高反射率光纤F-P腔水听器动态相位解调和定标方法

摘要

本发明提供高反射率光纤F-P腔瞬态速变相位高速线性解调方法：通过波长扫描法测定高反射率多光束干涉光纤F-P腔反向探测干涉输出与扫描波长之间的关系曲线；获得该F-P腔的初始物理腔长；根据F-P腔反向探测干涉输出与扫描波长之间的关系曲线，选定三个激光光源的中心波长；采用三个激光光源激励F-P腔；调整各激光光源的输出功率，设计制作有F-P腔的激波压力传感器的静压实验夹具，做静压加载实验，绘制各激光光源激励下对应的干涉输出与外界静态压力的关系曲线；解调仪静态特性检定实验，得到F-P腔的干涉输出变化相位，得到外界静态压力和干涉输出之间的线性关系曲线，实现对F-P腔干涉输出变化相位的线性检定。

主权项

1.高反射率多光束干涉F-P腔瞬态速变相位高速线性解调方法，其特征在于：它包括以下步骤：步骤1、通过波长扫描法测定某高反射率多光束干涉光纤F-P腔反向探测干涉输出与扫描波长λ之间的关系曲线；同时，用公式对此关系曲线进行数据拟合，获得该F-P腔的初始物理腔长d；其中n为形成该F-P腔材料的光学折射率；该F-P腔为构成激波压力传感器的F-P腔；步骤2、根据F-P腔反向探测干涉输出与扫描波长之间的关系曲线，选定三个激光光源的中心波长λ₁、λ₂和λ₃；中心波长的选取原则是：各中心波长对应干涉输出相位初始间隔至少大于π/3；步骤3、采用三个中心波长分别为λ₁、λ₂和λ₃的激光光源激励该F-P腔，此三个激光光源通过3×3耦合器合成一个三波长光源并分为三路，选用其中一路通过一个光分路器分为2路输出，1路作为传感光束激励该F-P腔，该F-P腔产生的两束反射光再经上述光分路器到第一解波分复用器，并在第一、第二、第三信号探测器上分别发生干涉，分别转换为上述三个中心波长为λ₁、λ₂和λ₃的激光光源激励对应的三个瞬态速变干涉电压信号，通过多通道同步高速数字波存仪记录；上述光分路器的另1路输出，直接通过第二解波分复用器，在第四、第五、第六信号探测器上转换为上述三个中心波长为λ₁、λ₂和λ₃的激光光源激励对应的三个直流电压信号作为参考信号，通过普通数字电压表记录；步骤4、调整各个激光光源的输出功率，设计并制作该F-P腔的激波压力传感器的静压实验夹具，用活塞式压力标定机给该激波压力传感器做静压加载实验，直接绘制出该F-P腔在各中心波长激光光源激励下对应的干涉输出与外界静态压力的关系曲线；步骤5、解调仪静态特性检定实验：根据实际压力测量量程，用活塞式压力标定机给所研制的光纤F-P腔施加静态压力，记录各个激光光源激励对应的干涉输出电压，并用各自激励光源对应的参考电压进行光强归一化处理；这样，基于F-P腔多光束干涉反向探测输出的数学模型，就得到如下一个三元一次方程组：$\left\{\begin{array}{c}{C}_1=\frac{R_1+2\sqrt{R_1{R}_2}·\cos \left(\theta \right)+R_2}{1+2\sqrt{R_1{R}_2}·\cos \left(\theta \right)+R_1·R_2}\\ C_2=\frac{R_1+2\sqrt{R_1{R}_2}·\cos (\theta +{\delta }_1)+R_2}{1+2\sqrt{R_1{R}_2}·\cos (\theta +{\delta }_1)+R_1·R_2}\\ C_3=\frac{R_1+2\sqrt{R_1{R}_2}·\cos (\theta +{\delta }_1+{\delta }_2)+R_2}{1+2\sqrt{R_1{R}_2}·\cos (\theta +{\delta }_1+{\delta }_2)+R_1·R_2}\end{array}\right.---\left(1\right),$式中C₁、C₂、C₃分别为三个波长为λ₁、λ₂和λ₃的激光光源激励对应的归一化干涉输出电压；R₁和R₂分别为该F-P腔前后两个反射面的等效光学反射率，即该F-P腔前后两个反射面各自反射光实际耦合进传导光纤的强度与初始出射光功率的比值；δ₁=4πnd[(1/λ₂)-(1/λ₁)]为波长λ₂和波长λ₁的激光光源各自激励的初始干涉相位间隔；δ₂=4πnd[(1/λ₃)-(1/λ₂)]为波长λ₃和波长λ₂的激光光源各自激励的初始干涉相位间隔；θ为由待测物理量引起的干涉输出变化相位，表示为θ=4πΔ(nd)/λ₁≈4πΔ(nd)/λ₂≈4πΔ(nd)/λ₃，Δ(nd)为外界物理量引起该F-P腔光学腔长的变化量；通过求解上述方程组，即得到该F-P腔的干涉输出变化相位θ：其中：M₁,M₂,M₃,M₄,M₅,均为中间变量，且干涉输出相位变化θ是外界施加的静态压力的函数，且具有一一对应关系；根据上述方法，就可由三波长干涉输出实现对该高反射多光束干涉F-P腔的输出变化相位进行线性检定，也就实现了对外部施加压力的静态定标；所述的光强归一化处理是将第四、第五、第六信号探测器提供的三个直流电压信号作为参考值，分别对第一、第二、第三信号探测器提供的三个瞬态速变干涉电压信号做归一化处理；处理过程中要求第一光解波分复用器与第二光解波分复用器性能完全一致，第一至第三信号探测器的性能完全一致，第四至第六信号探测器的性能也完全一致，以及光分路器在三个激光光源中心波长光谱范围内的损耗以及分光比完全一样。