基于光纖隨機(jī)散斑的FP傳感器解調(diào)系統(tǒng)研究

01 導(dǎo)讀

Fabry-Pérot （F-P）傳感器體積小、成本低、易制作，在溫度、振動(dòng)、應(yīng)變測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用。F-P的信號(hào)解調(diào)技術(shù)在很大程度上決定了整個(gè)傳感系統(tǒng)的性能，現(xiàn)有的解調(diào)方法在同時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度、高動(dòng)態(tài)范圍和高速方面仍然面臨著諸多挑戰(zhàn)。近日，中國(guó)計(jì)量大學(xué)李裔教授研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于光纖隨機(jī)散斑的FP傳感器解調(diào)系統(tǒng)，利用多模光纖干涉形成的散斑來解調(diào)FP的透射光譜（微小的光譜變化將導(dǎo)致產(chǎn)生的散斑模式的顯著變化）。利用散斑高靈敏度優(yōu)勢(shì)解決了長(zhǎng)期限制FP傳感器測(cè)量范圍的整周期重合問題。研究成果以“Demodulation of Fabry-Pérot sensors using random speckles”為題在Optics Letters上發(fā)表，第一作者為中國(guó)計(jì)量大學(xué)碩士研究生梁芹，通訊作者為李裔教授。

02 研究背景

目前F-P傳感器的解調(diào)技術(shù)主要包括強(qiáng)度解調(diào)、正交相位解調(diào)和白光干涉測(cè)量（WLI）。正交強(qiáng)度解調(diào)因具有快速響應(yīng)和低成本的優(yōu)點(diǎn)是使用最廣泛的技術(shù)。正交相位解調(diào)方法通過引入兩個(gè)正交相位項(xiàng)來有效地?cái)U(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍，可以通過有源（如PGC）或無源相位調(diào)制（雙波長(zhǎng)正交相位解調(diào)）來實(shí)現(xiàn)。WLI借助光譜儀解調(diào)出絕對(duì)腔長(zhǎng)已被廣泛用于靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)參數(shù)的測(cè)量。然而FP傳感器的解調(diào)方法在同時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度、高動(dòng)態(tài)范圍和高速方面仍然面臨著挑戰(zhàn)。

近年來，基于散斑的光譜儀和波長(zhǎng)計(jì)引起了越來越多的研究興趣。工作范圍可以覆蓋可見光和近紅外波段，并且達(dá)到飛米級(jí)別的波長(zhǎng)分辨率。本研究首次引入多模光纖散斑實(shí)現(xiàn)F-P傳感器的高分辨率和快速解調(diào)。 03 創(chuàng)新研究

3.1 散斑解調(diào)原理

圖1 基于散斑的F-P解調(diào)系統(tǒng)裝置圖圖源： Optics Letters （2022）

https://doi.org/10.1364/OL.465212 （Fig.1）

散斑解調(diào)方案擺脫了對(duì)光譜儀、可調(diào)諧激光或相位調(diào)制器件的依賴，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在溫度保持不變的情況下，F(xiàn)P周期峰波長(zhǎng)的位移與氣體壓力呈線性關(guān)系。FP的透射光經(jīng)過濾波后注入到多模光纖中形成散斑。散斑模式是由多模光纖的模間干涉引起的，其中各模式的傳播常數(shù)是與波長(zhǎng)相關(guān)的。散斑的空間分布強(qiáng)度值可用如下公式表示：

因此，當(dāng)λm峰值波長(zhǎng)隨氣壓而變化時(shí)，散斑圖案也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化。在基于開放腔FP的氣壓測(cè)量的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）建立散斑和氣壓值的映射關(guān)系，最終獲得了0.001MPa的氣壓分辨率。

3.2 整周期重合問題的解決

眾所周知F-P的透射光譜峰具有周期性，當(dāng)環(huán)境氣壓變化范圍較大時(shí)，光譜偏移會(huì)導(dǎo)致光譜的周期性重合。本研究為進(jìn)一步探究在此特殊情況下的散斑信息，用1×2耦合器將透射光分為兩部分，一部分連接近紅外相機(jī)，另一部分連接光譜儀。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，同時(shí)采集散斑圖像和相應(yīng)的光譜。為研究了在不同氣壓下散斑圖像的差異，我們采用結(jié)構(gòu)相似度指數(shù)度量（SSIM），計(jì)算0MPa時(shí)的散斑圖案和其他氣壓（0-0.4MPa）下散斑之間的相似性。計(jì)算結(jié)果如圖2（a）所示可以看出，散斑圖案的變化也是周期性的。其中5個(gè)最相似的散斑圖案（A、B、C、D和E）恰好對(duì)應(yīng)F-P光譜周期性重合的狀況，其對(duì)應(yīng)的光譜如圖2（b）所示。當(dāng)F-P光譜幾乎重疊時(shí)，光譜儀很難區(qū)分相應(yīng)的壓力值。但實(shí)際上其光譜特征是存在細(xì)微差異的，如消光比和FSR。圖2（c）顯示了在光譜周期性重合時(shí)的散斑圖案，為了更直觀地觀察這些散斑圖像之間的差異，在下方將相鄰兩個(gè)周期散斑圖進(jìn)行兩兩相減。可以看出，即使在光譜周期性重合時(shí)，不同壓力下的散斑仍是存在明顯不同的，基于此差異我們嘗試用CNN網(wǎng)絡(luò)建立了氣壓值與散斑圖案的映射關(guān)系。

圖2 整周期重合時(shí)的光譜圖和散斑圖圖源： Optics Letters （2022）https://doi.org/10.1364/OL.465212 （Fig.2）

3.3 四象限探測(cè)器代替CCD

圖3 四象限探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖及采集的數(shù)據(jù)圖源： Optics Letters （2022）

https://doi.org/10.1364/OL.465212 （Fig.4）

雖然利用散斑圖案可以解調(diào)F-P的光譜，但散斑圖像的采集仍然依賴于近紅外相機(jī)。但由于CCD的數(shù)據(jù)讀出速度有限，不適用于高速測(cè)量場(chǎng)景，另外近紅外相機(jī)的價(jià)格也非常昂貴。基于以上考慮，我們又嘗試使用單個(gè)的四象限光電探測(cè)器（QD）代替相機(jī)探測(cè)散斑，以提高數(shù)據(jù)采集速度。如圖3（a）所示，QD的光敏面為圓形，但被等面積分割為四份，每個(gè)象限均可獨(dú)立采集。圖3（b）為實(shí)際采集到的四通道信號(hào)，其值也隨光譜移動(dòng)而周期性變化。雖然散斑圖片被壓縮為四通道信號(hào)，但通過重新訓(xùn)練的CNN仍能準(zhǔn)確地提取出F-P的光譜特征。解調(diào)精度為0.002MPa，與基于完整散斑圖像的解調(diào)相比有所下降，這主要源于圖像信息的損失。這樣該解調(diào)裝置的測(cè)量帶寬就僅取決于QD的響應(yīng)帶寬（本研究中為30MHz）。值得說明的是雖然QD將散斑圖像轉(zhuǎn)移到四通道的強(qiáng)度信號(hào)中，但它與以往的純強(qiáng)度解調(diào)方法有很大的不同。QD的強(qiáng)度信息是基于由散斑圖像的結(jié)構(gòu)性變化引起的通道間的相對(duì)強(qiáng)度變化。因此，它對(duì)光源的功率波動(dòng)具有較高的魯棒性。

04 應(yīng)用與展望

本研究提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種基于隨機(jī)散斑的FP傳感器解調(diào)系統(tǒng)，此方法不依賴使用光譜儀、可調(diào)諧激光器或相位調(diào)制器。由于多模光纖散斑高靈敏度的特性，可以精確區(qū)分整周期重合光譜的差異，使測(cè)量范圍僅取決于其校準(zhǔn)范圍。利用CNN算法，獲得了一個(gè)開放空腔FP傳感器的氣壓分辨率為0.001 MPa。值得注意的是，所提出的解調(diào)是基于散斑模式的結(jié)構(gòu)變化，而不僅是基于強(qiáng)度。此外，我們還研究了如何在高速測(cè)量場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)散斑解調(diào)方案。使用四象限探測(cè)器（QD）取代相機(jī)來探測(cè)散斑圖像。其最大動(dòng)態(tài)測(cè)量頻率僅取決于QD響應(yīng)帶寬（本研究中為30MHz）。根據(jù)對(duì)分辨率和測(cè)量速度的不同要求可以選擇CCD或QD作為探測(cè)器?；谏叩慕庹{(diào)方法目前也已在FBG傳感器中實(shí)現(xiàn)以5kHz的解調(diào)速度達(dá)到1pm的分辨率。（研究成果以“Demodulation of Fabry-Pérot sensors using random speckles”為題在Optics Letters上發(fā)表），相信多模光纖散斑未來可應(yīng)用于其他類型的光纖傳感研究與開發(fā)中。審核編輯：郭婷