1 中国科学院电工研究所, 北京 100190
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院, 江苏 南京 211102
为解决相位生成载波-反正切解调算法(PGC-Atan)的非线性失真问题，搭建了基于改进型PGC-Atan算法的非本征型法珀传感器(EFPI)解调系统。首先，理论分析了载波相位调制深度(C)偏离最优值、伴生调幅、载波相位延迟等非线性因素对经典PGC-Atan算法中参与反正切运算的正弦与余弦两路信号的影响。然后，针对外调制或伴生调幅较小的情况，提出了一种基于系数补偿的改进型PGC-Atan算法(PGC-CC-Atan)。该算法通过构造与C值和载波相位延迟有关的系数，消除反正切运算中的非线性参数。针对内调制情况，提出了一种基于椭圆拟合的改进型PGC-Atan算法(PGC-EF-Atan)。该算法通过基于分块矩阵的最小二乘法拟合椭圆并提取3个椭圆参数，进而将受非线性因素影响的正弦与余弦两路信号校正为正交信号。最后，通过仿真验证了改进型算法的正确性，并采用高调制特性的垂直腔面发射激光器(VCSEL)和常规腔长的EFPI等搭建PGC解调系统，对比经典PGC-Atan算法与两种改进型算法的解调性能，证实了改进型算法非线性失真抑制的有效性。实验结果表明：一定C值范围内，两种改进型算法可在非线性因素影响下有效解调。PGC-EF-Atan算法相较于PGC-CC-Atan算法，解调信纳比提升了11.602 dB，总谐波失真降低了10.951%。两种改进型算法中，PGC-EF-Atan算法对非线性失真的抑制效果更好，且解调线性度良好，准确度高。
相位生成载波解调 非线性失真 椭圆拟合 光纤法珀传感器 phase generated carrier demodulation nonlinear distortion elliptic fitting fiber optic fabry-perot sensor
Author Affiliations
Abstract
The key Laboratory of Optoelectronic Technology & System (Ministry of Education), Chongqing University, Chongqing 400044, China
In this study, we present a dual-Fizeau-interferometer-based high-speed and wide-range fiber-optic Fabry-Perot (F-P) demodulation system. We employ two Fizeau interferometers with air cavity thickness satisfying the quadrature requirement to increase the demodulation speed and broaden the demodulation range in order to address the issues of the existing fiber F-P demodulation system’s sluggish demodulation rate and limited range. In order to investigate the demodulation properties of the dual-Fizeau-interferometer-based demodulation system, we derive and create a theoretical model of the system. The theoretical model, which primarily consists of the structural design of the interferometer and the study of the center wavelength of the light sources and their bandwidth selection, is used to construct the optical structure of the demodulation system. According to the calculation results, the demodulated signal exhibits the best contrast ratio when the two light sources’ respective center wavelengths are 780 nm and 850 nm, and their bandwidths are 28 nm and 30 nm. Finally, we finish evaluating the demodulation system’s demodulation performance, parameter calibration, and assembly debugging. The test results demonstrate the constant operation of the demodulation system, an update rate of 100 kHz, a demodulation range of 4.74 μm, and a cavity length resolution of approximately 5 nm. Additionally, the system can perform high speed demodulation thanks to the light emitting diode’s (LED’s) nanosecond level switching speed and the usage of a single point detector.
Fiber-optic Fabry-Perot sensor Fizeau interferometer LED optical path difference quadrature requirement Photonic Sensors
2023, 13(2): 230229
国防科技大学气象海洋学院，湖南 长沙 410073
本文提出了一种基于多波长平均的五步相移解调方案，解决非本征光纤法布里-珀罗（F-P）传感器阵列的串扰问题。以光纤F-P传感器的两基元并联复用系统为研究对象，探讨了基于五步相移解调方案的基本串扰理论以及多波长解调抑制串扰的具体方法。通过数值仿真研究了串扰与传感系统的消光比、平均波长数、波长间隔以及不同传感器基元腔长的关系，对单波长解调方案和多波长解调方案的串扰抑制效果进行了对比分析。结果表明，相较于单波长解调方案，多波长解调方案通过对多个连续工作点处的五步相移信号解调结果进行平均，降低了传感阵列的串扰。同时，该解调方案降低了对传感阵列光开关消光比和不同基元间腔长一致性的要求，有效推进了光纤F-P传感器阵列大规模复用的发展。
光纤传感阵列 光纤法布里-珀罗传感器 串扰抑制 相位解调 光学学报
2023, 43(23): 2306004
李雪萍 1,2,3王双 1,2,3,*张鹏 1,2,3江俊峰 1,2,3[ ... ]刘铁根 1,2,3
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
2 天津大学光电信息技术教育部重点实验室，天津 300072
3 天津大学光纤传感研究所，天津 300072
提出一种飞轮型耦合振膜光纤法布里-珀罗（F-P）声矢量传感器。该传感器通过两个飞轮结构振膜的相邻辐条自然耦合，形成面内膜间桥耦合结构。仿真结果表明，基于振膜耦合增益原理的飞轮型光纤声矢量传感器振膜具有摇摆和弯曲两种振动模态，可实现数千赫兹宽频率范围的相位差放大，从而提高传感器定向精度。两个飞轮型振膜与光纤端面构成两个独立的F-P微腔传感单元，通过光学干涉信号强度提取得到振膜的振动信号。对所制备的传感器在5~7.4 kHz频率范围内进行二维平面声源定向实验，实验结果与仿真结果符合良好，该传感器在5~7.4 kHz的宽频率范围内具有相位差放大效果，在7.2 kHz处取得最大相位差增益5.05。
光纤光学 F-P传感器 声矢量 摇摆模态 耳间相位差 光学学报
2023, 43(20): 2006002
1 国网江苏省电力有限公司泰州供电分公司，江苏 泰州 225300
2 上海大学特种光纤与光接入网重点实验室，上海 200444
为了研究光纤传感器在超声波检测方面的应用，提出了一种膜片式光纤法布里-珀罗（F-P）传感器的结构和制备方法。首先探究了声场中放置距离和角度对膜片式光纤F-P超声传感器的声振动敏感膜片形变量的影响，仿真得到光纤F-P传感器的传感效果随距离、角度的增加而下降，然后提出了一种基于熔接、切割、抛磨方式制备的膜片式光纤F-P超声传感器，最后对该传感器的传感性能进行了实验验证。实验结果显示，提出的传感器的频率探测范围为20~80 kHz，信噪比不小于25 dB。此传感器的制备使用全焊接方式，与传统的胶连接方式相比，结构更稳定，使用寿命更长，因此在电网局部放电检测等场景中具有广泛的应用前景。
光纤光学与光通信 光纤法布里-珀罗传感器 膜片 超声波 信噪比 激光与光电子学进展
2023, 60(15): 1506002
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of Optical Fiber Sensing & Communications (Ministry of Education), University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China
2 Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory, Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610213, China
3 School of Information and Communication Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China
A length-matched micro Fabry-Perot (FP) interferometer is proposed for strain measurement under irradiation environment. Theoretical simulation shows that a well length-matched FP sensor can achieve a very low drift of the cavity length and strain sensitivity in irradiation environment. In experiment, such an FP cavity is realized by laser micromachining. It shows a low cavity length drift of -0.037 μm and a strain sensitivity deviation of 0.52%, respectively, under gamma irradiation. Meanwhile, the intensity of interference fringes is also stable. As a result, such a length-matched FP cavity is a very promising candidate for strain sensing in radiative environments.
Gamma radiation Fabry-Perot sensor radiation-induced compaction strain sensing Photonic Sensors
2022, 12(4): 220418
1 中国科学院电工研究所，北京 100190
2 中国科学院大学，北京 100049
光纤法布里-珀罗传感器以灵敏度高、抗干扰能力强等优点在医疗检测、水声探测、电力监测等领域受到了广泛的关注。光源参数、传感头结构与解调方法是制约光纤法布里-珀罗传感器检测能力的主要因素。对光纤法布里-珀罗传感器解调，即从携带法布里-珀罗传感器腔长信息的输出光信号中提取腔长信息。该腔长信息映射出了传感头所感受到的振动、位移、加速度、温度等待测量信息。一种好的解调方法能够提高光纤法布里珀罗传感器的解调速度、分辨率、动态范围等性能，而光纤法布里-珀罗传感器的解调方法多达数十种，针对特定的应用场景如何选择适宜的解调方法往往令人困扰。本文首先介绍了光纤法布里-珀罗传感器的输出信号特征，然后从原理上详述了常见解调方法的影响因素，并介绍了国内外研究单位提出的多种改进方法，最后从解调方法的适用范围及光纤法布里-珀罗传感器的复用技术两方面出发，提出了解调方法的选取原则。
1 武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室, 湖北 武汉 430070
2 武汉理工大学信息工程学院, 湖北 武汉 430070
光纤F-P传感器是光纤传感的重要分支, 具有检测精度高、测量动态范围大、本征防爆等优点, 在工业领域已经得到了广泛的研究和应用。对于超过1 000 ℃的高温恶劣环境, 普通电类传感器已经无法满足应用需求。近年来, 许多专家学者投身于耐高温光纤F-P传感器的研制, 通过不断地优化、改进传感器的结构、制备工艺以及选用新型耐高温材料, 得到了诸多结构新颖、性能优良的耐高温传感器。从F-P腔的干涉原理出发, 介绍了光纤F-P传感器的感知机理, 分别综述了光纤F-P温度、压力、应变、振动以及复合型传感器的研究进展, 并分析了当前研究所面临的难题和挑战。最后对光纤F-P传感器的发展现状进行总结, 并对其未来发展趋势进行展望。
光纤F-P传感器 高温 F-P干涉 多物理量 压力 fiber Fabry-Perot sensor high temperature Fabry-Perot interference multiple physical quantities pressure
哈尔滨理工大学 电气与电子工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150080
为解决非本征光纤法布里-珀罗(Extrinsic Fiber Fabry-Perot Interferometor, EFPI)在电力变压器内体绝缘安装困难且易损坏的问题, 设计了高灵敏度的EFPI传感器, 提出采用油腔结构的变压器油箱壁外置式安装方法。在阐述EFPI传感和液气介质下膜片振动原理的基础上, 分析了传感器检测灵敏度与其法-珀腔膜片尺寸的关系, 设计EFPI传感器法-珀腔膜片尺寸并制备传感器。然后, 设计外置油腔耦合结构, 采用压电陶瓷(Piezoelectric, PZT)声发射传感器构建EFPI传感器性能测试系统, 测得EFPI传感器的幅频特性和检测灵敏度。最后, 使用板-板电极和变压器实体模型搭建局放检测系统, 外置EFPI传感器与PZT传感器同时探测电极局放信号。实验结果表明: EFPI传感器的一阶固有谐振频率为113 kHz, 静压灵敏度为7.5 nm/kPa, 外置油腔耦合结构EFPI传感器局放超声信号的检测灵敏度高于传统的PZT传感器。外置结构可有效保护传感器膜片, 降低安装难度, 且避免了EFPI传感器置于变压器绝缘高场强度区域带来的安全隐患。
光纤传感器 法布里-珀罗传感器 局放超声检测 外置耦合 幅频特性 optical fiber sensor Fabry-Perot sensor partial discharge ultrasonic detection external coupling amplitude-frequency characteristics
湖北师范大学物理与电子科学学院, 湖北 黄石 435002
利用飞秒激光油液辅助的加工方式,在单模光纤端面附近制作出20 μm直径的精密柱形微孔。利用微孔与光纤端面形成了具有明显光拍和游标效应的法布里-珀罗传感器,实现了对环境参数的测量。实验结果显示了传感器对外界温度、湿度、折射率以及气压具有较好的线性响应,传感器具有-0.0669 dB/℃的低温灵敏度、0.74 nm/%RH的湿度灵敏度、6.5 nm/RIU的折射率灵敏度、12.23 pm/℃的高温灵敏度以及1.743 dB/MPa的气压灵敏度。该传感器具有制作简单、性能稳定、结构紧凑等优点。
激光光学 飞秒激光精密加工 光纤微孔 光纤传感 游标效应 法布里-珀罗传感器 激光与光电子学进展
2020, 57(11): 111425
