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1、相位调制型 光纤传感器 Fiber Optic Sensors 相位调制型 光纤传感器的分类 n功能型 按照被调制的光波参数 n强度调制型 n相位调制型 n频率调制型 n波长调制型 n偏振调制型 n核心技术光调制技术 入射光波出射光波 入射光波的特征参量：相位 外界因素： 温度，压力，电 磁场，位移 相位调制型 特点 n特点： 干涉测量灵敏度高 直接测量物理量：应力（压力10-7Pa）、应变（10-7）、 温度（10-8） 、电磁场 多参量同时测量、灵活 需要特殊光纤单模、保偏、增敏、去敏 入 射 光 波 出 射 光 波 Is t 相位调制区 信 号 参考信道 相位调制型 *干涉效果的定量表征
2、条纹的清晰度 o清晰度 o条纹的反衬度K（对比度） 来定量表征清晰度 o K=1: 清晰度最大完全相干 o K=0: 清晰度最低非相干 o 0K1: 部分相干 o三个因素：光源大小、非单 色性；两相干光波的振幅比 o当A1=A2时，K=1； 而A1与A2相差 越多，K值越小 相位调制型 v原子前后发出的两列光波相互独立独立 没 有固定的位相关系 v两个发光原子同时同时发出的波列形成的干涉 图样只能在极短极短的时间内存在 v接收器只能记录到强度的平均值平均值 *相干条件（产生干涉的条件） 在观察时间内，许多波列都通过P点 如果各时刻到达的波列的位相差无规则变化，则 P点是任意的 不不发生干涉现象
3、。 如果两光波的位相固定不变，则有 相位调制型 v干涉的三个必要条件 v两叠加光波的位相差固定不变 v振动方向相同 v频率相同 v定义：相干光波、相干光源 v补充条件 v利用原子发出的同一波列 v光程差要小于波列长度 相干条件 相位调制型 光纤中的相位调制 n应力/应变调制 n温度调制 n可以转化的调制 相位调制型 1 相位调制机理 n应力应变效应 通过长L的光纤，出射光 波的相位延迟： 光波在外界因素影响下 的相位变化： 材料折射率变化与应变 的关系参考书（76-77 ） 应变效应光弹效应泊松效应 相位调制型 传感机理 n例31：水和空气对应的分别为610-6K/Pa 和910-2K/Pa
4、n说明： 水声传感时 温度变化项完全可以忽略 裸光纤放在空气中时 温度变化项反而是压力 变化项的2103倍 灵敏度比水声高一个数量 级 相位调制型 1 相位调制机理contd n温度应变效应类似于应力应变效应 仅考虑径向折射率变化时： 对于四层光纤，考虑边界条件： 相位调制型 1 相位调制机理contd n多层结构的考虑： 纤芯、包层、衬底、一次涂敷、二次涂敷 结论： n二次涂敷对单模光纤的灵敏度影响最大。 nMZ干涉仪中，声压力产生的温度效应 n实现应变的方法： PZT 光纤 相位调制型 2 光纤干涉仪的类型 nMach-Zehnder干涉仪和Michelson干涉仪 nFabry-Pero
5、t干涉仪 nSagnac干涉仪（环形腔） n相位压缩原理与微分干涉仪 n白光干涉 相位调制型 干涉测量原理 n双光束干涉： n多光束干涉 n结论 R：反射率；：相邻光束的相位差 相位调制型 2 光纤干涉仪1-2 nMach-Zehnder干涉仪和Michelson干涉仪 n干涉光强: n外界因素引起 L 和 n 的变化： LD 探测臂 参考臂 干涉条纹 耦合器耦合器 LD 探测臂 参考臂 PD 信号处理 光纤反射端面 固定 可移动 耦合器 波导效应，可忽略 相位调制型 2 光纤干涉仪1-2condt nMZ干涉仪的应用例线性调频外差型干涉仪 固定光程差（10cm由光源线宽决定） 检测：锁相、比
6、较和计数 解决： n条纹高细分困难，导致精度不高 n测量灵敏度和精度随光程差改变； n易受外界环境影响等 n用声光调制器的外差式干涉结构复杂、体积大、调制频率范围 小的矛盾 DFB 驱动 光栅写入装置 折射率变化区 隔离器耦合器耦合器 相位调制型 2 光纤干涉仪3 nSagnac干涉仪 结构 优势： n无活动部件 n无非线性效应 n无闭锁区 LD PD 耦合器 1 2l a光束 b光束 R - /20 B Id 2 光强-相移关系 相位调制型 2 光纤干涉仪3contd 4个问题 n互易性与偏振态 同光路：一个耦合器附加光程差 同模式：使用单模光纤 同偏振态：对保偏光纤的需求 n偏置与相位调制
7、 余玄函数近零点（低转速）灵敏度很低 n光子噪声 基本限制影响信噪比 n寄生效应的影响与消除 直接动态效应：温度，应力 反射和Rayleigh散射 Faraday效应 光Kerr效应 45度和动态偏置： 无转动部件；偏置点稳定 调制方法： 外差调制 磁光调制调相附加45度相移 声光调制调频 相位调制型 2 光纤干涉仪3contd 相位调制型 2 光纤干涉仪3contd 光纤陀螺仪的应用状况 1.战略导弹系统和潜艇导航应用； 2.卫星定向和跟踪； 3.战术武器制导与控制系统； 4.各种运载火箭应用； 5.姿态航向基准系统； 6.舰船、导弹和军民用飞机的惯性导航； 7.陆地导航系统(+GPS)；
8、8.天体观测望远镜的稳定和调向； 9.汽车导航仪、天线摄像机的稳定、石 油钻井定向、机器人控制、各种极限作业 的控制置等工业和民用领域。 相位调制型 2 光纤干涉仪4多光束干涉 nFabry-Perot干涉仪 原理 FFPI的结构 2个重要参数 n自由谱区宽度FSR n条纹细度 Laser 光 探 测 量 传感器 相位调制型 2 光纤干涉仪4 多光束干涉 contd nFFPI的应用 FBG 信号解调系统 FFPI传感器 相位调制型 2 光纤干涉仪5多光束干涉 contd n光纤环形腔干涉仪 自由谱区宽度（FSR） 干涉细度F： 耦合器 激光输入 光输出 光纤环 13 24 I3-L I4-L
9、 相位调制型 相位压缩与微分干涉仪 n相位压缩原理 普通的干涉仪的共同缺点 n温度敏感 n长相干长度的光源 n信号处理电路复杂 n干涉项相位差的余弦函数 限制了它们的线性输出范围 n线性函数近似正弦函数 在正交工作状态下：0.25rad输入相位差线性度误差 相位压缩 n干涉仪的相位信号限定在线性范围线性范围之内 n测量的相位为干涉光束相位差的变化量变化量 n实现方法： 固定的时间间隔内测量相位差 时间间隔t可以从延时光纤得到 例例：以MZ干涉仪为例 调制信号的相位变化为 相位变化量幅值为 定义相位压缩系数为相位差幅值与相位差变化量幅值之比 设L3km，fs50Hz，01.3m，n1.46, L
10、=2m， 则sm11.01rad，snm0.05rad，于是PCF220.2。 放大器探测器 3dB耦合器 y(t) 光 源 3dB耦合器 arcsin-1 d(t) S(t) /2 s(t) s(t) x2(t-)x2(t) x1(t) 放大器探测器 3dB耦合器 y(t) 光 源 3dB耦合器 arcsin-1 d(t) S(t) /2 s(t) s(t) x2(t-)x2(t) x1(t) 相位调制型 相位压缩与微分干涉仪 n微分干涉仪 一个延迟线圈和一个调制器 非平衡马赫泽德干涉仪：LD光源、l16cm 探测器 3dB耦合器 PC 光源 3dB耦合器 PZT 3 1 ISO 3 1 2
11、 2 相位调制型 2 光纤干涉仪6白光干涉 解决的问题：实现绝对测量 原理：2个干涉仪构成 FPPI Michelson干涉仪 A B LED 耦合器 信号处理 LD PD A B C 耦合器 相位调制型 2 光纤干涉仪6白光干涉 n白光干涉的优点与问题 优点： n绝对测量 n抗干扰能力强系统分辨率与光源稳定性、光纤扰动 等无关 问题：低相干度光源的获得、零级干涉条纹的检 测 n应用 相位调制型 * 相位信号解调技术 n干涉仪的信号解调 n光纤锁相环方案 nPGC（phase generator carrier)方案 相位调制型 干涉仪的解调方案 n主动零差法 n被动零差法 n普通外差法 n合
12、成外差法 n伪外差法 零差法 外差法 相位调制型 零差法 n零差方式：直接将相位变化 电信号 主动零差法（Active homodyne method ） n目的：解决相位工作点的漂移 n方案：控制 l 正交工作点工作；/2 n类型 主动相位跟踪零差法（APTH, Active phase tracking homodyne） 主动波长调谐零差法（AWTH, Active wavelength tuning homodyne） 被动零差法（Passive homodyne method ） n目的：不控制干涉仪的工作点 n方案：两臂的相位差将不断改变 使用两个强度差 最大的信号解调 保持最佳灵
13、敏度 n类型举例 微分交叉相乘法 相位载波生成法（PGC，Phase generated carrier）28 和33耦合器法29 相位调制型 33耦合器法 n缺点： 动态范围仍然受到解调电路的限制 复杂 n优点：传感器的相位解调范围大大增加 探测器1 光源 传感光纤 耦合器耦合器 探测器3 探测器2 相位调制型 外差法 n普通外差法 关键：移频器 n合成外差法 避免移频器件的使用相位调制器 高频大幅度的正弦信号控制相位调制器 n伪外差法 锯齿波 调制激光器的工作电流 探测器1 光源 传感光纤 耦合器耦合器 探测器2 解 调 器 +0 相位调制型 外差法的比较 n普通外差法 相位解调范围最大，
14、在理论上没有限制 需要特殊的移频器件 n合成外差法 相位解调范围大 解调电路复杂性最高。 n伪外差法 各方面的性能比较平衡，最常用解调方法 相位调制型 光纤锁相环方法 n又称：直流相位跟踪法 Michealson干涉仪 S(t)很小时 设正交工作点， 此时灵敏度最大。 反射膜 DFB PZT 带通滤波器 光电转换 信号 耦合器 反馈电路 输出信号V0 Vf 相位调制型 系统稳定性 n温度漂移和有限电源电压 温度每升高一度同轴型光纤干涉仪相位漂移 104rad左右(待测信号10rad) 复位系统 n光源功率波动 光纤布线引起 相位调制型 PGC方法 n锁相环方法 简单、精度高 PZT不利于成网
15、nPGC方法 光源直接调制无反馈器件 开环系统无稳定型问题 大动态范围、利用频分复用组网 实现：硬件、软件 LPF1 Hcos(2ct) Gcos(ct) 输出 d/dt LPF2d/dt 输入 HF DA 相位调制型 干涉式位移传感器 n反射干涉型位移传感器 n特点： 完全同光路 结构紧凑，灵活 LFM可提高灵敏度 相位调制型 相位干涉型位移传感器 n两臂光程l固定，当光源频率f 或波长变化时干涉条纹的 级次随之变化 n例：1km光纤、腔长5cm， 腔长位移： LD 1 2 干涉条纹 耦合器耦合器 位移腔长 相位调制型 动态压力传感器 n水声传感 n静压力变化p, 光纤长度l，产 生相位差： 相位调制型 温度传感器 nMZ型 相位调制型 温度传感器contd nFP型 相位调制型 磁场传感器 nMZ传感器 (a) (b) (c) 同步放大器 相位补偿器 磁致伸缩敏感单元耦合器耦合器激光器 探测器1 探测器2 相位调制型 电流传感器 n金属被覆式 n磁致伸缩式 相位调制型 设计举例磁场传感器 n设计：一个可探测10-6T的磁场传感器 n步骤： 1、确定方案 n1）调研综述：已有可测量10-6T的方案 n2）可行性论证： 精度估算： 测量范围 测量条件：温、湿度、动态范围、材料的获取、成本等 2、实验验
