基于法布里-珀罗传感器的解调研究

王心愿

(中国电子科技集团公司第四十六研究所 天津 300220)

0 引 言

光纤法布里-珀罗传感器(简称 F-P传感器)具有体积小、灵敏度高、不受电磁场和恶劣环境影响、适合于远程信号处理以及可以复用等众多优点，在军事和民用设施上得到了广泛应用[1-2]。在光纤 F-P传感测量系统中，最重要的部分是腔长解调部分，它直接影响了系统的稳定性、测量准确性。

光纤法珀压力传感系统由光纤压力传感器和解调模块构成。光纤压力传感器基于光纤法布里-珀罗干涉仪，也就是平行平板的多光束干涉原理，若采用微加工技术制作光纤法珀传感器，可使其尺寸更小，重量更轻，且光纤法珀传感器具有不受电磁干扰、无电磁反射、属于电无缘器件、危险性小、耐恶劣环境、可远程监测等优势。光纤压力传感器由压力膜片、光纤(光纤包层直径 125μm)和传感器体(可小至1.8mm)组成。压力膜片和光纤端面构成法布里-珀罗干涉腔的 2个反射面，光纤用于光信号的输入、输出，传感器体用于光纤定位和提供膜片支撑。当外界压力作用于压力膜片时，压力膜片产生变形，与光纤端面的距离发生变化，从而将压力信息调制在法珀腔长上。通过选择相应的压力膜片厚度和支撑半径等参数，可以适应不同压力测量范围，也可实现绝对压力和相对压力测量[3]。

对传感器腔长的解调，可以在波长域进行，如传统的峰峰法解调，但是传统的峰峰法具有解调速度慢的缺点，因此我们选择采用多个F-P传感器进行联动解调。

1 解调原理

强度解调法是较早得到应用的一种解调方法。图1为法珀腔输出光强与法珀腔腔长之间的关系曲线。当传感器腔长 L的变化量很小，且变化范围小于λ/4(如图中腔长范围在Δ的区域内)时，传感器的输出光强I与腔长L之间呈线性关系，若测量出传感器的光强值 I，根据光强与腔长之间的关系，就可以解调出传感器的腔长L[3]。

图1 强度与腔长关系图Fig.1 Relation between strength and cavity length

当宽带光源在光纤中传播通过耦合器后，接着进入法布干涉器，在介质的上下表面产生多次反射与透射，产生多光束的平行平板干涉现象，再经过耦合器被光谱仪接收。当上下表面的反射率为 R，距离为 l，入射波长为λ，初始光强为 I0，根据多光束的干涉原理，其反射光强Ir分布为[4]：

当反射率 R的值接近于 0时，反射光强的分母项将接近于 1，可以用双光束干涉来近似多光束干涉，则式(1)可变换为式(2)：

且光波长λ与光频率v、光速c有着以下关系：

所以将式(3)代入式(2)可以得到：

强度解调系统的结构如图2所示。该系统结构比较简单，主要包括光源、耦合器、传感器以及光电探测器。从理论上讲强度解调法比较简单，只要使系统确保传感器输出光强和腔长之间是一一对应的关系，就可以进行腔长的解调。这使得该方法的解调精度依赖于光源的稳定性，但受温度等因素的影响，光源的波长和输出功率都会产生变化，所以强度解调法解调精度通常较低[3]。

图2 系统结构图Fig.2 System structure

2 结果分析

据上述结论，当腔长变化信息超过单个传感器量程时，即光程差变化超过 2倍腔长时，就会产生腔长解调错误。故使用多个传感器共同解调，选择不同量程的 F-P传感器，大量程的传感器只提供是否产生2倍腔长变化的信息，小量程高精度的传感器提供确定的、精密的腔长信息。因此，此种方法既可以提高强度解调法的运算速度，也可以保持解调的精度。如图3所示，让2个传感器测量同一个观测点的压力信息。小量程传感器压力量程为 50，此时光强为 2；大量程传感器压力量程为 100时光强为 2，压力为 50时光强为1。

图3 传感器压力与光强对应关系Fig.3 Relation between sensor pressure and light intensity

小量程传感器在其量程内，由公式(4)可以得到腔长与光强的关系。当超过量程时，即在 T1时刻，小量程传感器光强 I2为 1，若只有单个传感器参考，则会把压力信息解调错误(解调结果为 23，实际为73)。但是若有大量程传感器作参考，只要判断大传感器的光强是否大于小量程传感器的最大量程时大传感器的光强，即在 T1时刻，判断 I1是否大于 1：若大于则说明大传感器压力超过 50，小流量传感器压力超过50。此时由公式(4)得到：

若没有超过(小于)，则：

此方法有助于保证解调精度，扩大传感器的测量范围，且提高了解调时间，操作实施简单，为今后更高质量的传感测量系统构建提供了解决途径。