一种基于叉形干涉图样的光纤光栅传感解调系统及解调方法与流程

本发明涉及一种基于叉形干涉图样的光纤光栅传感解调系统及解调方法，属于光电检测技术领域。

背景技术：

随着互联网和物联网技术的兴起，对于传感器的要求越来越高，传感器的发展以灵敏、高精度、体积小和智能化为主。传统的传感器在这些新兴的应用领域耐高温高压特性差、易受电磁辐射干扰，而光纤光栅传感器作为一种新型传感器具有高灵敏度、轻便、分布式测量、抗电磁干扰等优点，非常适用于建筑工程、航空航天、生物医学、电力系统等领域。光纤光栅传感器具有的许多优点可以应用在传统传感器不适用的场合，是目前传感器技术的研究热点，而光纤光栅传感器的关键技术是解调系统的设计。目前对光纤光栅传感信号的解调普遍采用光学仪器光谱仪，但因其体积大、价格昂贵、扫描速度慢，使用条件苛刻，不适用于实际工程应用。因此，提出一种有工业应用价值、成本低、可便携的光纤光栅传感解调方法具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的是克服已有光纤光栅传感信号解调方法的不足之处，提出一种具有实际工程应用价值的光纤光栅传感信号解调系统及解调方法，满足高精度、可便携、低成本的需求。

其采用如下技术方案：一种基于叉形干涉图样的光纤光栅传感解调系统，包括：

用于产生光束的激光器；

用于将射入的光束进行分光的耦合器，所述激光器发出的光束射入所述耦合器；

用于将射入的光束转化为带有轨道角动量的光束的测量光路；

用于将射入的光束转化为高斯光束的参考光路，所述耦合器分光后的光束分别射入所述参考光路和所述测量光路；

用于产生叉形干涉光束的分光板，所述参考光路和所述测量光路中的光束射入所述分光板内发生干涉；

用于将叉形干涉光束实时检测并记录为叉形干涉图样信号的CCD相机，所述CCD相机接收到所述分光板射入的叉形干涉光束；

所述测量光路依次包括光纤光栅、第一准直器、螺旋相位板和反射镜；

所述参考光路包括第二准直器。

进一步的，所述激光器为分布反馈式激光器，所述耦合器为单模光纤耦合器，所述参考光路内的光束通过单模光纤传导，所述第一准直器和所述第二准直器将射入的光束转化为平行光，所述螺旋相位板将输入的平行光束转换成轨道角动量光束并输出，所述反射镜改变光线的传播方向将所述反射镜输出的轨道角动量光束射向所述分光板。

本发明还提供了一种基于叉形干涉图样的光纤光栅传感解调方法，包括所述的基于叉形干涉图样的光纤光栅传感解调系统，还包括以下步骤：

S1：激光器产生光束射入耦合器；

S2：所述耦合器分光后的光束分别射入测量光路和参考光路；

S3：光束经过所述测量光路转化为带有轨道角动量的光束，光束经过所述参考光路转化为高斯光束，带有轨道角动量的光束和高斯光束分别射入分光板内发生干涉形成叉形干涉光束；

S4：CCD相机将所述分光板射出的叉形干涉光束转化为叉形干涉图样信号；

S5：外界待测量发生变化，光束在所述光纤光栅中的传播产生相位延迟，导致测量光路射出的带有轨道角动量的光束和参考光路射出的高斯光束之间的相位差发生变化，叉形干涉图样在分叉点处发生移动，不断通过CCD相机实时检测并输出叉形干涉图样信号至计算机7；

S6：计算机7记录叉形干涉图样信号，得到外界待测量与叉形干涉图样之间的对应关系。

进一步的，所述光纤光栅的长度为0.16mm、光栅周期为0.529μm、纤芯折射率为1.4681、包层折射率为1.4628和最大折射率差为0.0053。

进一步的，所述激光器为分布反馈式激光器，所述耦合器为单模光纤耦合器，所述参考光路内的光束通过单模光纤传导，所述第一准直器和所述第二准直器将射入的光束转化为平行光，所述螺旋相位板将输入的平行光束转换成轨道角动量光束并输出，所述反射镜改变光线的传播方向将所述反射镜输出的轨道角动量光束射向所述分光板。

进一步的，所述激光器中心波长为1550nm，所述耦合器为分光比1:1且工作波长为1550nm的2×2单模光纤耦合器；

所述参考光路内的单模光纤的芯径为9μm；

所述第一准直器和所述第二准直器将光纤内的传输光束转化为发散角度不超过2°的平行光；

用于将输入的平行光束转换成轨道角动量光束并输出的所述螺旋相位板的工作波长为1550nm；

用于改变光线的传播方向的反射镜的反射率高于85％；

所述分光板的透反比为1:1。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的一种基于叉形干涉图样的光纤光栅传感解调系统，能够实现对外界待测量的测量，利用本方案实现光纤光栅传感信号的解调要比传统波长解调法体积小、成本低，更适用于实际工程应用；

(2)本发明的一种基于叉形干涉图样的光纤光栅传感解调方法，利用光纤光栅的光延迟特性，当外界待测量变化时会导致光在光纤光栅中的传播产生不同的相位延迟，进一步加强参考光路和测量光路之间的干涉作用，本方案可以用于小体积、高灵敏度的各种光纤光栅器件中；

(3)本发明的一种基于叉形干涉图样的光纤光栅传感解调方法，通过引入轨道角动量光束以及调整光源、信号接收装置等来改善测量系统的性能，解决了传统波长解调法光谱仪分辨力有限，导致其测量精度和应用范围受限的问题；

(4)本发明的一种基于叉形干涉图样的光纤光栅传感解调方法，使用过程中只需保证整个装置的稳定性，与其他方法相比无需特殊的工艺，降低了工艺探索难度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1为本发明所述基于叉形干涉图样的光纤光栅传感解调系统及解调方法的结构示意图；

图2(a)为参考光路和测量光路相位差为0时的干涉图样；图2(b)为参考光路和测量光路相位差为π/2时的干涉图样；图2(c)为参考光路和测量光路相位差为π时的干涉图样；

图3(a)为叉形干涉图样分叉点左侧1列振幅变化情况；图3(b)为叉形干涉图样分叉点右侧1列振幅变化情况，不同曲线代表参考光路和测量光路在不同相位差下的振幅分布情况；

图4(a)为参考光路和测量光路相位差与振幅的对应关系；图4(b)为参考光路和测量光路相位差与分叉点两侧振幅做差后的对应关系。

其中：1、测量光路，2、参考光路，3、激光器，4、耦合器，5、分光板，6、CCD相机，11、光纤光栅，12、第一准直器，13、螺旋相位板，14、反射镜，21、第二准直器。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。

实施例1

一种基于叉形干涉图样的光纤光栅传感解调系统，包括：

用于产生光束的激光器3；

用于将射入的光束进行分光的耦合器4，所述激光器3发出的光束射入所述耦合器4；

用于将射入的光束转化为带有轨道角动量的光束的测量光路1；

用于将射入的光束转化为高斯光束的参考光路2，所述耦合器4分光后的光束分别射入所述参考光路2和所述测量光路1；

用于产生叉形干涉光束的分光板5，所述参考光路2和所述测量光路1中的光束射入所述分光板5内发生干涉；

用于将叉形干涉光束实时检测并记录为叉形干涉图样信号的CCD相机6，所述CCD相机6接收到所述分光板5射入的叉形干涉光束；

所述测量光路1依次包括光纤光栅11、第一准直器12、螺旋相位板13和反射镜14；

所述参考光路2包括第二准直器21。

进一步的，所述激光器3为分布反馈式激光器，所述耦合器4为单模光纤耦合器，所述参考光路2内的光束通过单模光纤传导，所述第一准直器12和所述第二准直器21将射入的光束转化为平行光，所述螺旋相位板13将输入的平行光束转换成轨道角动量光束并输出，所述反射镜14改变光线的传播方向将所述反射镜14输出的轨道角动量光束射向所述分光板5。

本发明中所述CCD相机6为电荷耦合器相机。

所述参考光路2中产生高斯光束；所述测量光路1中设有所述光纤光栅11，光束经过所述螺旋相位板13转化为带有轨道角动量的光束，所述参考光路2和所述测量光路1中的光束在所述分光板5内发生干涉，产生叉形干涉光束，当外界待测量(如温度、应变等)变化时，光束在所述光纤光栅11中的传播会产生相位延迟，导致所述参考光路2和所述测量光路1之间的相位差发生变化，使叉形干涉光束在分叉点处发生移动，通过所述CCD相机6将叉形干涉光束的变化实时检测并记录为叉形干涉图样的变化，最终得出外界待测量与叉形干涉图样之间的对应关系，在马赫-曾德干涉仪的基础上引入轨道角动量光束并改变光源、信号接收装置，从而替代传统光纤光栅传感采用的波长解调法即通过光谱仪上谐振波长的移动来实现对外界待测量的测量。

实施例2

本发明还提供了一种基于叉形干涉图样的光纤光栅传感解调方法，包括所述的基于叉形干涉图样的光纤光栅传感解调系统，还包括以下步骤：

S1：激光器3产生光束射入耦合器4；

S2：所述耦合器4分光后的光束分别射入测量光路1和参考光路2；

S3：光束经过所述测量光路1转化为带有轨道角动量的光束，光束经过所述参考光路2转化为高斯光束，带有轨道角动量的光束和高斯光束分别射入分光板5内发生干涉形成叉形干涉光束；

S4：CCD相机6将所述分光板5射出的叉形干涉光束转化为叉形干涉图样信号；

S5：外界待测量发生变化，光束在所述光纤光栅11中的传播产生相位延迟，导致测量光路1射出的带有轨道角动量的光束和参考光路2射出的高斯光束之间的相位差发生变化，叉形干涉图样在分叉点处发生移动，不断通过CCD相机6实时检测并输出叉形干涉图样信号至计算机7；

S6：计算机7记录叉形干涉图样信号，得到外界待测量与叉形干涉图样之间的对应关系。

进一步的，所述光纤光栅11的长度为0.16mm、光栅周期为0.529μm、纤芯折射率为1.4681、包层折射率为1.4628和最大折射率差为0.0053。

进一步的，所述激光器3为分布反馈式激光器，所述耦合器4为单模光纤耦合器，所述参考光路2内的光束通过单模光纤传导，所述第一准直器12和所述第二准直器21将射入的光束转化为平行光，所述螺旋相位板13将输入的平行光束转换成轨道角动量光束并输出，所述反射镜14改变光线的传播方向将所述反射镜14输出的轨道角动量光束射向所述分光板5。

进一步的，所述激光器3中心波长为1550nm，所述耦合器4为分光比1:1且工作波长为1550nm的2×2单模光纤耦合器；

所述参考光路2内的单模光纤的芯径为9μm；

所述第一准直器12和所述第二准直器21将光纤内的传输光束转化为发散角度不超过2°的平行光；

用于将输入的平行光束转换成轨道角动量光束并输出的所述螺旋相位板的工作波长为1550nm；

用于改变光线的传播方向的反射镜14的反射率高于85％；

所述分光板5的透反比为1:1。

实施例3

本发明提出一种基于叉形干涉图样的光纤光栅传感解调系统及解调方法，并研究了所述基于叉形干涉图样的光纤光栅传感解调系统及解调方法的基本特性，包括参考光路2和测量光路1，在所述参考光路2中产生高斯光束；在所述测量光路1中射入所述光纤光栅11，然后经过所述螺旋相位板13产生带有轨道角动量的光束，所述参考光路2和所述测量光路1中的光束在所述分光板5处发生干涉，产生叉形干涉图样。当外界待测量(如温度、应变等)变化时，光束在所述光纤光栅11中的传播会产生相位延迟，导致所述参考光路2和所述测量光路1之间的相位差发生变化，使叉形干涉图样在分叉点处发生移动，通过所述CCD相机6实时检测并记录叉形干涉图样的变化，最终出外界待测量与叉形干涉图样之间的对应关系。

上述方案中，所述测量光路1中采用光纤光栅结构，利用的是所述光纤光栅11的光延迟特性，而不是其反射谱的波长移动信息。由光纤光栅工作原理知，当一束宽谱带光波在光栅中传输时，入射光在相应的频率上会被反射回来，其余光将不受影响从光栅另一端透射出。本方案正是利用光纤光栅的透射性，在光纤光栅反射率低于15％的条件下，利用光纤光栅光延迟特性来产生不同的相位延迟。研究表明所述光纤光栅11具有很好的光延迟效果，可达皮秒量级。当外界待测量变化时，光束在所述光纤光栅11中的传播将会发生延迟，进而导致所述参考光路2和所述测量光路1之间的相位差发生改变。所述光纤光栅11长度为0.16mm，光栅周期为0.529μm，纤芯折射率为1.4681，包层折射率为1.4628，最大折射率差为0.0053。

上述方案中，所述叉形干涉图样不同于普通的干涉图样，它是由于引入轨道角动量光束而使干涉图样呈现叉形结构，从而实现将轨道角动量与光传感相结合，利用所述CCD相机6实时检测叉形干涉图样的变化，提取干涉图样分叉点处的变化信息，从而有效替代了传统方法中用光谱仪检测谐振波长的变化信息即波长解调法，实现一种新的信号解调方法。所述的CCD相机型号为Digital CamIR1550，最大分辨率为1296×964。

上述方案中，所述激光器3为100kHz线宽的分布反馈式激光器，其中心波长为1550nm。所述耦合器4为2×2单模光纤耦合器，其分光比1:1，工作波长为1550nm。所述参考光路2中所用光纤为单模光纤，芯径为9μm。第一准直器12和第二准直器21将光纤内的传输光变成平行光，发散角度不超过2°。所述螺旋相位板13是将输入的平行光束转换成轨道角动量光束而输出，工作波长为1550nm。所述反射镜14改变光线的传播方向，其反射率高于85％。所述分光板5为NPCH-20-15500型分光板，透反比为1:1。

如图1所示为基于叉形干涉图样的光纤光栅传感解调系统及解调方法的原理示意图。所述激光器3发出的光束经过所述耦合器4分为两束独立的光，其中一束光耦合到带有所述光纤光栅11的测量光路1中，经所述第一准直器12发出平行光束，入射到所述螺旋相位板13中产生带有轨道角动量的光束；另一束光耦合到带有单模光纤的所述参考光路2中产生高斯光束，两束光在所述分光板5处发生干涉，产生叉形干涉图样。为使测量结果更加合理，需将测量光路中所述光纤光栅11部分与参考光路中单模光纤部分同时置于待测环境中，这样两路光的延迟将仅受到所述光纤光栅11特性的影响，而与光纤本身特性无关。当外界待测量发生变化时，光束在所述光纤光栅11中的传播会使其相位产生延迟，进而使分别经过所述参考光路2和所述测量光路1的光束之间产生相位差，导致叉形干涉图样发生移动，所述CCD相机6实时检测叉形干涉图样的变化，最终，通过所述计算机7存储所述CCD相机6采集的数据，得出外界待测量与叉形干涉图样之间的对应关系，从而实现传感信号的解调。

图2为所述参考光路2和所述测量光路1在不同相位差下的干涉图样。由图2(a)至(c)可知，随着相位差的增加，干涉图样分叉点不断向右移动，分叉点两侧振幅不断变化。为准确提取出干涉图样所包含的待测量信息，本方案采用图像处理技术对干涉图样分叉点处两侧的振幅信息进行提取，运用matlab工具箱中imread函数读取干涉图样信息，并对干涉图样进行图像增强、滤波等处理减小图像处理误差。以图2(a)分叉点处为基准(此时测量光路1和参考光路2之间相位差为0)，对分叉点处两侧数据进行提取，并用matlab画出两侧数据的振幅曲线。为保证提取到的干涉图像信息清晰准确，通过对分叉点处两侧不同列信息进行反复提取，通过对比分析，得出当分叉点处左右各返40列时，提取到的分叉点处两侧振幅信息变化规律，易于处理并有较好的结果，分析结果如图3所示。由图3可知，干涉图样分叉点两侧振幅值的变化具有一定的对称性，图中曲线由下向上，随着相位差的增加，振幅幅值逐渐增大。为了减小测量误差，当所述参考光路2和所述测量光路1相位差一定时，选取区域内振幅的平均值作为振幅值，确定出所述参考光路2和所述测量光路1之间的相位差与振幅值之间的关系。

图4(a)为所述参考光路2和所述测量光路1在不同相位差下的叉形干涉图样的振幅值变化情况，图中两条曲线分别表示在叉形干涉图样分叉点两侧振幅变化情况。为计算所述参考光路2和所述测量光路1之间的相位差与振幅值之间的关系，本方案将分叉点左右两侧的振幅值相应做差如图4(b)所示。由图4(b)知，所述参考光路2和所述测量光路1的相位差与振幅之间近似为线性关系，线性度达0.9988。根据以上分析，本发明提出的一种基于叉形干涉图样的光纤光栅传感解调方法改变了传统光纤光栅的信号解调结构，解决了传统测量过程中因使用光谱仪分辨力受限的问题，更具实际工程应用价值。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于叉形干涉图样的光纤光栅传感解调系统及解调方法，能够实现对外界待测量的测量，利用本方案实现光纤光栅传感信号的解调要比传统波长解调法体积小、成本低，更适用于实际工程应用；利用光纤光栅的光延迟特性，当外界待测量变化时会导致光在光纤光栅中的传播产生不同的相位延迟，进一步加强参考光路和测量光路之间的干涉作用，本方案可以用于小体积、高灵敏度的各种光纤光栅器件中；通过引入轨道角动量光束以及调整光源、信号接收装置等来改善测量系统的性能，解决了传统波长解调法光谱仪分辨力有限，导致其测量精度和应用范围受限的问题；使用过程中只需保证整个装置的稳定性，与其他方法相比无需特殊的工艺，降低了工艺探索难度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。