基于3×3耦合器的干涉型光纤传感器信号解调技术研究-Matlab代码

一、引言

光纤耦合器是一种使光信号在特殊结构的耦合区内发生耦合，将功率再分配的无源器件。它在光纤传感和光通信等领域有着广泛的应用，在耦合过程中，光信号的频谱成分不变，只是信号的光功率发生变化。1980年，K．P．Koo等对3×3耦合器原理进行了理论分析，提出利用3×3耦合器实现干涉型光纤传感器的信号解调，建立了马赫-泽德尔型光纤干涉仪的模型。1981年，Sheem第一次提出了用3×3耦合器构造光纤干涉仪来提高系统的灵敏度，它在结构上与Mach-Zehnder干涉仪类似，而把 Mach-Zehnder干涉仪输出端的2×2耦合器由3×3耦合器取代。后来研究者对其结构进行不断的改进，提出了基于Michelson干涉仪的对偏振不敏感的构造。基于3×3耦合器的解调方法是一种无零差的解调方法，属于被动相位调制型。以3×3耦合器为基础的干涉仪可实现干涉式光纤传感器、光纤光栅传感器以及光纤激光传感器的信号解调。它的特点是测量范围大，便于判断方向，灵敏度高，易于全光纤化等。近年来，人们利用反馈光纤连接3×3耦合器的一对输入输出端口，通过改变反馈光纤的长度实现分束比的调节，来构造自己需要的光路结构和特殊器件。它具有体积小、重量轻、结构简单、性能稳定可靠、不需要调制光源，允许光路设计上的对称性偏差等优点。人们逐渐重视它在光纤水听器、光纤加速度计、光纤陀螺等光纤传感领域的应用。采取高集成、并行处理SOPC技术，可实现解调系统的数字化 [1] 。

二、3×3耦合器解调方法原理

基于3×3耦合器干涉仪的结构如图1所示。其中，2×2耦合器只是一个功率分配器，3×3耦合器3个输出量在相位上相差120°。S和R为3×3耦合器的两个臂，分别代表干涉仪的传感臂与参考臂。3个检测器分别检测3×3耦合器的3个输出信号，经电路处理，再经过运算，把需要的待测信号解调出来。

图1 基于3×3耦合器的干涉仪结构

详细解调原理可参考文献[1]：

图2 基于3×3耦合器的解调方法

三、基于3×3耦合器解调仿真研究-Matlab代码

基于3×3耦合器仿真与解调结果如图3所示。首先，模拟一待测信号，根据文献中相关理论，可模拟得到3路输出的干涉信号，如图3(b)所示，最后根据3×3耦合器解调原理，解调出的信号如图3©所示。

图3 基于3×3耦合器仿真与解调结果 (a) 模拟待测信号；(b) 模拟输出3路干涉信号；(c) 基于3×3耦合器解调出的信号

四、参考文献

1. 张晓峻, 康崇, and 孙晶华, "3×3光纤耦合器解调方法 " 发光学报 34, 665-671 (2013).

五、Matlab程序获取

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▁▂▃▅▆▇ 博士研究生生 ，研究方向主要涉及定量相位成像领域，具体包括干涉相位成像技术(如**全息干涉☑**、散斑干涉☑等)、非干涉法相位成像技术(如波前传感技术☑，相位恢复技术☑)、此外，还对各种相位解包裹算法☑，相干噪声去除算法☑等开展过深入的研究。

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