基于光纤随机散斑的FP传感器解调系统研究

01 导读

Fabry-Pérot （F-P）传感器体积小、成本低、易制作，在温度、振动、应变测量中得到了广泛的应用。F-P的信号解调技术在很大程度上决定了整个传感系统的性能，现有的解调方法在同时实现高精度、高动态范围和高速方面仍然面临着诸多挑战。近日，中国计量大学李裔教授研究团队提出了一种基于光纤随机散斑的FP传感器解调系统，利用多模光纤干涉形成的散斑来解调FP的透射光谱（微小的光谱变化将导致产生的散斑模式的显著变化）。利用散斑高灵敏度优势解决了长期限制FP传感器测量范围的整周期重合问题。研究成果以“Demodulation of Fabry-Pérot sensors using random speckles”为题在Optics Letters上发表，第一作者为中国计量大学硕士研究生梁芹，通讯作者为李裔教授。

02 研究背景

目前F-P传感器的解调技术主要包括强度解调、正交相位解调和白光干涉测量（WLI）。正交强度解调因具有快速响应和低成本的优点是使用最广泛的技术。正交相位解调方法通过引入两个正交相位项来有效地扩展动态范围，可以通过有源（如PGC）或无源相位调制（双波长正交相位解调）来实现。WLI借助光谱仪解调出绝对腔长已被广泛用于静态或准静态参数的测量。然而FP传感器的解调方法在同时实现高精度、高动态范围和高速方面仍然面临着挑战。

近年来，基于散斑的光谱仪和波长计引起了越来越多的研究兴趣。工作范围可以覆盖可见光和近红外波段，并且达到飞米级别的波长分辨率。本研究首次引入多模光纤散斑实现F-P传感器的高分辨率和快速解调。 03 创新研究

3.1 散斑解调原理

图1 基于散斑的F-P解调系统装置图图源： Optics Letters （2022）

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

散斑解调方案摆脱了对光谱仪、可调谐激光或相位调制器件的依赖，其系统结构如图1所示。在温度保持不变的情况下，FP周期峰波长的位移与气体压力呈线性关系。FP的透射光经过滤波后注入到多模光纤中形成散斑。散斑模式是由多模光纤的模间干涉引起的，其中各模式的传播常数是与波长相关的。散斑的空间分布强度值可用如下公式表示：

因此，当λm峰值波长随气压而变化时，散斑图案也会相应地发生变化。在基于开放腔FP的气压测量的验证实验中，利用卷积神经网络（CNN）建立散斑和气压值的映射关系，最终获得了0.001MPa的气压分辨率。

3.2 整周期重合问题的解决

众所周知F-P的透射光谱峰具有周期性，当环境气压变化范围较大时，光谱偏移会导致光谱的周期性重合。本研究为进一步探究在此特殊情况下的散斑信息，用1×2耦合器将透射光分为两部分，一部分连接近红外相机，另一部分连接光谱仪。在相同的实验条件下，同时采集散斑图像和相应的光谱。为研究了在不同气压下散斑图像的差异，我们采用结构相似度指数度量（SSIM），计算0MPa时的散斑图案和其他气压（0-0.4MPa）下散斑之间的相似性。计算结果如图2（a）所示可以看出，散斑图案的变化也是周期性的。其中5个最相似的散斑图案（A、B、C、D和E）恰好对应F-P光谱周期性重合的状况，其对应的光谱如图2（b）所示。当F-P光谱几乎重叠时，光谱仪很难区分相应的压力值。但实际上其光谱特征是存在细微差异的，如消光比和FSR。图2（c）显示了在光谱周期性重合时的散斑图案，为了更直观地观察这些散斑图像之间的差异，在下方将相邻两个周期散斑图进行两两相减。可以看出，即使在光谱周期性重合时，不同压力下的散斑仍是存在明显不同的，基于此差异我们尝试用CNN网络建立了气压值与散斑图案的映射关系。

图2 整周期重合时的光谱图和散斑图图源： Optics Letters （2022）https://doi.org/10.1364/OL.465212 （Fig.2）

3.3 四象限探测器代替CCD

图3 四象限探测器结构图及采集的数据图源： Optics Letters （2022）

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

虽然利用散斑图案可以解调F-P的光谱，但散斑图像的采集仍然依赖于近红外相机。但由于CCD的数据读出速度有限，不适用于高速测量场景，另外近红外相机的价格也非常昂贵。基于以上考虑，我们又尝试使用单个的四象限光电探测器（QD）代替相机探测散斑，以提高数据采集速度。如图3（a）所示，QD的光敏面为圆形，但被等面积分割为四份，每个象限均可独立采集。图3（b）为实际采集到的四通道信号，其值也随光谱移动而周期性变化。虽然散斑图片被压缩为四通道信号，但通过重新训练的CNN仍能准确地提取出F-P的光谱特征。解调精度为0.002MPa，与基于完整散斑图像的解调相比有所下降，这主要源于图像信息的损失。这样该解调装置的测量带宽就仅取决于QD的响应带宽（本研究中为30MHz）。值得说明的是虽然QD将散斑图像转移到四通道的强度信号中，但它与以往的纯强度解调方法有很大的不同。QD的强度信息是基于由散斑图像的结构性变化引起的通道间的相对强度变化。因此，它对光源的功率波动具有较高的鲁棒性。

04 应用与展望

本研究提出并实验验证了一种基于随机散斑的FP传感器解调系统，此方法不依赖使用光谱仪、可调谐激光器或相位调制器。由于多模光纤散斑高灵敏度的特性，可以精确区分整周期重合光谱的差异，使测量范围仅取决于其校准范围。利用CNN算法，获得了一个开放空腔FP传感器的气压分辨率为0.001 MPa。值得注意的是，所提出的解调是基于散斑模式的结构变化，而不仅是基于强度。此外，我们还研究了如何在高速测量场景下实现散斑解调方案。使用四象限探测器（QD）取代相机来探测散斑图像。其最大动态测量频率仅取决于QD响应带宽（本研究中为30MHz）。根据对分辨率和测量速度的不同要求可以选择CCD或QD作为探测器。基于散斑的解调方法目前也已在FBG传感器中实现以5kHz的解调速度达到1pm的分辨率。（研究成果以“Demodulation of Fabry-Pérot sensors using random speckles”为题在Optics Letters上发表），相信多模光纤散斑未来可应用于其他类型的光纤传感研究与开发中。审核编辑：郭婷