基于可调Fabry－Perot谐振腔的分布式光纤白光干涉传感器阵列

摘要

本发明提供的是一种基于可调Fabry－Perot谐振腔的分布式光纤白光干涉传感器阵列。由双工光电器件、可调Fabry－Perot谐振腔、单模连接光纤、传感器构成；可调Fabry－Perot谐振腔由扫描棱镜、自聚焦透镜、具有部分反射面的单模光纤连接构成；双工光电器件由具有共基极、发射极、集电极的宽谱光源与光电探测器通过分光棱镜组成；光源出射的具有一定光谱宽度的光束通过分光棱镜直接达到谐振腔，被谐振腔的左右腔面多次反射后，信号光从右腔面输出；信号光经单模连接光纤进入传感器，分别被传感器的左右两个端面反射后沿原路返回，再次经过谐振腔，从其左腔面输出后，到达光电探测器。本发明具有共光路结构，温度稳定性好；具有最简光纤光路结构，造价低廉、实用性强。

说明书

(一)技术领域

本发明涉及的是一种光纤技术领域，具体涉及一种基于可调Fabry-Perot谐振腔长实现对多个传感器信号问讯的分布式光纤白光干涉传感器阵列。

(二)背景技术

采用低相干、宽谱带光源，例如发光二极管(LED)、超自发辐射光源(ASE)或者多模激光二极管驱动的光纤干涉仪通常被称为白光光纤干涉仪。典型的光纤白光干涉仪如图1所示，其结构组成为利用光纤搭建Micheslon式干涉仪，并采用宽谱光源LED或者ASE对干涉仪进行驱动，为其提供光能，通过探测器探测白光干涉条纹实现对待测物理量的测量。其工作原理如下，由宽谱光源11发出的宽谱光进入单模光纤后，被3dB单模光纤2×2耦合器13分成两束，一束光进入被作为测量臂的单模光纤14，被其后端的光学反射面15反射后沿原路返回，经过单模光纤14、耦合器13到达光电探测器12，这束光称为测量信号光；由光源11发出光被耦合器13分路的另外一束光，进入作为参考臂的单模连接光纤16、自聚焦透镜17，经过移动反射镜18的反射后同样沿原路返回到达光电探测器12，这束光被称为参考信号光。测量信号光和参考信号光在探测器表面发生相干叠加，由于宽谱光源的相干长度很短，大约为几个微米到几十个微米，只有当参考信号光和测量信号光程差小于光源的相干长度时，才会产生相干叠加，输出白光干涉图样(参见附图2)。

如图2所示，白光干涉条纹的特征是有一个主极大值，称为中心条纹，它与零光程差为之相对应，即对应于参考光束和测量光束光程相等时，称为参考光束与测量光束具有光程匹配关系。通过改变光纤延迟线的延迟量，使参考信号的光程发生变化，可以获得中心干涉条纹。中心条纹的位置为测量提供了一个可靠的绝对位置参考，当测量光束由于外界待测物理量的影响光程发生变化时，只需通过参考臂光程扫描得到的白光干涉条纹的位置变化，即可获得被测量物理量的绝对值。与其他光纤干涉仪相比，除了具有高灵敏度、本质安全、抗电磁场干扰等优点外，最大特点是可对压力、应变、温度等待测量进行绝对测量。因此白光干涉性光纤干涉仪被广泛用于物理量、机械量、环境量、化学量、生物医学量的测量。

申请人于2006年提出了名称为“多路复用光纤干涉仪及其嵌套构建方法”、申请号为200610151043.5的发明专利申请，公开了可以构造传感器阵列和网络的全光纤干涉仪光纤及其实现方法，解决光纤干涉仪的多路复用问题；申请人还于2007提出了名称为“低相干绞扭式类Sagnac光纤形变传感装置”，申请号为200710072350.9的发明专利申请，公开了一种主要用来解决光纤传感器阵列布设过程中的抗毁坏的问题的技术方案。在上述公开文件中，特别是白光干涉仪连接有光纤传感器阵列时，本地的解调干涉仪与远端的传感干涉仪的光程通过光程匹配来实现光纤传感器阵列的问讯与解调。这样传感干涉仪阵列可以是完全无源的，其好处是阵列中输出的多个干涉信号对本地解调干涉仪和传感器阵列之间的连接光纤长度的变化不灵敏，增强了测量的稳定性和可靠性。

但在上述基于空分复用的干涉仪结构中，本地的解调干涉仪大多采用Michelson干涉仪、Mach-Zehnder干涉仪等分立式干涉仪结构。它们通常具有两个相互独立的光传输通道，用于实现光程调谐与匹配。但由于它不存在共光路结构，极易受到环境因素(诸如温度和振动)的影响，导致两光路的光程产生不一致的变化，使传感器信号的解调产生影响，降低了干涉仪的信号解调灵敏度，使测量的精度下降，长期的稳定性和可靠性无法保证；同时干涉仪的结构也较为复杂，不利用于干涉仪的实用化。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种具有共光路结构，温度稳定性好，光路结构简单，造价低廉，实用性强，可对分布式形变、应变、温度、压力等物理量进行传感探测的分布式光纤白光干涉传感器阵列。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的分布式光纤白光干涉传感器阵列是一种基于可调Fabry-Perot谐振腔长实现问讯的分布式光纤白光干涉传感器阵列，由双工光电器件1、可调Fabry-Perot谐振腔2、单模连接光纤3、传感器4构成；可调Fabry-Perot谐振腔2由扫描棱镜231、自聚焦透镜221、具有部分反射面211的单模光纤连接构成；双工光电器件1由具有共基极113、发射极112、集电极122的宽谱光源111与光电探测器121通过分光棱镜131组成；光源111出射的具有一定光谱宽度的光束通过分光棱镜131直接达到可调Fabry-Perot谐振腔2，被谐振腔的具有部分反射面211的单模光纤的左右腔面多次反射后，信号光从右腔面输出；信号光经单模连接光纤3进入传感器411，分别被传感器411的左右两个端面反射后沿原路返回，再次经过Fabry-Perot谐振腔2后，到达光电探测器121。

所述的传感器4是将一组光纤传感器411首尾相接组成的串行传感器阵列。

所述的光纤传感器411是由两端具有一定反射率的垂直于光纤端面的一段任意长度的光纤段构成，它是将一段根据实际测量需要截取的单模光纤两端加装陶瓷插芯901，端面经过抛光处理后，得到垂直于传输光方向的反射率大于等于1％的光纤端面制成的光纤传感器。

本发明提出了一种基于可调Fabry-Perot谐振腔长实现对多个传感器信号问讯的方法，基于此方法构造出一种单纤在线最简结构的分布式光纤白光干涉传感器阵列。这种光纤白光干涉仪具有共光路结构，温度稳定性好；具有的最简光路结构，造价低廉、实用性强，可对分布式形变、应变、温度、压力等物理量进行传感探测。本发明可用于大尺寸的智能结构监测，亦可用于多任务传感、多元传感、局部应变传感以及大尺度形变传感。

本发明通过将宽带光源和光电探测器构成发射与接受的双工光电器件，使参考光波与测量光波在同一光路中传输，通过调谐Fabry-Perot谐振腔长，使传感器反射回的参考光波与测量光波的光程发生匹配，获得白光干涉条纹，实现对多个传感器信号的问讯。

这种基于可调Fabry-Perot谐振腔长实现问讯的分布式光纤白光干涉传感器阵列，由宽谱光源、光电探测器、可调Fabry-Perot谐振腔、单模连接光纤、光纤传感器组成的阵列构成。

所述的宽谱光源与光电探测器通过分光棱镜构成发射和接收的双工光电器件。

所述的可调Fabry-Perot谐振腔，由扫描棱镜、自聚焦透镜、具有部分反射面的单模光纤共同构成光纤延迟线。

所述的光纤干涉仪中光纤Fabry-Perot谐振腔器件，其谐振腔的腔面反射率可在1％-99％之间任意取值。

所述的光纤干涉仪中光纤Fabry-Perot谐振腔器件，其腔长度可以变化。

所述的光纤传感器组成的阵列，是由一系列长度不等的单模光纤段构成首尾相接的串行阵列。

所述的组成基于可调Fabry-Perot谐振腔长实现问讯的分布式光纤白光干涉传感器阵列的光纤器件，包括宽带光源、光电探测器、可调Fabry-Perot谐振腔、单模连接光纤、光纤传感器阵列，都工作在单模状态。

本发明的优点和特点是：

(1)本发明采用可调Fabry-Perot谐振腔长构造分布式光纤白光干涉传感器系统，使得解调干涉仪和光纤传感器阵列可以通过一条光纤进行连接，极大地简化了测量系统的光路结构；同时使测量光路和参考光路实现了共光路，提高了对环境的抗干扰能力。

(2)采用可调Fabry-Perot谐振腔长构造分布式光纤白光干涉传感器系统，无需采用复杂的时分复用或频分复用技术，只需通过连续的空间光程扫描，即可实现对多个传感器信号的问讯和测量，技术简单，易于实现。

(3)本发明构造的分布式光纤白光干涉传感器阵列，可以实现光纤传感器布设的阵列化，在测量时各传感器互不影响，传感器标称长度可由几厘米到几百米，具有多任务传感、多元传感、局部应变传感与大尺度形变传感的能力。

(4)使用白光光源与光电探测器构成的双工光电器件，使得测量光路与参考光路复用，极大地简化了系统的复杂程度，降低了测试费用，保证了测试系统的实时性，提高了测量的可靠性。

(5)本发明采用的光纤材料和器件均为标准光纤通信元件，成本价格低廉，容易获得，有利于推广。

(四)附图说明

图1是典型的白光干涉Michelson干涉仪结构示意图。

图2是典型的白光干涉条纹信号示意图。

图3是本发明的基于可调Fabry-Perot谐振腔长实现问讯的最简单的光纤白光干涉传感器的结构示意图。

图4是本发明的光纤传感器的结构示意图。

图5是本发明的可调Fabry-Perot谐振腔构成的光纤延迟线的结构示意图。

图6是本发明的基于可调Fabry-Perot谐振腔长实现问讯的分布式光纤白光干涉传感器阵列的结构示意图。

图7是本发明的宽谱光源与光电探测器构成的双工光电器件示意图。

图8是本发明的基于可调Fabry-Perot谐振腔长实现问讯的分布式光纤白光干涉传感器阵列的白光干涉信号。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

具体实施方式一：

本发明的基本原理是基于低相干、宽谱光(白光)的干涉原理和空分复用原理。最简单的可调Fabry-Perot谐振腔长的光纤白光干涉传感器阵列的结构如图3所示，即传感器阵列中只连接一个传感器的情况。白光光源111的出射光束通过一分光棱镜131直接达到可调Fabry-Perot谐振腔2，被谐振腔的左右腔面多次反射后，信号光从右腔面输出；信号光又分别被传感器411(如图4所示)的左右两个端面反射后沿原路返回，再次经过Fabry-Perot谐振腔2后，到达光电探测器121。在上述一系列的具有不同光程的光信号中，我们将光信号从光源传输到传感器，以及传感器再反射回探测器的这个过程中，来回都仅经过一次Fabry-Perot谐振腔2，并且被传感器右端面反射的信号光称为测量信号光；而将此过程中，来时经过两次，回时经过一次或者来时经过一次，回时经过两次可调Fabry-Perot谐振腔2，并且被传感器411左端面反射的光信号称为参考信号光。测量光信号和参考光信号在探测器121表面发生相干叠加，由于宽谱低相干光源的相干长度很短，大约为几个微米到几十个微米，只有当参考信号和测量信号的光程差小于光源的相干长度时，才会产生相干叠加，输出白光干涉图样。

$I=I_1+I_2+2\sqrt{I_1·I_2}·\left|\gamma \left(x\right)\right|·\cos (k·x+\phi )---\left(1\right)$

式中：I₁、I₂为参考光束和测量光束的信号强度，k为波数，x为两干涉信号光程差，Φ为初始相位，γ(x)为光源自相关函数。

按照前述参考信号与测量信号经历光程路径的定义，所谓参考光与测量光的匹配光程，具体到图3的光纤测量系统而言，即为测量信号在传感器4左右端面反射所累积的光程与参考信号在Fabry-Perot谐振腔2前后两个腔面所累积的光程相等，有：

2nL+2nl＝2nL+2(nL₀+X)    (2)

其中，L为共光程光纤部分的长度，l为左右反射面之间的光纤传感器的长度，n为光纤纤芯的折射率，nL₀为不包括调谐长度X在内的Fabry-Perot谐振腔的腔长，X代表光纤延迟线的调谐距离，如图6所示。

基于白光干涉原理的光纤干涉仪的干涉条纹只发生在光程匹配附近的几个微米到几十个微米之间。利用这个特点，无需利用复杂的时分或者频分复用技术，即可实现传感器的复用。如图7所示，将光纤传感器411首尾相接组成串行阵列4。每个传感器411的端面都具有一定的反射率。如果每个传感器的长度大于光源的相干长度，则测量光与参考光之间产生的干涉条纹在各自相干长度内，只存在单一的白光干涉信号，即干涉条纹互不干扰相互独立；通过对Fabry-Perot谐振腔长的调谐可实现空间光程扫描，对多个传感器加以区分，实现对多个外界物理量的查询与问讯，十分方便的实现分布式传感。

可见基于可调Fabry-Perot谐振腔长实现问讯的分布式光纤白光干涉传感器阵列的基本构造思想是参考光束经过可调Fabry-Perot谐振腔延迟后与测量光束经过相同的光路，发生一一对应的光程匹配，使产生的白光干涉条纹在光程扫描空间上相互独立、互不干扰。参考光束的匹配可以直接利用可调Fabry-Perot谐振腔构成的光纤延迟线实现光程的扫描。

具体实施方式二：

利用可调Fabry-Perot谐振腔长实现问讯构造的分布式光纤白光干涉传感器阵列的方案，如图7所示。由图可见，该分布式光纤白光干涉传感器阵列由双工光电器件1、可调Fabry-Perot谐振腔2、单模连接光纤3、串行传感器阵列4构成。

光纤传感器411是由两端具有一定反射率的垂直于光纤端面的一段任意长度的光纤段构成，典型结构如图4所示，一段根据实际测量需要截取的单模光纤两端加装陶瓷插芯901，端面经过抛光处理后，得到垂直于传输光方向的反射率大于等于1％的光纤端面。光纤传感器411可以通过陶瓷套管902与传感器或者光纤连接，陶瓷套管同时起到对传感器端面的保护。若干个光纤传感器411首尾相接就形成一个串行的光纤传感器阵列4。本实施例中，由X1～X4共四个光纤传感器首尾相接组成传感阵列。光纤传感器的平均长度大约为500mm，具体长度如下：X1：499.0mm，X2：502.2mm，X3：498.0mm，X4：500.0mm。

如图5所示，双工光电器件1由具有共基极113、发射极112、集电极122的宽谱光源111与光电探测器121通过分光棱镜131组成。其中，宽谱光源出射光的中心波长为1300nm，谱宽为60nm，出射功率为100微瓦；探测器采用InGaAs基红外探测器，其光谱响应范围为1100nm～1700nm，其响应度为0.9。

如图6所示，可调Fabry-Perot谐振腔2由扫描棱镜231、自聚焦透镜221、具有部分反射面211的单模光纤构成，其中，单模光纤采用SMF-28型标准通信用光纤，其长度选择为400mm；扫描棱镜231选用边长为50.8mm的直角棱镜，光程扫描的运动范围X为0～100mm。

如图7所示，利用可调Fabry-Perot谐振腔长实现问讯构造的分布式光纤白光干涉传感器阵列的测量臂连接有串行的光纤传感器阵列；而参考臂中嵌套可调Fabry-Perot谐振腔，其作用是使参考光束与测量光束光程匹配。使用宽带光源111与光电探测器121通过分光棱镜131构成的双工光电器件1使参考臂与测量臂合二为一。干涉仪工作时，双工光电器件中宽带光源111的光通过可调Fabry-Perot谐振腔2后直接耦合进入光纤传感器阵列4，被串行阵列中各个光纤传感器411的右端面反射后，形成了一系列具有不同光程的反射测量信号光；光束被串行阵列中各个光纤传感器411的左端面反射后，沿相同的路径经过调谐后的Fabry-Perot谐振腔所构成的光纤延迟线传输回双工光电器件中的探测端121，形成了一系列具有不同光程的参考测量信号光；参考光束与测量光束的光程匹配和白光干涉条纹的获得是通过二者共同动作实现的，当可调谐光纤延迟线调到某一位置处使Fabry-Perot谐振腔总光程与某一传感器的标称长度相匹配时，传感器的两端面反射信号产生白光干涉条纹，如图8所示。并且由图8可知，白光干涉峰值出现的位置与传感器X1～X4的长度具有一一对应关系，通过Fabry-Perot谐振腔长的连续调谐可实现空间光程扫描，可以对多个传感器加以区分，从而实现多个外界物理量的查询与问讯。当传感器由于温度、应力等参量的作用，产生应变或者位移时，其光程扫描位置也随之变化，记录变化前后的位置值，根据转换关系，即可进行参量的传感测量。