邁克爾遜干涉儀在光纖光柵傳感信號解調(diào)中的應用

陶傳義

?

邁克爾遜干涉儀在光纖光柵傳感信號解調(diào)中的應用

陶傳義

重慶理工大學光電信息學院

陶傳義（1984-）男，安徽安慶人，博士，重慶理工大學副教授，主要從事工程光學教學及光學傳感研究。

行業(yè)曲線

本文針對光纖光柵傳感器應用的關鍵技術，提出邁克爾遜干涉儀動態(tài)解調(diào)光纖布拉格光柵（FBG）傳感信號的方法，其原理是作用于FBG傳感器的動態(tài)應變引起光柵反射光譜波長移動，然后轉(zhuǎn)化為相位變化并被邁克爾遜干涉儀解調(diào)。在結構健康監(jiān)測領域起到重要的技術支撐作用。

如付諸現(xiàn)實將產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益。

信號解調(diào)是光纖光柵傳感器應用的關鍵技術之一。本文介紹邁克爾遜干涉儀動態(tài)解調(diào)光纖布拉格光柵（FBG）傳感信號的方法，其原理是作用于FBG傳感器的動態(tài)應變引起光柵反射光譜波長移動，然后轉(zhuǎn)化為相位變化并被邁克爾遜干涉儀解調(diào)。此方法可用于高頻動態(tài)測量，具有響應速度快、靈敏度高的特點。

光纖布拉格光柵（FBG）是一種波長調(diào)制器件，基于FBG的光纖傳感器易于多路復用并形成大型FBG傳感器網(wǎng)絡，已廣泛應用于應變、溫度和壓力的遠程光纖傳感。光纖光柵傳感信號的解調(diào)是光纖光柵傳感器應用的關鍵技術之一，主要包括濾波法、光源波長可調(diào)諧掃描法、干涉法等。其中干涉法是利用干涉儀將波長變化量轉(zhuǎn)化成相位變化量來實現(xiàn)解調(diào)。Krishnaswamy等開發(fā)一種基于InP光折變晶體的雙波混頻（TWM）干涉儀，可以解調(diào)小于250 pm的布拉格波長移動，能夠自適應地監(jiān)測高于300 kHz的動態(tài)波長移動（G. R. Kirikera， 2011）。邁克爾遜干涉儀是一種常見的光學干涉儀，由美國物理學家Albert Michelson發(fā)明。1887年Michelson和Morley使用此干涉儀進行了著名的Michelson-Morley實驗，證實以太不存在，啟發(fā)了狹義相對論。由于激光干涉儀能夠非常精確地測量干涉中的光程差，在當今的引力波探測中邁克爾遜干涉儀得到了相當廣泛的應用。邁克爾遜干涉解調(diào)響應速度快、分辨率高、適用于動態(tài)測量（O. Balogun， 2009）。本文介紹非平衡邁克爾遜干涉儀解調(diào)FBG光譜響應，此方法有望應用于實時監(jiān)測外來撞擊事件引起聲發(fā)射信號。

光纖光柵傳感信號干涉解調(diào)原理與方法

實驗裝置如圖1所示，主要由波長可調(diào)光纖環(huán)形激光器與非平衡邁克爾遜干涉儀兩部分構成， FBG作為波長選擇反射鏡。環(huán)形激光器的輸出光經(jīng)準直并功率等分為信號光束和參考光束。信號光和參考光沿著非平衡光路傳播到反射鏡，被反射后它們重新結合并進入兩個高速光電探測器，兩光束形成干涉前提條件是它們之間光程差d小于光源相干長度?c ，即其中λB是布拉格中心波長，?λ是環(huán)形激光器的輸出光線寬。參考光從固定于壓電執(zhí)行器（PZT）的反射鏡上反射回來。第一個光電探測器的電壓輸出接入PID反饋控制器以電控方式抖動PZT執(zhí)行器，從而將信號光和參考光的靜態(tài)相位差鎖定在正交狀態(tài)，阻止溫度和低頻波動引起的干涉漸漸偏離正交。干涉儀在正交狀態(tài)才能夠線性和高靈敏的解調(diào)動態(tài)波長移動。信號光反射鏡安裝在微調(diào)移動平臺，用于調(diào)節(jié)信號和參考光束之間的路程差。另一個光電探測器的輸出信號通過10MS/s數(shù)字示波器記錄，并連接計算機作數(shù)據(jù)處理。FBG反射光光譜移動?λB（t）引起的干涉光束相位差由下式給出

圖1　實驗裝置示意圖

圖2　撞擊信號的時間響應曲線

其中?n是環(huán)境引起的相位隨機偏移。邁克爾遜干涉儀干涉條紋由信號光和參考光的干涉疊加決定：

上式中，?0表示兩光束的初始相位差；γ12是與光程差有關的復相干度。PID控制器的反饋電壓能夠主動地補償任何準靜態(tài)漂移以鎖定干涉儀在正交狀態(tài)。因此光電探測器輸出信號s（t）僅僅與高頻光譜移動有關。

實驗中采用上述光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)探測金屬板受鋼珠撞擊產(chǎn)生的瞬時響應信號。圖2給出探測的撞擊信號的時間響應曲線。高頻聲發(fā)射傳感信號周期性地振蕩，撞擊信號的頻率從起始的約150 kHz逐漸降低。

總結

本文介紹了利用邁克爾遜干涉儀將傳感光柵波長變化量轉(zhuǎn)換成相位變化量的解調(diào)方法，此方法適用于動態(tài)應變測量，響應速度快，靈敏度高，可用于撞擊事件監(jiān)測。

基金項目：重慶市教育委員會科學技術研究項目資助 （No. KJ1500914）

DOI：10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.13.035