邁克爾遜干涉儀在光纖光柵傳感信號解調中的應用

陶傳義

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邁克爾遜干涉儀在光纖光柵傳感信號解調中的應用

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解調光纖布拉格光柵（FBG）傳感信號的方法，其原理是作用于FBG傳感器的動態應變引起光柵反射光譜波長移動，然后轉化為相位變化并被邁克爾遜干涉儀解調。在結構健康監測領域起到重要的技術支撐作用。

如付諸現實將產生較大的經濟效益。

信號解調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解調光纖布拉格光柵（FBG）傳感信號的方法，其原理是作用于FBG傳感器的動態應變引起光柵反射光譜波長移動，然后轉化為相位變化并被邁克爾遜干涉儀解調。此方法可用于高頻動態測量，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化成相位變化量來實現解調。Krishnaswamy等開發一種基于InP光折變晶體的雙波混頻（TWM）干涉儀，可以解調小于250 pm的布拉格波長移動，能夠自適應地監測高于300 kHz的動態波長移動（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。邁克爾遜干涉解調響應速度快、分辨率高、適用于動態測量（O. Balogun， 2009）。本文介紹非平衡邁克爾遜干涉儀解調FBG光譜響應，此方法有望應用于實時監測外來撞擊事件引起聲發射信號。

光纖光柵傳感信號干涉解調原理與方法

實驗裝置如圖1所示，主要由波長可調光纖環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。環形激光器的輸出光經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是環形激光器的輸出光線寬。參考光從固定于壓電執行器（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執行器，從而將信號光和參考光的靜態相位差鎖定在正交狀態，阻止溫度和低頻波動引起的干涉漸漸偏離正交。干涉儀在正交狀態才能夠線性和高靈敏的解調動態波長移動。信號光反射鏡安裝在微調移動平臺，用于調節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數字示波器記錄，并連接計算機作數據處理。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漂移以鎖定干涉儀在正交狀態。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系統探測金屬板受鋼珠撞擊產生的瞬時響應信號。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換成相位變化量的解調方法，此方法適用于動態應變測量，響應速度快，靈敏度高，可用于撞擊事件監測。

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