基于双频光电振荡的光纤磁场传感技术研究

Recently，fiber optical magnetic field sensors are desirable because of their immunity to electromagnetic interference, suitable for severe environment, small size, long-distance signal transmission for distribute measurement and low cost. However, traditional fiber optical magnetic field sensors have many limitations, such as complex demodulation, low resolution, slow demodulation response, low signal-to-noise ratio and spectral intensity, sensitive to temperature and surroundings. Thus a novel fiber optical magnetic field sensor with high resolution and demodulation response using microwave technology is proposed in this proposal. We will verify the scheme based on theoretical analysis of the simulation model and experimental verification. In this project, we present and analyze a dual-frequency OEO scheme using etched polarization-maintaining equivalent phase-shift fiber Bragg grating, combined with DSP frequency demodulation technology to improve the performance of fiber optical magnetic field sensors and achieve remote and distribution measurements. This project will provide theoretical and technical guidance for optical fiber magnetic field detection, which is of great significance.

光纤型磁场传感器具有抗电磁干扰能力强、适宜各种恶劣环境、结构紧凑、易于分布式测量、成本低廉等诸多优点，近年来受到众多研究者的重视。为了解决传统光纤磁场传感技术存在的解调技术复杂、分辨率低、解调响应慢、温度交叉敏感、信噪比低、易受环境影响等问题，本课题拟将微波光子技术和光纤磁场传感技术相融合，满足高精度快速响应的磁场探测需求，按照仿真模型建立及理论分析，结合实验系统搭建和验证的思路展开，提出并详细研究将基于腐蚀型保偏等效相移光栅的双频光电振荡器应用于磁场探测领域的工作机理和实验方案，结合DSP频率解调技术，实现具有高分辨率、高速响应带宽、温度补偿、高信噪比、以及可以远程和分布测量等性能的光纤磁场探测系统。本项目的成功实施和预期研究成果将为快速、高分辨率光纤磁场传感系统的实用化开发提供一定的理论和技术指导，具有重要意义。

项目围绕高性能光电振荡器（OEO）及其在传感领域的应用进行了研究，重点对基于OEO的磁场传感进行了机理分析和实验研究。项目组完成了传感光栅的理论建模分析，通过对光栅参数进行优化和理论计算，设计了窄带光纤光栅法布里珀罗（FBG-FP）传感单元。并分别对基于双通带微波光子滤波器（MPF）的双频OEO系统和基于马赫增德尔干涉仪（MZI）的单频OEO系统进行了理论分析和实验研究，建立被测量-光域波长-微波频率的映射关系。通过OEO环将传感量转化成微波频率信号进行频率解调，实现了高分辨率、快响应光纤磁场传感。同时，利用双参量矩阵法，或者合理设计MZI光纤结构，解决了磁场传感中温度-磁场交叉敏感问题。此外，项目组成员还研究了新型高性能OEO结构，对OEO单模振荡性能、OEO相位噪声以及OEO频率稳定性等方面进行了研究和优化，并进一步拓展研究了干涉型光纤传感单元以及基于OEO的其他传感结构，包括相对湿度传感、电流传感、距离传感等。本项目的研究已取得了一些创新性成果，通过将基于OEO的微波光子传感技术应用于光纤磁场传感领域，相比于传统的光学解调，有效提高了探测精度和解调速率。本项目的成功实施和研究成果对快速、高分辨率光纤传感系统的实用化开发提供一定的理论和技术指导，对推动测量探测技术的多元化、商业化发展具有重要意义。