迈克尔逊干涉仪在光纤光栅传感信号解调中的应用

陶传义



迈克尔逊干涉仪在光纤光栅传感信号解调中的应用

陶传义

重庆理工大学光电信息学院

陶传义（1984-）男，安徽安庆人，博士，重庆理工大学副教授，主要从事工程光学教学及光学传感研究。

行业曲线

本文针对光纤光栅传感器应用的关键技术，提出迈克尔逊干涉仪动态解调光纤布拉格光栅（FBG）传感信号的方法，其原理是作用于FBG传感器的动态应变引起光栅反射光谱波长移动，然后转化为相位变化并被迈克尔逊干涉仪解调。在结构健康监测领域起到重要的技术支撑作用。

如付诸现实将产生较大的经济效益。

信号解调是光纤光栅传感器应用的关键技术之一。本文介绍迈克尔逊干涉仪动态解调光纤布拉格光栅（FBG）传感信号的方法，其原理是作用于FBG传感器的动态应变引起光栅反射光谱波长移动，然后转化为相位变化并被迈克尔逊干涉仪解调。此方法可用于高频动态测量，具有响应速度快、灵敏度高的特点。

光纤布拉格光栅（FBG）是一种波长调制器件，基于FBG的光纤传感器易于多路复用并形成大型FBG传感器网络，已广泛应用于应变、温度和压力的远程光纤传感。光纤光栅传感信号的解调是光纤光栅传感器应用的关键技术之一，主要包括滤波法、光源波长可调谐扫描法、干涉法等。其中干涉法是利用干涉仪将波长变化量转化成相位变化量来实现解调。Krishnaswamy等开发一种基于InP光折变晶体的双波混频（TWM）干涉仪，可以解调小于250 pm的布拉格波长移动，能够自适应地监测高于300 kHz的动态波长移动（G. R. Kirikera， 2011）。迈克尔逊干涉仪是一种常见的光学干涉仪，由美国物理学家Albert Michelson发明。1887年Michelson和Morley使用此干涉仪进行了著名的Michelson-Morley实验，证实以太不存在，启发了狭义相对论。由于激光干涉仪能够非常精确地测量干涉中的光程差，在当今的引力波探测中迈克尔逊干涉仪得到了相当广泛的应用。迈克尔逊干涉解调响应速度快、分辨率高、适用于动态测量（O. Balogun， 2009）。本文介绍非平衡迈克尔逊干涉仪解调FBG光谱响应，此方法有望应用于实时监测外来撞击事件引起声发射信号。

光纤光栅传感信号干涉解调原理与方法

实验装置如图1所示，主要由波长可调光纤环形激光器与非平衡迈克尔逊干涉仪两部分构成， FBG作为波长选择反射镜。环形激光器的输出光经准直并功率等分为信号光束和参考光束。信号光和参考光沿着非平衡光路传播到反射镜，被反射后它们重新结合并进入两个高速光电探测器，两光束形成干涉前提条件是它们之间光程差d小于光源相干长度∆c ，即其中λB是布拉格中心波长，∆λ是环形激光器的输出光线宽。参考光从固定于压电执行器（PZT）的反射镜上反射回来。第一个光电探测器的电压输出接入PID反馈控制器以电控方式抖动PZT执行器，从而将信号光和参考光的静态相位差锁定在正交状态，阻止温度和低频波动引起的干涉渐渐偏离正交。干涉仪在正交状态才能够线性和高灵敏的解调动态波长移动。信号光反射镜安装在微调移动平台，用于调节信号和参考光束之间的路程差。另一个光电探测器的输出信号通过10MS/s数字示波器记录，并连接计算机作数据处理。FBG反射光光谱移动∆λB（t）引起的干涉光束相位差由下式给出

图1　实验装置示意图

图2　撞击信号的时间响应曲线

其中ϕn是环境引起的相位随机偏移。迈克尔逊干涉仪干涉条纹由信号光和参考光的干涉叠加决定：

上式中，ϕ0表示两光束的初始相位差；γ12是与光程差有关的复相干度。PID控制器的反馈电压能够主动地补偿任何准静态漂移以锁定干涉仪在正交状态。因此光电探测器输出信号s（t）仅仅与高频光谱移动有关。

实验中采用上述光纤光栅解调系统探测金属板受钢珠撞击产生的瞬时响应信号。图2给出探测的撞击信号的时间响应曲线。高频声发射传感信号周期性地振荡，撞击信号的频率从起始的约150 kHz逐渐降低。

总结

本文介绍了利用迈克尔逊干涉仪将传感光栅波长变化量转换成相位变化量的解调方法，此方法适用于动态应变测量，响应速度快，灵敏度高，可用于撞击事件监测。

基金项目：重庆市教育委员会科学技术研究项目资助 （No. KJ1500914）

DOI：10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.13.035