CN103940361A - 一种光纤光栅低频应变传感解调系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，包括：窄线宽激光器，给整个解调系统提供窄线宽激光光源；电光/声光调制器，根据射频信号发生器产生的线性调频信号对所述激光光源进行调制；射频信号发生器，产生线性调频信号；电光相位调制器，根据信号发生器产生的正弦调制信号对调制后的所述激光光源进行相位调制；相位调制信号发生器，产生正弦调制信号；耦合器，将所述相位调制后的激光光源分为两路；第一、第二光纤光栅传感器，在所述两路光源的扫描下产生两路光纤光栅反射谱；光电探测器，将所述两路光纤光栅反射谱进行光电转换；数据采集卡，输出两路光纤传感数字信号；应变解调模块，用于对所述两路光纤传感数字信号进行解调。

Description

一种光纤光栅低频应变传感解调系统

技术领域

本发明涉及光纤技术领域，尤其涉及一种基于激光线性扫频调制技术和PDH锁频传感技术的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统。

背景技术

近二十多年来，光纤光栅(FBG)传感器一直是光纤传感领域的一个研究热点，已经在智能材料与结构的应变测量中的获得广泛的应用。光纤光栅传感器具有尺寸小、响应速度快、大范围的线性响应、易复用等诸多优势，市场上广泛使用的FBG应变解调仪的应变测量精度一般为1με，能够满足一般的应用要求。但是，如果要将FBG应用于地形变观测中，其应变观测精度必须在10nε以上，同时系统需要满足低频测量要求，并且要求具有较大的动态范围。这对提高光纤光栅的应变测量分辨率和动态范围提出了要求。

目前，人们提出了很多提高FBG的应变测量精度的方法，比如采用相移光纤光栅、光纤光栅法珀干涉仪替代普通的光纤光栅，采用PDH激光锁频技术提高光纤光栅测量精度等。其中，结合PDH激光锁频技术，光纤光栅能够获得极高的应变测量精度。最早将PDH激光锁频技术用于光纤光栅(FBG)FFP的应力应变测量，是2005年澳大利亚国立大学的Jong H.Chow等人(J.H.Chow,et a1.，“Demonstration of a passivesubpicostrain fiber strain sensor,”Optics letters，2005)，理论上分析了应变测量分辨率能小于pε/√Hz(100Hz-100kHz)。同时，意大利的G.Gagliardi等人也做了这方面的研究，并且与Jong H.Chow进行了合作，获得了150pε/√Hz(680Hz)、20pε/√Hz(13kHz)应变分辨率(G.Gagliardi，et al.，“FiberBragg-grating strain sensor interrogation using laser radio-frequencymodulation，”Optics Express，2005)。2008年D.Gatti首次将π相移光纤光栅和PDH技术结合，在高频段实现了分辨率5pε/√Hz的应变测量(D.Gatti，et a1.，“Fiber strain sensor based0n a pi-phase-shifted Bragg grating and thePound-Drever-Hall technique,”Opt.Express，2008)。

可见，这些技术，大多都是用于高频(动态)信号的测量，很少适用于低频(准静态)信号的测量。对于FBG而言，实现高精度的静态应变测量显得更加困难。之所以高精度的静态应变获取相对于动态应变要困难，是因为动态传感可以以自身作为参考，而静态应变必须与其他的标准作对比，比如稳定的频率成分、不受应变作用的传感头等。2011年以来，日本东京大学的Qinwen Liu等人将该项技术引入了地壳形变观测中，实现了5.8nε/√Hz的超低频准静态应变测量(Q.Liu，et al.，“Ultra-high-resolutionlarge-dynamic-range optical fiber static strain sensor using Pound-Drever-Halltechnique,”Optics letters，2011)。但是，由于这里采用了可调谐激光器，其线性度限制了最终的应变测量分辨率；并且，可调谐激光器的调谐范围有限，限制了应变测量的动态范围；同时，可调谐激光器的价格昂贵，这都限制了该项技术的推广应用。

鉴于此，本发明提出一种基于激光线性扫频调制技术和PDH锁频传感技术的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，采用激光线性扫频调制技术和光滤波技术，结合PDH锁频传感技术，实现高精度、大动态范围的应变测量，并重点解决锁频传感中可调谐激光器价格昂贵，可调谐激光器扫描线性度不佳导致应变测量精度受限、可调谐激光器扫描范围受限应变测量动态范围较小等问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种基于激光线性扫频调制技术和边带询问技术的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，采用激光线性扫频调制技术和光滤波技术，结合PDH锁频传感技术，实现高精度、大动态范围的应变测量，并重点解决锁频传感中可调谐激光器价格昂贵，可调谐激光器扫描线性度不佳导致应变测量精度受限、可调谐激光器扫描范围受限应变测量动态范围较小等问题。

(二)技术方案

本发明公开了一种高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，其特征在于，包括：

窄线宽激光器，用于给整个解调系统提供窄线宽激光光源；

电光/声光调制器，用于根据射频信号发生器产生的线性调频信号对所述激光光源进行调制，使其产生频移；

射频信号发生器，用于产生线性调频信号；

电光相位调制器，用于根据射频信号发生器产生的正弦调制信号对调制后的所述激光光源进行相位调制，产生两个边带激光和一个主频激光；

相位调制信号发生器，用于产生正弦调制信号；

耦合器，用于将所述相位调制后的激光光源分为两路；

环行器，用于将所述两路激光光源分别输出至第一、第二光纤光栅传感器，并将所述第一、第二光纤光栅传感器反射回来的光传入探测器；

第一、第二光纤光栅传感器，用于接受外界应变、温度信号，并在所述两路光源的扫描下产生两路光纤光栅反射谱；

光电探测器，用于将所述两路光纤光栅反射谱进行光电转换，产生两路电信号；

数据采集卡，用于对所述两路电信号进行模数转换，输出两路光纤传感数字信号；

应变解调模块，用于对所述两路光纤传感数字信号进行解调。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的一种基于激光线性扫频调制技术和PDH锁频传感技术的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，采用激光线性扫频调制技术和光滤波技术的方案实现激光线性可调谐，而不需要可调谐的激光器，大大减小了系统的造价。

2、本发明提供的一种基于激光线性扫频调制技术和边带询问技术的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，采用高精度射频信号发生器，结合电光/声光调制和光纤滤波实现激光调谐，可以解决可调谐激光器扫描线性度不佳导致应变测量精度受限、可调谐激光器扫描范围受限应变测量动态范围较小等问题，提高PDH锁频传感技术中光纤光栅应变测量的精度和动态范围。

附图说明

图1为本发明提供的基于激光线性扫频调制技术和PDH锁频传感技术的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统的流程图；

图2为本发明提供的应变解调算法的原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

请参照图1，其中图1为本发明提供的一种基于激光线性扫频调制技术和PDH锁频传感技术的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统的结构示意图。

如图1所示，该高精度光纤光栅低频应变传感解调系统包括：

窄线宽激光器1，用于给整个解调系统提供窄线宽激光光源；

电光/声光调制器2，用于根据射频信号发生全3产生的线性调频信号对窄线宽激光器1的输出的激光进行调制，使激光光源发生大范围的频移，其与窄线宽激光器组合，可以替代窄线宽可调谐激光器的频率可调谐的功能；

射频信号发生器3，用于产生线性调频信号，给电光/声光调制器提供调制信号，使被调制的激光按照线性调频信号对应的规律(如锯齿波、三角波)产生频移；

窄线宽光纤滤波器4，用于对被调制的激光光源进行滤波，获得一定带宽内可调谐的单边带的激光光源；

电光相位调制器5，用于根据所述信号发生器6产生的正选调制信号对获得的单边带的激光进行相位调制，使其产生两个边带激光、一个主频激光；

相位调制信号发生器6，用于产生正弦调制信号，给电光相位调制器提供调制信号；

隔离器7，位于电光相位调制器5的光路后面，用于隔离光路反射回来的光，保护窄线宽激光器；

耦合器8，位于所述隔离器7的光路后面，用于将光源分为两路，以给两路光纤光栅传感器提供光源，以便扫描两路光纤光栅传感器产生的反射谱；

第一、第二环行器9，分别用于将所述两路光源传输至两路光纤光栅传感器，同时将两路光纤光栅反射回来的光传入探测器；

第一、第二偏振控制器10，由于两路光纤光栅都具有两个正交的偏振态，我们可以通过偏振控制器10消除两路光纤光栅传感器中每个光纤光栅反射谱的一个偏振态对测量结果的影响；

第一、第二光纤光栅传感器11，用于接受外界应变、温度信号，并分别在所述两路光源的扫描下产生反射谱(拍频PDH信号)；其中，所述第一光纤光栅传感器可作为参考光纤光栅传感器，所述第二光纤光栅传感器作为传感光纤光栅传感器，所述参考光纤光栅传感器可以以不接受外界应变信号的方式设置，而传感光纤光栅传感器以接受外界应变的方式设置，参考光纤光栅用于对传感光纤光栅进行温度和环境干扰补偿，且所述第一、第二光纤光栅传感器具有相同的技术参数；

光电探测器12，用于对所述两路光纤光栅传感器反射回来的反射谱进行光电转换，输出电信号；

数据采集卡13，用于对探测器输出的电信号进行模数转换，输出光纤应变传感数字信号；

应变解调模块14，用于对所述光纤应变传感数字信号进行解调，得到两个反射谱之间的波长差；由于所述波长差对应于第二光纤光栅传感器即传感光纤光栅传感器的应变信号，因此获得所述波长差就意味着获得了外界应变信号；

计算机15，用于对光纤应变传感信号进行显示，并对射频信号发生器3、信号发生器6进行控制。

在本发明中，整个系统的传感原理是采用PDH锁频传感技术，即首先通过所述激光线性扫频调制方法获得窄线宽可调谐激光，在利用该激光扫描两个光纤光栅传感器的反射峰，再通过所述光路监测两个光纤光栅的拍频PDH信号(PDH信号的位置反映了光纤光栅的反射峰位置)，并对两个拍频PDH信号进行互相关计算、计算互相关结果的峰值位置(即计算两路光纤光栅PDH信号的位置差)，再通过计算互相关结果的峰值位置反推得到传感光纤光栅的波长漂移(互相关结果的峰值位置与传感光纤光栅的波长漂移量具有线性关系)，进而获得外界的应变值。

所述窄线宽激光器1可以是光纤激光器、也可以是半导体激光器，具有保偏输出。这里，采用激光线性扫频调制技术替代了商用的可调谐激光器的频率可调谐功能，因此激光光源不需要具有频率可调谐功能，可以减小光源的成本。

在本发明中，所述的电光/声光调制器2，由射频信号发生器3进行驱动，可以是电光幅度调制器、电光相位调制器、声光调制器等，具有较高的带宽；另外，这里需要根据调制器的技术参数，使调制后的激光的主频、二阶边带及以上边带能量最小，仅保留两个第一阶边带；并且，其中一个第一阶边带可以通过窄线宽光纤滤波器4滤掉。采用电光/声光调制器2，其目的是实现窄线宽激光光源的可调谐功能，以替代目前商用的可调谐激光器的功能；这一技术的特点在于，实现的激光频移量可以优于目前基于压电陶瓷的可调谐激光器的频率调谐量，并且具有更高的频率可调谐一致性。

在本发明中，所述的射频信号发生器3，用于产生线性调频信号，给电光/声光调制器提供调制信号，使被调制的激光按照线性调频信号对应的规律产生频移。这样要求射频信号发生器3具有较高的电压分辨率以满足对激光进行调制产生频率可调谐的高一致性要求；同时，射频信号发生器3的带宽需要覆盖激光被调制的整个带宽。

在本发明中，所述的窄线宽光纤滤波器4，用于对被电光/声光调制器2调制的激光光源进行滤波，获得一定带宽内可调谐的单边带的激光光源。窄线宽光纤滤波器4与窄线宽激光器1具有相同的中心波长；并且，其带宽需要覆盖激光被调制的整个带宽；电光/声光调制器2当采用单边带电光/声光调制器时，可以免去使用窄线宽光纤滤波器4。

在本发明中，所述的电光相位调制器5，用于对单边带的激光进行相位调制，再使其产生两个边带激光、一个主频激光。这三束光同时进入光纤光栅传感器中，发生拍频；整个传感系统，是通过监测拍频信号来实现传感的。电光相位调制器5的带宽，需要大于光纤光栅传感器的带宽。

在本发明中，所述的信号发生器6，用于产生正弦调制信号，给电光相位调制器提供调制信号；信号发生器6的带宽需要与电光相位调制器5相一致。

在本发明中，所述的隔离器7，用于隔离光路反射回来的光，保护窄线宽激光器；耦合器8，用于将光源分为两路，以给两路光纤光栅传感器提供光源；环行器9，用于将光纤光栅反射回来的光传入探测器；偏振控制器10，用于消除光纤光栅反射谱中一个偏振态对测量结果的影响；光电探测器12，用于对光纤光栅传感器反射回来的光进行光电转换；数据采集卡13，用于对探测器的模拟电信号进行模数转换；计算机15，用于对光纤应变传感信号进行显示，并对射频信号发生器3、信号发生器6进行控制。

在本发明中，所述的应变解调装置14，用于对光纤应变传感信号进行解调。这里，应变解调装置14用于提取PDH信号(反映光纤光栅的反射峰位置)、计算两路光纤光栅对应的PDH信号的互相关以及互相关结果的峰值位置，所述互相关值峰值对应的位置即为两路光纤光栅信号的波长差。

在本发明中，所述光纤光栅应变传感器11，可以采用光纤光栅法珀式干涉仪、相移光纤光栅，也可以使用其他干涉式光纤传感器；同时使用的两个光纤传感器一个作为参考、一个作为传感，并且两个传感器具有相同的技术指标(如反射率、带宽、自由谱长度、温度敏感系数等)。

在本发明中，所述的两个光纤光栅应变传感器11应该处于温度相对恒定、噪声较小的环境中，保证解调结果的正确性。

请参照图1，该光纤光栅低频应变传感解调系统的工作原理为：首先，通过窄线宽激光器1、电光/声光调制器2、射频信号发生器3和窄线宽光纤滤波器的组合实现高线性度的可调谐单频激光光源，以替代商用的可调谐激光器；其次，采用典型的PDH锁频传感技术方案来实现高精度的光纤光栅低频应变传感解调，即通过可调谐激光光源扫描两个光纤光栅的反射峰，再通过所述光路监测两个光纤光栅的拍频PDH信号(PDH信号的位置反映了光纤光栅的反射峰位置)，并对两个拍频PDH信号进行互相关计算、计算互相关结果的峰值位置(即计算两路光纤光栅PDH信号的位置差)，再通过计算互相关结果的峰值位置反推得到传感光纤光栅的波长漂移(互相关结果的峰值位置与传感光纤光栅的波长漂移量具有线性关系)，进而获得外界的应变值。PDH锁频传感技术的一大特点是通过监测光外差信号(拍频PDH信号)的漂移来实现传感解调，解调结果不受光强扰动影响。

请参照图2，在本发明中，所采用的应变解调模块14采用传统的PDH信号解调模块，包括设置延时模块16、相乘模块17、低通滤波模块18、对获得的两路PDH信号进行互相关处理模块19。

延时模块16，用于补偿相位信号发生器6的延时；

相乘模块17，用于分别将两路光纤传感数字信号和相位信号发生器6的经过延时模块16延时处理后的正弦调制信号相乘，相乘结果分别经过两个低通滤波模块18；

低通滤波模块18，用于对所述相乘结果进行低通滤波，以获得拍频PDH信号；

互相关处理模块19，用于对低通滤波模块18输出的两路拍频PDH信号进行互相关计算，并通过计算互相关结果的峰值位置换算得到外界应变值。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，其特征在于，包括：

窄线宽激光器，用于给整个解调系统提供窄线宽激光光源；

电光/声光调制器，用于根据射频信号发生器产生的线性调频信号对所述激光光源进行调制，使其产生频移；

射频信号发生器，用于产生线性调频信号；

电光相位调制器，用于根据射频信号发生器产生的正弦调制信号对调制后的所述激光光源进行相位调制，产生两个边带激光和一个主频激光；

相位调制信号发生器，用于产生正弦调制信号；

耦合器，用于将所述相位调制后的激光光源分为两路；

环行器，用于将所述两路激光光源分别输出至第一、第二光纤光栅传感器，并将所述第一、第二光纤光栅传感器反射回来的光传入探测器；

第一、第二光纤光栅传感器，用于接受外界应变、温度信号，并在所述两路光源的扫描下产生两路光纤光栅反射谱；

光电探测器，用于将所述两路光纤光栅反射谱进行光电转换，产生两路电信号；

数据采集卡，用于对所述两路电信号进行模数转换，输出两路光纤传感数字信号；

应变解调模块，用于对所述两路光纤传感数字信号进行解调。

2.根据权利要求1所述的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，其特征在于，所述窄线宽激光器包括光纤激光器或半导体激光器，且具有保偏输出。

3.根据权利要求1所述的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，其特征在于，所述电光/声光调制器包括电光幅度调制器、电光相位调制器或声光调制器。

4.根据权利要求1所述的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，其特征在于，所述电光/声光调制器为单边带电光/声光调制器。

5.根据权利要求1-3任一项所述的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，其特征在于，其还包括：

窄线宽光纤滤波器，用于对被电光/声光调制器调制的激光光源进行滤波，获得预定带宽内可调谐的单边带激光光源。

6.根据权利要求5所述的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，其特征在于，所述窄线宽光纤滤波器与所述窄线宽激光器具有相同的中心波长，且其带宽覆盖窄线宽激光器的整个带宽。

7.根据权利要求1所述的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，其特征在于，其还包括：

隔离器，位于所述电光相位调制器光路后面，用于隔离反射回来的光。

8.根据权利要求1所述的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，其特征在于，其还包括：偏振控制器，用于消除两路光纤光栅传感器产生的光纤光栅反射谱中一个偏振态对测量结果的影响。

9.根据权利要求1所述的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，其特征在于，其还包括：

计算机，用于显示应变解调模块得到的解调结果，并对所述射频信号发生器和相位调制信号发生器进行控制。

10.根据权利要求1所述的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，其特征在于，所述应变解调模块从所述两路光纤传感数字信号提取拍频PDH信号，并对所提取的两路拍频PDH信号进行互相关计算，通过计算互相关结果的峰值位置获得外界应变值。

11.根据权利要求10所述的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，其特征在于，所述应变解调模块包括：

延时模块：用于补偿所述相位调制信号发生器的延时；

相乘模块：用于分别将两路光纤传感数字信号和所述相位调制信号发生器的经过所述延时模块延时处理后的正弦调制信号相乘，相乘结果分别经过两个低通滤波模块；

低通滤波模块：用于对所述相乘结果进行低通滤波，以获得拍频PDH信号；

互相关处理模块：用于对低通滤波模块输出的两路拍频PDH进行互相关计算，并通过计算互相关结果的峰值位置换算得到外界应变值。