干涉型光纤传感器中的噪声分析与消除方法研究

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1、第17卷增刊2006年6月光电字·澈光JournalofOptoelectronics·LaserV01．17Suppl．2006干涉型光纤传感器中的噪声分析与消除方法研究”施长海，陈建平，李新碗，王晓扬，都志刚(上海交通大学”区域光纤通信网与新型光通信系统”国家重点实验室，上海，200240)摘要：以干涉型光纤微弱磁场传感器为例，通过对系统最小可探测磁场的计算，对光源输出功率大于0．1mw时的干涉型光纤传感器的噪声进行了分析，并给出了消除噪声的方法。由理论分析可知，此时的干涉型光纤传感器的噪声

2、主要来源是光源的相对强度噪声、光源频率噪声和光纤干涉仪的干涉臂长度不匹配引起的相位噪声。通过仿真，给出了最小可探测磁场达到nT数量级时的各项参数：光源的相对强度噪声比小于一70dB，频率抖动小于lkHz，光纤干涉仪的臂长差小于1mm。关键词：磁场传感；最小探测场；相对强度噪声；相位噪声；频率抖动；臂长不匹配AnalysisandEliminationoftheNoiseinFiber-OpticInterferometricSensorswithHighOpticPowerShiChang—ha

3、i，ChenJian—ping，LiXin—wan，WangXiao—yang，DuZhi—gang(theStateKeyLaboratoryonFiber-OpticLocalAreaNetworkandAdvancedOpticalCommunicationSystem，ShanghaiJiaoTongUniversity，Shanghai200240)．1引言光纤传感器以其灵敏度高、体积小、重量轻、抗电磁干扰、抗辐射、耐腐蚀等特点得到极大关注，并广泛应用于国防、能源、冶金和医学等领域⋯。

4、其中，干涉型光纤传感器将被测物理量调制到光纤干涉仪的信号臂，通过检测光的相位变化来表示被测物理量，具有很高的灵敏度，因而广泛应用于位移、电场、磁场、压力和应变等物理量的精确测量。但同时也容易受到噪音、振动、温度等多种噪声和环境量的干扰心]。为了保证系统分辨率，通常光源输出功率都在0．1mW以上。本文以干涉型光纤微弱磁场传感器为例，通过系统最小可探测磁场的分析，对光源输出功率大于0．1mW时的干涉型光纤传感器的噪声进行了分析，并给出了噪声消除方法。由理论分析可知，此时系统噪声的主要来源是光源的相对

5、强度噪声、光源频率噪声和光纤干涉仪的干涉臂长度不匹配引起的相位噪声。通过仿真，给出了最小可探测磁场达到nT数量级时的各项参数：光源的相对强度噪本文中，大功率指光源输出功率大于0．1mW．*基金项目：国家自然科学基金资助项目(60377013，60507013)．作者简介：施长海(1977一)，男，安徽石台人。博士生。主要研究领域：光纤传感器、光纤通信和电磁场与微波技术一-蚕‰Ⅲ幽惭删一一刚一一删一呻‰一_莒，肿幽№幽攀啊砌汛m融mh∞盯dm∞=一=～～E硌．Ⅲ吐k由骶舳一．一'蓥n抓‰篡然=一燕

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8、～一一～增刊施长海等：干涉型光纤传感器中的噪声分析：狲险友达婴窒声比小于一70dB，频率抖动小于1KHz，光纤干涉仪的臂长差小于1mm。2理论分析干涉型光纤磁传感器是将光纤干涉仪的传感臂光纤与磁致伸缩材料相粘贴。当磁场作用于磁致伸缩材料时，磁致伸缩材料会发生形变，使得信号臂光纤发生应变，产

9、生光相位延迟。经过耦合器，干涉仪的两路光信号产生干涉，不同磁场产生的相位差转换成光强度变化，从而检测被测磁场大小。系统原理如图1所示，参考臂光纤与压电陶瓷(PZT)结合，差分放大器的输出通过低通滤波器和积分器后反馈加载到PZT，构成相位补偿来克服外界环境噪声造成干涉仪工作点漂移I⋯。同时，它还可以使干涉仪工作在正交相位点，使被测信号获得最大线性输出。另外，系统采用了带有两个单程旋转450法拉第旋转镜(FRM)的Michelson干涉仪结构，来克服偏振态随机抖动造成的系统不稳定¨]。假设激光光源的

10、相干长度远远大于干涉仪两臂的光程差(L。》n(L。一L。)，其中，L。：是光源的相干长度，n是单模光纤纤芯折射率，Ls和Ln分别是干涉仪信号臂和参考臂光纤的物理长度)。两个光纤输出端口的信号可表示为：h：一f。[1--+Vcos(舒)](1)式中，J。是信号臂和参考臂的光强In．。的平均值，当耦合器的分光比为50：50时，，。一，n一，。。y是干涉仪的可见度。△声是两臂的光相位差，△乒一抓一热(虾．。是两臂的光相位延迟)。可以认为△≯由两部分组成，声。代表由环境噪音引起的偏置相位，d声则代表由被