizeau传感器接在系统中，其反射回来的信号为四个传感器的混合信号，将其去直流后的结果如图7所示，此时完全无法分辨出该混合信号含有那些频率成分，无法运用传统的波峰值算法求出Fizeau传感器的腔长，因此需要对其进行处理。将信号进行滤波和FFT后，得到如图8所示的波形，其中横坐标即为FFT变换的点数，根据各个峰值的横坐标即可求出传感器腔长。从图8可以看出，信号在变换域中完全可以被分开，由此在一个CWDM通道内实现了四个传感器的复用，图8中四个传感器腔长差为1mm，由于Fizeau腔长可以达到15mm左右，事实上可以复用的传感器的数量在15个左右，再加上四路CWDM通道的波分复用就可以复用近60传感器，这样，波分复用与频分复用结合起来大大的提高了光纤Fizeau传感器的复用能力。

为了验证所提出原理和方法的可行性，用系统进行应变测量实验。本系统的实现结构见图9，由宽带光源1、光谱仪2、分束器3、折射率匹配液4、1×2CWDM 5、多个并列的光纤Fizeau传感器6和计算机7组成整个波分频分复用系统。将图8中所示的四个Fizeau应变传感器中的S1和S2通过分束器接在CWDM波长1521nm～1541nm通道，S3和S4接在波长1541nm～1561nm通道，其波形如图10所示。其中S1和S3粘贴在金属悬臂上，金属悬臂末端安装步进电机使悬臂末端发生位移而产生应变，而S2和S4则不受应变，用来测量CWDM通道之间的串扰及通道内两Fizeau传感器之间的串扰。将金属悬臂末端以每1mm的步长下降10mm，四个传感器测量的应变结果如图11所示。从图中可以看出该传感器精度较高，CWDM通道之间的串扰和通道内两Fizeau传感器之间的串扰均很小(±3με)，实验证明其测量精度为±5με。在工程应用中对于绝大多数大型建筑结构(如桥梁)的健康监测，该精度都已经足够。

Claims (5)

1.一种光纤法珀传感器波分频分复用系统，包括宽带光源、粗波分复用器、光纤、分束器、折射率匹配液、光纤法珀传感器和光谱仪，以分束器为中心，通过光纤分别与宽带光源、粗波分复用器、折射率匹配液、光谱仪相连，粗波分复用器通过分束器以光纤与光纤法珀传感器相连，光谱仪通过数据线与计算机相连，其特征是，从宽带光源发出的光经分束器后，进入粗波分复用器，通过粗波分复用器被分解成多个带宽通道，在粗波分复用器的每个通道上通过分束器接入多个具有不同腔长的法珀传感器，从传感器反射回来的信号经粗波分复用器和分束器后进入光谱仪，然后通过计算机采集数据，进行数据处理。

2.根据权利要求1所述的一种光纤法珀传感器波分频分复用系统，其特征是，所述粗波分复用器将宽带光源分成多个带宽约为20nm的通道。

3.根据权利要求1所述的一种光纤法珀传感器波分频分复用系统，其特征是，所述法珀传感器是普通法珀传感器。

4.根据权利要求1所述的一种光纤法珀传感器波分频分复用系统，其特征是，所述法珀传感器是光纤Fizeau传感器。

5.根据权利要求3或4所述的一种光纤法珀传感器波分频分复用系统，其特征是，所述法珀传感器的腔长差大于600到800微米。

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