陶傳義

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邁克爾遜干涉儀在光纖光柵傳感信號(hào)解調(diào)中的應(yīng)用

陶傳義

重慶理工大學(xué)光電信息學(xué)院

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

行業(yè)曲線

本文針對(duì)光纖光柵傳感器應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，提出邁克爾遜干涉儀動(dòng)態(tài)解調(diào)光纖布拉格光柵（FBG）傳感信號(hào)的方法，其原理是作用于FBG傳感器的動(dòng)態(tài)應(yīng)變引起光柵反射光譜波長(zhǎng)移動(dòng)，然后轉(zhuǎn)化為相位變化并被邁克爾遜干涉儀解調(diào)。在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域起到重要的技術(shù)支撐作用。

如付諸現(xiàn)實(shí)將產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。

信號(hào)解調(diào)是光纖光柵傳感器應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文介紹邁克爾遜干涉儀動(dòng)態(tài)解調(diào)光纖布拉格光柵（FBG）傳感信號(hào)的方法，其原理是作用于FBG傳感器的動(dòng)態(tài)應(yīng)變引起光柵反射光譜波長(zhǎng)移動(dòng)，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(dòng)態(tài)測(cè)量，具有響應(yīng)速度快、靈敏度高的特點(diǎn)。

光纖布拉格光柵（FBG）是一種波長(zhǎng)調(diào)制器件，基于FBG的光纖傳感器易于多路復(fù)用并形成大型FBG傳感器網(wǎng)絡(luò)，已廣泛應(yīng)用于應(yīng)變、溫度和壓力的遠(yuǎn)程光纖傳感。光纖光柵傳感信號(hào)的解調(diào)是光纖光柵傳感器應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要包括濾波法、光源波長(zhǎng)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(zhǎng)變化量轉(zhuǎn)化成相位變化量來(lái)實(shí)現(xiàn)解調(diào)。Krishnaswamy等開(kāi)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(zhǎng)移動(dòng)，能夠自適應(yīng)地監(jiān)測(cè)高于300 kHz的動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)移動(dòng)（G. R. Kirikera， 2011）。邁克爾遜干涉儀是一種常見(jiàn)的光學(xué)干涉儀，由美國(guó)物理學(xué)家Albert Michelson發(fā)明。1887年Michelson和Morley使用此干涉儀進(jìn)行了著名的Michelson-Morley實(shí)驗(yàn)，證實(shí)以太不存在，啟發(fā)了狹義相對(duì)論。由于激光干涉儀能夠非常精確地測(cè)量干涉中的光程差，在當(dāng)今的引力波探測(cè)中邁克爾遜干涉儀得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。邁克爾遜干涉解調(diào)響應(yīng)速度快、分辨率高、適用于動(dòng)態(tài)測(cè)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(yīng)，此方法有望應(yīng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外來(lái)撞擊事件引起聲發(fā)射信號(hào)。

光纖光柵傳感信號(hào)干涉解調(diào)原理與方法

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，主要由波長(zhǎng)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(gòu)成， FBG作為波長(zhǎng)選擇反射鏡。環(huán)形激光器的輸出光經(jīng)準(zhǔn)直并功率等分為信號(hào)光束和參考光束。信號(hào)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(jié)合并進(jìn)入兩個(gè)高速光電探測(cè)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(zhǎng)度?c ，即其中λB是布拉格中心波長(zhǎng)，?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(lái)。第一個(gè)光電探測(cè)器的電壓輸出接入PID反饋控制器以電控方式抖動(dòng)PZT執(zhí)行器，從而將信號(hào)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(dòng)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(dòng)態(tài)波長(zhǎng)移動(dòng)。信號(hào)光反射鏡安裝在微調(diào)移動(dòng)平臺(tái)，用于調(diào)節(jié)信號(hào)和參考光束之間的路程差。另一個(gè)光電探測(cè)器的輸出信號(hào)通過(guò)10MS/s數(shù)字示波器記錄，并連接計(jì)算機(jī)作數(shù)據(jù)處理。FBG反射光光譜移動(dòng)?λB（t）引起的干涉光束相位差由下式給出

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖2　撞擊信號(hào)的時(shí)間響應(yīng)曲線

其中?n是環(huán)境引起的相位隨機(jī)偏移。邁克爾遜干涉儀干涉條紋由信號(hào)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(guān)的復(fù)相干度。PID控制器的反饋電壓能夠主動(dòng)地補(bǔ)償任何準(zhǔn)靜態(tài)漂移以鎖定干涉儀在正交狀態(tài)。因此光電探測(cè)器輸出信號(hào)s（t）僅僅與高頻光譜移動(dòng)有關(guān)。

實(shí)驗(yàn)中采用上述光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)探測(cè)金屬板受鋼珠撞擊產(chǎn)生的瞬時(shí)響應(yīng)信號(hào)。圖2給出探測(cè)的撞擊信號(hào)的時(shí)間響應(yīng)曲線。高頻聲發(fā)射傳感信號(hào)周期性地振蕩，撞擊信號(hào)的頻率從起始的約150 kHz逐漸降低。

總結(jié)

本文介紹了利用邁克爾遜干涉儀將傳感光柵波長(zhǎng)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(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量，響應(yīng)速度快，靈敏度高，可用于撞擊事件監(jiān)測(cè)。

基金項(xiàng)目：重慶市教育委員會(huì)科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目資助 （No. KJ1500914）

DOI：10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.13.035