CN117073730B - 基于微波光子的光纤传感***和光纤传感方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种基于微波光子的光纤传感***和光纤传感方法。光纤传感***包括：用于产生光信号的光信号产生单元、用于产生第一射频信号和第二射频信号的微波射频振荡器、用于基于第一射频信号调制光信号的微波‑光调制器、用于将光信号转换为第一电信号的光电转换单元、微波相位探测器和信号采集处理组件。微波相位探测器用于在感测外界物理量变化信息之前，确定光纤传感***的工作频率。微波相位探测器还用于产生表征第一电信号和第二射频信号的相位差的第二电信号。第一射频信号和第二射频信号的频率均为工作频率。信号采集处理组件用于解调第二电信号的强度，得到外界物理量变化信息。本申请的光纤传感***，响应快，成本低，有高测量灵敏度。

Description

基于微波光子的光纤传感***和光纤传感方法
技术领域
本申请涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于微波光子的光纤传感***和光纤传感方法。
背景技术
随着传感技术的不断发展，对传感***的灵敏度及响应速度的要求也日益提高。快速精密测量在很多领域都具有重要意义。例如，在结构体的健康监测中，快速、准确的测量结果可以及时反映结构体的运行情况，对保证***的健康状态、实现快速及时的设备维护具有重要意义。在工程项目的实施过程中，在早期阶段，快速、精确的测量数据是有助于确保项目计划顺利进行的关键信息之一，可降低项目延期、返工或重启的风险。在医疗手术领域中，对如肿瘤位置等的连续精确测量，可减少对邻域组织不必要的伤害，降低并发症，对于确保人体安全健康至关重要。
光纤传感器具有固有体积小、重量轻、抗电磁干扰、传感距离长等特性，因此成为一些应用场景中不可替代的传感解决方案，已得到了广泛的研究和应用。
目前，基于微波光子滤波器的技术被用于光纤传感***中。根据***射频响应中的通带的中心频率的漂移实现对应变、压力、温度等物理量的监测。然而，基于上述技术的信息解调灵敏度非常低，比光学域中基于光谱漂移的方法低几个数量级，测量速度也有待提升。
发明内容
本申请提供一种基于微波光子的光纤传感***和光纤传感方法，响应速度快，成本低，并具有高测量灵敏度。
本申请提供一种光纤传感***，用于感测外界物理量变化信息，包括：
光信号产生单元，用于产生光信号；
微波射频振荡器，用于产生第一射频信号和第二射频信号；
微波-光调制器，与所述光信号产生单元和所述微波射频振荡器连接，用于基于所述第一射频信号调制所述光信号，输出调制后光信号；
光电转换单元，用于将所述光信号转换为第一电信号；
微波相位探测器，用于在感测所述外界物理量变化信息之前，确定所述光纤传感***的工作频率；所述微波相位探测器与所述光电转换单元连接，且与所述微波射频振荡器连接，用于产生表征所述第一电信号和所述第二射频信号的相位差的第二电信号；所述第一射频信号和所述第二射频信号的频率均为所述工作频率；及
信号采集处理组件，与所述微波相位探测器连接，用于采集并解调所述第二电信号的强度，得到所述外界物理量变化信息。
可选的，所述微波相位探测器包括矢量网络分析仪，用于在感测所述外界物理量变化信息之前，确定所述外界物理量变化信息的相位变化规律。
可选的，所述信号采集处理组件用于根据所述相位变化规律，解调所述第二电信号的强度，得到所述外界物理量变化信息。
可选的，所述光信号产生单元包括光源和干涉仪组件；所述光源用于产生宽带连续光；所述干涉仪组件用于对所述宽带连续光进行光学采样，得到采样后光信号。
可选的，所述干涉仪组件包括双向耦合器和第一光纤干涉仪；所述双向耦合器包括第一端口、第二端口和第三端口；所述第一端口与所述光源连接，所述第二端口与所述第一光纤干涉仪连接，所述第三端口与所述微波-光调制器连接；所述第一光纤干涉仪用于对所述宽带连续光进行光学采样，得到所述采样后光信号，并将所述采样后光信号传输给所述第三端口。
可选的，所述干涉仪组件包括耦合器和多个所述第一光纤干涉仪；所述耦合器连接于所述双向耦合器的第二端口和所述多个第一光纤干涉仪之间；至少两个所述第一光纤干涉仪具有不同的自由光谱范围；所述多个第一光纤干涉仪分别对所述宽带连续光进行光学采样，得到多个所述采样后光信号；所述耦合器用于耦合多个所述采样后光信号。由此可实现多传感器复用。
可选的，所述光源包括放大的自发辐射光源或超辐射发光二极管。
可选的，所述光电转换单元包括色散组件和光电探测器；所述色散组件用于对所述调制后光信号进行色散，得到色散后光信号；所述光电探测器用于将所述色散后光信号转换为所述第一电信号。
可选的，所述光纤传感***包括放大器，连接于所述光信号产生单元和所述光电探测器之间，用于放大所述光信号。
可选的，所述色散组件包括单模光纤、多模光纤、色散补偿光纤中的至少一者。
可选的，所述微波射频振荡器包括矢量网络分析仪。
可选的，所述微波-光调制器包括电光调制器、马赫曾德调制器、相位调制器中的一者。
本申请还提供一种基于微波光子的光纤传感方法，应用于光纤传感***感测外界物理量变化信息，包括：
确定所述光纤传感***的工作频率；
产生光信号；
基于第一射频信号调制所述光信号，得到调制后光信号；
将所述光信号转换为第一电信号；
产生表征所述第一电信号和第二射频信号的相位差的第二电信号；其中，所述第二射频信号与所述第一射频信号的频率均为所述工作频率；
解调所述第二电信号的强度，得到所述外界物理量变化信息。
可选的，所述确定所述光纤传感***的工作频率，包括：
产生宽带连续光；
对所述宽带连续光进行光学采样，得到采样后光信号；
基于宽频的射频扫频信号调制所述采样后光信号，得到调制后光信号；
对所述调制后光信号进行色散，得到色散后光信号；
将所述色散后光信号转换为第三电信号；
根据所述第三电信号的强度，将射频通带内的任意频率确定为所述工作频率；
根据所述第三电信号的相位，确定所述外界物理量变化信息的所述相位变化规律。
可选的，在所述解调所述第二电信号的强度的之前，所述光纤传感方法还包括：
去除所述第二电信号的强度的直流信息；
去除所述第二电信号的强度的噪声信息。
在一些实施例中，第一射频信号和第二射频信号具有相同的频率，微波-光调制器基于第一射频信号调制光信号，微波相位探测器产生表征第一电信号和第二射频信号的相位差的第二电信号，如此光纤传感***不需要扫频过程，响应速度快且单频工作器件的成本低；通过解调第二电信号的强度，得到第一电信号和第二射频信号的相位差信息，进而得到外界物理量变化信息，如此光纤传感***的测量灵敏度高。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1所示为本申请的光纤传感***的一个实施例的结构框图。
图2所示为本申请的光纤传感***的另一个实施例的结构框图。
图3所示为图2所示的光源的一个实施例的光信号的光谱示意图。
图4所示为图3所示的光谱示意图经过图2所示的干涉仪组件采样后的光谱示意图。
图5所示为图2所示的干涉仪组件的一个实施例的结构示意图。
图6所示为图2所示的干涉仪组件的另一个实施例的结构示意图。
图7所示为图2所示的干涉仪组件的另一个实施例的结构示意图。
图8所示为图2所示的干涉仪组件的另一个实施例的结构示意图。
图9所示为图5所示的第一光纤干涉仪的一个实施例的结构示意图。
图10所示为图7所示的第二光纤干涉仪的一个实施例的结构示意图。
图11所示为图7所示的第二光纤干涉仪的一个实施例的结构示意图。
图12所示为图7所示的第二光纤干涉仪的一个实施例的结构示意图。
图13为本申请的光纤传感方法的一个实施例的流程图。
图14为本申请的光纤传感***的另一个实施例的结构框图。
图15为图13中的步骤“确定光纤传感***的工作频率”的一个实施例的流程图。
图16为第三电信号的一个实施例的波形图。
图17为第三电信号的一个实施例的相位的波形图。
图18为光纤传感***的另一个实施例的装置图。
图19为图18所示的光纤传感***的采样后光信号的光谱图。
图20为图18所示的光纤传感***测得的射频通带信号强度的示意图。
图21为图18所示的光纤传感***测得的信号的时域信息。
图22为图18所示的光纤传感***测得的信号的频域信息。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”或者“若干”表示两个及两个以上。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
本申请实施例的基于微波光子的光纤传感***包括：用于产生光信号的光信号产生单元、用于产生第一射频信号和第二射频信号的微波射频振荡器、用于基于第一射频信号调制光信号的微波-光调制器、用于将光信号转换为第一电信号的光电转换单元、微波相位探测器和信号采集处理组件。微波相位探测器用于在感测外界物理量变化信息之前，确定光纤传感***的工作频率。微波相位探测器还用于产生表征第一电信号和第二射频信号的相位差的第二电信号。其中，第一射频信号和第二射频信号的频率均为工作频率。信号采集处理组件用于采集并解调第二电信号的相位，得到外界物理量变化信息。本申请的光纤传感***，响应速度快，成本低，并具有高测量灵敏度。
本申请提供一种基于微波光子的光纤传感***和光纤传感方法。下面结合附图，对本申请的基于微波光子的光纤传感***和光纤传感方法进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
图1所示为本申请的光纤传感***10的一个实施例的结构框图。本申请的光纤传感***10用于感测外界物理量变化信息。外界物理量变化信息可以是温度、压力、振动、声波、应变等。如图1所示，光纤传感***10包括：光信号产生单元11、微波射频振荡器12、微波-光调制器13、光电转换单元14、微波相位探测器15和信号采集处理组件16。
光信号产生单元11用于产生光信号。该光信号随着外界物理量变化信息的改变而改变。
微波射频振荡器12用于产生第一射频信号和第二射频信号。光纤传感***10具有工作频率。第一射频信号和第二射频信号的频率均为工作频率。
微波-光调制器13与光信号产生单元11和微波射频振荡器12连接，用于基于第一射频信号调制光信号，得到调制后光信号。微波-光调制器13接收光信号产生单元11产生的光信号和微波射频振荡器12产生的第一射频信号，并且基于第一射频信号调制光信号，产生调制后光信号。在一些实施例中，微波-光调制器13包括电光调制器、马赫曾德调制器、相位调制器中的一者。
光电转换单元14用于将光信号转换为第一电信号。将光信号转换为第一电信号后，第一电信号更容易被检测和解析。
微波相位探测器15用于在感测外界物理量变化信息之前，确定光纤传感***10的工作频率。在感测外界物理量变化信息之前，光纤传感***10需要预校准，以确定工作频率。工作频率决定了第一射频信号和第二射频信号的频率。在一些实施例中，微波相位探测器15包括矢量网络分析仪。
微波相位探测器15与光电转换单元14连接，且与微波射频振荡器12连接，用于产生表征第一电信号和第二射频信号的相位差的第二电信号。微波相位探测器15接收第一电信号和第二射频信号，并探测第一电信号和第二射频信号的相位差，基于该相位差产生第二电信号。在一些实施例中，第二电信号为反映该相位差的电压值。
信号采集处理组件16与微波相位探测器15连接，用于采集并解调第二电信号的强度，得到外界物理量变化信息。信号采集处理组件16可以采集第二电信号，通过第二电信号的强度解调获得外界物理量变化信息。
在一些实施例中，第一射频信号和第二射频信号具有相同的频率，微波-光调制器13基于第一射频信号调制光信号，微波相位探测器15产生表征第一电信号和第二射频信号的相位差的第二电信号，如此光纤传感***10不需要扫频过程，响应速度快且单频工作器件的成本低；通过解调第二电信号的强度，得到第一电信号和第二射频信号的相位差信息，进而得到外界物理量变化信息，如此光纤传感***10的测量灵敏度高。
在感测外界物理量变化信息之前，需对光纤传感***10进行预校准，确定外界物理量变化信息的相位变化规律。相位变化规律表征第二电信号的强度随着外界物理量变化信息的变化规律。相位变化规律用于物理量变化信息的解调。
微波相位探测器15用于在感测外界物理量变化信息之前，确定外界物理量变化信息的相位变化规律。
信号采集处理组件16用于根据相位变化规律，解调第二电信号的强度，得到外界物理量变化信息。信号采集处理组件16根据预校准时确定的相位变化规律，将第二电信号的强度与外界物理量变化信息对应起来，解调第二电信号，得到外界物理量变化信息。
图2所示为本申请的光纤传感***10的另一个实施例的结构框图。
光信号产生单元11包括光源17和干涉仪组件18。
光源17用于产生宽带连续光。在一些实施例中，光源17包括放大的自发辐射光源或超辐射发光二极管。
干涉仪组件18用于对宽带连续光进行光学采样，得到采样后光信号。干涉仪组件18为光纤传感***10的传感元件，可以为一个干涉仪或多个干涉仪的组合，对光源17产生的宽带连续光的光谱进行光学采样，外界物理量的变化引起采样光谱的变化，由此可实现多传感器复用。ω为宽带连续光的角频率，干涉仪组件18的传递函数为T(ω)，采样后光信号可以表示为S(ω)×T(ω)。
图3所示为图2所示的光源17的一个实施例的光信号的光谱示意图。
图4所示为图3所示的光谱示意图经过图2所示的干涉仪组件18采样后的光谱示意图。
参考图3~图4，光源17产生的光信号的光谱为高斯型。干涉仪组件18采样后的光谱呈现连续的正弦状。
参考图2，光电转换单元14包括色散组件141和光电探测器142。色散组件141用于对调制后光信号进行色散，得到色散后光信号。色散组件141可以在信号中引入色散，将信号的频域特征引入到时域中，从而得到射频频域的通带信号，形成通带射频滤波器。色散组件141可以通过优化设计尽量减小高阶色散，可以减小微波相位探测器15所探测的相位随外界物理量变化信息而变化的非线性度。在一些实施例中，色散组件14包括单模光纤、多模光纤、色散补偿光纤中的至少一者。
光电探测器142用于将色散后光信号转换为第一电信号。
光纤传感***10的复频率响应可以由以下公式表示：
其中，Ω为第一射频信号和第二射频信号的角频率；H为色散组件141的复传递函数；m为微波-光调制器13输出的光场的调制系数。
在一些实施例中，光纤传感***10包括放大器，连接于光信号产生单元11和光电探测器142之间，用于放大光信号。在一些实施例中，放大器连接于干涉仪组件18和微波-光调制器13之间，用于放大采样后光信号。在一些实施例中，放大器连接于微波-光调制器13和色散组件141之间，用于放大调制后光信号。在一些实施例中，放大器连接于色散组件141和光电探测器142之间，用于放大色散后光信号。放大器可以提升信号强度，方便后续探测。
图5所示为图2所示的干涉仪组件18的一个实施例的结构示意图。
干涉仪组件18包括双向耦合器181和第一光纤干涉仪182。双向耦合器181包括第一端口T1、第二端口T2和第三端口T3。第一端口T1与光源17连接，接收宽带连续光。第二端口T2与第一光纤干涉仪182连接。第三端口T3与微波-光调制器13连接。第一光纤干涉仪182用于对宽带连续光进行光学采样，得到采样后光信号，并将采样后光信号传输给第三端口T3，采样后光信号通过第三端口T3传输给微波-光调制器13。
图6所示为图2所示的干涉仪组件18的另一个实施例的结构示意图。
干涉仪组件18包括耦合器183和多个第一光纤干涉仪182。耦合器183连接于双向耦合器的第二端口T2和多个第一光纤干涉仪182之间。至少两个第一光纤干涉仪182具有不同的自由光谱范围，可以检测多个测量点的物理量变化信息。多个第一光纤干涉仪182分别对宽带连续光进行光学采样，得到多个采样后光信号。耦合器183用于耦合多个采样后光信号，通过第三端口T3传输给微波-光调制器13。信号采集处理组件16可以解调出不同的采样后光信号对应的射频信号，进而得出多个测量点的物理量变化信息，如此可以实现多传感器复用。
图7所示为图2所示的干涉仪组件18的另一个实施例的结构示意图。干涉仪组件18包括第二光纤干涉仪184。第二光纤干涉仪184的输入端连接光源17，对宽带连续光进行光学采样后，将采样后光信号通过输出端传输给微波-光调制器13。
图8所示为图2所示的干涉仪组件18的另一个实施例的结构示意图。
干涉仪组件18包括耦合器185、耦合器186和多个第二光纤干涉仪184。宽带连续光通过耦合器185输入给多个第二光纤干涉仪184。至少两个第二光纤干涉仪184具有不同的自由光谱范围，可以检测多个测量点的物理量变化信息。多个第二光纤干涉仪184对宽带连续光采样，得到多个采样后光信号，耦合器186将多个采样后光信号耦合后输出，信号采集处理组件16可以解调出不同的采样后光信号对应的射频信号，进而得出多个测量点的物理量变化信息，如此可以实现多传感器复用。
图9所示为图5所示的第一光纤干涉仪182的一个实施例的结构示意图。第一光纤干涉仪182包括法布里玻罗干涉仪。第一光纤干涉仪182包括191、192两个反射点，反射点191和反射点192中间的光纤为传感段。
图10所示为图7所示的第二光纤干涉仪184的一个实施例的结构示意图。
第二光纤干涉仪184包括萨格纳克干涉仪。第二光纤干涉仪184包括两个耦合器193和194、参考段光纤195、时延段光纤196以及反射点197。耦合器194和反射点197中间的光纤为传感段。
图11所示为图7所示的第二光纤干涉仪184的一个实施例的结构示意图。
第二光纤干涉仪184包括马赫曾德干涉仪。包括两个耦合器193和194、参考段光纤195、时延段光纤196。时延段光纤196为***的传感段。
图12所示为图7所示的第二光纤干涉仪184的一个实施例的结构示意图。
第二光纤干涉仪184包括迈克尔逊干涉仪。第二光纤干涉仪184包括耦合器193、参考段光纤195、时延段光纤196、两个反射点197和198。时延段光纤196为传感段。
图13为本申请的光纤传感方法20的一个实施例的流程图。
光纤传感方法20应用于光纤传感***10感测外界物理量变化信息。光纤传感方法20包括：步骤21~步骤26。
步骤21，确定光纤传感***10的工作频率。步骤21是为了确定光纤传感***10中的微波射频振荡器12的工作频率。
步骤22，产生光信号。光信号由光信号产生单元11产生。该光信号随着外界物理量变化信息的改变而改变。
步骤23，基于第一射频信号调制光信号，得到调制后光信号。微波-光调制器13接收光信号产生单元11产生的光信号和微波射频振荡器12产生的第一射频信号，并且基于第一射频信号调制光信号，产生调制后光信号。
步骤24，将光信号转换为第一电信号。光电转换单元14将光信号转换为第一电信号。
步骤25，产生表征第一电信号和第二射频信号的相位差的第二电信号。其中，第二射频信号与第一射频信号的频率均为工作频率。微波相位探测器15接收第一电信号和第二射频信号，并探测第一电信号和第二射频信号的相位差，基于该相位差产生第二电信号。
步骤26，解调第二电信号的强度，得到外界物理量变化信息。信号采集处理组件16采集并解调第二电信号的相位，得到外界物理量变化信息。
在一些实施例中，光纤传感方法20还包括：去除第二电信号的强度的直流信息；去除第二电信号的强度的噪声信息。如此可以更准确地获得外界物理量变化信息。
图14为本申请的光纤传感***10的另一个实施例的结构框图。本实施例用于在测量物理量之前，确定工作频率和相位变化规律，即预校准过程。校准***210包括：光信号产生单元11、微波-光调制器13、光电转换单元14、信号采集处理组件16和矢量网络分析仪19。其中光信号产生单元11、微波-光调制器13、光电转换单元14、信号采集处理组件16与图2所示的光纤传感***10中的一致。
矢量网络分析仪19与微波-光调制器13相连，提供宽频的射频扫频信号，用于调制光信号产生单元11产生的光信号，从而在经过光电转换单元14后生成射频通带电信号。
矢量网络分析仪19与光电转换单元14相连，用于采集光电转换单元14生成的射频通带电信号，即第三电信号。
信号采集处理组件16连接矢量网络分析仪19，采集并处理射频通带电信号。根据第三电信号的强度信息，确定光纤传感***10的工作频率。根据第三电信号的相位信息，确定光纤传感***10随外界物理量变化信息的相位变化规律。
图15为图13中的步骤21的一个实施例的流程图。
步骤21包括：步骤211~步骤216。在执行步骤21时，采用图14所示的校准***210，即用矢量网络分析仪19代替微波射频振荡器12和微波相位探测器15。
步骤211，产生宽带连续光。光源17产生宽带连续光。
步骤212，对宽带连续光进行光学采样，得到采样后光信号。干涉仪组件18对宽带连续光进行光学采样，得到采样后光信号。
步骤213，基于宽频的射频扫频信号调制采样后光信号，得到调制后光信号。矢量网络分析仪可以提供宽频的射频扫频信号，微波-光调制器13基于宽频的射频扫频信号调制采样后光信号，得到调制后光信号。
步骤214，对调制后光信号进行色散，得到色散后光信号。色散组件141对调制后光信号进行色散，将信号的频域特征引入到时域中，从而得到射频频域的通带信号，形成通带射频滤波器，得到色散后光信号。
步骤215，将色散后光信号转换为第三电信号。光电探测器142将色散后光信号转换为第三电信号。
步骤216，根据第三电信号的强度，将射频通带内的任意频率确定为工作频率。矢量网络分析仪连接光电探测器142，测量第三电信号的强度。图15为第三电信号的一个实施例的波形图。如图16所示，频率f1和频率f2之间为射频通带，射频通带内的任意频率都可作为工作频率，例如，频率f3、频率f4、频率f。若光纤传感***10包含多个传感器，那么光电探测器142探测的信号的射频通带也会有多个，选择相应传感器的射频通带对应的频率作为光纤传感***10的工作频率，即可测量获得对应传感器的传感信息。
步骤217，根据第三电信号的相位，确定光纤传感***10随外界物理量变化信息的相位变化规律。通过矢量网络分析仪19测量第三电信号的相位，改变外界待测物理量，获得外界物理量变化信息的相位变化规律。
在一些实施例中，步骤216包括：将射频通带内的微波频率确定为工作频率。由于在传感元件受到大范围波动时，其相位变化可能出现相位缠绕现象。此时，利用幅值变化特征来实现对相位信号的解缠绕，可以实现大范围的测量。
图17为第三电信号的一个实施例的相位的波形图。在图17所示的实施例中，色散组件141无三阶色散。信号通带内的相位随频率呈线性变化趋势。因此在使用光纤传感***10进行传感探测时，外界物理量变化引起的通带频率漂移导致的***探测的相位变化也呈现线性趋势。通过预校准得到相位随外界物理量的相位变化规律，即可将相位变化值与物理量变化值对应起来实现解调。
图18为光纤传感***10的另一个实施例的装置图。在本实施例中，此装置既用作光纤传感***10，也用作校准***210。此装置用作光纤传感***10时，将矢量网络分析仪（VNA）用作微波相位探测器15，同时也用作微波射频振荡器12。此时VNA的第一端口输出的射频信号既用作微波射频振荡器12的第一射频信号，也用作第二射频信号。
在图18所示的实施例中，光源17使用放大的自发辐射光源（ASE），光源17的中心波长为1545.5nm，谱宽为35nm。干涉仪组件18为法布里-玻罗（FP）腔。ASE发射的光经过环形器后被耦合至由空芯光纤（HCF）和单模光纤（SMF）组成的法布里-玻罗（FP）腔中。此处，由SMF和HCF熔接处的两个端面作为FP腔的两个反射面。FP腔的腔长即空芯光纤的长度约为300μm。经FP腔光学采样后，采样后光信号被反射回的光谱经过环形器的第三端口被输出，耦合至掺铒光纤放大器（EDFA）。
图19为图18所示的光纤传感***10的采样后光信号的光谱图。
由图19可知，FP腔的自由光谱范围（FSR）为3.95nm,计算得其腔长为303μm。微波-光调制器13使用电光调制器（EOM）。信号经EDFA放大后进入电光调制器（EOM）实现射频调制。射频信号由矢量网络分析仪（VNA）的第一端口提供，输入到EOM中的射频信号为线性扫频信号，扫频范围为10kHz~500MHz。光信号在EOM中经射频调制后输入到色散补偿光纤（DCF）模块中，DCF模块引入的总色散为-997ps/nm。经过DCF后的信号经带宽为1.6GHz的光电探测器探测后输入至VNA的第二端口处理显示，得到信号的强度和相位信息。VNA后连接信号采集处理模块进行信号采集和处理。
***测得的射频通带信号强度如图20所示，根据信号强度信息获得通带中心频率f为248.4MHz，完成预校准过程。
得到通带中心频率后，使用光纤传感方法20进行外界物理量测量过程。将VNA第一端口输出的射频信号的频率设置为通带中心频率f，将频率为f的连续射频信号加载到EOM上用于调制。将光纤FP腔紧绕在管状压电陶瓷（PZT）***，PZT上加载正弦的频率为10Hz，幅值为10Vpp的电信号用于驱动PZT产生振动。
经过DCF后的信号经光电探测器探测后输入至VNA的第二端口处理显示，得到信号的相位信息。VNA的IF Bandwidth设置为100Hz。实际工程应用中***可以使用更低成本的微波相位探测器，实现更高的经济效益。
测得的相位信息经过去直流和去噪处理后，由应变和相位变化量的标定过程得到相位转化为应变的转化关系。最终得到振动信号的时域信息如图21所示，频域的功率谱密度（PSD）如图21所示，由图21和图22可看到频率为10Hz的振动信号在时域被很好的恢复了出来，且信噪比在43.7dB以上。证明了本申请提供的光纤传感***10的高探测灵敏度。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的申请后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (12)

1.一种基于微波光子的光纤传感***，用于感测外界物理量变化信息，其特征在于，包括：
光信号产生单元，用于产生光信号；所述光信号随着外界物理量变化信息的改变而改变；
微波射频振荡器，用于产生第一射频信号和第二射频信号；
微波-光调制器，与所述光信号产生单元和所述微波射频振荡器连接，用于基于所述第一射频信号调制所述光信号，输出调制后光信号；
光电转换单元，用于将所述光信号转换为第一电信号；
微波相位探测器，用于在感测所述外界物理量变化信息之前，确定所述光纤传感***的工作频率；所述微波相位探测器与所述光电转换单元连接，且与所述微波射频振荡器连接，用于产生表征所述第一电信号和所述第二射频信号的相位差的第二电信号；所述第一射频信号和所述第二射频信号的频率均为所述工作频率；及
信号采集处理组件，与所述微波相位探测器连接，用于采集并解调所述第二电信号的强度，得到所述外界物理量变化信息；
其中，所述光电转换单元包括色散组件和光电探测器；所述色散组件用于对所述调制后光信号进行色散，得到色散后光信号；所述光电探测器用于将所述色散后光信号转换为所述第一电信号；
所述光信号产生单元包括光源和干涉仪组件；所述光源用于产生宽带连续光；所述干涉仪组件用于对所述宽带连续光进行光学采样，得到采样后光信号。
2.根据权利要求1所述的光纤传感***，其特征在于，所述微波相位探测器包括矢量网络分析仪，用于在感测所述外界物理量变化信息之前，确定所述外界物理量变化信息的相位变化规律。
3.根据权利要求2所述的光纤传感***，其特征在于，所述信号采集处理组件用于根据所述相位变化规律，解调所述第二电信号的强度，得到所述外界物理量变化信息。
4.根据权利要求1所述的光纤传感***，其特征在于，所述干涉仪组件包括双向耦合器和第一光纤干涉仪；所述双向耦合器包括第一端口、第二端口和第三端口；所述第一端口与所述光源连接，所述第二端口与所述第一光纤干涉仪连接，所述第三端口与所述微波-光调制器连接；所述第一光纤干涉仪用于对所述宽带连续光进行光学采样，得到所述采样后光信号，并将所述采样后光信号传输给所述第三端口。
5.根据权利要求1所述的光纤传感***，其特征在于，所述干涉仪组件包括双向耦合器；所述双向耦合器包括第一端口、第二端口和第三端口；所述第一端口与所述光源连接；所述第三端口与所述微波-光调制器连接；所述干涉仪组件还包括耦合器和多个第一光纤干涉仪；所述耦合器连接于所述双向耦合器的所述第二端口和多个所述第一光纤干涉仪之间；至少两个所述第一光纤干涉仪具有不同的自由光谱范围；多个所述第一光纤干涉仪分别对所述宽带连续光进行光学采样，得到多个所述采样后光信号；所述耦合器用于耦合多个所述采样后光信号，通过所述第三端口传输给所述微波-光调制器。
6.根据权利要求1所述的光纤传感***，其特征在于，所述光源包括放大的自发辐射光源或超辐射发光二极管。
7.根据权利要求1所述的光纤传感***，其特征在于，所述光纤传感***包括放大器，连接于所述光信号产生单元和所述光电探测器之间，用于放大所述光信号。
8.根据权利要求1所述的光纤传感***，其特征在于，所述色散组件包括单模光纤、多模光纤、色散补偿光纤中的至少一者。
9.根据权利要求1所述的光纤传感***，其特征在于，所述微波射频振荡器包括矢量网络分析仪；和/或
所述微波-光调制器包括电光调制器、马赫曾德调制器、相位调制器中的一者。
10.一种基于微波光子的光纤传感方法，应用于权利要求1-9中任一项所述的光纤传感***感测外界物理量变化信息，其特征在于，包括：
确定所述光纤传感***的工作频率；
产生光信号；所述光信号随着外界物理量变化信息的改变而改变；
基于第一射频信号调制所述光信号，得到调制后光信号；
将所述光信号转换为第一电信号；
产生表征所述第一电信号和第二射频信号的相位差的第二电信号；其中，所述第二射频信号与所述第一射频信号的频率均为所述工作频率；
解调所述第二电信号的强度，得到所述外界物理量变化信息。
11.根据权利要求10所述的光纤传感方法，其特征在于，所述确定所述光纤传感***的工作频率，包括：
产生宽带连续光；
对所述宽带连续光进行光学采样，得到采样后光信号；
基于宽频的射频扫频信号调制所述采样后光信号，得到调制后光信号；
对所述调制后光信号进行色散，得到色散后光信号；
将所述色散后光信号转换为第三电信号；
根据所述第三电信号的强度，将射频通带内的任意频率确定为所述工作频率；
根据所述第三电信号的相位，确定所述外界物理量变化信息的所述相位变化规律。
12.根据权利要求10所述的光纤传感方法，其特征在于，在所述解调所述第二电信号的强度的之前，所述光纤传感方法还包括：
去除所述第二电信号的强度的直流信息；
去除所述第二电信号的强度的噪声信息。
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