Разработка метода прямой демодуляции фазы интерферометра Фабри–Перо для температурных измерений с использованием частотного сканирования

Казачкова И.Д., Плотников М.Ю., Коннов К.А., Коннов Д.А.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Казачкова И.Д., Плотников М.Ю., Коннов К.А., Коннов Д.А. Разработка метода прямой демодуляции фазы интерферометра Фабри–Перо для температурных измерений с использованием частотного сканирования // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 7. С. 86–93. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-07-86-93

Kazachkova I.D., Plotnikov M.Y., Konnov K.A., Konnov D.A. Development the method of direct phase demodulation Fabry–Perot interferometer for temperature measurements using frequency scanning [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 7. P. 86–93. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-07-86-93

Ссылка на англоязычную версию:

Irina D. Kazachkova, Michael Y. Plotnikov, Kirill A. Konnov, and Dmitriy A. Konnov, "Development of a direct phase demodulation method for a Fabry-Pérot interferometer for temperature measurements using frequency scanning," Journal of Optical Technology. 90(7), 405-409 (2023). https://doi.org/10.1364/JOT.90.000405

Аннотация:

Предмет исследования. Спектральные характеристики интерференционного сигнала при использовании метода прямой демодуляции фазы в устройстве опроса волоконно-оптического датчика высокотемпературных измерений. Цель работы. Разработка метода измерения абсолютных значений температуры с помощью интерферометра Фабри–Перо на основе демодуляции фазы с использованием частотного сканирования. Метод. Реализована математическая модель прямой демодуляции фазы в среде MATLAB. Разработанный метод позволяет оценивать изменение оптической длины интерферометра под действием температуры за счет осуществления частотной модуляции длины волны источника оптического излучения по периодическому пилообразному закону. В результате многолучевой интерференции в резонаторе Фабри–Перо фотоприемным устройством регистрируется отраженный интерференционный отклик со сложным спектральным составом. Текущее значение разности фаз в интерферометре восстанавливается путем оценки положения локальных минимумов интерференционного сигнала и определяется абсолютная температура интерферометра. Основные результаты. Представлены результаты математического моделирования метода прямой демодуляции фазы для диапазона длин волн источника излучения 1308–1310 нм. Проведено согласование длины резонатора интерферометра с допустимым диапазоном перестройки длины волны вертикально-излучающего лазера для достижения максимальной фазовой чувствительности. Подобран цифровой фильтр для метода демодуляции фазы интерферометра Фабри–Перо и вычислена потенциальная точность метода определения температуры с учетом наличия шумов в измерительной системе. Практическая значимость. Предложенный в работе метод может быть использован в системе опроса волоконно-оптического интерферометрического датчика Фабри–Перо, а также для высокоточных систем мониторинга температуры свыше 300 °C.

Ключевые слова:

волоконно-оптический датчик, интерферометр Фабри–Перо, фазовая демодуляция, интеррогатор, измерение температуры

Коды OCIS: 120.5050, 120.2230, 060.2370,070.6020

Список источников:

1. Hirsch M., Majchrowicz D., Wierzba P., et al. Lowcoherence interferometric fiber-optic sensors with potential applications as biosensors // Sensors. 2017.
V. 17. P. 261. https://doi.org/10.3390/s17020261
2. Bao Y., Huang Y., Hoehler M.S., et al. Review of fiber optic sensors for structural fire engineering // Sensors (Basel). 2019. V. 19. № 4. P. 877. http://dx.doi.org/10.3390/s19040877
3. Jia P., Liang H., Fang G., et al. Batch-producible MEMS fiber-optic Fabry–Perot pressure sensor for high-temperature application // Appl. Opt. 2018. V. 57
№ 23. P. 6687–6692. https://doi.org/10.1364/AO.57.006687
4. Liu Q., Peng W. Fast interrogation of dynamic lowfinesse Fabry–Perot interferometers: A review // Microwave and Opt. Technol. Lett. 2021. V. 63. № 9.
P. 2279–2291. https://doi.org/10.1002/mop.32922

5. Wang Q., Ma Z. Feedback-stabilized interrogation technique for optical Fabry–Perot acoustic sensor using a tunable fiber laser // Opt. Laser Technol. 2013. V. 51. P. 43–46. http://dx.doi.org/10.1109/JSEN.2011.2140104
6. Mao X., Zhou X., Yu Q. Stabilizing operation point technique based on the tunable distributed feedback laser for interferometric sensors // Opt. Commun. 2016. V. 361. P. 17–20. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2015.10.022.
7. Ma J., Zhao M., Huang X., et al. Low cost, high performance white-light fiber-optic hydrophone system with a trackable working point // Opt. Exp. 2016. V. 24. № 17. P. 19008–19019. https://doi.org/10.1364/OE.24.019008
8. Mao X., Yuan S., Zheng P., et al. Stabilized fiber-optic Fabry–Perot acoustic sensor based on improved wavelength tuning technique // J. Lightwave Technol. 2017. V. 35 № 11. P. 2311–2314.
9. Jia J., Jiang Y., Zhang L., et al. Dual-wavelength DC compensation technique for the demodulation of EFPI fiber sensors // IEEE Photonics Technol. Lett. 2018. V. 30 № 15. P. 1380–1383. https://doi.org/10.1109/LPT.2018.2848934
10. Cheng J., Lu D-f., Gao R., et al. Fiber optic microphone with large dynamic range based on bi-fiber Fabry–Perot cavity // Fiber Opt. Sensing and Opt. Commun. 2017. https://doi.org/10.1117/12.2283009
11. Huang Y., Wang S., Jiang J., et al. Orthogonal phase demodulation of optical fiber Fabry–Perot interferometer based on Birefringent crystals and polarization technology // IEEE Photonics J. 2020. V. 12. № 3. P. 1–9. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2020.2977952
12. Jiang J., Zhang T., Wang S., et al. Noncontact ultrasonic detection in low-pressure carbon dioxide medium using high sensitivity fiber-optic Fabry–Perot sensor system // J. Lightwave Technol. 2017. V. 35. № 23. P. 5079–5085. https://doi.org/10.1109/JLT.2017.2765693
13. Liao H., Lu P., Liu L., et al. Phase demodulation of short-cavity Fabry–Perot interferometric acoustic sensors with two wavelengths // IEEE Photonics J.
2017. V. 9. № 2. P. 1–9. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2017.2689771
14. Jia P.G., Wang D.H. Self-calibrated non-contact fiberoptic Fabry–Perot interferometric vibration displacement sensor system using laser emission frequency modulated phase generated carrier demodulation scheme // Meas. Sci. Technol. 2012. V. 23. № 11. P. 115201. https://doi.org/10.1088/0957-0233/23/11/115201
15. Volkov A.V., Plotnikov M.Y., Mekhrengin M.V., et al. Phase modulation depth evaluation and correction technique for the PGC demodulation scheme in fiberoptic interferometric sensors // IEEE Sens. J. 2017. V. 17. № 13. P. 4143–4150. https://doi.org/10.1109/JSEN.2017.2704287
16. Zhou X., Yu Q. Wide-range displacement sensor based on fiber-optic Fabry–Perot interferometer for subnanometer measurement // IEEE Sens. J. 2011. V. 11. № 7. P. 1602–1606. https://doi.org/10.1109/JSEN.2010.2103307
17. Moro E.A., Todd M.D., Puckett A.D. Understanding the effects of Doppler phenomena in white light Fabry–Perot interferometers for simultaneous position and velocity measurement // Appl. Opt. 2012. V. 51. № 27. P. 6518–6527. https://doi.org/10.1364/AO.51.006518
18. Yu Z., Wang A. Fast white light interferometry demodulation algorithm for low-finesse Fabry–Pérot sensors // IEEE Photonics Technol. Lett. 2015. V. 27.
№ 8. P. 817–820. https://doi.org/10.1109/LPT.2015.2391912
19. Lee C.E., Atkins R.A., Taylor H.F. Performance of a fiber-optic temperature sensor from −200 to 1050 °C // Opt. Lett. 1988. V. 13. № 11. P. 1038–1040. https://doi.org/10.1364/OL.13.001038
20. Liu Y., Zhang T., Wang Y., et al. Simultaneous measurement of gas pressure and temperature with integrated optical fiber FPI sensor based on in-fiber micro-cavity and fiber-tip // Opt. Fiber Technol. 2018. V. 46. P. 77–82. https://doi.org/10.1016/j.yofte.2018.09.021
21. Zhang C., Cui G., Miao C., et al. A Fabry–Perot temperature sensor sealed with thermo-sensitive polymer // Results in Optics. 2021. V. 5. P. 100163. https://doi.org/10.1016/j.rio.2021.100163