相位調(diào)制型教材

相位調(diào)制型

光纖傳感器FiberOpticSensors光纖傳感器的分類功能型按照被調(diào)制的光波參數(shù)

強(qiáng)度調(diào)制型相位調(diào)制型頻率調(diào)制型波長調(diào)制型偏振調(diào)制型核心技術(shù)—光調(diào)制技術(shù)入射光波出射光波入射光波的特征參量：相位

外界因素：溫度，壓力，電磁場，位移特點特點：干涉測量靈敏度高直接測量物理量：應(yīng)力（壓力10-7Pa）、應(yīng)變（10-7）、 溫度（10-8℃）、電磁場多參量同時測量、靈活需要特殊光纖－單模、保偏、增敏、去敏入射光波出射光波Ist相位調(diào)制區(qū)信號參考信道*干涉效果的定量表征－條紋的清晰度清晰度條紋的反襯度K（對比度）來定量表征清晰度

K=1:清晰度最大－完全相干

K=0:清晰度最低－非相干

0<K<1:部分相干三個因素：光源大小、非單色性；兩相干光波的振幅比當(dāng)A1=A2時，K=1；而A1與A2相差越多，K值越小

原子前后發(fā)出的兩列光波相互獨立

沒有固定的位相關(guān)系兩個發(fā)光原子同時發(fā)出的波列形成的干涉圖樣只能在極短的時間內(nèi)存在接收器只能記錄到強(qiáng)度的平均值

*相干條件（產(chǎn)生干涉的條件）在觀察時間

內(nèi)，許多波列都通過P點如果各時刻到達(dá)的波列的位相差δ無規(guī)則變化，則

P點是任意的

不發(fā)生干涉現(xiàn)象。如果兩光波的位相δ固定不變，則有

干涉的三個必要條件兩疊加光波的位相差固定不變振動方向相同頻率相同定義：相干光波、相干光源補(bǔ)充條件利用原子發(fā)出的同一波列光程差要小于波列長度相干條件光纖中的相位調(diào)制應(yīng)力/應(yīng)變調(diào)制溫度調(diào)制可以轉(zhuǎn)化的調(diào)制1相位調(diào)制機(jī)理應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)通過長L的光纖，出射光波的相位延遲：光波在外界因素影響下的相位變化：材料折射率變化與應(yīng)變的關(guān)系參考書（76-77）應(yīng)變效應(yīng)光彈效應(yīng)泊松效應(yīng)傳感機(jī)理例3?1：水和空氣對應(yīng)的分別為6×10-6K/Pa和9×10-2K/Pa說明：水聲傳感時

溫度變化項完全可以忽略裸光纖放在空氣中時

溫度變化項反而是壓力變化項的2×103倍

靈敏度比水聲高一個數(shù)量級1相位調(diào)制機(jī)理 cont’d溫度應(yīng)變效應(yīng)－類似于應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)僅考慮徑向折射率變化時：對于四層光纖，考慮邊界條件：1相位調(diào)制機(jī)理 cont’d多層結(jié)構(gòu)的考慮：纖芯、包層、襯底、一次涂敷、二次涂敷…結(jié)論：二次涂敷對單模光纖的靈敏度影響最大。MZ干涉儀中，聲壓力產(chǎn)生的溫度效應(yīng)實現(xiàn)應(yīng)變的方法：PZT光纖2光纖干涉儀的類型Mach-Zehnder干涉儀和Michelson干涉儀Fabry-Perot干涉儀Sagnac干涉儀（環(huán)形腔）相位壓縮原理與微分干涉儀白光干涉干涉測量原理雙光束干涉：多光束干涉結(jié)論R：反射率；φ：相鄰光束的相位差2光纖干涉儀1-2 Mach-Zehnder干涉儀和Michelson干涉儀干涉光強(qiáng):外界因素引起L和n的變化：LD探測臂參考臂干涉條紋耦合器耦合器LD探測臂參考臂PD信號處理光纖反射端面固定可移動耦合器波導(dǎo)效應(yīng)，可忽略2光纖干涉儀1-2 cond’tMZ干涉儀的應(yīng)用例－線性調(diào)頻外差型干涉儀固定光程差（～10cm－由光源線寬決定）檢測：鎖相、比較和計數(shù)解決：條紋高細(xì)分困難，導(dǎo)致精度不高測量靈敏度和精度隨光程差改變；易受外界環(huán)境影響等用聲光調(diào)制器的外差式干涉結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、調(diào)制頻率范圍小的矛盾DFB驅(qū)動光柵寫入裝置折射率變化區(qū)隔離器耦合器耦合器2光纖干涉儀3 Sagnac干涉儀結(jié)構(gòu)優(yōu)勢：無活動部件無非線性效應(yīng)無閉鎖區(qū)LDΩPD耦合器12Δla光束b光束ΩR-πππ/20BId2φ光強(qiáng)-相移關(guān)系2光纖干涉儀3 cont’d4個問題互易性與偏振態(tài)同光路：一個耦合器附加光程差同模式：使用單模光纖同偏振態(tài)：對保偏光纖的需求偏置與相位調(diào)制余玄函數(shù)近零點（低轉(zhuǎn)速）靈敏度很低光子噪聲基本限制影響信噪比寄生效應(yīng)的影響與消除直接動態(tài)效應(yīng)：溫度，應(yīng)力反射和Rayleigh散射Faraday效應(yīng)光Kerr效應(yīng)45度和動態(tài)偏置： 無轉(zhuǎn)動部件；偏置點穩(wěn)定調(diào)制方法： 外差調(diào)制 磁光調(diào)制－調(diào)相－附加45度相移 聲光調(diào)制－調(diào)頻2光纖干涉儀3 cont’d2光纖干涉儀3 cont’d光纖陀螺儀的應(yīng)用狀況1.戰(zhàn)略導(dǎo)彈系統(tǒng)和潛艇導(dǎo)航應(yīng)用；2.衛(wèi)星定向和跟蹤；3.戰(zhàn)術(shù)武器制導(dǎo)與控制系統(tǒng)；4.各種運載火箭應(yīng)用；5.姿態(tài)／航向基準(zhǔn)系統(tǒng)；

6.艦船、導(dǎo)彈和軍民用飛機(jī)的慣性導(dǎo)航；7.陸地導(dǎo)航系統(tǒng)(+GPS)；8.天體觀測望遠(yuǎn)鏡的穩(wěn)定和調(diào)向；9.汽車導(dǎo)航儀、天線／攝像機(jī)的穩(wěn)定、石油鉆井定向、機(jī)器人控制、各種極限作業(yè)的控制置等工業(yè)和民用領(lǐng)域。2光纖干涉儀4－多光束干涉Fabry-Perot干涉儀原理FFPI的結(jié)構(gòu)2個重要參數(shù)自由譜區(qū)寬度FSR條紋細(xì)度Laser光探測量傳感器2光纖干涉儀4－多光束干涉

cont’dFFPI的應(yīng)用FBG信號解調(diào)系統(tǒng)FFPI傳感器2光纖干涉儀5－多光束干涉cont’d光纖環(huán)形腔干涉儀自由譜區(qū)寬度（FSR）干涉細(xì)度F：耦合器激光輸入光輸出光纖環(huán)1 32 4I3-βLI4-βL相位壓縮與微分干涉儀相位壓縮原理普通的干涉儀的共同缺點溫度敏感長相干長度的光源信號處理電路復(fù)雜干涉項－相位差的余弦函數(shù)限制了它們的線性輸出范圍線性函數(shù)近似正弦函數(shù)在正交工作狀態(tài)下：<0.25rad輸入相位差

１％線性度誤差相位壓縮干涉儀的相位信號限定在線性范圍之內(nèi)測量的相位為干涉光束相位差的變化量

實現(xiàn)方法：固定的時間間隔Ｔ內(nèi)測量相位差時間間隔t可以從延時光纖得到

例：以MZ干涉儀為例調(diào)制信號的相位變化為相位變化量幅值為定義相位壓縮系數(shù)為相位差幅值與相位差變化量幅值之比設(shè)L＝3km，fs＝50Hz，λ0＝1.3μm，n＝1.46,L=2μm，則φsm＝11.01rad，φsnm＝0.05rad，于是PCF＝220.2。放大器探測器3dB耦合器y(t)光源3dB耦合器arcsin-1d(t)S(t)τπ/2Φs(t)Φs(t)τx2(t-τ)x2(t)x1(t)放大器探測器3dB耦合器y(t)光源3dB耦合器arcsin-1d(t)S(t)τπ/2Φs(t)Φs(t)τx2(t-τ)x2(t)x1(t)相位壓縮與微分干涉儀微分干涉儀一個延遲線圈和一個調(diào)制器非平衡馬赫－澤德干涉儀：LD光源、Δl＝16cm

探測器3dB耦合器PC光源3dB耦合器τPZT3’1’ISO3122’2光纖干涉儀6－白光干涉解決的問題：實現(xiàn)絕對測量原理：2個干涉儀構(gòu)成

FPPIMichelson干涉儀ABLED耦合器信號處理LDPDA’B’C耦合器2光纖干涉儀6－白光干涉白光干涉的優(yōu)點與問題優(yōu)點：絕對測量抗干擾能力強(qiáng)－系統(tǒng)分辨率與光源穩(wěn)定性、光纖擾動等無關(guān)問題：低相干度光源的獲得、零級干涉條紋的檢測應(yīng)用*相位信號解調(diào)技術(shù)干涉儀的信號解調(diào)光纖鎖相環(huán)方案PGC（phasegeneratorcarrier)方案干涉儀的解調(diào)方案主動零差法被動零差法普通外差法合成外差法偽外差法零差法外差法零差法零差方式：直接將相位變化

電信號主動零差法（Activehomodynemethod）目的：解決相位工作點的漂移方案：控制

Δl

正交工作點工作；Δφ＝π/2類型主動相位跟蹤零差法（APTH,Activephasetrackinghomodyne）主動波長調(diào)諧零差法（AWTH,Activewavelengthtuninghomodyne）被動零差法（Passivehomodynemethod）目的：不控制干涉儀的工作點方案：兩臂的相位差將不斷改變

使用兩個強(qiáng)度差最大的信號解調(diào)保持最佳靈敏度

類型舉例微分交叉相乘法相位載波生成法（PGC，Phasegeneratedcarrier）[28]和3×3耦合器法[29]

3×3耦合器法缺點：動態(tài)范圍仍然受到解調(diào)電路的限制復(fù)雜優(yōu)點：傳感器的相位解調(diào)范圍大大增加探測器1光源傳感光纖耦合器耦合器探測器3探測器2外差法普通外差法關(guān)鍵：移頻器合成外差法避免移頻器件的使用相位調(diào)制器高頻大幅度的正弦信號－控制相位調(diào)制器偽外差法鋸齒波

調(diào)制激光器的工作電流探測器1光源傳感光纖耦合器耦合器探測器2解調(diào)器+ω0外差法的比較普通外差法相位解調(diào)范圍最大，在理論上沒有限制需要特殊的移頻器件合成外差法相位解調(diào)范圍大解調(diào)電路復(fù)雜性最高。偽外差法各方面的性能比較平衡，最常用解調(diào)方法光纖鎖相環(huán)方法又稱：直流相位跟蹤法Michealson干涉儀S(t)很小時設(shè)正交工作點，此時靈敏度最大。反射膜DFBPZT帶通濾波器光電轉(zhuǎn)換信號耦合器反饋電路輸出信號V0Vf系統(tǒng)穩(wěn)定性溫度漂移和有限電源電壓溫度每升高一度

同軸型光纖干涉儀相位漂移104rad左右(待測信號<10rad)復(fù)位系統(tǒng)光源功率波動光纖布線引起PGC方法鎖相環(huán)方法簡單、精度高PZT－不利于成網(wǎng)PGC方法光源直接調(diào)制－無反饋器件開環(huán)系統(tǒng)－無穩(wěn)定型問題大動態(tài)范圍、利用頻分復(fù)用組網(wǎng)實現(xiàn)：硬件、軟件LPF1H·cos(2ωct)G·cos(ωct)輸出d/dtLPF2d/dt輸入HF∫DA干涉式位移傳感器反射干涉型位移傳感器特點：完全同光路結(jié)構(gòu)緊湊，靈活LFM可提高靈敏度相位干涉型位移傳感器兩臂光程l固定，當(dāng)光源頻率f或波長λ變化時干涉條紋的級次隨之變化例：1km光纖、腔長5cm， 腔長位移：LD12干涉條紋耦合器耦合器位移－腔長動態(tài)壓力傳感器水聲傳感靜壓力變化Δp,光纖長度l，產(chǎn)生相位差：溫度傳感