由微波光子滤波技术辅助的多个光纤干涉仪传感系统

《Optics & Laser Technology》：Multiple fiber-optic interferometers sensing system assisted by microwave photonic filtering technique

光纤光栅干涉仪（FOI）多路复用与微波光子滤波技术结合的传感系统被提出并实验验证。通过逆傅里叶变换处理叠加的S21曲线，结合汉宁窗筛选特定FOI信号，再经傅里叶变换重构MPF频域特性，实现多参数高精度检测。实验表明轴向应变灵敏度达0.761 MHz/με，弯曲传感中MPF峰值功率与曲率呈二次关系。系统受光源带宽和传输色散限制，但借助微波解调显著提升检测灵敏度。

　　

田晓中|侯佳音|刘思宇|沈婵婵|李展|徐伟瑶|刘丰寿|杨奇立|冯国强|乔静

枣庄大学光电工程学院，中国枣庄277160

摘要

本文提出了一种基于微波光子滤波（MPF）技术的复用光纤干涉仪（FOI）传感系统，并通过实验进行了验证。当多个FOI被引入传输链路时，会产生重叠的频率响应（S21曲线）。通过对S21曲线进行逆快速傅里叶变换（iFFT），可以获得能够区分每个FOI的时间域曲线。通过在对时间域曲线应用汉宁窗来选择所需的传感FOI。过滤后的时间域信号通过FFT转换回频率域，以重构S21曲线，进而用于传感实验。本文还提供了理论分析。实验验证是通过并联连接两个迈克尔逊干涉仪（MI）来完成的，实现了-0.749 MHz/με和0.761 MHz/με的灵敏度。此外，还连接了四个法布里-珀罗干涉仪（FPI），其中一个用于进行曲率传感实验。结果表明，重构的MPF的峰值功率随曲率的增加而非线性变化，并且可以用二次多项式来描述这种关系。理论上，复用FOI的数量受到光源的3-dB带宽和传输链路的色散的限制。此外，微波解调技术提高了检测的灵敏度。

引言

光纤干涉仪（FOI）凭借其高灵敏度、抗电磁干扰能力、远程传感便利性以及复用功能，在过去几十年中得到了广泛研究[1]。通常，FOI可以通过光学干涉仪实现，例如马赫-曾德尔干涉仪（MZI）、迈克尔逊干涉仪（MI）、萨格纳克干涉仪（SI）、法布里-珀罗干涉仪（FPI）[2]以及基于MI的光纤微探针干涉仪[3]。FOI能够高精度地测量由物理或化学参数引起的变化，包括位移、折射率、温度、应变等。被测参数会改变干涉仪的光程差（OPD），从而导致干涉图案的自由光谱范围（FSR）发生移动。因此，可以通过使用光谱分析仪（OSA）跟踪干涉图案中某个峰值或凹陷的波长变化来恢复参数变化。例如，通过先进的相位解调技术和光源优化，FOI在位移测量方面的精度已经达到了亚纳米级别[4]、[5]。对于动态位移测量，由于相位生成载波（PGC）解调具有更好的动态灵敏度和线性，其性能优于基于OSA的静态解调[6]。为了同时测量多个点和多个参数，出现了FOI的复用技术，包括空间分割复用（SDM）、低相干复用（LCM）、波长分割复用（WDM）和时间分割复用（TDM）[7]。然而，当FOI在光学域进行解调时，光谱测量仪器是必不可少的设备，但这不仅复杂且成本高昂，而且分辨率低、灵敏度低。

最近，微波光子滤波（MPF）技术为FOI传感引入了新的概念[8]、[9]。在这种方案中，FOI作为光谱切片元件，用于分割宽带光源，从而实现多个输出端口。借助正弦群延迟结构，滤波器将端口权重和延迟集成到一个单元中，最终在微波域生成单通带MPF[10]、[11]。基于MPF的FOI解调的基本原理是，光学域中的FSR变化和可见度变化分别转化为生成的MPF的频率偏移或峰值功率变化。得益于成熟的高分辨率电气仪器，解调性能得到了显著提升。目前，基于上述理论，已经有多种方法被报道用于测量气压[12]、温度[13]、曲率[14]、折射率[15]和应变[16]。为了实现实时监测，还引入并研究了相位解调[17]、[18]。同时，也提出了基于MPF的FOI传感的复用技术，以实现同时测量多个点和多个参数[19]、[20]、[21]、[22]。例如，在[20]和[22]中，并联连接了多个FPI以实现多点检测。然而，也存在一些缺点。首先，为了避免多个通带的重叠，需要仔细调整不同FOI的FSR，这增加了配置的难度。其次，增加FOI复用数量的唯一方法是扩展矢量网络分析仪（VNA）的频率扫描范围，从而增加了系统成本。最近，我们提出了一种基于低相干复用原理的复用传感方法来解决上述问题。配置了四根单模光纤，并通过可调的MZI选择任意两根光纤形成的MI来检测不同的参数。然而，可调的OPD需要手动调整，这增加了调整的难度且不够精确[23]。

对MPF的频率响应进行频域-时域变换是一种有效的准分布式传感方法，可以分为两种主要类型。第一种类型利用色散模块将多个离散反射点的波长变化映射到时域脉冲中的时间延迟变化。这种方法已成功应用于各种光纤光栅结构的探测，包括长FBG[24]、标准FBG阵列[25]、[26]、弱FBG阵列[27]和飞秒激光诱导光栅[28]。第二种类型建立了离散反射点处的峰值功率变化与时域脉冲中的强度波动之间的关系。基于这一原理，已经实现了对光纤端面[29]和弱FBG阵列[30]、[31]的折射率解调应用。此外，通过与光纤环形谐振器的集成，该技术还可以实现光纤环路衰减（FLRD）传感[32]、[33]。根据上述分析，目前该技术的实现主要集中在离散多点解调上。值得注意的是，尚未有将其应用于由FOI生成的MPF的报道。

受频域-时间映射方法的启发，提出了一种基于MPF技术的多FOI传感系统，并通过实验进行了验证。多个具有不同延迟线的FOI被复用，所有FOI的重叠频率响应（S21曲线）由VNA测量。这些S21曲线的重叠使得无法建立FPI和MPF之间的一一对应关系。通过对叠加的S21曲线应用逆快速傅里叶变换（iFFT），可以获得时间域响应，在该响应中可以清晰地识别每个FOI，因为它们具有不同的延迟时间。通过对时间域曲线添加汉宁窗来选择目标FOI。之后，通过对窗口化数据进行FFT来重构相应的MPF。重构的MPF避免了其他通带的干扰，适用于参数检测。

分析

所提出的复用传感系统在图1(a)中以示意图形式展示。来自放大自发辐射源（ASE，MaxRay，ASE-CL-10-BT）的光被马赫-曾德尔调制器（MZM，Fujitsu，MT7920）调制。调制后的光波通过环形器（Cir）和1×N光耦合器（OC）发送到复用传感器，该传感器连接到多个FOI。光从FOI反射回Cir，然后传输到掺铒光纤放大器

通过两个MI进行实验验证

为了验证所提出的方法，两个由法拉第反射镜（FRM）组成的MI并联连接，这两个MI之间的长度差为2.5米，如图2(a)所示。图3(a)展示了测量的组合干涉图案，插图显示了MI1和MI2的干涉光谱，它们的FSR分别为0.828 nm和0.726 nm。图3(b)显示了通过PD恢复的S21曲线。

结论

总之，本文提出了一种实现FOI多点传感的方法，并通过实验进行了验证。借助微波光子滤波技术，可以清晰地区分并行的多个FOI，因为它们具有不同的时间延迟。在对过滤后的时间域数据应用FFT后，可以重构相应的MPF，并在频率域中进行高分辨率和大测量范围的参数解调。所提出的方法消除了这种需求

CRediT作者贡献声明

田晓中：撰写——原始草案，研究。 侯佳音：研究，数据管理。 刘思宇：数据管理，概念构思。 沈婵婵：撰写——审稿与编辑，数据管理，概念构思。 李展：研究，资金获取。 徐伟瑶：验证，形式分析。 刘丰寿：项目管理，方法论。 杨奇立：监督，资源协调。 冯国强：验证，数据管理。 乔静：验证，监督。

资助

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：61701434）和山东省自然科学基金（项目编号：ZR2025MS1094、ZR2024QE433）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金和山东省自然科学基金提供的财政支持。