[发明专利]一种基于频移干涉的F-P传感器复用方法及系统

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感器领域，具体地指一种基于频移干涉的F-P传感器复用方法及系统。

背景技术

光纤传感技术是一种以光为载体，光纤为媒质，感知和传输外界信号的新型传感技术，由于其具有抗干扰能力强、体积小、灵敏度高、测量动态范围大等优点，自上世纪七十年代以来引起了众多研究人员的兴趣而迅速发展。

随着光纤传感技术的发展，人们研制出了各种各样的光纤传感器，在医学、大型建筑工程（如桥梁等）、军事等领域都得到了广泛的应用。其中光纤干涉传感器由于具有分辨率高、动态范围大、精度高以及实现方式灵活等优点，成为光纤传感器中极为重要和常用的一类。光纤F-P传感器采用单根光纤、利用多光束干涉原理来监测被测量的变化，属于相位调制型传感器，是光纤干涉传感器的一种。早在二十世纪八十年代早期，人们就利用光纤制成了F-P传感器，紧接着，光纤F-P传感器逐渐在温度、应变和复合材料传感中得到广泛的运用。

同其他干涉型传感器，如Mach-Zehnder、Michelson、Sagnac传感器等相比，F-P传感器具有F-P腔传感头制作简单、可靠性好、制作灵活、灵敏度高等诸多优点，而且F-P传感器中没有光纤耦合器的存在，使得传感器结构和数据处理相对简单。F-P传感器在很多应用时可被视为“点”测量，原因在于F-P传感器对可以导致两个反射端面距离（即腔长）发生变化的物理量极其敏感且传感区很小。因此，对于智能结构领域，F-P传感器是一种很受欢迎甚至近乎理想的光纤传感器。

经过十多年的研究，F-P传感器在制作及信号处理方面已趋于成熟，在应变、温度、压力、折射率及磁场等测量领域有着广泛的应用。但是其复用仍是一个难点，也是其实用化发展的研究热点之一。人们对复用技术进行了长期的相关探索，提出了多种复用方法，如：时分复用（见亨利泰勒等论文，应用光学，1995，34：5861），它是通过利用不同的光纤长度实现不同的时间延迟，将各路信号的传输时间分配在不同的时间间隔来实现传感器的复用，这种方法只能通过光源输出单波长光来检测，因此测量精度低；波分复用（见周学昌等论文，亚洲-太平洋光学会议，2004，SPIE，5364：41），它是利用波分复用器宽带光源分成多路，每路连接一个传感器实现传感器的复用，由于传感器需要占据足够的带宽，因此这种方法的复用数目严重受到光源带宽的限制；空分复用（见饶云江等论文，SPIE1995，2507：90），它是将连接传感器的多跟光纤组合在一起，通过光开关对各个支路进行连接，这种方法结构复杂，复用数目有限；相干复用（见戴维斯等论文，SPIE1998，904：114），由于这种方法需要增加一个参考干涉仪，因此增加了系统的复杂程度，复用数目也有限。上述复用方法由于种种原因都存在着各自的缺点，导致很难复用大量的F-P传感器，随着F-P传感器复用数目的增大，信噪比会急剧恶化，而且系统会变得比较复杂，成本增加，对F-P传感器本身的要求也增加。因此，寻找更简便、实用的复用方式对于推动F-P传感器的研究及应用具有十分重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于频移干涉的F-P传感器复用方法及系统，能够克服现有复用方式的限制，方便地实现F-P传感器的复用，并能够实现各F-P传感器的位置测量，显著提高F-P传感器的复用数量。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种基于频移干涉的F-P传感器复用方法，包括如下步骤：

1）光源输出的光经过光纤环形器进入第一光纤耦合器被分成两路，一路直接进入第二光纤耦合器，另一路通过声光调制器周期性调制后进入第二光纤耦合器；两个以上F-P传感器串联或者并联或者串并联混合连接在第二光纤耦合器输出端，各F-P传感器与第二光纤耦合器之间接入不同长度的光纤延迟线；

2）各F-P传感器反射的信号进入第二光纤耦合器被分成两路，一路直接进入第一光纤耦合器，另一路通过声光调制器周期性调制后进入第一光纤耦合器，光源每输出频率f的光，经F-P传感器反射后在第一光纤耦合器处输出四束光，频率分别为f、f+Δf、f+Δf和f+2Δf，其中频率均为f+Δf的两束光在第一光纤耦合器处发生干涉，频率为f和f+2Δf的光成为背景噪声；

3）干涉信号输入光电平衡探测器转化为电信号后，被输入数据采集及信号处理模块进行数据处理，由于不同位置的F-P传感器信号经频谱分析后频率不同，因此各F-P传感器通过频谱分析后均实现解调并可区分，以实现各F-P传感器的复用。