CN216348694U - 一种轨道角动量模式传感系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种轨道角动量模式传感系统，包括可调谐激光器、光纤传感单元、及解调单元；所述光纤传感单元包括全光纤轨道角动量产生器；所述解调单元包括图像传感器和计算机；所述可调谐激光器用于提供单一波长的光束；所述全光纤轨道角动量产生器用于检测待测参量，并将入射光的零阶轨道角动量模式转化为高阶轨道角动量模式；所述图像传感器用于采集轨道角动量强度分布轮廓图像。本实用新型提出的一种轨道角动量模式传感系统，采用全光纤轨道角动量模式产生器，不外加多余的元器件，简化了设备，相比于干涉型图样传感技术而言，本申请能直接快捷地得到稳定的轨道角动量模式图像。

Description

一种轨道角动量模式传感系统

技术领域

本实用新型涉及传感技术领域，更具体而言，涉及一种轨道角动量模式传感系统。

背景技术

现有的传感技术，有波长解调传感技术、强度解调传感技术、干涉图样传感技术等。

波长解调传感技术：该技术多用于光纤传感技术领域，如工程测量、光通信等。该技术主要通过改变光纤传感器样品的外在环境，进而追踪波长变化信息，以此反映外在环境对样品的影响。该技术测量准确，但需要窄线宽的激光器及精度要求高的光谱仪或解调仪等信号探测器，系统装置成本高且较为复杂。

强度解调传感技术：该技术主要用功率计对待测参量进行探测，解调方法简单，成本低，但测量分辨率低，多用于精度要求低的工程测量。

干涉图样传感技术：传统干涉图样识别技术是由样品光和参考光干涉形成的明暗条纹的变化对外界参量的变化进行测量的。该技术具有分辨率高、成本低等优点，但是由于只能对整数个干涉条纹的变化进行精确识别，对非整数的条纹漂移识别度较低，影响了测量结果。将轨道角动量光束引入该技术，干涉图样由明暗相间的条纹变为螺旋条纹，将离散条纹个数的识别变为螺旋图样连续的旋转识别，从而提高了该技术的测量精度和分辨率。目前，基于轨道角动量光束的干涉法传感技术中，光束轨道角动量的产生主要采用空间型轨道角动量模式产生器如螺旋相位板，成本高，且螺旋相位板加工要求高，只能产生对特定工作波长处的轨道角动量光束，利用范围较窄。并且，该方法所利用的轨道角动量光束和高斯光束的干涉图样容易受外界环境影响，从而难以捕捉稳定的干涉图样。该技术应用范围广泛，适用在小工程测量。

现有传感技术系统的装置复杂、成本高。波长解调传感技术需要大型设备，而干涉型图样传感技术使用产生轨道角动量光束的方法主要有螺旋相位板法和集成器件转换法，但是这些方法是基于自由空间和集成器件的轨道角动量光束方法，在稳定性和简便性还远不如光纤型传感技术。

实用新型内容

为了克服现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种轨道角动量模式传感系统。

本实用新型提供的一种轨道角动量模式传感系统，包括可调谐激光器、光纤传感单元、及解调单元；所述光纤传感单元包括全光纤轨道角动量产生器；所述解调单元包括图像传感器和计算机；

所述可调谐激光器用于提供单一波长的光束；

所述全光纤轨道角动量产生器用于检测待测参量，并将入射光的零阶轨道角动量模式转化为高阶轨道角动量模式；

所述图像传感器用于采集轨道角动量强度分布轮廓图像。

作为本实用新型提供的轨道角动量模式传感系统的一种实施方案，所述计算机包括解调模块，解调模块用于对轨道角动量强度分布轮廓图像进行分析处理得到像素点数量信息；解调模块还保存待测参量与像素点数量的对应关系数据，并根据图像的像素点数量得到待测参量的具体信息。

作为本实用新型提供的轨道角动量模式传感系统的一种实施方案，所述计算机分别与可调谐激光器、图像传感器相连接。

作为本实用新型提供的轨道角动量模式传感系统的一种实施方案，所述光纤传感单元还包括可调谐衰减器和光纤偏振控制器，所述可调谐激光器、可调谐衰减器、光纤偏振控制器、全光纤轨道角动量产生器依次连接。

作为本实用新型提供的轨道角动量模式传感系统的一种实施方案，其还包括物镜和聚焦透镜，所述全光纤轨道角动量产生器、物镜、聚焦透镜、图像传感器依次设置。

作为本实用新型提供的轨道角动量模式传感系统的一种实施方案，所述全光纤轨道角动量产生器为能产生轨道角动量的全光纤结构产生器。

作为本实用新型提供的轨道角动量模式传感系统的一种实施方案，所述全光纤轨道角动量产生器为手性光纤光栅、螺旋长周期光纤光栅、或者普通长周期光纤光栅外加偏振控制器。

作为本实用新型提供的轨道角动量模式传感系统的一种实施方案，所述全光纤轨道角动量产生器放置在待测参量环境中。

作为本实用新型提供的轨道角动量模式传感系统的一种实施方案，所述图像传感器是CCD相机的图像传感器。

与现有技术相比较，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型提出的一种轨道角动量模式传感系统，采用全光纤轨道角动量模式产生器，不外加多余的元器件，简化了设备，相比于干涉型图样传感技术而言，本申请能直接快捷地得到稳定的轨道角动量强度分布轮廓图像。

附图说明

图1为本申请提供的一种轨道角动量模式传感系统的示意图。

附图标记：可调谐激光器（1）、可调谐衰减器（2）、光纤偏振控制器（3）、待测参量环境（4）、全光纤轨道角动量产生器（5）、物镜（6）、聚焦透镜（7）、图像传感器（8）、计算机（9）。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

本申请提供了一种轨道角动量模式传感系统，包括可调谐激光器（1）、光纤传感单元、及解调单元。

其中，本申请的可调谐激光器（1）用于提供单一波长的光束。

其中，本申请的光纤传感单元包括全光纤轨道角动量产生器（5）。单一波长的光束进入光纤传感单元后，由全光纤轨道角动量产生器（5）将入射光的零阶轨道角动量模式转化为高阶的轨道角动量模式。

本申请具体实施例的全光纤轨道角动量产生器，也可以叫做全光纤型轨道角动量产生器或者发生器；该产生器为全光纤结构，具有偏振无关性，具有螺旋结构，可直接将零阶轨道角动量模式的光束转化成高阶轨道角动量模式的光束。一般能产生轨道角动量的全光纤结构产生器都可以用作全光纤轨道角动量产生器，例如是手性光纤光栅、螺旋长周期光纤光栅、或者普通长周期光纤光栅外加偏振控制器等。以螺旋长周期光纤光栅为例，轨道角动量光束产生器是在光纤中形成有螺旋型长周期光纤光栅。

全光纤轨道角动量产生器（5），置于待测参量环境（4）中，可用于对待测参量环境（4）的待测参量进行传感。待测参量例如但不限于温度、湿度、折射率、磁场等测量信号。

本申请具体实施例的全光纤轨道角动量产生器，相对于空间型的轨道角动量产生器而言，全光纤型具有体积小、成本低、效率高的优点。采用全光纤轨道角动量模式产生器，不外加多余的元器件，相比于干涉型图像传感技术而言，本申请能快捷地捕捉到稳定的轨道角动量模式图像。

本申请的轨道角动量模式传感系统，光纤传感单元还包括可调谐衰减器（2）和光纤偏振控制器（3）。其中，可调谐激光器（1）、可调谐衰减器（2）、光纤偏振控制器（3）、全光纤轨道角动量产生器（5）依次连接。

可调谐衰减器（2），可避免外界环境相同而不同波长下的轨道角动量光束的强度过曝。

光纤偏振控制器（3），用来调节光的偏振状态。

本申请的解调单元包括图像传感器（8）和计算机（9）。其中，图像传感器（8）用于采集轨道角动量模式强度分布轮廓图像（光束光斑图样），并将采集到的图像传递给计算机（9）。在一个优选的实施例中，图像传感器（8）例如为CCD相机。通过扩展CCD相机的图像传感器（8）的分辨率可以进一步提高检测精度。

在轨道角动量模式传感系统的系统搭建、调试过程中，可通过观看CCD相机呈现的图像，将入射光功率调至适中以便后续图像识别。

计算机（9）包括解调模块。解调模块用于对轨道角动量模式强度分布轮廓图像（光束光斑图样）进行分析处理得到像素点数量信息。解调模块还保存有待测参量与像素点数量的对应关系数据。解调模块根据待测参量与像素点数量的对应关系得到待测参量的具体信息。

本申请的轨道角动量模式传感系统，其还包括物镜（6）和聚焦透镜（7）。全光纤轨道角动量产生器（5）、物镜（6）、聚焦透镜（7）、图像传感器（8）依次设置。物镜（6）可对着全光纤轨道角动量产生器（5）的光纤端面。优选的，在一个具体的实施例中，物镜（6）为40倍物镜（6）。全光纤轨道角动量产生器（5）出射的轨道角动量光束进入到物镜（6）和聚焦透镜（7）聚焦放大后在图像传感器（8）上成像。

本申请的轨道角动量模式传感系统，计算机（9）分别与可调谐激光器（1）、图像传感器（8）相连接。计算机（9）可通过计算模块，使用算法进行编程得到一个或多个波段内不同待测参量信号下的轨道角动量模式强度分布轮廓图像（模场图像），进而通过算法进行解调得到图像特征信息，该方法直接、方便、简洁。

本申请还提出的一种轨道角动量模式传感解调方法，包括以下步骤：

S1：可调谐激光器（1）提供单一波长的光束射入光纤传感单元；由光纤传感单元的全光纤轨道角动量产生器（5）将入射光的零阶轨道角动量模式转化为高阶轨道角动量模式；

S2：采集轨道角动量模式强度分布轮廓图像；

S3：对轨道角动量模式强度分布轮廓图像进行分析处理，将图像强度信息使用像素点数量信息表示；

S4：根据待测参量与像素点数量的对应关系，从图像像素点数量反推得到待测参量的具体信息。

全光纤轨道角动量产生器（5）置于待测参量环境（4）中，在步骤S1中：当待测参量发生变化，全光纤轨道角动量产生器（5）出射的轨道角动量模式强度分布轮廓图像发生变化。

本申请的轨道角动量模式传感解调方法，在步骤S2中，可通过图像传感器（8）采集轨道角动量模式强度分布轮廓图像。图像传感器可以是CCD相机的图像传感器。

在步骤S3中：分析处理的方法，可以是二值化处理、灰度化处理等。

步骤S4中待测参量与像素点数量的线性对应关系通过以下方法获得：

S41：在不同的外界参量下，得到相对应的轨道角动量模式强度分布轮廓图，即可获得外界参量环境数据和轨道角动量模式强度分布轮廓图像之间的对应关系；

S42：将反映零阶轨道角动量模式和高阶轨道角动量模式之间能量比的轨道角动量模式强度分布轮廓图像信息转化为像素点数量信息，并得到待测参量与像素点数量的线性对应关系。

在步骤S41中，可通过实验中改变外界待测环境，来得到不同的外界参量下相对应的轨道角动量模式强度分布轮廓图，并记录相应的外界参量与轨道角动量模式强度分布轮廓图。根据实验数据得出外界参量变化影响零阶轨道角动量模式和高阶轨道角动量模式之间能量比的关系。

在步骤S42中，先得到外界参量与像素点数量的线性对应关系后，通过反推，得到待测参量与像素点数量的线性对应关系。

申请人发现，外界参量变化会引起全光纤轨道角动量产生器的纤芯基模和包层模的有效折射率变化，从而引起能量变化。外界环境的变化会影响全光纤轨道角动量模式产生器内零阶轨道角动量模式和高阶轨道角动量模式能量比。进一步的，待测参量与表达轨道角动量模式强度分布轮廓图像强度信息的像素点特征信息之间存在线性对应关系。

因此，本申请根据待测参量与像素点特征信息的线性对应关系，从图像的像素点特征信息反推得到待测参量的具体信息，该方法直接、方便、简洁。

在步骤S42中，为了得到待测参量与像素点特征信息的线性对应关系，选择合适的阈值和波长，对图像进行分析处理，通过对图像进行解调进而获得待测参量与像素点特征信息的线性关系。

像素点特征信息可以为像素点数量、像素点的灰度值总和等。

当分析处理的方法为二值化处理时，通过对轨道角动量模式强度分布轮廓图像进行二值化处理，可将图像强度信息使用像素点数量表示。

当分析处理的方法为灰度化处理时，通过对轨道角动量模式强度分布轮廓图像进行灰度化处理，可将图像强度信息使用像素点的灰度值总和表示。

或者，还可以先对轨道角动量模式强度分布轮廓图像进行灰度化处理，然后再求某个灰度值的像素点数量。

对图像进行分析处理的方法可以如步骤S3所述，以下以二值化处理为例对本申请具体实施方案进行说明。

对图像二值化处理，需要选择合适的阈值和波长。合适的阈值和强度变化最大的波长可通过控制单一变量计算得到。

具体的，为了获得合适波长，可设置其它条件相同（如阈值相同），但波长不同，对比待测参量与二值化处理后像素点数量线性关系，选择最优的波长—即不同外界环境下图像强度变化最大的非谐振单波长。

具体的，为了获得合适的阈值，可设置其它条件相同，但阈值不同，对比待测参量与二值化处理后像素点数量线性关系，选择待测参量与像素点数量线性度较高的阈值。合适的阈值是对图像进行处理的核心。在当得到单波长不同外界环境下的轨道角动量光束图像，但用肉眼观察不到其变化的大小时，本申请采用通过二值化处理，将图像强度信息使用像素点数量信息表示。

可以理解的，为了获得合适的阈值和波长，可分别通过多次运算并不断调试，对比以上待测参量与二值化处理后像素点特征信息线性关系结果，从而选择得到合适的阈值。合适的阈值和波长它们两个共同作用，可以得到线性度高、灵敏度最优的数据，进而获得待测参量与像素点特征信息的线性关系，如此便能从图像的像素点特征信息反推待测参量。

具体二值化处理的方法已为本领域技术人员所知悉，在此不再详述。

以上获得的不同外界环境下图像强度变化最大的非谐振单波长作为步骤S1中的单一波长。

本申请的轨道角动量模式传感解调方法及传感系统，是基于图像识别的轨道角动量模式传感技术。在外界环境待测参量的改变下，同个波长的轨道角动量模式图像呈一定规律变化，因为它们的相位差和强度比与外界环境有关。因此，可以通过图像识别方法来确定待测参量。而CCD相机用于轨道角动量光束图像的记录。通过对图像进行分析处理，

将反映零阶轨道角动量模式和高阶轨道角动量模式这两种模式能量比的波束图信息转换为像素点数量。待测参量与像素点数量在一定的外界环境变化范围内呈良好的线性关系。该方法具有简单、单波长的特点，在传感领域具有广阔的应用前景。

现有技术，例如波长解调传感技术，主要研究谐振波长处峰值的变化。

而本申请，主要研究全光纤轨道角动量产生器在非谐振波长处零阶轨道角动量模式和高阶轨道角动量模式能量比例的变化；在图像中可以通过像素点的数量来表征图像的强度信息。当该轨道角动量模式传感系统将非谐振波长处的光输入轨道角动量产生器后，所产生轨道角动量的光斑图样被图像传感器进行收集。当待测参量发生变化时，全光纤轨道角动量产生器中零阶轨道角动量模式和高阶轨道角动量模式的相对相位差发生改变，从引起能量比例的变化，最终影响出射的光斑图样。而不同的光斑图样可利用采用二值化处理后，并通过调试得到合适参数，将图像强度信息转换为像素点个数信息。因而根据光斑图样的形状就可以推算出待测参量的具体信息。相比于传统的波长解调方法而言，本申请基于二值化处理技术的信号解调方法可以最大限度地消除激光器功率波动的影响，并降低传统波长解调传感方法的成本。

为了获得待测参量与像素点数量的对应关系，在步骤S2图像采集过程中，在不同待测参量环境（4）下轨道角动量模式强度分布轮廓图像进行采集。以改变全光纤轨道角动量产生器（5）外界待测参量--温度为例。全光纤轨道角动量产生器（5）放置在待测参量环境（4）中，此时的待测参量环境（4）例如为恒温箱，隔5℃为步长，每个测试点需等待5min保证全光纤轨道角动量产生器（5）处在恒温的状态下。不同温度下的系统中所有器件都需保证同一状态，如CCD相机成像背景一致、功率一致、光纤器件固定不动等，以保证单一变量。温度恒定后，记录好实际温度值，并收集好相对应的模场图像。

在实际应用中，利用本申请的轨道角动量模式传感系统进行温度传感时，待测参量环境（4）为待测参量的实际环境。

与现有技术相比较，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型提出的一种轨道角动量模式传感系统，采用全光纤轨道角动量模式产生器，不外加多余的元器件，简化了设备，相比于干涉型图样传感技术而言，本申请能直接快捷地得到稳定的轨道角动量模式图像；

另外，本申请根据待测参量与像素点数量的线性对应关系，从图像的像素点数量反推得到待测参量的具体信息，该方法直接、方便、简洁。

显然，以上所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本申请的较佳实施例，但并不限制本申请的专利保护范围。本申请可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本申请说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本申请专利保护范围之内。

Claims (9)

1.一种轨道角动量模式传感系统，其特征在于，包括可调谐激光器、光纤传感单元、及解调单元；所述光纤传感单元包括全光纤轨道角动量产生器；所述解调单元包括图像传感器和计算机；

所述可调谐激光器用于提供单一波长的光束；

所述全光纤轨道角动量产生器用于检测待测参量，并将入射光的零阶轨道角动量模式转化为高阶轨道角动量模式；

所述图像传感器用于采集轨道角动量强度分布轮廓图像。

2.根据权利要求1所述的轨道角动量模式传感系统，其特征在于，

所述计算机包括解调模块，解调模块用于对轨道角动量强度分布轮廓图像进行分析处理得到像素点数量信息；解调模块还保存待测参量与像素点数量的对应关系数据，并根据图像的像素点数量得到待测参量的具体信息。

3.根据权利要求1所述的轨道角动量模式传感系统，其特征在于，所述计算机分别与可调谐激光器、图像传感器相连接。

4.根据权利要求1所述的轨道角动量模式传感系统，其特征在于，所述光纤传感单元还包括可调谐衰减器和光纤偏振控制器，所述可调谐激光器、可调谐衰减器、光纤偏振控制器、全光纤轨道角动量产生器依次连接。

5.根据权利要求1所述的轨道角动量模式传感系统，其特征在于，其还包括物镜和聚焦透镜，所述全光纤轨道角动量产生器、物镜、聚焦透镜、图像传感器依次设置。

6.根据权利要求1所述的轨道角动量模式传感系统，其特征在于，所述全光纤轨道角动量产生器为能产生轨道角动量的全光纤结构产生器。

7.根据权利要求6所述的轨道角动量模式传感系统，其特征在于，所述全光纤轨道角动量产生器为手性光纤光栅、螺旋长周期光纤光栅、或者普通长周期光纤光栅外加偏振控制器。

8.根据权利要求1所述的轨道角动量模式传感系统，其特征在于，所述全光纤轨道角动量产生器放置在待测参量环境中。

9.根据权利要求1所述的轨道角动量模式传感系统，其特征在于，所述图像传感器是CCD相机的图像传感器。

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