Opto-Electronic Engineering, Volume. 49, Issue 6, 210411(2022)
Review on demodulation methods for optic fiber Fabry-Perot sensors
Figures & Tables(14)
Fig. 2. The relationship between the cavity length L of F-P and the output light intensity I
Fig. 4. The demodulation principle of double cavity length method[14]
Fig. 5. The demodulation principle of double wavelength method[15]
Fig. 6. The demodulation principle of PGC-DCM and PGC-Atan. (a) The demodulation principle of PGC-DCM; (b) The demodulation principle of PGC-Atan
Fig. 7. The demodulation principle of three-wavelength phase shifting demodulation[50]
Fig. 9. The demodulation principle of non-scanning correlation deomdulation[58]
Table 1. The characteristics of I after modulation
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ψ(t) φ(t)=nπ φ(t)=nπ/2 I中只含ω0的偶数倍频 I中只含ω0的奇数倍频 mπ ω0中只有ω的偶数倍频 ω0中只有ω的奇数倍频 mπ/2 ω0中只有ω的奇数倍频 ω0中只有ω的偶数倍频
Table 2. The influence of the key parameters and light source on the demodulation result of PGC
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PGC-DCM PGC-Atan C 典型值为2.37 rad，不稳定将影响解调结果。 典型值为2.63 rad，不稳定将影响解调结果。 J1(C)和J2(C) J1(C)=J2(C) J1(C)=J2(C) G和H 增大G和H可提高信噪比，但不应使器件过载。 无关。 B 取决于光功率和F-P的混合效率，难控制。 无关。 光源 光源的不稳定和入射光偏振变化引起的光强波动会引起解调结果偏差。 无影响，且可消除光强干扰对解调结果的影响。
Table 3. Comparison of various demodulation
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类型 解调方法 优点 缺点 腔长测量 适用条件 强度解调 工作点控制法 原理简单，解调速度快，线性范围内灵敏度高 工作点易漂移，线性范围窄，动态范围小 相对测量 可解调腔长变化较小的F-P传感器。可用于对实时性要求高的场合 相位正交法 解调速度快，动态范围较工作点控制法大 易受光源、光路、环境扰动的影响，难以精准地控制信号正交 相对测量 波长解调 谱峰追踪法 单峰 分辨率高 动态范围有限，精度低 相对测量 可用于腔长变化较大的 场合 双峰 动态范围大 分辨率低 绝对测量 多峰 分辨率高，动态范围大 算法复杂，运算量大 绝对测量 傅里叶变换法 灵敏度高，动态范围大，解调速度快，受光源波动影响小 受光源谱宽和傅里叶频谱分辨率的影响 绝对测量 可解调腔长较长的F-P传感器 离散腔长域法 精度高，灵敏度高，动态范围大，受光源影响小 算法复杂，运算量大 绝对测量 可用于不要求快速解调的场合 相位解调 PGC解调法 DCM 算法简单，动态范围大，灵敏度高，精度高 易受光源光强和C值的影响 相对测量 可解调腔长较长的F-P传感器；对硬件要求无需 较高 Atan 动态范围大，灵敏度高，精度高，消除光源干扰 可能引入谐波分量，运算量较大 移相解调法 可通过信号运算去除直流干扰，算法简单，鲁棒 性好 \ 相对测量 需已知F-P传感器腔长和光波长 PMDI解调法 对光强波动不敏感，精度较高 路径匹配难、易受恶劣环境影响导致失配 绝对测量 可解调不同精细度F-P传感器 互相关法 扫描式 匹配器件搭配较灵活 成本高，稳定性与重复性差 绝对测量 需采用低相干光源 非扫描式 结构简单，稳定性较扫描式有提高 解调精度受光楔表面平整度影响。CCD给系统引入了噪声
Table 4. Selection and comparison of demodulation method for F-P sensor from some researchers in different application scenarios
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应用场景 研究者 研究单位 解调方法 备注 声压 王付印[ 53 ]国防科技大学 工作点控制法 工作点控制法与PMDI-PGC解调法的解调结果基本一致，仅对谐振峰的测量略有不同 PMDI-PGC解调法 刘彬[ 57 ]哈尔滨工业大学 工作点控制法 采用工作点控制法解调了EFPI水听器输出信号；为测试PGC-DCM解调方法，专门制作长腔长的EFPI PGC-DCM解调法 压力 Yu L等[ 65 ]清华大学 离散傅里叶解调法+最小均方差估计算法 混合解调法可在200 ms内快速解调出油井压力，大幅降低了多井测量的时间与解调系统成本 张鹏 [ 25 ]南京信息工程大学 谱峰追踪法 改进后的多峰法解调结果的线性度、灵敏度、精度均优于傅里叶变换法的结果 傅里叶变换法 超声 Yu B等[ 6 ]弗吉尼亚理工大学 工作点控制法 强度解调法响应速度快，非常适用于声波检测。基于F-P传感器的局部放电超声信号检测多采用强度解调。移相解调法对高频动态信号具有良好的解调效果，有望用于超声信号检测 司文荣 等[ 66 ]上海电科院 工作点控制法 张伟超 等[ 67 ]哈尔滨理工大学 工作点控制法 Liu Q 等[ 52 ]大连理工大学 移相解调法 温度、声压 Xu J C [ 22 ]弗吉尼亚理工大学 谱峰追踪法 采用基于多峰拟合的谱峰追踪法只能观测到2~5个峰，该解调法与光源带宽、多膜传感头工作范围不匹配 张知先 等[ 68 ]重庆大学 傅里叶变换法 FFT算法可避免谱峰追踪法中峰值未能精确提取的问题 静态应变、 温度、振动 曾祥楷 等[ 69 ]重庆大学 相位解调 对于静态应变与温度，采用基于光谱仪的相位解调；对于 振动，利用锯齿波快速扫描相位解调
Table 5. Comparison of the advantages and disadvantages of reuse technologies
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复用技术 优点 缺点 空分复用 结构简单，各通路之间无串扰，测量范围大。 复用效率低。 时分复用 传感器数量不受光源带宽限制。 对采样率要求较高；受光源功率限制；传感器数量较多时，信噪比急剧下降。 波分复用 结构简单。 分析仪器需要有大的光谱响应范围；每个传感器占用一段光谱，复用能力有限。 频分复用 复用效率高。 对光源功率要求高。 相干复用 满足大型多路复用传感系统，可实现多点、多参量测量。 路径匹配较难；复用能力受光源相干长度、频率、载波频率影响。
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Zhenrui Zhou, Zongjia Qiu, Kang Li, Guoqiang Zhang. Review on demodulation methods for optic fiber Fabry-Perot sensors[J]. Opto-Electronic Engineering, 2022, 49(6): 210411
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Received: Dec. 23, 2021
Accepted: --
Published Online: Jul. 7, 2022
The Author Email: Qiu Zongjia (qiuzongjia@mail.iee.ac.cn)
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