[发明专利]一种低反射率外腔光纤F-P干涉型传感器的解调系统

说明书

本发明公开的一种相低反射率外腔光纤F‑P干涉型传感器的解调系统，旨在提供一种解调结果精确，计算量小、成本低的F‑P外腔光纤F‑P干涉型传感器的解调系统。本发明通过如下技术方案实现：在解调器中，根据F‑P滤波器的电压‑中心波长函数，推导出F‑P滤波器扫描校正函数，再通DDS按校正函数输出扫描信号，F‑P滤波器根据校正后的函数输出窄带扫描光，窄带扫描光通过耦合器同时扫描EFPI传感器和参考F‑P标准具，参考F‑P标准具将采样得到的线性化光谱按反余弦进行相位展开，在‑π、π处进行相位拼接，拼接成相位直线后进行线性拟合，通过斜率计算出EFPI传感器的腔长，实现低反射率FP传感器的解调。

技术领域

本发明涉及光纤传感领域中使用的一种低反射率F-P外腔光纤F-P干涉型传感器。

背景技术

在传光型光纤传感器中，光纤仅作为传光介质，将受外界信号调制后的光信号传输到光探测器中，将外界信号从光波中提取出来并按需要进行数据处理，也就是解调。光纤F-P传感器是由F-P干涉仪发展而来，它的谐振腔是由特定长度的空气或光纤等导光介质构成。光在F-P腔内的传输损耗大，对传感器输出信号质量的影响较大，不利于传感器的复用。为了使传感器在其工作腔长范围内的输出信号整体上具有尽可能好的对比度，通常采用最小均方误差法确定反射光纤端面的最优反射率值，用提高反射光纤端面反射率的方法来改善传感器输出信号的质量。通过干涉光波峰位置计算光纤F-P腔长度的方法计算光纤F-P腔端面的反射率，对非本征光纤F-P腔的结构参数进行计算，给出光纤F-P腔的具体结构参数，并对光纤F-P腔内部损耗对干涉条纹可见度的影响进行分析，扩大F-P光纤传感头的工作范围。“本征”是指光纤在传感器中既起到传光又其起到传感的作用，传感器利用对外界信息具有敏感能力的光纤作为传感元件，并由这段传感光纤构成F-P腔。“非本征”是指光纤在传感器中仅起到光传输介质的作用，感知外界信息是通过其它功能元件来实现的。

在光纤珐珀传感系统中,镀低反射膜的光纤珐珀传感器在宽带光源的入射下,由外界引起的腔长变化会使反射输出光的光谱也随之改变。获取其腔长变化信息是解调的目的所在,使用光谱分析法实现解调是工程中一种常用的方法，获取光谱通常使用光谱分析仪,但是光谱仪体积大，速度慢，价格昂贵是应用的瓶颈，仅适合于实验研究，故很有必要寻找一种适于工程运用的解调方案。光纤应变传感器按其调制方式可以分为强度调制型和相位调制型两类，其中强度调制型传感器由于其测量精度低、测量范围十分有限。光纤F-P传感器的解调方法直接影响着测量系统的精度。当外界参量作用于光纤F-P腔时，一般是通过改变F-P腔长来影响输出光谱信号，光纤F-P传感器的腔长是反映被测对象的关键参数。对光纤F-P传感器的解调，就是根据输出光信号计算出腔长。根据解调时所利用的光学参量，光纤F-P传感器的解调方法主要有强度解调法和相位解调法。强度解调方法是光纤F-P解调方法中最原始、最简单的一种方法，它采用单色激光光源作为系统的光源，由于外界参量变化引起F-P传感器腔长度的变化，从而改变两束相干光的光程差，进而引起光纤F-P传感器输出光强的变化。强度解调法直接利用输出光强信号求解出腔长，其解调方法相对简单，具有时间响应快、可实时测量、成本低等优点。但是输出光强是余弦信号，其线性范围小，信号位于线性区域才能获得较高的灵敏度，这就需要精确控制初始腔长，制作工艺难度较大；并且为了减少光源输出光强波动的影响，必须使用高稳定的激光光源。在实际测量中，容易受到外界的干扰，如何进行信号补偿，提高测量精度，是强度解调法的一个难题。相位解调法采用宽带光源，它是一种基于光谱分析的解调方法，由光谱仪接收输出光信号，通过计算机解调出传感器腔长。相位解调精度高，在光纤法珀传感器的信号解调中得到广泛应用。常用的相位解调方法有峰值法和傅里叶变换法。单峰解调法是利用追踪归一化光谱方法，即一个谱峰如波峰或波谷的相移来求解腔长的变化值。计算时要需要知道传感器的腔长度，每次测量前都要进行校准，因此限制了该方法的应用范围；并且腔长的变化值必须足够小，以保证波长始终在光谱分析仪的范围之内，这样限制了测量范围。双峰解调法的原理是利用归一化光谱两个峰值之间的关系解调出传感器腔长。但光谱吸收、峰值计算等环节会影响求解腔长的准确性。傅里叶变换解调法的解调精度高，可以实现传感器复用信号的解调。在目前的扫描激光光源解调F-P/FBG的方案中，分为两种，一种采用较为普遍的F-P滤波器、SOA放大器、F-PF-P标准具的环形腔扫描激光光源方案，优点是成本相对低，技术成熟，缺点是采样到的光谱由于F-P滤波器的非线性效应并不是原始光谱，因此必须用F-P标准具进行定标，根据F-P标准具取得实际波长才能进行解算。而另一种方案采用光通信行业所使用的集成半导体扫描激光器，优点是采样到的光谱是原始光谱，算法简单，硬件简单不需要F-P标准具定标，并且体积较小，缺点是器件采购困难，成本太高。在采用非集成扫描光源的方案中，解调光纤光栅FBG类传感器时不需要原始光谱，只需要对应F-P标准具计算峰值波长即可，但是在解调EFPI类传感器时，解调其腔长都要根据反射光强与波长的余弦关系，采用傅里叶变换法，条纹计数法等都需要标准余弦关系，而由于F-P滤波器的非线性扫描使得光谱余弦反生畸变导致解调结果并不十分精确，因此在高精度的测量需求中，对原始光谱的获取十分迫切。