准分布式法珀干涉光纤传感器及其信号解调方法技术

本发明专利技术提出了准分布式法珀干涉光纤传感器及其信号解调方法，包括：依次连接的控制中心、驱动电路、可调谐激光器、第一光纤耦合器、光环形器和若干法珀干涉腔，其中，相邻的两个法珀干涉腔之间设置有光纤延迟线；所述光纤延迟线用于实现法珀干涉信号的时分复用；所述光环形器还连接有时分复用器，所述时分复用器连接有若干第二光纤耦合器，所述第二光纤耦合器之间并联，每个所述第二光纤耦合器均连接有PD模块。本发明专利技术所提出的准分布式法珀干涉光纤传感器能实现环境参数变化的简单、快速和准确解调。调。调。

【技术实现步骤摘要】
准分布式法珀干涉光纤传感器及其信号解调方法


[0001]本专利技术属于法布里
‑
珀罗干涉、光纤传感技术和时分复用、波分复用的交叉领域，尤其涉及准分布式法珀干涉光纤传感器及其信号解调方法。

技术介绍

[0002]光纤传感器在海洋科学、土木工程、石油化工、航空航天等领域都有广泛的应用前景，具有电绝缘、抗电磁干扰、灵敏度高、耐高温耐腐蚀、传感器端无源因而本质安全，无需信号转换和放大器即可远距离传输，以及体积小、重量轻等优点。光纤传感器分为功能型和传光型两大类型，包括相位调制、光强调制和波长调制等传感器。相位调制型光纤传感器通常利用光的干涉将相位变化转化为光强变化实现外界参量的检测，比如：压力、应变和温度等，干涉型光纤传感器有光纤马赫
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曾德尔、光纤迈克尔逊和光纤法布里
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珀罗等干涉仪实现。马赫
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曾德尔干涉和迈克尔逊干涉光纤传感器，由于光纤本身的弹光效应很低，所以要获取高灵敏度必须采用很长的光纤，从而导致热稳定性较差、且对振动较敏感；另外，光源本身引起的相位噪声对干涉仪结构的影响也较大，需要高相干度的光源来保证传感器的性能，对光信号在光纤传输时的偏振态要求也非常高，在实际应用中很难做到，因为光纤本身存在的双折射使得光信号在光纤传输时偏振态是随机变化的，因此，这些传感器都存在偏振衰落的问题，即偏振态在光纤内的随机变化将导致干涉条纹对比度的降低。因此，法珀干涉光纤传感器受到了研究人员的青睐。
[0003]法珀干涉光纤传感器有非本征型和本征型两种，分别在1988年和1991年被提出，并且都得到了深入的研究。非本征型传感器由入射光纤的端面与反射光纤端面或者压力敏感膜片的内表面形成法布里
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珀罗腔，温度敏感性比本征型传感器的低，因此，非本征型法布里
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珀罗干涉光纤压力传感器相比于本征型法布里
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珀罗干涉光纤压力传感器来说，受到人们更大的青睐，并且已经得到较为广泛的应用。然而，不像FBG、布里渊散射等传感元很容易实现复用或者分布式的传感测量，FP干涉光纤传感器的缺点是不利于复用，从而导致在应用上受到一定的限制；在信号解调方面，人们也在不断研究各种新型的解调方法来提升传感器的分辨率、参数测量精度等性能参数，比如交叉相关解调方法、游标式解调方法等，但是也有跳模、动态范围、程序计算量大小等问题。
[0004]综上，针对法布里
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珀罗干涉光纤传感器分布式传感的难以复用的问题、解调方法的问题，亟需提出一种准分布式法珀干涉光纤传感器及其信号解调方法。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提出准分布式法珀干涉光纤传感器及其信号解调方法，实现FP腔复用以后快速又简单的寻址。
[0006]一方面为实现上述目的，本专利技术提供了准分布式法珀干涉光纤传感器，包括：依次连接的控制中心、驱动电路、可调谐激光器、第一光纤耦合器、光环形器和若干法珀干涉腔，其中，相邻所述法珀干涉腔之间设置有光纤延迟线；所述光纤延迟线用于实现法珀干涉信
号的时分复用；所述光环形器还连接有时分复用器，所述时分复用器连接有若干第二光纤耦合器，若干所述第二光纤耦合器之间并联，每个所述第二光纤耦合器均连接有PD模块。
[0007]可选地，所述可调谐激光器输出的光信号的波长依次对应所述法珀干涉腔的工作波长；其中所述法珀干涉腔的工作波长依次为λ1、λ2、λ3…ꢀ…
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。
[0008]可选地，所述法珀干涉腔由两个光纤端面构成，且两个光纤端面为腔镜，所述法珀干涉腔的腔长均相等；第一个法珀干涉腔的右侧光纤端面镀膜使其对波长λ1具有100%的反射率、左侧光纤端面镀膜使其对波长λ1具有20%
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40%的反射率，而对波长λ2、λ3……
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全透射；以此类推，第二个法珀干涉腔的右侧光纤端面镀膜使其对波长λ2具有100%的反射率、左侧光纤端面镀膜使其对波长λ2具有20%
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40%的反射率，而对波长λ3、λ4…ꢀ…
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全透射，
…ꢀ…
，从而使得若干法珀干涉腔的反射输出信号依次为波长λ1、λ2、λ3…ꢀ…
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的干涉信号，由此实现若干法珀干涉腔的工作波长依次为λ1、λ2、λ3…ꢀ…
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的准分布式复用。
[0009]可选地，所述PD模块均包括：探测器PD和探测器PD
’
，所述探测器PD连接有除法器，所述探测器PD
’
连接有条纹计数器，所述除法器和所述条纹计数器均连接信号处理模块。
[0010]可选地，所述准分布式法珀干涉光纤传感器还包括：探测器PD*，所述探测器PD*与所述第一光纤耦合器连接，所述探测器PD*还与每个所述PD模块中的所述除法器连接。
[0011]另一方面为实现上述目的，本专利技术还提供了准分布式法珀干涉光纤传感器的信号解调方法，包括：控制中心控制驱动电路的驱动电压，可调谐激光器基于所述驱动电压输出波长为λ1、λ2、λ3…ꢀ…
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的光信号，所述光信号经过光纤耦合器、光环形器传输至法珀干涉腔，外界环境信息通过所述法珀干涉腔加载到所述光信号，并以反射干涉信号传输回到所述光环形器；其中，所述光信号的波长依次对应为所述法珀干涉腔的工作波长；时分复用器将所述光环形器传输的所述反射干涉信号复用为若干波长信号，所述波长信号由第二光纤耦合器分成两路光信号进入PD模块，基于所述PD模块输出所述外界环境信息的地址和对应法珀腔长的总变化量。
[0012]可选地，所述波长信号由第二光纤耦合器分成两路光信号进入PD模块后包括：两路光信号分别由探测器PD和探测器PD
’
转换成电信号；所述探测器PD
’
转换的电信号传输至条纹计数器，用于对亮、暗条纹变化的总次数进行计数，基于亮、暗条纹变化的总次数获取条纹的移动方向，基于条纹的移动方向判定法珀干涉腔受环境变化导致的变化方向，其中，条纹计数每增加一次，对应的法珀干涉腔的腔长变化了该法珀腔工作波长的四分之一；所述探测器PD转换的电信号传输至除法器，用于计算法珀干涉腔的腔长变化小于预设腔长的变化量，获取探测器PD转换的电信号变化对应的腔长；所述条纹计数器的输出和所述除法器的输出，传输至信号处理模块；信号处理模块基于条纹计数结果、预设腔长和探测器PD转换的电信号变化对应的腔长，获取腔长总变化量；其中，腔长总变化量=条纹计数结果
×
预设腔长+探测器PD转换的电信号变化对应的腔长。
[0013]可选地，对亮、暗条纹变化的总次数进行计数包括：
设所述法珀干涉腔的工作波长初始位置为暗条纹，探测器PD
’
转换的电信号如果没有检测到变为亮条纹则输出条纹计数值为0，如果检测到变为亮条纹则条纹计数加1，随后如果检测到条纹变为暗条纹则条纹计数再加1，后续出本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.准分布式法珀干涉光纤传感器，其特征在于，包括：依次连接的控制中心、驱动电路、可调谐激光器、第一光纤耦合器、光环形器和若干法珀干涉腔，其中，相邻所述法珀干涉腔之间设置有光纤延迟线；所述光纤延迟线用于实现法珀干涉信号的时分复用；所述光环形器还连接有时分复用器，所述时分复用器连接有若干第二光纤耦合器，若干所述第二光纤耦合器之间并联，每个所述第二光纤耦合器均连接有PD模块。2.根据权利要求1所述的准分布式法珀干涉光纤传感器，其特征在于，所述可调谐激光器输出的光信号的波长依次对应所述法珀干涉腔的工作波长；其中所述法珀干涉腔的工作波长依次为λ1、λ2、λ3…ꢀ…
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。3.根据权利要求2所述的准分布式法珀干涉光纤传感器，其特征在于，所述法珀干涉腔由两个光纤端面构成，且两个光纤端面为腔镜，所述法珀干涉腔的腔长均相等；第一个法珀干涉腔的右侧光纤端面镀膜使其对波长λ1具有100%的反射率、左侧光纤端面镀膜使其对波长λ1具有20%
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40%的反射率，而对波长λ2、λ3……
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全透射；以此类推，第二个法珀干涉腔的右侧光纤端面镀膜使其对波长λ2具有100%的反射率、左侧光纤端面镀膜使其对波长λ2具有20%
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40%的反射率，而对波长λ3、λ4…ꢀ…
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全透射，
…ꢀ…
，从而使得若干法珀干涉腔的反射输出信号依次为波长λ1、λ2、λ3…ꢀ…
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的干涉信号，由此实现若干法珀干涉腔的工作波长依次为λ1、λ2、λ3…ꢀ…
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的准分布式复用。4.根据权利要求1所述的准分布式法珀干涉光纤传感器，其特征在于，所述PD模块均包括：探测器PD和探测器PD
’
，所述探测器PD连接有除法器，所述探测器PD
’
连接有条纹计数器，所述除法器和所述条纹计数器均连接信号处理模块。5.根据权利要求4所述的准分布式法珀干涉光纤传感器，其特征在于，所述准分布式法珀干涉光纤传感器还包括：探测器PD*，所述探测器PD*与所述第一光纤耦合器连接，所述探测器PD*还与每个所述PD模块中的所述除法器连接。6.准分布式法珀干涉光纤传感器的信号解调方法，应用如权利要求1
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5任一项所述的准分布式法珀干涉光纤传感器，其特征在于，包括：控制中心控制驱动电路的驱动电压，可调谐激光器基于所述驱动电压输出波长为λ1、λ2、λ3…ꢀ…
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的光信号，所述光信号经过光纤耦合器、光环形器传输至法珀干涉腔，外界环境信息通过所述法珀干涉腔加载到所述光信号，并以反射干涉信号传输回到所述光环形器；其中，所述光信号的波长依次对应为所述法珀干涉腔的工作波长；时分复用器将所述光环形器传输的所述反射干涉信号复用为若干波长信号，所述波长信号由第二光纤耦合器分成两路...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴伟娜，王文华，师文庆，熊正烨，秦少平，谢玉萍，费贤翔，张泽锋，
申请(专利权)人：张家港烯光光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：