[发明专利]一种光纤氢气传感器解调方法

权利要求书

1.一种光纤氢气传感器解调方法，所述光纤氢气传感器包括宽谱光源、电光调制器和计算机，宽谱光源输出端连接光电耦合器，光电耦合器的一个输出端的光纤面上镀制一段钯膜，钯膜表面设置有反射镜，光电耦合器的输出端口和反射膜构成一个迈克尔逊干涉仪，迈克尔逊干涉仪的输出端连接电光调制器，电光调制器输出的调制信号经过色散光纤后入射到高速光电探测器上，高速光电探测器将光信号转换 成微波信号并通过低噪放放大，低噪放输出端连接微波功分器，微波功分器将一部分微波信号注入到电光调制器中，同时将另一部分微波信号输入频谱仪，频谱仪末端连接计算机；电光调制器、色散光纤、高速光电探测器、低噪放和微波功分器组成光电振荡器环路，且光电振荡器环路输入端与迈克尔逊干涉仪的输出端相连接，能够将迈克尔逊干涉仪输出端产生的干涉梳状谱注入光电振荡器环路中，并通过光电振荡器环路产生微波信号，电光调制器内部设置有线性调制设备，线性调制设备表面设置有纵向和横向接口，接口均位于铝外壳中，由于电光效应可分为线性电光效应和二次电光效应，而线性电光效应比二次电光效应的作用效果明显，因此采用线性调制效果更好，宽谱光源采用高斯型或矩形光源作为发射光源，使得光源发射装置的选择性更高；其特征在于，通过不同氢气浓度下的钯膜折射率的变化来改变迈克尔逊干涉仪的光程差，从而改变光电振荡器输出的微波信号的中心频率，根据微波信号中心频率的变化量来得到待测氢气的浓度，干涉仪一臂上镀制的钯膜在不同浓度的氢气状态下，钯膜将吸收氢气并使钯膜的折射率发生变化，从而使得干涉仪两臂光程差发生变化，通过改变氢气浓度，并记录不同氢气浓度下光电振荡器输出的微波信号的中心频率就可以得到待测氢气浓度，宽谱光源经过迈克尔逊干涉仪后，将发生干涉，干涉条纹的输出在频域上可表示为：

其中A为干涉仪输出干涉条纹的可见度，Δω为不同干涉仪光程差nΔL时输出干涉条纹的频率间隔，为干涉仪的相位漂移，ω₀为激光器的中心圆频率；Δω可表示为：

Δω＝2πc/nΔL (2)

其中c为光速，n为光纤折射率，ΔL为干涉仪两臂光程差；则该干涉仪的自由光谱范围可表示为：

干涉的输出光是与波长相关，其电场可表征为：

E(t)＝∫E(ω)e^jωtdω (4)

则光源的光功率谱密度可表示为：

T(ω)＝|E(ω)|² (5)

干涉仪输出的干涉条纹经过电光调制器后，光谱的每个频率分量E(ω)都被调制，并且由光电振荡器环路产生一频率为ξ的微波信号，电光调制器输出的光场可表示为：

E(ω)＝e^jωt(1+e^jξt+e^-jξt) (6)

光电振荡器中使用色散光纤作为延迟线，该延迟线的电场传递函数可表示为：

H(ω)＝|H(ω)|e^-jφ(ω) (7)

φ(ω)为色散光纤延迟引入的相位，根据泰勒级数展开，该相位可表示为：

式中，τ(ω₀)为中心频率为ω₀时的群时延，β为光纤的色散，其单位为ps²/km，β可表示为：

式中D为光纤的色散系数，λ为光源波长；

根据式(5)——(9)可得光电振荡器响应函数为：

其中

由此可知，光电振荡器输出的微波信号的中心频率可表示为：

由上式可知，改变待测氢气的浓度从而改变干涉仪两臂光程差值nΔL，测试系统输出的微波信号的频率将会改变，根据微波信号的中心频率的变化量就可以得到待测氢气的浓度。