[發明專利]一種基于微波光子測量結合光學測量的溫度傳感系統

有效

• 申請號: 202110942016.4
• 申請日: 2021-08-17
• 公開（公告）號: CN113776687B
• 公開（公告）日: 2022-05-24
• 發明（設計）人: 于源;崔帥;徐落秋;張新亮
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01K11/00
• 分類號: G01K11/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 王穎翀

本發明公開了一種基于微波光子測量結合光學測量的溫度傳感系統，微波光子測量采用級聯微環的直通端，由于第一微環用于微波光子測量，為了提高分辨率，其設計為寬波導的高Q微環。光學測量采用級聯微環的下載端，并使得級聯微環的包絡與單個微環漂移方向相同。由游標效應使得兩個微環級聯后的光譜可以形成包絡，監測包絡頂點，可以同時放大傳感范圍和靈敏度。通過所述波長變化和頻率變化獲取待測溫度變化值；光學測量可以提供較大的動態范圍，微波光子測量可以實現高分辨率、高精度的溫度測量，通過兩種測量方法的整合同時實現高精度、大動態范圍的溫度測量。

技術領域

本發明屬于測量領域，更具體地，涉及一種基于微波光子測量結合光學測量的溫度傳感系統。

背景技術

基于硅基波導的傳感器件具有很小的器件尺寸、較小的材料損耗以及較強的光場限制作用，同時硅具有高折射率差、透明窗口寬、CMOS工藝兼容、集成度高等優點，因此可以實現高靈敏度和低檢測極限的傳感。

集成光子技術具有極大的潛力，可以提高傳感器的性能，并降低光學傳感系統的體積和成本。作為一種波長敏感器件，微環諧振器可用作性能優良的溫度傳感器件。首先，微環具有高品質因數，大消光比和低插損的優勢。其次，微環可以進行大規模集成，并且與CMOS工藝兼容。級聯微環諧振器的傳感機制是諧振波長會隨著待測量的變化而發生變化。普通的單個微環溫度傳感器的靈敏度一般為80pm/℃左右。級聯環形諧振器的溫度傳感器可以同時提高靈敏度和傳感動態范圍，其測量范圍受到傳感微環自由頻譜范圍(Freespectral range,FSR)的限制。在傳統的光學傳感中，通常使用光譜分析儀解調光功率或光波長的偏移。由于光譜分析儀的分辨率較低，傳感器的分辨率也受到限制。

為了解決這些問題，人們提出了使用微波光子技術解調的光學傳感器。基于微波光子技術的傳感器包括基于光電振蕩器(Optoelectronic oscillator,OEO)的傳感器和基于MPF(Microwave photonic filter,MPF)的傳感器。基于OEO的傳感器通過外界物理量變化引起濾波器中心頻率改變，從而改變OEO振蕩頻率。基于MPF的傳感器因施加到傳感器件的外界物理量的改變，從而引起MPF的中心頻率的改變。利用微波光子傳感的高速、高分辨率的優勢，可以實現高精度的溫度測量。但是，微波光子傳感實現高分辨率的代價是有限的測量范圍。因此，如何增大微波光子傳感范圍，實現高精度大范圍的溫度傳感，是當前亟待解決的問題。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種基于微波光子測量結合光學測量的溫度傳感系統，由此解決現有的微波光子傳感測量范圍較小的技術問題。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種基于微波光子測量結合光學測量的溫度傳感系統，包括：激光光源、寬譜光源、偏振分束器、依次連接構成環路的相位調制器、光學濾波器、偏振合束器、放大器、級聯微環諧振器和光電探測器；

所述激光光源發出的光依次經由相位調制器和光學濾波器進行調制和濾波后，得到單邊帶調制信號，并傳輸至偏振合束器；所述寬譜光源發出的光經由偏振分束器得到線偏振光，并傳輸至偏振合束器；所述單邊帶調制信號和線偏振光由偏振合束器合束后，依次傳輸至放大器和級聯微環諧振器；

所述光電探測器的輸入端與級聯微環諧振器的直通端連接，用于將所述級聯微環諧振器的直通端輸出的光信號轉換為所述微波信號，并反饋至所述相位調制器，以對所述激光光源發出的光進行調制；

所述級聯微環諧振器包括第一微環和第二微環；所述級聯微環諧振器的下載端為光學測量端口，用于測量波長變化值；所述第一微環的直通端為微波光子測量端口，用于測量頻率變化值；基于所述波長變化值和頻率變化值獲取待測溫度變化值。

優選地，波長變化值Δλ_res、頻率變化值Δf與待測溫度變化值ΔT滿足以下關系式：