基于微波光子干涉光纤环路和构造虚拟反射面的蓝宝石光纤法珀温度传感系统及解调方法

本发明涉及传感器领域，具体是基于微波光子干涉光纤环路和构造虚拟反射面的蓝宝石光纤法珀温度传感系统及解调方法。

背景技术：

1、蓝宝石光纤法珀干涉传感器具有抗电磁干扰能力强、信号质量高、响应速度快的优点，并且由于蓝宝石光纤的高熔点(2040℃)，可用于超高温环境温度测量，典型的蓝宝石光纤法珀干涉传感系统如图1所示。

2、然而在实际的测量过程中，由于蓝宝石光纤的大模场直径引起的多模模间干涉造成的误差会是实际环境参量如温度、应变和压力的变化量的数十倍，为了能够解决这一问题，国内外专家学者对这一误差的校正从系统结构上做了大量的研究。

3、为了消除蓝宝石光纤内部模间干涉的问题，一般采用的是将调制解调频率从高频域的光学干涉场中转到低频域的微波光子干涉场，通过将光波作为载波，微波作为调制信号，一起进入传感端。当传感端受被测量变化影响时，通过传感器反射回来的干涉信号，既包含光波也包含微波。对探测到的信号，仅对微波信号随被测量的变化进行解调，即可避开光波的模间干涉问题，进而降低测量误差，从而准确的获取待测环境的环境参量如温度、应变和压力。美国的克莱姆森大学、我国的电子科技大学以及之江实验室就基于此原理进行了基于微波光子干涉的蓝宝石光纤法珀传感系统的研究。

4、2015年，huang.j等报道了基于微波调制的蓝宝石光纤微波迈克尔逊高温传感器，如图2(a)-图2(d)所示，用电弧方法将两根长度分别为85cm和70cm的蓝宝石光纤和两根石英多模光纤熔接起来，将光路分成两路，各自经蓝宝石光纤端面反射。由于两路光之间存在光程差，反射光在耦合器耦合发生干涉，实现100-1400℃的测温，灵敏度为64khz/℃。

5、由于微波的波长相对光波较长，被测量变化引起的光程差相对于微波信号很小，进而导致微波光子法珀传感器灵敏度很低(只有-64khz/℃)，系统的微波频率却是ghz级别。为了提高传感器的灵敏度，有文献报道利用游标效应放大传感器灵敏度的方法。并且在光纤传感器本身的热膨胀系数、热光系数以及折射率都是不可变的情况下，还可以通过增加传感器的长度来提高灵敏度。

6、华中科技大学的zuowei.xu等人将一段长度为200m的单模光纤作为温度传感器，如图3(a)-图3(d)所示，另一段长度与其有略微差异的单模光纤作为参考段并将二者级联起来，利用游标效应将温度传感器的灵敏度从-19.068khz/℃扩大到了-556.856khz/℃。

7、如图4(a)-图4(d)所示，之江实验室chen.z等人利用一根7.568m的单模光纤作为参考法珀干涉仪，另一根7.854m的单模光纤作为温度传感法珀干涉仪，并将两法珀干涉仪级联起来形成微波光子游标效应，在20～80℃的测温范围内将温度传感法珀干涉仪的温度灵敏度提升到了-266.1khz/℃。

8、2023年，厦门大学chen.s等人利用利用一根11.43m的单模光纤作为参考臂，另一根21.57m的单模光纤作为温度传感臂，并将两法珀干涉仪并联形成微波光子游标效应，将传感臂的温度灵敏度从-31.18khz/℃提升到了580.45khz/℃，如图5(a)-图5(d)所示.

9、但目前基于微波光子干涉的光纤法珀传感系统存在的问题：

10、传感器灵敏度低。由于微波的波长相对光波较长，被测量变化引起的光程差相对于微波信号很小，进而导致传感器灵敏度很低。例如美国的克莱姆森大学的迈克尔逊干涉仪型传感器的灵敏度只有-64khz/℃，然而系统的微波频率范围却是ghz级别。

11、传感器尺寸大。为了使得被测温度变化引起的光程差变化足够大，很多研究团队采用分米量级的长度作为敏感元的传感器。比如我国华中科技大学的马赫曾德干涉仪型传感器，其尺寸达到了200m。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供基于微波光子干涉光纤环路和构造虚拟反射面的蓝宝石光纤法珀温度传感系统，包括光源、电光调制器、矢量网络分析仪、环形器、第一耦合器、第二耦合器、光电转换模块、光纤传感器；

2、所述光源向电光调制器发送光信号；

3、所述矢量网络分析仪向电光调制器发送微波扫描频率信号；

4、所述电光调制器对光信号和微波扫描频率信号进行调制，得到初始调制光信号，并传输至第一耦合器；

5、所述第一耦合器设有至少三个输入/输出口，分别记为11号口、12号口和13号口；

6、所述第一耦合器的11号口接收和耦合初始调制光信号，得到初始耦合光信号，并通过13号口将初始耦合光信号传输至环形器；

7、所述第一耦合器的12号口接收和耦合第k次迭代的输入光信号，得到第k次迭代的耦合光信号，并通过13号口将第k次迭代的耦合光信号传输至环形器；k初始值为2；k＝2，…，k；k为总迭代次数；

8、所述环形器将初始耦合光信号传输至光纤传感器，然后接收来自光纤传感器的初始反射光，并将初始反射光传输至第二耦合器；

9、所述环形器将第k次迭代的耦合光信号传输至光纤传感器，然后接收来自光纤传感器的第k次迭代的反射光，并将第k次迭代的光纤传感器反射光传输至第二耦合器；

10、所述第二耦合器设有至少三个输入/输出口，分别记为21号口、22号口和23号口；

11、所述第二耦合器的23号口接收和耦合初始反射光，得到初始耦合反射光，并将初始耦合反射光分为两部分；一部分耦合反射光通过21号口输出到光电转换模块；另一部分耦合反射光作为第2次迭代的输入光信号，通过22号口输出到所述第一耦合器的12号口；

12、所述第二耦合器的23号口接收和耦合第k次迭代的反射光，得到第k次迭代的耦合反射光，并将第k次迭代的耦合反射光分为两部分；一部分第k次迭代的耦合反射光通过21号口输出到光电转换模块；另一部分耦合反射光作为第k+1次迭代的输入光信号，通过22号口输出到所述第一耦合器的12号口；

13、所述光电转换模块对接收到的耦合反射光进行光电转换，得到反射光时域信号，并传输至矢量网络分析仪；

14、在蓝宝石光纤法珀系统工作过程中，光信号每在环形器、第一耦合器、第二耦合器构成的环路内多循环传输一次，光纤传感器的温度灵敏度就增加一倍；第k次迭代的反射光时域信号所对应的传感器温度灵敏度svir,k＝ks0；s0为光纤传感器原始温度灵敏度；

15、矢量网络分析仪接收到光纤传感器远端反射面的时域反射峰信号后，构造一个虚拟反射面与光纤传感器远端反射面形成虚拟法珀腔，虚拟反射面与光纤传感器远端反射面之间的距离即为法珀腔长lvir；

16、将虚拟法珀腔的时域信号利用复傅里叶变换进行时频域转换，使得虚拟法珀腔的两个反射面的时域信号在微波频域发生干涉，生成干涉频谱信号，此时光纤传感器的温度灵敏度s2＝k2s0；参数k2大于k；

17、进一步，还包括用于放大调制光信号的掺铒光纤放大器，用于放大微波扫描频率信号的射频放大器，以及用于对光信号进行偏振处理的偏振器。

18、基于微波光子干涉光纤环路和构造虚拟反射面的蓝宝石光纤法珀温度传感系统的解调方法，包括以下步骤：

19、1)所述光源向电光调制器发送光信号；

20、所述矢量网络分析仪向电光调制器发送微波扫描频率信号；

21、2)所述电光调制器对光信号和微波扫描频率信号进行调制，得到初始调制光信号，并传输至第一耦合器；

22、3)所述第一耦合器的11号口接收和耦合初始调制光信号，得到初始耦合光信号，并通过13号口将初始耦合光信号传输至环形器；

23、4)所述环形器将初始耦合光信号传输至光纤传感器，然后接收来自光纤传感器的初始反射光，并将初始反射光传输至第二耦合器；

24、5)所述第二耦合器的23号口接收和耦合初始反射光，得到初始耦合反射光，并将初始耦合反射光分为两部分；一部分耦合反射光通过21号口输出到光电转换模块；另一部分耦合反射光作为第2次迭代的输入光信号，通过22号口输出到所述第一耦合器的12号口；

25、6)所述光电转换模块对接收到的耦合反射光进行光电转换，得到反射光时域信号，并传输至矢量网络分析仪；

26、7)所述第一耦合器的12号口接收和耦合第k次迭代的输入光信号，得到第k次迭代的耦合光信号，并通过13号口将第k次迭代的耦合光信号传输至环形器；k初始值为2；k＝2，…，k；k为总迭代次数；

27、8)所述环形器将第k次迭代的耦合光信号传输至光纤传感器，然后接收来自光纤传感器的第k次迭代的反射光，并将第k次迭代的反射光传输至第二耦合器；

28、9)所述第二耦合器的23号口接收和耦合第k次迭代的反射光，得到第k次迭代的耦合反射光，并将第k次迭代的耦合反射光分为两部分；一部分第k次迭代的耦合反射光通过21号口输出到光电转换模块；另一部分耦合反射光作为第k+1次迭代的输入光信号，通过22号口输出到所述第一耦合器的12号口；

29、10)所述光电转换模块对接收到的耦合反射光进行光电转换，得到反射光时域信号，并传输至矢量网络分析仪；

30、在蓝宝石光纤法珀系统工作过程中，光信号每在环形器、第一耦合器、第二耦合器构成的环路内多循环传输一次，光纤传感器的温度灵敏度就增加一倍；第k次迭代的反射光时域信号所对应的传感器温度灵敏度svir,k＝ks0；s0为光纤传感器原始温度灵敏度；

31、矢量网络分析仪接收到光纤传感器远端反射面的时域反射峰信号后，构造一个虚拟反射面与其形成虚拟法珀腔，二者之间距离即为法珀腔长lvir；

32、将虚拟法珀腔的时域信号利用复傅里叶变换进行时频域转换，使得虚拟法珀腔的两个反射面的时域信号在微波频域发生干涉，生成干涉频谱信号，此时光纤传感器的温度灵敏度s2＝k2s0；k2大于k；

33、11)返回步骤7)，令输入光信号在环形器、第一耦合器、第二耦合器构成的环路中进行循环，直至迭代次数k大于等于k，从而扩大光纤传感系统的灵敏度。

34、进一步，在将调制光信号传输至第一耦合器前，还利用掺铒光纤放大器对调制光信号进行放大。

35、进一步，矢量网络分析仪发出的微波扫描频率信号先到达射频放大器，经射频放大器放大后，再传输至电光调制器。

36、进一步，宽带光源发出的光信号先到达偏振器，经偏振器处理成为偏振光信号后，再传输至电光调制器。

37、进一步，所述光纤传感器包括蓝宝石光纤传感器。

38、进一步，光纤传感器的温度灵敏度svir,k的计算步骤包括：

39、a1)构建在时域上的传感器反射光时域信号x(t)，即：

40、

41、式中，g为pd的增益；r为传感器反射率；m为微波信号调制深度；i为传播光强度；ωmin和ωmax分别为微波频率扫描最小值和最大值；w为光源、电光调制器和矢量网络分析仪内部的系统等效光程；opdloop为光纤环路结构的等效光程；nsf和lsf分别为蓝宝石光纤的折射率和长度，c为光速；t为时间；

42、a2)反射光信号每在系统内循环一次，反射光信号的光强度与光纤环路损耗、传感器反射损耗的关系如下：

43、

44、

45、式中，i为传播光强度，q为光纤环路损耗和传感器反射损耗的总和，p为环路内的edfa的增益；i0为第一次循环时的传播光强度；

46、a3)建立矢量网络分析仪在第k次、第k次循环时接收到的反射光时域信号表达式，即：

47、

48、

49、式中，k为循环的总次数；xk(t)为第k次循环时接收到的反射光时域信号；xk(t)为第k次循环时接收到的反射光时域信号；

50、a4)引入外界温度变化△t，此时矢量网络分析仪在第k次循环时接收到的反射光时域信号xδt(t)的表达式如下所示：

51、

52、式中，α为热膨胀系数α；ξ为热光系数；

53、a5)分别计算温度变化前后，第1次循环和第k次循环的反射峰位置差，即：

54、

55、

56、

57、式中，δlk为温度变化前后第k次循环的反射峰位置差；δl1为温度变化前后第1次循环的反射峰位置差；δopdsf为温度引起的蓝宝石光纤传感器光程的变化值；

58、a6)计算第k次循环时光纤传感器的温度灵敏度svir,k＝ks0。

59、进一步，光纤传感器的温度灵敏度的计算步骤包括：

60、s1)构造虚拟反射面，该虚拟反射面的函数峰xvir(t)如下所示：

61、

62、式中，lvir为构造的虚拟反射面的光程长度；

63、该虚拟反射面的时域谱x(t)如下所示：

64、

65、式中，k为循环的总次数；

66、虚拟反射面与光纤传感器远端反射面之间的距离，也即构造的虚拟法珀腔长opdvir如下所示：

67、opdvir＝lvir   (11)

68、s2)利用一个窗函数g(t)将光纤传感器端面与虚拟反射面的反射峰选出，得到时域信号gk(t)·x(t)；gk(t)为第k次迭代的窗函数；

69、对时域信号gk(t)·x(t)进行复傅里叶变换，得到微波干涉频谱，即：

70、wk＝wvir*g(ω)exp(-jωτ0)   (12)

71、式中，wk为重构出的第k次循环的干涉频谱；wvir为虚拟反射面的干涉频谱；g(ω)为门函数g(t)的傅里叶逆变换函数，τ0为传输延迟；ω为傅里叶变换频域参数；

72、s3)计算虚拟法珀腔形成的法珀干涉频谱的谐振频率fvir,m,k和自由频谱范围fsr，即：

73、

74、

75、式中，m为谐振阶数；

76、s4)在外界环境温度变化△t时，光纤温度传感器的第k次循环的反射信号时域谱xk(t,δt)如下所示：

77、

78、s5)保持虚拟反射面的位置不变，更新反射信号时域谱，得到：

79、

80、s6)计算外界环境温度变化引起的虚拟法珀干涉频谱谐振频率fvir,m,k和自由频谱范围fsr，即：

81、

82、

83、s7)计算谐振频率的温度灵敏度，即：

84、

85、式中，δfvir,k为外界环境温度变化引起的虚拟法珀干涉频谱谐振频率的变化量；

86、其中，放大倍数k2如下所示：

87、

88、式中，svir,k、svir,1为第k次循环、第1次循环时，谐振频率的温度灵敏度。

89、本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明的有益效果如下：

90、1)提出利用光纤环路进行传感器灵敏度放大的方法，理论上可以将灵敏度提高2倍以上，灵敏度放大倍数等于光纤环路的循环次数。

91、2)提出利用构造虚拟反射面进行传感器灵敏度放大的方法，在光纤环路的基础上，可以将灵敏度放大倍数进一步提高到大于光纤环路循环次数的水平。

92、3)将反射式蓝宝石光纤法珀传感器作为本系统的传感器，减小传感器的尺寸至20cm以下。

93、4)利用基于微波光子干涉的蓝宝石光纤法珀传感系统进行温度测量，消除了在高频率的光干涉场中蓝宝石光纤内部存在的模间干涉信号干扰问题，提高了测温精度。

94、4)在微波光子干涉中加入光纤环，提升了温度传感灵敏度，减小了传感器的尺寸大小。

95、6)利用构造虚拟反射面，进一步提升温度传感灵敏度。