專利名稱：使用推挽雙波長法布里-珀羅傳感器的光纖聲傳感器系統(tǒng)和方法
使用推挽雙波長法布里-珀羅傳感器的光纖聲傳感器系統(tǒng)
和方法相關(guān)申請的交叉引用基于2008年7月10日提交的美國臨時(shí)申請S/N. 61/134，509，申請人為本申請要 求優(yōu)先權(quán)。
背景技術(shù)：
本發(fā)明一般涉及用于在光纖傳感器陣列中用來感測聲壓變化的法布里-珀羅 (Fabry-Perot)干涉儀。本發(fā)明尤其涉及用于感測聲壓的雙波長法布里-珀羅傳感器系統(tǒng)。已多次提出在光纖聲傳感器陣列中使用法布里-珀羅傳感器。但是所面臨的難題 在于難以用法布里-珀羅干涉儀實(shí)現(xiàn)這種傳感器陣列。光纖傳感器系統(tǒng)具有與激光源、光 纖中的時(shí)間相關(guān)偏振效應(yīng)、以及激光源和傳感器之間與傳感器和光電二極管檢測器之間的 其它干擾相關(guān)聯(lián)的功率波動。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供雙波長法布里-珀羅干涉儀傳感器系統(tǒng)，其克服現(xiàn)有干涉儀聲傳感器 系統(tǒng)中由光功率波動造成的問題。根據(jù)本發(fā)明的光纖傳感器系統(tǒng)包括產(chǎn)生波長為λ A的光信號的第一相干光信號 源，安排成接收波長為λΑ的光信號的第一光纖，產(chǎn)生波長為λΒ的光信號的第二相干光信 號源，安排成接收波長為λ Β的光信號的第二光纖，安排成分別從第一和第二光纖接收波長 為入4和λ光信號的輸入波分多路復(fù)用器，安排成從波分多路復(fù)用器接收波長為入4和 λ Β兩者的光信號的信號傳輸光纖，耦合到信號傳輸光纖且安排成從該光纖接收波長為λ Α 和入Β的光信號的雙波長法布里-珀羅干涉儀傳感器陣列，該雙波長法布里-珀羅干涉儀 傳感器陣列安排成以推挽模式操作以便于響應(yīng)于入射到雙波長法布里-珀羅干涉儀傳感 器陣列的聲壓波來產(chǎn)生干涉儀輸出信號，耦合到信號傳輸光纖以響應(yīng)于干涉儀輸出信號產(chǎn) 生電信號的檢測器陣列，以及用于處理來自檢測器陣列的電信號以指示來自聲壓波的壓力 的信號處理器。根據(jù)本發(fā)明的光纖傳感器陣列可進(jìn)一步包括安排成控制光信號通過信號傳輸光 纖的傳輸?shù)墓馔〝嚅_關(guān)。雙波長法布里-珀羅干涉儀傳感器陣列可包括連接到光開關(guān)的時(shí)分多路復(fù)用體 系結(jié)構(gòu)，其中多個(gè)光耦合器將相應(yīng)的多個(gè)雙波長法布里-珀羅干涉儀傳感器耦合到信號傳 輸光纖；以及安排成將從多個(gè)法布里-珀羅干涉儀傳感器輸出的光信號分成具有λ Α波長 的第一輸出信號和具有λ Β波長的第二輸出信號的輸出波分多路復(fù)用器。雙波長法布里-珀羅干涉儀傳感器陣列可替代地包括多個(gè)雙波長法布里-珀羅 干涉儀傳感器的扇出體系結(jié)構(gòu)，這些傳感器耦合到輸入波分多路復(fù)用器以從輸入波分多路 復(fù)用器接收波長為λΒ的光信號；以及耦合到扇出體系結(jié)構(gòu)的光電檢測器陣列，以使 其中的每個(gè)雙波長法布里-珀羅干涉儀傳感器具有一輸出，該輸出耦合到安排成檢測波長為λA的信號的第一相應(yīng)光電檢測器并且耦合到安排成檢測波長為λΒ的信號的第二相應(yīng) 光電檢測器。該光纖傳感器陣列可包括法布里-珀羅干涉儀傳感器，該法布里-珀羅干涉儀傳 感器形成為包括單模光纖、裝在單模光纖的端部從而延伸超出該端部距離w_的插芯、裝 在該插芯之上用于形成被包圍區(qū)域的隔膜，該隔膜安排成接收聲壓波，該隔膜可相對于單 模光纖的端部移動以響應(yīng)于聲壓波中的壓力變化來調(diào)制隔膜和單模光纖端部之間的距離， 在該被包圍區(qū)域中存在流體；以及具有多模芯的端部的多模光纖，該多模芯安排成使在單 模光纖中傳播的波長為入4和λ 光信號遭遇多重反射且產(chǎn)生發(fā)散光束，該發(fā)散光束包括 穿過隔膜傳播且射入多模芯的端部的波長為λΒ的干涉信號。附圖簡述

圖1示出用光纖形成的反射模式法布里-珀羅干涉儀；圖2圖解地示出圖1的反射模式法布里-珀羅干涉儀對于1550nm波長的作為間 隙寬度的函數(shù)的反射率；圖3圖解地示出圖1的反射模式法布里-珀羅干涉儀對于1550nm第一波長和 1480nm第二波長的作為間隙寬度的函數(shù)的反射率；圖4圖解地示出圖1的反射模式法布里-珀羅干涉儀對于1550nm第一波長和 1475. 5nm第二波長的作為間隙寬度的函數(shù)的反射率；圖5圖解地示出圖1的反射模式法布里-珀羅干涉儀對于1550nm第一波長和 1480nm第二波長的作為間隙寬度的函數(shù)的能見度；圖6圖解地示出圖1的反射模式法布里-珀羅干涉儀對于1550nm第一波長和 1480nm第二波長的作為間隙寬度的函數(shù)的能見度斜率；圖7圖解地示出圖1的反射模式法布里-珀羅干涉儀對于以單推模式操作的兩個(gè) 波長的作為間隙寬度的函數(shù)的反射率；圖8圖解地示出圖1的反射模式法布里-珀羅干涉儀對于以單推模式操作的兩個(gè) 波長的作為間隙寬度的函數(shù)的反射率比；圖9圖解地示出反射模式法布里-珀羅干涉儀對于以單推模式操作的兩個(gè)波長的 作為間隙寬度的函數(shù)的反射率比的斜率；圖10示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的時(shí)分多路復(fù)用(TDM)雙波長反射模式法布 里-珀羅傳感器陣列；圖11示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的連續(xù)波(CW)雙波長反射模式扇出法布里-珀羅 傳感器陣列；圖12示出傳輸模式法布里-珀羅干涉儀；圖13示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的連續(xù)波(CW)雙波長傳輸模式法布里-珀羅傳感 器陣列，其包括根據(jù)圖12的多個(gè)傳輸模式法布里-珀羅干涉儀；圖14圖解地示出對于以推挽模式操作的圖9的傳輸模式法布里-珀羅干涉儀的 作為間隙寬度的函數(shù)的信號傳輸；圖15圖解地示出對于以推挽模式操作的圖9的傳輸模式法布里-珀羅干涉儀的 作為間隙寬度的函數(shù)的傳輸能見度比；以及圖16圖解地示出對于以推挽模式操作的圖9的傳輸模式法布里-珀羅干涉儀的作為間隙寬度的函數(shù)的輸出能見度斜率。
具體實(shí)施例方式圖1示出為了納入到光纖傳感器陣列而設(shè)計(jì)的法布里-珀羅干涉儀20。法布 里-珀羅干涉儀20包括光纖22，該光纖具有芯M和包圍芯M的包層26。光纖通常具有 保護(hù)套(未示出)。在圖1所示的光纖22的部分中，套已被移除且用插芯觀來替代，該插 芯28優(yōu)選為由中空玻璃棒形成。插芯28的端30延伸超出芯M和包層沈一小段距離以 形成小腔32。隔膜34接合到插芯觀的外端30以使在隔膜34和光纖端38之間存在小間 隙36。隔膜34可由二氧化硅形成。間隙36優(yōu)選為用諸如油或者其它物質(zhì)的流體填充，該 其它物質(zhì)具有與水良好匹配的阻抗。光纖22中的光波離開光纖端38且進(jìn)入填充有流體的間隙36。在間隙36的遠(yuǎn)側(cè) 上，隔膜；34響應(yīng)于水環(huán)境中的入射聲壓波移動。光從光纖芯M的端38和隔膜34的內(nèi)表 面40兩者反射回光纖22。光纖端38和隔膜表面40各自的反射率隊(duì)和R2,以及間隙寬度 W_s確定多少光返回至光纖22。反射率是光纖芯M和隔膜表面40的特性。間隙寬度是入 射到隔膜34上的聲波中的壓力的函數(shù)。光纖端38和隔膜34的面向光纖梢38的表面40可具有涂層42和44，在光纖端38 和隔膜34的表面40上分別形成的涂層42和44用于增強(qiáng)反射率。涂層可包括介電材料或 者金屬材料。光纖稍38和隔膜34之間的間隙寬典型地小于50微米。如果間隙寬 度太大，則離開光纖稍38的光通過一定程度的衍射來擴(kuò)散，該衍射程度可達(dá)到在兩次穿過 間隙36后，光的極小部分可耦合返回到光纖22的程度。對于15微米或更小的間隙寬度， 對以1550nm傳播光的單模光纖而言該衍射擴(kuò)散因子是可忽略的。圖2圖解地示出圖1的反射模式法布里-珀羅干涉儀對于1550nm波長的作為間 隙寬度的函數(shù)的反射率。法布里-珀羅干涉儀10的返回至光纖12的反射功率Rfp由下式給出
R1 + R2-I^W2 COS(4^im) 明—⑴間隙中的流體的折射率為n.ffi#。圖2示出作為間隙寬度的函數(shù)的回到光纖的反射 功率和鏡面反射率的曲線圖。該曲線圖示出在| = 583nm的倍數(shù)處的反射功率最小值，其
中λ為1550nm且流體為具有η = 1. 33的折射率的水。經(jīng)匹配的0. 3,0. 6和0. 82的鏡面
反射率示出當(dāng)反射率上升時(shí)共振傾斜顯著變窄。僅對于反射率匹配的情況，該共振傾斜變 為零。與最高反射率相關(guān)聯(lián)的銳度為16。在共振傾斜的各側(cè)上，隨間隙寬度改變的反射率的斜率或改變在約30%的反射率 處為最大值。這是傳感器的操作點(diǎn)。在該點(diǎn)處，隔膜的小位移造成間隙寬度的小改變以在 回到光纖22的功率中產(chǎn)生最大改變。雙波長推挽方法圖3和4示出對于兩個(gè)波長λ Β的作為兩個(gè)波長間隙的函數(shù)的回到光纖12的反射功率的曲線圖。兩個(gè)曲線圖示出在約30%的反射功率處相互交叉的兩條跡線。圖3 的圖4的比較示出波長的小變化造成期望間隙寬度的顯著改變。已選擇約1480和1550nm 的兩個(gè)波長。這些是常見波長，其通過小型且便宜的波分多路復(fù)用器(WDM)可容易地彼此 分開。在與交叉點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的間隙寬度處，間隙寬度的小改變增大一個(gè)波長的反射功率并 將另一波長的反射功率減小相似量。該推挽行為在形成聲傳感器時(shí)可具有優(yōu)勢。兩個(gè)反射 功率的差是任一個(gè)單獨(dú)隨間隙寬度中的小改變而變化時(shí)的兩倍。為了在光纖傳感器陣列中實(shí)現(xiàn)該配置，應(yīng)當(dāng)考慮更多因素。包含兩個(gè)波長處的所接收功率的比率的方法可克服這些難題。在兩個(gè)波長處的反 射功率的能見度函數(shù)可由下式給出
權(quán)利要求
1.一種光纖傳感器系統(tǒng)(37)，包括產(chǎn)生波長為λ 4的光信號的第一相干光信號源06)，安排成接收所述波長為λ Α的光信號的第一光纖(50)，產(chǎn)生波長為λ 光信號的第二相干光信號源08)，安排成接收所述波長為λ B的光信號的第二光纖(52)，安排成分別從所述第一和第二光纖(50、5幻接收λΒ的所述光信號的輸入波分 多路復(fù)用器(54)；安排成從所述輸入波分多路復(fù)用器(54)接收波長為λB兩者的光信號的信號傳 輸光纖(62)；耦合到所述信號傳輸光纖(56)且安排成從所述光纖接收波長為λ Β的光信號的 雙波長法布里-珀羅干涉儀傳感器(1-4)陣列(39)，所述雙波長法布里-珀羅干涉儀傳感 器(1-4)陣列(39)安排成響應(yīng)于入射到所述雙波長法布里-珀羅干涉儀傳感器(1-4)陣 列(39)的聲壓波來產(chǎn)生干涉儀輸出信號，所述法布里-珀羅干涉儀傳感器(1-4)形成為具 有響應(yīng)于所述聲壓波中的壓力變化以推挽模式操作的信號輸出；耦合到所述信號傳輸光纖(6 以響應(yīng)于所述干涉儀輸出信號產(chǎn)生電信號的檢測器陣 列(73)；以及用于處理來自所述檢測器陣列的所述電信號以指示來自所述聲壓波的壓力的信號處 理器(76)。
2.如權(quán)利要求1所述的光纖傳感器系統(tǒng)(37)，其特征在于，還包括安排成控制光信號 通過所述信號傳輸光纖(6 的傳輸?shù)墓馔〝嚅_關(guān)(58)。
3.如權(quán)利要求2所述的光纖傳感器系統(tǒng)(37)，其特征在于，所述雙波長法布里-珀羅 干涉儀傳感器陣列(39)包括連接到光開關(guān)(58)的時(shí)分多路復(fù)用體系結(jié)構(gòu)(45)，其中多個(gè)光耦合器(C1-C3)將相應(yīng) 的多個(gè)雙波長法布里-珀羅干涉儀傳感器(1-4)耦合到所述信號傳輸光纖(6 ；以及輸出波分多路復(fù)用器(66)，其安排成將從所述多個(gè)法布里-珀羅干涉儀傳感器輸出的 光信號分成具有λ A波長的第一輸出信號和具有λ ,波長的第二輸出信號。
4.如權(quán)利要求1所述的光纖傳感器系統(tǒng)，其特征在于，還包括多個(gè)雙波長法布里-珀羅干涉儀傳感器(1-4)的扇出體系結(jié)構(gòu)(47)，其耦合到所述輸 入波分多路復(fù)用器(54)以從所述輸入波分多路復(fù)用器(54)接收波長為λΒ的光信 號；以及光電檢測器陣列(100)，其耦合到扇出體系結(jié)構(gòu)07)以使其中的每個(gè)雙波長法布 里-珀羅干涉儀傳感器(1-4)具有一輸出，所述輸出耦合到安排成檢測波長為λΑ的信號 的第一相應(yīng)光電檢測器㈧以及耦合到安排成檢測波長為λ Β的信號的第二相應(yīng)光電檢測 器(B)0
5.如權(quán)利要求1所述的光纖傳感器系統(tǒng)，其特征在于，包括法布里-珀羅干涉儀傳感 器(103)，法布里-珀羅干涉儀傳感器(10 形成為包括單模光纖(22)、裝在所述單模光纖 (22)的端部08)以延伸超出所述端部08)距離^.:的插芯(觀)、裝在所述插芯08)之 上用于形成被包圍腔(3 的隔膜(34)，所述隔膜(34)安排成接收聲壓波，所述隔膜(34) 可相對于所述單模光纖0 的所述端部移動以便于響應(yīng)于所述聲壓波中的壓力變化來調(diào)制所述隔膜(34)和所述單模光纖0 的端部(38)之間的距離，在所述被包圍腔(32)中 存在流體；以及具有多模芯(105)的端部(107)的多模光纖(104)，所述多模芯(105)安排 成使在所述單模光纖0 中傳播的波長為入4和λ Β的光信號在所述腔(3 中遭遇多重 反射且產(chǎn)生發(fā)散光束，所述發(fā)散光束包括穿過所述隔膜(34)傳播且射入所述多模芯(105) 的所述端部(107)的波長為λΒ的干涉信號。
6.一種用于形成光纖傳感器系統(tǒng)(37)的方法，包括以下步驟 設(shè)置產(chǎn)生波長為λ 4的光信號的第一相干光信號源06)； 安排接收所述波長為λ Α的光信號的第一光纖(50)；設(shè)置產(chǎn)生波長為λ 光信號的第二相干光信號源G8)； 安排接收所述波長為λ B的光信號的第二光纖(52)；安排輸入波分多路復(fù)用器(54)以分別從所述第一和第二光纖(46、48)接收所述 λ β的光信號；安排信號傳輸光纖(6 以從所述輸入波分多路復(fù)用器(54)接收波長為λB兩 者的光信號；將雙波長法布里-珀羅干涉儀傳感器(1-4)陣列(39)耦合到所述信號傳輸光纖(62) 以從其接收波長為入4和λΒ的光信號；安排所述雙波長法布里-珀羅干涉儀傳感器(1-4)陣列(39)以響應(yīng)于入射到所述雙 波長法布里-珀羅干涉儀傳感器(1-4)陣列(39)的聲壓波來產(chǎn)生干涉儀輸出信號，所述雙 波長法布里-珀羅干涉儀(1-4)形成為使得在所述聲壓波中的聲壓變化造成對于所述波長 λΑ和λ Β的一個(gè)波長的輸出強(qiáng)度增大，并造成對于所述另一波長的輸出強(qiáng)度減小；將檢測器陣列(7 耦合到所述信號傳輸光纖(6 以響應(yīng)于所述干涉儀輸出信號產(chǎn)生 電信號；以及處理來自所述檢測器陣列(7 的所述電信號以指示來自所述聲壓波的壓力。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，還包括安排光通斷開關(guān)(58)以控制光信號 通過所述信號傳輸光纖(6 的傳輸?shù)牟襟E。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟 將時(shí)分多路復(fù)用體系結(jié)構(gòu)G5)連接到所述光開關(guān)(58)；安排多個(gè)光耦合器(C1-C3)以將相應(yīng)的多個(gè)雙波長法布里-珀羅干涉儀傳感器耦合到 所述信號傳輸光纖；以及安排輸出波分多路復(fù)用器(66)以將從所述多個(gè)法布里-珀羅干涉儀傳感器(1-4)輸 出的光信號分成具有λ A波長的第一輸出信號和具有入，波長的第二輸出信號。
9.權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，形成所述雙波長法布里-珀羅干涉儀傳感器 (1-4)陣列包括以下步驟將多個(gè)雙波長法布里-珀羅干涉儀傳感器(1-4)的扇出體系結(jié)構(gòu)G7)耦合到所述輸 入波分多路復(fù)用器(56)，以從所述輸入波分多路復(fù)用器(54)接收波長為λΒ的光信 號；以及將光電檢測器陣列(100)耦合到所述扇出體系結(jié)構(gòu)(47)，以使其中的每個(gè)雙波長法布 里-珀羅干涉儀傳感器(1-4)具有一輸出，所述輸出耦合到安排成檢測波長為λΑ的信號 的第一相應(yīng)光電檢測器㈧以及耦合到安排成檢測波長為λ Β的信號的第二相應(yīng)光電檢測器(B)0
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，包括形成法布里-珀羅干涉儀傳感器 (103)的步驟，其中法布里-珀羅干涉儀傳感器(10 包括單模光纖0 、將插芯08)裝在 所述單模光纖0 的端部(38)處以延伸超出所述端部(38)距離1_、將隔膜(34)裝在 所述插芯08)之上用于形成被包圍區(qū)域(40)，安排所述隔膜(34)以接收聲壓波，所述隔膜 (34)可相對于所述單模光纖0 的所述端部(38)移動以便響應(yīng)于所述聲壓波中的壓力變 化來調(diào)制所述隔膜(34)和所述單模光纖0 的所述端部(38)之間的所述距離，在所述被 包圍區(qū)域GO)中放置流體；安排具有多模芯(105)的端部(107)的多模光纖(104)，所述 多模芯(10 安排成使在所述單模光纖0 中傳播的波長為λ Β的光信號遭遇多重 反射且產(chǎn)生發(fā)散光束，所述發(fā)散光束包括穿過所述隔膜(34)傳播且射入所述多模芯(105) 的所述端部(107)的波長為λ Β的干涉信號。
全文摘要
兩個(gè)光波長用于詢問具有可移動隔膜(34)的光纖法布里-珀羅傳感器(1-4)，該可移動隔膜(34)改變在兩個(gè)反射表面(38、40)之間的間隙(36)寬度。通過針對間隙(36)挑選正確的操作點(diǎn)，隨著間隙寬度改變，一個(gè)波長的功率輸出增大且另一波長的功率減小。形成兩功率之差對比兩功率總和的比率，從而生成與信號源(46、48)和傳感器(1-4)之間以及傳感器(1-4)和檢測器(73)之間的光纖(22)中的功率和相位波動無關(guān)的檢測信號。稱作能見度的該比率具有的響應(yīng)與移動隔膜(34)的聲干擾的壓力成比例。推挽傳感器(1-4)可與TDM和CW扇出陣列體系結(jié)構(gòu)(45、47)兩者一起使用。
文檔編號G01H9/00GK102119323SQ200980131656
公開日2011年7月6日 申請日期2009年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月10日
發(fā)明者D·B·霍爾 申請人:諾思羅普格魯曼制導(dǎo)與電子股份有限公司