朱玉絢,桂 林,沈 青

(上海第二工業(yè)大學(xué) a.環(huán)境與材料工程學(xué)院；b.計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院,上海201209)

0 引言

隨著低損耗光纖的出現(xiàn)和演進(jìn),以及光纖通信技術(shù)的發(fā)展與相關(guān)光纖器件的進(jìn)步,光纖傳感技術(shù)自20世紀(jì)70年代出現(xiàn)以來(lái),得到了廣泛的研究。光纖傳感技術(shù)以測(cè)量光學(xué)量為基礎(chǔ)方法,具有抗電磁干擾、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、與光纖結(jié)構(gòu)兼容且能夠遠(yuǎn)距離傳輸傳感信號(hào)等優(yōu)點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、電子電力、土木工程和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域,也可以應(yīng)用在智能結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域,例如監(jiān)測(cè)建筑物的健康狀態(tài)。因此,對(duì)光纖傳感的研究具有重大的理論意義和工程使用價(jià)值。

光纖傳感的主要技術(shù)是從光學(xué)量的改變中提取待測(cè)量的信息,而光纖傳感過(guò)程中待測(cè)量的種類繁多,因此對(duì)光學(xué)量的測(cè)量成為光纖傳感中的關(guān)鍵技術(shù)。從測(cè)量技術(shù)分類來(lái)看,光纖傳感技術(shù)包含測(cè)量器件諧振譜線改變的光譜測(cè)量類技術(shù)、測(cè)量功率改變的功率測(cè)量技術(shù)以及測(cè)量時(shí)域脈沖或信號(hào)波形改變的時(shí)域測(cè)量技術(shù)?？傮w而言,這些技術(shù)都需要針對(duì)光學(xué)量進(jìn)行測(cè)量,而某些光學(xué)量的高精度測(cè)量本身就是亟待解決的問(wèn)題,它限制了光纖傳感的精度。以光纖傳感中最常用的光纖布拉格光柵(f i ber Bragg grating,FBG)傳感為例,基于諧振波長(zhǎng)隨溫度或應(yīng)力改變的光纖光柵傳感技術(shù)雖已得到廣泛的應(yīng)用,但高精度的溫度或應(yīng)力傳感需要測(cè)量pm量級(jí)波長(zhǎng)改變的高精度光譜儀,極大地增加了光纖光柵傳感系統(tǒng)的成本。

近年來(lái),隨著微波光子(microwave photonics,MWP)技術(shù)的發(fā)展,MWP技術(shù)在高頻電信號(hào)產(chǎn)生、高頻電學(xué)信息處理等方面已展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì),能夠克服傳統(tǒng)電信號(hào)處理器中因采樣速度有限造成的固有瓶頸,具有廣泛的應(yīng)用前景。光傳感技術(shù)的研究人員從MWP技術(shù)的發(fā)展中得到啟發(fā),希望將MWP技術(shù)應(yīng)用于光纖傳感,通過(guò)對(duì)某些微波參量的測(cè)量來(lái)提取待測(cè)量信息。因此,研究人員嘗試著將MWP技術(shù)應(yīng)用于光纖傳感領(lǐng)域,并開(kāi)展開(kāi)拓性研究。例如,MWP技術(shù)在處理寬帶微波信號(hào)時(shí),易于在微波領(lǐng)域所關(guān)注的波段形成MWP濾波器,進(jìn)而對(duì)該頻段的微波信號(hào)進(jìn)行處理。研究人員從而聯(lián)想到能否在MWP濾波器中加入某些對(duì)溫度或應(yīng)力等參量敏感的光纖器件,通過(guò)測(cè)量MWP濾波器的頻率響應(yīng)得到溫度或應(yīng)力等待測(cè)參量,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光傳感。

不同于已有的光纖傳感技術(shù),由于該類傳感技術(shù)一般需要加入微波對(duì)光信號(hào)的調(diào)制環(huán)節(jié),同時(shí)在接收端具有一個(gè)將微波信號(hào)解調(diào)的結(jié)構(gòu),因此將這類傳感技術(shù)叫做MWP解調(diào)技術(shù)或者M(jìn)WP傳感技術(shù)。自2008年香港理工大學(xué)提出一種基于射頻信號(hào)測(cè)量的強(qiáng)度調(diào)制FBG傳感系統(tǒng)以來(lái),不斷有研究人員在該領(lǐng)域開(kāi)展研究。

本文主要對(duì)利用FBG作為傳感器件的有限脈沖響應(yīng)(f i nite impulse response,FIR)型和無(wú)限脈沖響應(yīng)(inf i nite impulse response,IIR)型結(jié)構(gòu)的MWP濾波結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,介紹MWP濾波器進(jìn)行光傳感的基本原理,分析了典型系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù),并對(duì)MWP傳感研究中存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析,最終對(duì)該技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

1MWP濾波器結(jié)構(gòu)及原理

1.1MWP濾波器結(jié)構(gòu)

MWP濾波器是一種針對(duì)寬帶微波信號(hào)最為重要的光子信號(hào)處理技術(shù)。采用MWP濾波器可以增強(qiáng)電信系統(tǒng)和雷達(dá)射頻系統(tǒng)中使用的標(biāo)準(zhǔn)微波濾波器的功能,從而具有更大范圍的可調(diào)諧性、可重構(gòu)性,且兼具抗電磁干擾等一系列優(yōu)點(diǎn)。圖1所示為采用MWP濾波器后射頻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變化。

隨著MWP技術(shù)的發(fā)展[1],實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的光子處理變得更加方便和具有成本優(yōu)勢(shì)。HERVAS等[2]提出利用MWP濾波(microwave photon f i lter,MPF)技術(shù)的傳感方法。在這些方法中,傳感器的解調(diào)過(guò)程均在微波域中進(jìn)行[3]。對(duì)于基于MPF的傳感方法,使用的是“微波干涉儀”,而非傳統(tǒng)的光纖干涉儀。為了形成有效的“微波干涉儀”,MPF的傳感方法首先通過(guò)電光調(diào)制器(electro optic modulator,EOM)在光波上調(diào)制射頻(radio frequency,RF)信號(hào),該系統(tǒng)中的光源可以是寬帶光源(broadband optical source,BOS)或連續(xù)波(continuous wave,CW)激光器。然后,利用基于光纖干涉儀或帶有FBG的光學(xué)子系統(tǒng)構(gòu)成MPF,進(jìn)而形成傳感元件。最后,通常通過(guò)跟蹤MPF頻率響應(yīng)中的諧振頻率來(lái)獲取溫度等待測(cè)參數(shù),或應(yīng)用其他信號(hào)處理方法來(lái)增強(qiáng)傳感性能。

圖1采用MWP濾波器的RF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 RF system structure with MWP

如圖1所示,一個(gè)完整的MWP濾波器傳感系統(tǒng)主要包括光源(A)、調(diào)制器(B)、干涉儀(C)和光接收機(jī)(D)4個(gè)部分。其中,光源的特性和干涉儀的結(jié)構(gòu)對(duì)于MWP濾波系統(tǒng)的性能提升至關(guān)重要。

(1)A:MWP濾波器的光源部分。在構(gòu)成MWP濾波器系統(tǒng)時(shí),光源可采用單光源(single source,SS)和多光源(multiple source,MS),SS一般使用單個(gè)光源如激光器、BOS等來(lái)實(shí)現(xiàn),而MS一般采用多個(gè)獨(dú)立激光器陣列、采用光學(xué)頻率梳或者BOS光譜分割技術(shù)等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(2)B:MWP濾波器的調(diào)制部分。在MWP濾波器的系統(tǒng)中,一般通過(guò)外調(diào)制的方法對(duì)輸出光進(jìn)行調(diào)制,調(diào)制器一般采用EOM。

(3)C:干涉儀部分。對(duì)于干涉儀來(lái)說(shuō),常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)有兩種,即IIR MWP濾波器(IIR-MPF)以及FIR MWP濾波器(FIR-MPF)。

IIR-MPF:即濾波器的抽頭數(shù)無(wú)限多的MPF。圖2所示為一個(gè)基本的IIR-MPF結(jié)構(gòu)圖,其采用單個(gè)光源,光信號(hào)在光纖環(huán)中每經(jīng)過(guò)一圈就形成一個(gè)抽頭,這樣光信號(hào)理論上在光纖環(huán)中無(wú)限循環(huán)形成了IIR-MPF。圖中所用調(diào)制器為馬赫增德?tīng)栒{(diào)制器(Mahzendel modulator,MZM)。

圖2 IIR-MPF結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of IIR-MPF

FIR-MPF:即濾波器抽頭數(shù)有限的濾波器。圖3所示為一個(gè)典型的FIR-MPF的結(jié)構(gòu)圖,該結(jié)構(gòu)仍然采用單個(gè)光源,光信號(hào)通過(guò)1分N路的光分束器先分成N路,每一路抽頭權(quán)值可以分別用可調(diào)諧衰減器(variable optical attenuator,VOA)調(diào)整,用不同長(zhǎng)度的光纖保證相鄰抽頭的延時(shí)差(T)恒定,最后再通過(guò)1分N的光分束器將各路信號(hào)疊加,經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器(photodetector,PD)探測(cè),形成FIR-MPF。

圖3 FIR-MPF結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of FIR-MPF

1.2 MWP濾波器實(shí)現(xiàn)傳感的原理

為了提高M(jìn)PF傳感方法的靈敏度,所采用的系統(tǒng)通常具有如下特點(diǎn):MPF某些分支中微波時(shí)延對(duì)所測(cè)傳感參數(shù)(如溫度或壓力)具有較高的敏感度。因此研究人員在傳感方法和傳感元件設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了大量研究。

對(duì)于將光纖作為傳感元件的情況,HUANG等[4]提出基于不平衡馬赫曾德?tīng)柛缮鎯x(unbalanced mach Zehnder interferometer,UMZI)的MPF,在該結(jié)構(gòu)中諧振頻率的偏移量很小。因此,CHEN等[5]采用了藍(lán)寶石光纖邁克爾遜干涉儀來(lái)提升性能。對(duì)于以FBG作為傳感元件的情況,XU等[6]提出了通過(guò)檢測(cè)RF信號(hào)的強(qiáng)度來(lái)研究UMZI性能的方案。如果傳感元件是由置于BOS后面的傳感器構(gòu)成的非相干光源,則MPF響應(yīng)將隨FBG共振波長(zhǎng)的變化而變化[1],或隨光譜切片的改變而變化[6]。除了單一的MPF,一些研究人員還開(kāi)發(fā)了一種通過(guò)兩個(gè)級(jí)聯(lián)纖維環(huán)增強(qiáng)靈敏度的方法,該環(huán)形成具有游標(biāo)效應(yīng)的兩階段IIR-MPF[17]。

圖4所示為MWP傳感方法進(jìn)行溫度傳感的過(guò)程。溫度通過(guò)影響光纖光柵的折射率Δλ,改變MWP濾波器的響應(yīng)函數(shù)H(f),最終的輸出信號(hào)強(qiáng)度是MWP濾波器的響應(yīng)函數(shù)與輸入射頻功率的乘積,即在輸入射頻功率一定的情況下,輸出射頻功率隨頻率的變化曲線攜帶了溫度的信息。

圖4溫度傳感過(guò)程Fig.4 Process of temperature sensing

MWP濾波器的響應(yīng)函數(shù)H(f,T)如下式所示:

式中,Vin(f)為輸入信號(hào)頻譜；Vout(f)為輸出信號(hào)頻譜；H(f,T)為隨溫度變化的MWP濾波器的頻率響應(yīng)。由于該頻率響應(yīng)中信息眾多,所以檢測(cè)溫度改變時(shí),往往采用諧振頻率改變的方法,或者固定一個(gè)頻率,檢測(cè)該頻率條件下射頻功率隨溫度的變化,進(jìn)而得到溫度信息。

最終,輸出信號(hào)強(qiáng)度VRF(f)如下式所示:

式中,an和τn分別為MWP濾波器的抽頭系數(shù)和支路延時(shí)；n為序號(hào),N為微波光子濾波器的總節(jié)點(diǎn)數(shù)。在實(shí)驗(yàn)中,an和τn可以由光衰減器和光纖延時(shí)線來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于光學(xué)器件的進(jìn)步,未來(lái)這些器件可以采用光子集成方式實(shí)現(xiàn)。

2MWP濾波器應(yīng)用于光傳感研究進(jìn)展

本文針對(duì)基于FIR和IIR的兩種MWP傳感結(jié)構(gòu)進(jìn)行了綜述,總結(jié)了各種結(jié)構(gòu)所用光源、所采用的干涉儀結(jié)構(gòu)、檢測(cè)方法,以及最終的系統(tǒng)靈敏度,如表1所示。

表1 2015年以來(lái)的一些重要文獻(xiàn)總結(jié)Tab.1 Summary of some important documents since 2015

2.1 FIR-MPF用于光纖傳感的研究進(jìn)展

2008年3月,香港理工大學(xué)電氣工程系光子學(xué)研究中心提出了一種基于射頻信號(hào)測(cè)量的強(qiáng)度調(diào)制FBG傳感系統(tǒng)。所用光源為BOS,檢測(cè)方法為檢測(cè)射頻信號(hào)輸出功率,最終得到的最大靈敏度為-0.34 μV/με[1]。

2012年2月,美國(guó)密蘇里理工大學(xué)與天津大學(xué)的研究人員提出了一種應(yīng)用于傳感的光纖射頻馬赫曾德?tīng)柛缮鎯x(radio frequency mahzendel interferometer,RF-MZI)。光源采用連續(xù)激光,通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)檢測(cè)該系統(tǒng)的微波頻率響應(yīng),進(jìn)而得到的如下傳感結(jié)果:在傳感臂為100 m的RF-MZI實(shí)驗(yàn)中,得到了-6.1 kHz/℃的靈敏度,這與-6.093 kHz/℃的預(yù)測(cè)值非常吻合。此外,總溫度變化產(chǎn)生了274.5 kHz的頻率偏移,該頻率偏移在該傳感器的自由光譜范圍(free spectral range,FSR)(2.04 MHz)范圍內(nèi)[3]。

2013年,西班牙瓦倫西亞政治大學(xué)ITEAM研究所與瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院電氣工程學(xué)院提出了一種基于長(zhǎng)FBG[長(zhǎng)10 cm,反射率≈99%,光高寬(half height and width,FWHM)≈14 GHz]的 MWP傳感器解調(diào)新技術(shù),并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。所用光源為連續(xù)波激光器與半導(dǎo)體光放大器,最終用矢網(wǎng)分析儀檢測(cè)得到結(jié)果,利用帶寬＜1 GHz的調(diào)制器和PD,可以沿FBG探測(cè)到空間精度＜0.5 mm的幾個(gè)熱點(diǎn)(探測(cè)點(diǎn))[7]。

2013年,美國(guó)密蘇里科技大學(xué)與美國(guó)羅德島大學(xué)提出了一種利用微波輔助分離和重構(gòu)光譜域光干涉圖的分布式光纖傳感技術(shù)。該方法包括通過(guò)級(jí)聯(lián)光纖干涉儀發(fā)送微波調(diào)制光信號(hào)。利用微波信號(hào)來(lái)解析光纖上各傳感器的位置和反射率,與傳統(tǒng)的基于光譜域傅里葉變換的復(fù)用方法相比,該方法不受光源帶寬的限制,具有復(fù)用更多傳感器的優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)有望在測(cè)量各種物理、化學(xué)和生物參數(shù)方面得到廣泛的應(yīng)用[8]。

2014年,美國(guó)克萊姆森大學(xué)提出了一種基于光載波的微波干涉空間連續(xù)分布式光纖傳感技術(shù),干涉方法為通過(guò)在熔合拼接期間故意使光纖錯(cuò)位,在單模光纖(SMF-28e)上溶接了6個(gè)弱反射點(diǎn)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn),最終得到了-2.26 kHz/με的傳感靈敏度。該技術(shù)在微波域中對(duì)許多具有相同或不同光程差的光學(xué)干涉儀進(jìn)行檢測(cè),并對(duì)它們的位置進(jìn)行定位,也可用于其他類型的波導(dǎo)或自由空間干涉儀,并用于各種物理、化學(xué)和生物量的分布式測(cè)量[9]。

2015年6月,Herv′as等[10]提出了一種級(jí)聯(lián)7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)FBG組成多路的準(zhǔn)分布式溫度/應(yīng)力傳感器的設(shè)計(jì)方法,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,其結(jié)構(gòu)如圖5所示[10]。通過(guò)20 GHz電響應(yīng)和1 kHz中頻帶寬的掃描系統(tǒng)測(cè)量32 000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),掃描時(shí)間為20 s。在光譜分析儀(optical spectrum analyser,OSA)中監(jiān)測(cè)FBGs反射的光譜,以便比較測(cè)量不同位置加熱被測(cè)器件(device under test,DUT)引起的光纖光柵波長(zhǎng)的位移。實(shí)驗(yàn)最終結(jié)果為,當(dāng)FBG在1 540.6 nm處被加熱時(shí)在OSA中觀察頻譜位移,參考FBG位置由室溫下1 540.606 7 nm的光纖光柵波長(zhǎng)確定,通過(guò)加熱,最終的結(jié)果為該波長(zhǎng)移動(dòng)0.571 1～1541.177 8 nm。

圖5 級(jí)聯(lián)7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)FBG的多路準(zhǔn)分布式溫度/應(yīng)力傳感裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of multi-channel quasi distributed temperature/stress sensing device with seven standard FBGs

將微波調(diào)制的光信號(hào)發(fā)射到FBG級(jí)聯(lián)中,然后在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中進(jìn)行色散,從而將不同的Bragg波長(zhǎng)映射到確定光鏈路電脈沖響應(yīng)峰值的RF延遲中。通過(guò)使用VNA記錄鏈路在DC-20 GHz范圍內(nèi)的射頻響應(yīng),然后進(jìn)行傅里葉逆變換,根據(jù)脈沖響應(yīng)峰值的位移確定Bragg波長(zhǎng)的位移。由所使用的總色散、原始VNA數(shù)據(jù)的零填充長(zhǎng)度及其RF帶寬決定,最終得到FBG波長(zhǎng)測(cè)量的分辨率為14 pm。

2016年1月,廈門(mén)大學(xué)與華南師范大學(xué)提出了一種基于單通帶射頻濾波器的光纖干涉型傳感器傳感解調(diào)系統(tǒng),并對(duì)結(jié)構(gòu)為光纖RF-MZI的溫度傳感器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,其結(jié)構(gòu)如圖6所示,當(dāng)傳感光纖長(zhǎng)度分別為1、2和4 m時(shí),溫度的傳感響應(yīng)率分別為10.5、20.0和41.2 MHz/°C[5]。圖6中EDFA為鉺光纖放大器。

圖6基于SUI的光纖干涉儀傳感系統(tǒng)的原理圖Fig.6 Schematic diagram of sensing system of optical f i ber interferometer based on SUI

2016年1月,華中科技大學(xué)夏歷研究組提出了一種用于FBG傳感器解調(diào)的射頻UMZI(RF-UMZI),并完成了應(yīng)變式FBG的測(cè)試,其結(jié)構(gòu)如圖7所示,在585 MHz的微波頻率上,通過(guò)檢測(cè)射頻強(qiáng)度得到了0.008 4 a.u./με的應(yīng)力傳感精度。進(jìn)一步的仿真結(jié)果表明,如果在干涉系統(tǒng)中適當(dāng)?shù)厥褂脙蓚€(gè)典型的0.06 nm/cm啁啾的光柵和6 km長(zhǎng)的色散補(bǔ)償光纖,并監(jiān)測(cè)3 GHz左右的諧振頻率和適當(dāng)?shù)某跏枷辔徊顚⒋蟠筇岣咂骄`敏度至 0.85 a.u./με,約為當(dāng)前水平 (0.008 4 a.u./με)的 100倍。圖中ASE為放大自發(fā)輻射光源；Circulator為光環(huán)形器；EOM為電光調(diào)制器；Spectrum Analyzer為頻譜分析儀。由于其工作在非相干區(qū)而非相干區(qū),為現(xiàn)有的穩(wěn)定性問(wèn)題提供了理想的解決方案。具有分辨率可調(diào)、靈敏度極高等顯著特點(diǎn)[11]。

2016年2月,夏歷研究組提出了一種基于微波網(wǎng)絡(luò)分析的超短FBG分布式光學(xué)傳感系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)如圖8所示[12]。整個(gè)傳感系統(tǒng)為多抽頭MWP,濾波器結(jié)構(gòu)中加入了兩臂間有光纖延遲線的移位高斯濾波器,具有靈敏度和范圍可調(diào)、基于強(qiáng)度的檢測(cè)速度快、范圍寬 (潛在值＞14 000 με)、抗非均勻參數(shù)分布干擾等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果為,在濾波器波長(zhǎng)偏移1 nm的時(shí)候,最大靈敏度可達(dá)到 6.5 mdB/με[12]。

圖7基于RF-UMZI結(jié)構(gòu)的光纖光柵傳感系統(tǒng)原理圖Fig.7 Schematic diagram of FBG sensing system based on RF-UMZI structure

圖8(a)分布式傳感系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)；(b)多抽頭MWP結(jié)構(gòu),其工作等效于紅色虛線塊中的傳感系統(tǒng)部分Fig.8 (a)Basic structure of distributed sensing system；(b)The structure of multi tap MWP f i lter is equivalent to the sensing system in the red dotted block

2016年8月,南京師范大學(xué)王明研究組首先提出了一種利用MWP濾波技術(shù)進(jìn)行橫向載荷傳感的新型光纖光柵傳感器,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究了濾波器相對(duì)于橫向載荷的頻率響應(yīng),通過(guò)檢測(cè)陷波MWP濾波器的共振頻移,可以確定橫向載荷。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與傳統(tǒng)的基于光譜分析的光纖光柵傳感器相比,該傳感器具有更高的分辨率。對(duì)于長(zhǎng)度為18 mm的傳感光纖,傳感器的靈敏度高達(dá)2.5 MHz/N。此外,靈敏度可以進(jìn)行調(diào)整[13]。

2017年5月,西班牙ITEAM研究所將低相干干涉(low coherence interference,LCI)技術(shù)與MWP相結(jié)合,提出了一種多路傳感系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)如圖9所示。圖中(a)表示當(dāng)僅考慮一個(gè)傳感器并且測(cè)量的光程差(2.1 mm)產(chǎn)生位于5 GHz的RF諧振時(shí)VNA捕獲的電傳遞函數(shù)的示例。通過(guò)監(jiān)測(cè)每個(gè)傳感器產(chǎn)生的光程差,可以在傳感器陣列中測(cè)量物理量的變化。光源為BOS和光通道控制器,BBS的總帶寬為80 nm,光路控制器(optical channel controller,OCC)的中心位于1 546.92 nm,可通過(guò)48個(gè)帶寬為0.8 nm的通道進(jìn)行控制,每個(gè)通道的衰減可以獨(dú)立修改。該方法通過(guò)引入可調(diào)振蕩器和RF檢測(cè)器替代VNA的檢測(cè)方式,使RF中心頻率的變化接近數(shù)百M(fèi)Hz,可以實(shí)現(xiàn)低于10 μm的光程差精度[14]。圖中BPD為平衡探測(cè)器；FC為偏振控制器；VDL為可變延遲線；Head sensors array為主傳感器陣列。

2019年,LI等[15]提出并驗(yàn)證了一種基于低相干干涉技術(shù)和色散介質(zhì)相結(jié)合的反射式雙通譜切片傳感的高性能MWP傳感系統(tǒng)。該傳感系統(tǒng)利用高斯功率密度譜成功地實(shí)現(xiàn)了5.56 GHz/mm的高轉(zhuǎn)換斜率和124 μm的近似恒定分辨率。

2.2 IIR型MWP濾波器用于光纖傳感的研究進(jìn)展

圖9 MWP LCI多路復(fù)用傳感結(jié)構(gòu)布局示意圖Fig.9 MWP LCI multi-channel sensor structure diagram

圖10級(jí)聯(lián)光纖環(huán)形傳感器原理圖Fig.10 Schematic diagram of cascaded optical f i ber ring sensor

2017年9月,華中科技大學(xué)與廈門(mén)大學(xué)的研究人員共同提出了一種利用光纖環(huán)級(jí)聯(lián)MWP濾波器產(chǎn)生的游標(biāo)效應(yīng)的溫度傳感器,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,其結(jié)構(gòu)如圖10所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,頻率在1、1.5和2.5 GHz左右的上包絡(luò)的陷波點(diǎn)作為檢測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)做出的擬合結(jié)果,其級(jí)聯(lián)光纖環(huán)傳感器的靈敏度分別為-226.818、-345.38和-556.856 kHz/℃,與單光纖環(huán)形溫度傳感器相比,級(jí)聯(lián)光纖環(huán)形傳感器的靈敏度可提高30倍左右[16]。

3 總結(jié)與展望

由于MWP濾波器結(jié)合了光器件對(duì)待測(cè)量的敏感性和在微波域處理信息的潛在優(yōu)勢(shì),因此,采用MWP濾波器方法進(jìn)行傳感的研究得到了較快發(fā)展。但是針對(duì)采用MWP濾波器進(jìn)行傳感的研究還有許多有待解決的問(wèn)題,例如:

(1)針對(duì)MWP傳感系統(tǒng)中部分原理性問(wèn)題的研究。雖然國(guó)內(nèi)外的研究人員對(duì)MWP濾波器應(yīng)用于光纖傳感的基本原理進(jìn)行了闡述,但是,仍然缺少對(duì)MWP傳感系統(tǒng)定量的深入分析。值得注意的是,MWP傳感的常用光源并不是光纖通信中采用的激光光源,而是大量文獻(xiàn)中提到的BOS,即采用摻鉺光纖放大器直接輸出的非相干光,而非相干光的調(diào)制特性還很少有人研究,這直接關(guān)系到該傳感系統(tǒng)的噪聲性能,以及由噪聲所決定的傳感器性能,在今后的研究中仍需進(jìn)行深入的分析。

(2)不同結(jié)構(gòu)的干涉儀對(duì)MWP濾波器測(cè)量溫度(應(yīng)力)等待測(cè)量的性能極限分析。雖然已有報(bào)道陳述了MZI干涉儀等結(jié)構(gòu)的MWP傳感性能,但在MWP傳感中,這些干涉儀的傳感極限與性能分析還有待進(jìn)行深入研究。

(3)MWP傳感的測(cè)量方法問(wèn)題?；赩NA的掃頻測(cè)量與基于特定頻率射頻強(qiáng)度的測(cè)量是MWP傳感中常用的兩種方法,而這兩種測(cè)量方法的差異對(duì)溫度(應(yīng)力)等待測(cè)量精度的影響,也是研究普遍關(guān)心的問(wèn)題。

這當(dāng)中有不少問(wèn)題涉及到MWP系統(tǒng)的基本原理,需要在機(jī)理層面進(jìn)行深入研究,例如,為了增加測(cè)量的靈敏度,需要研究MWP鏈路中噪聲積累等問(wèn)題,進(jìn)而研究MWP接收端的信號(hào)處理算法,而這些方面在當(dāng)前的研究中,尚缺少較為完整的理論分析,有待后續(xù)的研究逐步完善。