本文是关于干涉光纤传感器（Interferometric Fiber Sensors，简称IFSs）的相位解调方法的研究文章，作者包括Xin Fu、Ping Lu（通信作者）、Wenjun Ni、Hao Liao、Deming Liu，以及Jiangshan Zhang，作者主要来自武汉光电国家研究中心（Wuhan National Laboratory for Optoelectronics）和华中科技大学光学与电子信息学院。文章于2017年9月4日发表在《Optics Express》期刊上。
干涉光纤传感器因其高灵敏度和高精确度而受到广泛关注。其工作原理基于两束或多束光束之间的干涉，这些光束具有一定的相位差。由于光波长极小，通常为数百纳米或几微米，光程差（Optical Path Difference, OPD）的微小变化就能够被探测到，使其在测量压力、折射率、位移、应变以及曲率等物理参数时具有极高的灵敏度。这些特性使IFSs成为重要的光学传感技术之一。
传统的波长跟踪解调技术利用光谱中共振波长的位移来解调传感器信号。虽然操作简单且线性响应明确，但这种方法在精度上存在显著限制。例如，共振波长的位置因波长采样间隔或光谱噪声的不确定性可能导致误差。此外，在某些应用中，测量参数波动极小时（如微压或微应变传感），传统方法难以分辨光谱的峰值位置变化。为此，作者提出了一种基于快速傅里叶变换（FFT）的光谱相位解调方法，以提高稳定性与精确度。
本文旨在开发一种通过计算傅里叶域内传感器固有空间频率处的傅里叶相位来解调干涉光纤传感器信号的方法。这种方法为解决传统波长跟踪法面临的难题提供了新的思路，并期望通过理论分析、数值模拟与实验验证来证明其更高的稳定性、精确度以及多参量测量的潜力。
作者首先提出了针对双光束干涉的理论模型，随后扩展到多光束干涉情况。具体而言，研究构建了一种能够从傅里叶域直接提取相位变化的新算法，步骤如下： - 干涉光谱表达式：建立典型干涉光谱公式，其中光程差决定了光谱的周期性变化。 - 傅里叶频谱特性：研究了传感器光谱对应的傅里叶频谱特性，表明大部分能量集中于少数固有空间频率。 - 算法细节：提出通过傅里叶相位变化直接计算干涉分量之间相位变化的方法，并明确了傅里叶变换后实轴与虚轴值的表达公式。
通过模拟实验，作者进一步分析了该方法在不同噪声水平和采样间隔条件下的性能。具体模拟步骤包括： - 生成初始光谱信号，加入随机噪声。 - 对带噪声的光谱进行FFT变换，提取固有空间频率处的傅里叶相位。 - 比较傅里叶相位法与传统波长跟踪法在噪声与采样间隔变化条件下的精确性。
实验部分采用基于单模光纤（Single-Mode Fiber, SMF）的多模干涉结构进行验证。主要包括： - 传感器设计：利用偏芯熔接的单模光纤形成传感器，在光纤两次熔接点之间的纤芯错位处激发包层模。 - 温度与应变测试：分别测试传感器在温度和施加应变变化下的光谱与傅里叶相位响应。 - 同时多参量测量：通过分析不同包层模的傅里叶相位响应，提出了一种温度与应变同步测量的解决方案。
理论结果
数值模拟结果
实验结果
本文提出了一种全新的基于傅里叶域相位变化解调干涉光纤传感器信号的方法，并通过理论分析、模拟与实验验证了其高精确度与稳定性。相比传统波长跟踪法，该方法具有以下优势： - 对噪声与波长采样间隔不敏感，大幅提升了测量精度。 - 通过多模干涉结构实现多参量同步测量，拓展了传感器的应用场景。 - 在类似分布式传感系统中，该方法可与频分复用技术结合，具有广阔的应用前景。
本文提出的傅里叶相位解调方法为光纤传感领域带来了新的研究方向，尤其在高精度、多参数测量领域具有重要意义。在未来工作中，该方法可用于开发分布式传感技术，并进一步扩展到复杂的传感网络场景中，为光纤传感技术的工业化发展奠定基础。