本發(fā)明涉及光纖傳感，尤其涉及一種微波光子光纖干涉?zhèn)鞲衅黛`敏度增強系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、光纖干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)以其優(yōu)異的傳感特性、結(jié)構(gòu)特性和環(huán)境適應(yīng)性，在工業(yè)檢測與科學(xué)研究等領(lǐng)域的精密測量中占據(jù)重要地位，該技術(shù)主要采用光纖法布里-珀羅干涉儀(fabry-perot?interferometer,fpi)、光纖邁克爾遜干涉儀、以及光纖馬赫-曾德干涉儀等結(jié)構(gòu)作為傳感器件。光纖干涉?zhèn)鞲衅?optical?fiber?interferometric?sensor,ofis)具有靈敏度高、抗電磁干擾、結(jié)構(gòu)緊湊輕質(zhì)、機械兼容性好、以及多物理場耦合檢測等優(yōu)點，通過提取其光程差變化量來解調(diào)目標傳感參量。當(dāng)前用于光纖干涉?zhèn)鞲衅鞯慕庹{(diào)方法包括單波長光強度解調(diào)法和寬光譜干涉解調(diào)法，前者根據(jù)特定波長下的光強度變化進行解調(diào)，后者基于寬光譜范圍中的周期性干涉條紋進行解調(diào)。然而，這兩種方法均受制于光譜分析設(shè)備的性能，高分辨率光譜儀雖能提升解調(diào)精度，但其設(shè)備成本高昂，且高分辨率意味著較低的數(shù)據(jù)采樣速率，嚴重制約了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度和工程實用性。此外，周期性干涉光譜信號固有的自由光譜范圍限制可能造成解調(diào)結(jié)果的周期性模糊，導(dǎo)致最大可檢測光程差變化量存在理論閾值，為突破該限制需引入復(fù)雜的光譜重構(gòu)算法，這不僅顯著增加信號處理難度和時間，還會顯著降低傳感系統(tǒng)的長期測量穩(wěn)定性與可靠性。

2、采用微波光子技術(shù)可以在色散元件的作用下，基于波長-時間映射將光纖干涉儀的干涉光譜信息轉(zhuǎn)換為微波光子帶通濾波器的頻率響應(yīng)信息。通過監(jiān)測通帶頻率的變化，可以獲取光纖干涉儀的光程差變化信息，并解調(diào)得到相應(yīng)的待測參量，從而克服單波長光反射強度解調(diào)和干涉光譜漂移解調(diào)的動態(tài)范圍限制與周期性模糊問題。然而，基于微波光子帶通濾波器通帶頻率漂移的解調(diào)系統(tǒng)靈敏度較低，且其通帶線寬通常較寬，解調(diào)難度較大且無法有效用于精密測量，導(dǎo)致微波光子光纖干涉?zhèn)鞲衅鞯撵`敏度較低的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在基于微波光子帶通濾波器通帶頻率漂移的解調(diào)靈敏度較低，導(dǎo)致微波光子光纖干涉?zhèn)鞲衅鞯撵`敏度較低且難以有效用于精密測量的問題，本發(fā)明的目的在于提出一種微波光子光纖干涉?zhèn)鞲衅黛`敏度增強系統(tǒng)，能夠有效提高基于微波光子帶通濾波器通帶頻率漂移的解調(diào)靈敏度，進而提升微波光子光纖干涉?zhèn)鞲衅鞯撵`敏度。

2、為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)：

3、一種微波光子光纖干涉?zhèn)鞲衅黛`敏度增強系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：設(shè)置于同一光路上的寬帶光源、光纖耦合器、光纖干涉?zhèn)鞲衅?、窄帶濾波元件、摻鉺光纖放大器、電光調(diào)制器、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、色散模塊及光電探測器；

4、所述寬帶光源用于輸出低相干光作為光載波，所述光纖耦合器用于將所述寬帶光源輸出的光載波傳輸至光纖干涉?zhèn)鞲衅骱驼瓗V波元件，并將承載二者的疊加光譜的混合光載波傳輸至摻鉺光纖放大器；

5、所述光纖干涉?zhèn)鞲衅饔糜诟鶕?jù)接收的光載波產(chǎn)生對應(yīng)的干涉光譜，所述窄帶濾波元件用于根據(jù)接收的光載波產(chǎn)生對應(yīng)的窄帶光譜，所述光纖耦合器將二者光譜進行耦合合路，產(chǎn)生的疊加光譜在所述摻鉺光纖放大器作用下得到強度放大；

6、所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀產(chǎn)生調(diào)制微波信號并傳輸至所述電光調(diào)制器，所述電光調(diào)制器將調(diào)制微波信號調(diào)制到承載疊加光譜的光載波上，從而生成光載微波信號；

7、所述色散模塊將光載微波信號攜帶的光譜信息從波長域轉(zhuǎn)換到時域并傳輸至光電探測器，所述光電探測器將光載微波信號進行光-電轉(zhuǎn)換為電信號并傳輸至所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀以獲取整個系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。

8、在上述技術(shù)方案中，為了提高微波光子濾波器使能的光纖干涉?zhèn)鞲衅髟诰軠y量中的性能，通過光纖耦合器將光纖干涉?zhèn)鞲衅鞯母缮婀庾V對應(yīng)的通帶頻率響應(yīng)和窄帶濾波元件的窄帶光譜對應(yīng)的平坦頻率響應(yīng)進行相干微波疊加，從而在通帶中產(chǎn)生對干涉光譜信息更加敏感的陷波，其頻率和強度均與光纖干涉?zhèn)鞲衅鞴獬滩钕嚓P(guān)；通過基于相干微波疊加的陷波解調(diào)機制，可以顯著提高微波光子光纖干涉?zhèn)鞲衅鞯膫鞲徐`敏度。

9、優(yōu)選地，所述窄帶濾波元件為光纖布拉格光柵或其他光學(xué)帶通濾波器。

10、所述寬帶光源輸出的光載波的波長范圍為1525nm至1565nm；

11、所述窄帶濾波元件的窄帶光譜中心波長為1550nm，反射率為90％；

12、所述色散模塊的色散系數(shù)d為-675ps/nm@1545nm。

13、在上述技術(shù)方案中，將所述寬帶光源輸出的光載波的波長范圍設(shè)置為1525nm至1565nm，以獲取具有足夠多周期的干涉光譜，從而抑制在波長-時間映射的有限長度信號傅里葉變換過程中產(chǎn)生的頻譜泄露，有助于得到更理想的通帶頻率響應(yīng)。

14、優(yōu)選地，所述光纖干涉?zhèn)鞲衅髋c窄帶濾波元件的微波光子頻率響應(yīng)的相干微波疊加形成的系統(tǒng)總頻率響應(yīng)表達式為：

15、h(ω)＝hofis(ω)+hfbg(ω)

16、其中，hofis(ω)表示光纖干涉?zhèn)鞲衅鞯奈⒉ü庾宇l率響應(yīng)，hfbg(ω)表示窄帶濾波元件的微波光子頻率響應(yīng)。

17、優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括單模光纖，用于將任意兩個元件進行連接并用于光載波傳播。

18、在上述技術(shù)方案中，設(shè)置的單模光纖只允許基模在其中傳播，不存在模式色散，光信號在傳輸過程中失真小、衰減低，能夠?qū)崿F(xiàn)長距離的信號傳輸。

19、優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括同軸電纜，所述同軸電纜用于將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀產(chǎn)生的調(diào)制微波信號的傳輸至所述電光調(diào)制器，以及將所述光電探測器的電信號傳輸至所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。

20、優(yōu)選地，所述光纖干涉?zhèn)鞲衅鳛楣饫w法布里-珀羅干涉儀。

21、優(yōu)選地，所述光纖法布里-珀羅干涉儀包括依次連接的輸入單模光纖、空芯光纖及輸出單模光纖；

22、所述空芯光纖的長度為775μm，內(nèi)徑為50μm。

23、優(yōu)選地，所述光纖干涉?zhèn)鞲衅鳛榉瓷湫凸饫w干涉?zhèn)鞲衅骰蛲干湫凸饫w干涉?zhèn)鞲衅鳎?/p>

24、所述光纖耦合器的端口為2×2，分光比為1:1；

25、或所述光纖耦合器的端口為1×2，分光比為1:1，其中，端口為1×2的所述光纖耦合器至少為一對。

26、相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于：

27、本發(fā)明提出一種微波光子光纖干涉?zhèn)鞲衅黛`敏度增強系統(tǒng)，通過引入基于窄帶光譜的平坦頻率響應(yīng)，通過相干微波疊加在基于干涉光譜的微波光子濾波通帶中產(chǎn)生對干涉光譜變化更加敏感的陷波，顯著提升了微波光子光纖干涉?zhèn)鞲衅鞯撵`敏度；此外，相干微波疊加所產(chǎn)生陷波的頻率以及該頻率下的強度均與干涉光譜信息相關(guān)，增加了用于傳感解調(diào)的數(shù)據(jù)維度；本發(fā)明所述的微波光子光纖干涉?zhèn)鞲衅黛`敏度增強系統(tǒng)適用范圍廣，可用于提升反射型和透射型等各種具有類周期性干涉光譜特征的微波光子光纖干涉?zhèn)鞲衅鞯撵`敏度。

1.一種微波光子光纖干涉?zhèn)鞲衅黛`敏度增強系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括：設(shè)置于同一光路上的寬帶光源(101)、光纖耦合器(103)、光纖干涉?zhèn)鞲衅?104)、窄帶濾波元件(105)、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(108)、色散模塊(110)及光電探測器(111)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波光子光纖干涉?zhèn)鞲衅黛`敏度增強系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)將窄帶濾波元件(105)的窄帶光譜對應(yīng)的平坦頻率響應(yīng)相干微波疊加到光纖干涉?zhèn)鞲衅?104)的干涉光譜對應(yīng)的通帶頻率響應(yīng)中，以使系統(tǒng)最終在微波通帶中產(chǎn)生對干涉光譜信息更加敏感的陷波。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波光子光纖干涉?zhèn)鞲衅黛`敏度增強系統(tǒng)，其特征在于，所述窄帶濾波元件(105)為光纖布拉格光柵或其他光學(xué)帶通濾波器。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波光子光纖干涉?zhèn)鞲衅黛`敏度增強系統(tǒng)，其特征在于，所述寬帶光源(101)輸出的光載波的波長范圍為1525nm至1565nm；

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波光子光纖干涉?zhèn)鞲衅黛`敏度增強系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖干涉?zhèn)鞲衅?104)與窄帶濾波元件(105)的微波光子頻率響應(yīng)的相干微波疊加形成的系統(tǒng)總頻率響應(yīng)表達式為：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波光子光纖干涉?zhèn)鞲衅黛`敏度增強系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括單模光纖(102)，用于將任意兩個元件進行連接，并用于光載波傳播。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波光子光纖干涉?zhèn)鞲衅黛`敏度增強系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括摻鉺光纖放大器(106)，用于將所述光纖耦合器(103)輸出的光載波進行強度放大。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波光子光纖干涉?zhèn)鞲衅黛`敏度增強系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括電光調(diào)制器(107)與同軸電纜(109)，所述同軸電纜(109)用于將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(108)產(chǎn)生的調(diào)制微波信號傳輸至電光調(diào)制器(107)，所述電光調(diào)制器(107)用于將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(108)產(chǎn)生的調(diào)制微波信號調(diào)制在攜帶有光纖干涉?zhèn)鞲衅?104)和窄帶濾波元件(105)二者光譜信息的光載波上，形成光載微波信號。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波光子光纖干涉?zhèn)鞲衅黛`敏度增強系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖干涉?zhèn)鞲衅?104)為光纖法布里-珀羅干涉儀；

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波光子光纖干涉?zhèn)鞲衅黛`敏度增強系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖干涉?zhèn)鞲衅?104)為反射型光纖干涉?zhèn)鞲衅骰蛲干湫凸饫w干涉?zhèn)鞲衅鳎?/p>
技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種微波光子光纖干涉?zhèn)鞲衅黛`敏度增強系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：設(shè)置于同一光路上的寬帶光源、光纖耦合器、光纖干涉?zhèn)鞲衅?、窄帶濾波元件、光纖放大器、電光調(diào)制器、色散模塊、光電探測器以及矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀；為了提高微波光子濾波器使能的光纖干涉?zhèn)鞲衅髟诰軠y量中的性能，通過光纖耦合器將光纖干涉?zhèn)鞲衅鞯耐◣ьl率響應(yīng)和窄帶濾波元件的平坦頻率響應(yīng)進行相干微波疊加，從而在通帶中產(chǎn)生對干涉光譜信息更加敏感的陷波，其頻率和強度均與光纖干涉?zhèn)鞲衅鞴獬滩钕嚓P(guān)。通過本發(fā)明提出的基于相干微波疊加的陷波解調(diào)機制，可以顯著提高微波光子光纖干涉?zhèn)鞲衅鞯膫鞲徐`敏度。

技術(shù)研發(fā)人員：李世雨,路沛彧,汪卓穎,李紅旭,遲榮華
受保護的技術(shù)使用者：無錫學(xué)院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/6/26