01 導讀

Fabry-Pérot （F-P）傳感器體積小、成本低、易制作，在溫度、振動、應變測量中得到了廣泛的應用。F-P的信號解調技術在很大程度上決定了整個傳感系統的性能，現有的解調方法在同時實現高精度、高動態范圍和高速方面仍然面臨著諸多挑戰。近日，中國計量大學李裔教授研究團隊提出了一種基于光纖隨機散斑的FP傳感器解調系統，利用多模光纖干涉形成的散斑來解調FP的透射光譜（微小的光譜變化將導致產生的散斑模式的顯著變化）。利用散斑高靈敏度優勢解決了長期限制FP傳感器測量范圍的整周期重合問題。研究成果以“Demodulation of Fabry-Pérot sensors using random speckles”為題在Optics Letters上發表，第一作者為中國計量大學碩士研究生梁芹，通訊作者為李裔教授。

02 研究背景

目前F-P傳感器的解調技術主要包括強度解調、正交相位解調和白光干涉測量（WLI）。正交強度解調因具有快速響應和低成本的優點是使用最廣泛的技術。正交相位解調方法通過引入兩個正交相位項來有效地擴展動態范圍，可以通過有源（如PGC）或無源相位調制（雙波長正交相位解調）來實現。WLI借助光譜儀解調出絕對腔長已被廣泛用于靜態或準靜態參數的測量。然而FP傳感器的解調方法在同時實現高精度、高動態范圍和高速方面仍然面臨著挑戰。

近年來，基于散斑的光譜儀和波長計引起了越來越多的研究興趣。工作范圍可以覆蓋可見光和近紅外波段，并且達到飛米級別的波長分辨率。本研究首次引入多模光纖散斑實現F-P傳感器的高分辨率和快速解調。 03 創新研究

3.1 散斑解調原理

圖1 基于散斑的F-P解調系統裝置圖圖源： Optics Letters （2022）

https://doi.org/10.1364/OL.465212 （Fig.1）

散斑解調方案擺脫了對光譜儀、可調諧激光或相位調制器件的依賴，其系統結構如圖1所示。在溫度保持不變的情況下，FP周期峰波長的位移與氣體壓力呈線性關系。FP的透射光經過濾波后注入到多模光纖中形成散斑。散斑模式是由多模光纖的模間干涉引起的，其中各模式的傳播常數是與波長相關的。散斑的空間分布強度值可用如下公式表示：

因此，當λm峰值波長隨氣壓而變化時，散斑圖案也會相應地發生變化。在基于開放腔FP的氣壓測量的驗證實驗中，利用卷積神經網絡（CNN）建立散斑和氣壓值的映射關系，最終獲得了0.001MPa的氣壓分辨率。

3.2 整周期重合問題的解決

眾所周知F-P的透射光譜峰具有周期性，當環境氣壓變化范圍較大時，光譜偏移會導致光譜的周期性重合。本研究為進一步探究在此特殊情況下的散斑信息，用1×2耦合器將透射光分為兩部分，一部分連接近紅外相機，另一部分連接光譜儀。在相同的實驗條件下，同時采集散斑圖像和相應的光譜。為研究了在不同氣壓下散斑圖像的差異，我們采用結構相似度指數度量（SSIM），計算0MPa時的散斑圖案和其他氣壓（0-0.4MPa）下散斑之間的相似性。計算結果如圖2（a）所示可以看出，散斑圖案的變化也是周期性的。其中5個最相似的散斑圖案（A、B、C、D和E）恰好對應F-P光譜周期性重合的狀況，其對應的光譜如圖2（b）所示。當F-P光譜幾乎重疊時，光譜儀很難區分相應的壓力值。但實際上其光譜特征是存在細微差異的，如消光比和FSR。圖2（c）顯示了在光譜周期性重合時的散斑圖案，為了更直觀地觀察這些散斑圖像之間的差異，在下方將相鄰兩個周期散斑圖進行兩兩相減。可以看出，即使在光譜周期性重合時，不同壓力下的散斑仍是存在明顯不同的，基于此差異我們嘗試用CNN網絡建立了氣壓值與散斑圖案的映射關系。

圖2 整周期重合時的光譜圖和散斑圖圖源： Optics Letters （2022）https://doi.org/10.1364/OL.465212 （Fig.2）

3.3 四象限探測器代替CCD

圖3 四象限探測器結構圖及采集的數據圖源： Optics Letters （2022）

https://doi.org/10.1364/OL.465212 （Fig.4）

雖然利用散斑圖案可以解調F-P的光譜，但散斑圖像的采集仍然依賴于近紅外相機。但由于CCD的數據讀出速度有限，不適用于高速測量場景，另外近紅外相機的價格也非常昂貴。基于以上考慮，我們又嘗試使用單個的四象限光電探測器（QD）代替相機探測散斑，以提高數據采集速度。如圖3（a）所示，QD的光敏面為圓形，但被等面積分割為四份，每個象限均可獨立采集。圖3（b）為實際采集到的四通道信號，其值也隨光譜移動而周期性變化。雖然散斑圖片被壓縮為四通道信號，但通過重新訓練的CNN仍能準確地提取出F-P的光譜特征。解調精度為0.002MPa，與基于完整散斑圖像的解調相比有所下降，這主要源于圖像信息的損失。這樣該解調裝置的測量帶寬就僅取決于QD的響應帶寬（本研究中為30MHz）。值得說明的是雖然QD將散斑圖像轉移到四通道的強度信號中，但它與以往的純強度解調方法有很大的不同。QD的強度信息是基于由散斑圖像的結構性變化引起的通道間的相對強度變化。因此，它對光源的功率波動具有較高的魯棒性。

04 應用與展望

本研究提出并實驗驗證了一種基于隨機散斑的FP傳感器解調系統，此方法不依賴使用光譜儀、可調諧激光器或相位調制器。由于多模光纖散斑高靈敏度的特性，可以精確區分整周期重合光譜的差異，使測量范圍僅取決于其校準范圍。利用CNN算法，獲得了一個開放空腔FP傳感器的氣壓分辨率為0.001 MPa。值得注意的是，所提出的解調是基于散斑模式的結構變化，而不僅是基于強度。此外，我們還研究了如何在高速測量場景下實現散斑解調方案。使用四象限探測器（QD）取代相機來探測散斑圖像。其最大動態測量頻率僅取決于QD響應帶寬（本研究中為30MHz）。根據對分辨率和測量速度的不同要求可以選擇CCD或QD作為探測器。基于散斑的解調方法目前也已在FBG傳感器中實現以5kHz的解調速度達到1pm的分辨率。（研究成果以“Demodulation of Fabry-Pérot sensors using random speckles”為題在Optics Letters上發表），相信多模光纖散斑未來可應用于其他類型的光纖傳感研究與開發中。審核編輯：郭婷