CN101561536B - 一种抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统 - Google Patents

Abstract

一种抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统，包括：一光源；一耦合器的输入端与光源的输出端经光纤连接；一波长调制型传感器和波长型参考器的输入端经光纤与耦合器的输出端连接；一光纤隔离器的输入端经光纤与耦合器的输入端连接；一光纤干涉仪的输入端经光纤与光纤隔离器的输出端连接；一波长解复用模块的输入端经光纤与光纤干涉仪的输出端连接；一光电转换及放大电路的两输入端经光纤与波长解复用模块的两输出端连接，用于将两路光信号转化为电压信号并进行放大；一解调模块的两输入端与光电转换及放大电路的两输出端连接；一减法器的两输入端与解调模块的两输出端连接。

Description

一种抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及一种抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统。

背景技术

光纤传感器是利用光纤来感知和传输外界信号的新型传感器。利用外界物理量对光波不同参量的调制，光纤传感器可以分为：波长调制型、光强调制型、相位调制型和偏振态调制型等类型。波长调制型光纤传感器具有抗干扰能力强、探头结构简单、便于大规模组网复用等优势，被广泛地应用于土木工程、交通工程、石油工业、航空航天、国防安全等诸多领域。

光纤光栅传感器是一种典型的波长调制型传感器。光纤光栅是利用光纤材料的光敏性在纤芯形成的空间相位光栅，其反射峰的中心波长会随外界环境的温度、应力、压力的影响发生变化，因此可以通过封装，制作出温度、应变、压力、振动、水声等各种传感器。近年来还出现了以光纤光栅激光器作为传感元件的新一代波长调制型传感器，它利用光纤光栅的反射特性和选频作用，通过在一段高增益有源光纤写入光纤光栅形成光纤激光器结构。它输出的信号具有极窄的线宽，对外界的变化十分敏感。

波长调制型光纤传感器的波长解调方法主要有：边缘滤波法、F-P滤波法、匹配光栅法、成像光谱法等，这些方法的波长分辨率约为0.1pm。要达到更高的分辨率，必须采用干涉式解调法，利用非平衡光纤干涉仪，将光纤光栅中心波长的变化，转化为干涉仪输出光信号的相位变化，通过相位解调技术还原传感器中心波长的变化，能够达到极高的波长分辨率。常见的干涉式解调法有：相位跟踪法、3×3耦合器法和相位载波解调法(PGC)等。

对于干涉式解调方法，其使用的非平衡光纤干涉仪对外界的振动和噪声非常敏感，振动和噪声会带来非平衡光纤干涉仪两臂相位差的变化，这个相位变化叠加在传感器的中心波长位移经干涉仪所转化来的相位变化上，使得干涉条纹的相位信息中，不仅包含了传感器波长位移转化来的相位信号，也包含了干涉仪本身受到外界振动和噪声干扰而发生的相位变化，进而解调系统所解调出来的波长位移信号中也包含了干涉仪受外界振动与噪声干扰的影响。

为了防止振动和噪声的干扰，传统的方法是对干涉仪进行隔振、隔声封装。但是，采用这种方法制作的干涉仪体积大、重量重、结构复杂、工艺难度大并且对振动和噪声的隔离效果通常只能局限在有限频率范围内。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统，具有体积小、重量轻、结构合理、工艺简单，能工作于较宽频率范围的优点。

本发明提供一种抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统，其特征在于，包括：

一光源，提供照射光；

一耦合器，该耦合器的输入端与光源的输出端经光纤连接；

一波长调制型传感器和波长型参考器，该波长调制型传感器和波长型参考器的输入端经光纤与耦合器的输出端连接，波长调制型传感器用来探测信号，而波长型参考器用来提供一路参考光；

一光纤隔离器，该光纤隔离器的输入端经光纤与耦合器的输入端连接，该光纤隔离器接收光源经耦合器到波长调制型传感器和波长型参考器的反射光；

一光纤干涉仪，该光纤干涉仪的输入端经光纤与光纤隔离器的输出端连接，用于将波长调制型传感器的中心波长位移信号转化为干涉条纹的相位信号；

一波长解复用模块，该波长解复用模块的输入端经光纤与光纤干涉仪的输出端连接，用于将波长调制型传感器和波长型参考器的光分开到各自的信道中；

一光电转换及放大电路，该光电转换及放大电路的两输入端经光纤与波长解复用模块的两输出端连接，用于将两路光信号转化为电压信号并进行放大；

一解调模块，该解调模块的两输入端与光电转换及放大电路的两输出端连接，用于解调出两路干涉条纹中的相位信号；

一减法器，该减法器的两输入端与解调模块的两输出端连接，用于将解调后的波长调制型传感器和波长型参考器的信号相减。

其中所述的光源为宽带光源或抽运光源；该宽带光源包括自发辐射光源、半导体超辐射二极管、半导体发光二极管。

其中所述的波长调制型传感器为光纤光栅传感器或光纤激光传感器。

其中所述的波长调制型传感器采用光纤光栅传感器时，波长型参考器选取一支与波长调制型传感器中心波长不同的光纤光栅。

其中所述的波长调制型传感器采用光纤激光传感器时，波长型参考器选取一支与波长调制型传感器中心波长不同的光纤激光器。

其中所述的波长型参考器进行隔振、隔声封装。

其中所述的波长调制型传感器采用光纤光栅传感器时，光源选取宽带光源，如自发辐射光源、半导体超辐射二极管、半导体发光二极管。

其中所述的波长调制型传感器为光纤激光传感器时，光源选取抽运光源。

其中所述的光纤干涉仪是非平衡马赫曾德干涉仪或者非平衡迈克尔逊干涉仪。

其中所述的波长解复用模块各通道的透射波长应与波长调制型传感器和波长型参考器的中心波长相对应。

其中所述的解调模块和减法器用模拟电路或数字信号处理器来实现。

上述的一种抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统，有如下优点：能显著降低振动与噪声对传感器波长解调的影响；能在较宽频率范围内降低振动和噪声干扰；体积小，重量轻，结构简单，易于实现，成本低。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是一种抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统结构示意图；

图2是本发明的第一实施例，显示一种抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统应用于光纤光栅传感器PGC解调的示意图；

图3是本发明的第二实施例，显示一种抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统应用于光纤激光传感器3×3解调的示意图。

具体实施方式

通过结合附图对根据本发明的最佳实施例进行详细描述，本发明的其他方面的优点将会变得清楚和更容易理解。

请参阅图1所示，本发明提供一种抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统，包括：

一光源1，提供照射光，该光源1为宽带光源或抽运光源；该宽带光源包括自发辐射光源、半导体超辐射二极管、半导体发光二极管；

一耦合器2，该耦合器2的输入端与光源1的输出端经光纤连接；

一波长调制型传感器3和波长型参考器4，该波长调制型传感器3和波长型参考器4的输入端经光纤与耦合器2的输出端连接，波长调制型传感器3用来探测信号，而波长型参考器4用来提供一路参考光；所述的波长调制型传感器3为光纤光栅传感器或光纤激光传感器，该波长调制型传感器3采用光纤光栅传感器时，波长型参考器4选取一支与波长调制型传感器3中心波长不同的光纤光栅；该波长调制型传感器3采用光纤激光传感器时，波长型参考器4选取一支与波长调制型传感器3中心波长不同的光纤激光器；该波长型参考器4要进行隔振、隔声封装；所述的该波长调制型传感器3采用光纤光栅传感器时，光源1选取宽带光源，如自发辐射光源、半导体超辐射二极管、半导体发光二极管；所述的波长调制型传感器3为光纤激光传感器时，光源1选取抽运光源；

一光纤隔离器5，该光纤隔离器5的输入端经光纤与耦合器2的输入端连接，该光纤隔离器5接收光源1经耦合器2到波长调制型传感器3和波长型参考器4的反射光；

一光纤干涉仪6，该光纤干涉仪6的输入端经光纤与光纤隔离器5的输出端连接，用于将波长调制型传感器3的中心波长位移信号转化为干涉条纹的相位信号；所述的光纤干涉仪6是非平衡马赫曾德干涉仪或者非平衡迈克尔逊干涉仪；

一波长解复用模块7，该波长解复用模块7的输入端经光纤与光纤干涉仪6的输出端连接，用于将波长调制型传感器3和波长型参考器4的光分开到各自的信道中；所述的波长解复用模块7各通道的透射波长应与波长调制型传感器3和波长型参考器4的中心波长相对应；

一光电转换及放大电路8，该光电转换及放大电路8的两输入端经光纤与波长解复用模块7的两输出端连接，用于将两路光信号转化为电压信号并进行放大；

一解调模块9，该解调模块9的两输入端与光电转换及放大电路8的两输出端连接，用于解调出两路干涉条纹中的相位信号；

一减法器10，该减法器10的两输入端与解调模块9的两输出端连接，用于将解调后的波长调制型传感器3和波长型参考器4的信号相减。

所述的解调模块9和减法器10用模拟电路或数字信号处理器来实现。

请再参阅图1所示，图1为一种抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统结构示意图。光源1发出的光经耦合器2照射波长调制型传感器3和波长型参考器4，反射光依次经耦合器2和光纤隔离器5入射光纤干涉仪6，在光纤干涉仪6中发生干涉，输出到波长解复用模块7，波长解复用模块7将波长调制型传感器3和波长型参考器4的光信号分至各自的通道后，输入光电转换及放大电路8，然后由解调模块9后进行波长解调后送入减法器10将两通道信号相减，减法器10的输出即为消除波长解调器受外界振动与噪声的干扰后，波长调制型传感器的波长位移信号。

光源1用来提供照射光，耦合器2用来连接光源1、波长调制型传感器3、波长型参考器4和光纤隔离器5，波长调制型传感器3用来探测外界信号，波长型参考器4用来提供一束参考光，以获得干涉仪受外界振动和噪声的干扰信号，光纤隔离器5用来保证光的单向传输，光纤干涉仪6用来将波长位移信号转化为干涉条纹的相位信号，波长解复用模块7用于将波长调制型传感器3和波长型参考器4的光分开到各自的信道中，光电转换及放大电路8用来实现光电转换及信号放大，解调模块9用来实现波长位移信号的解调，减法器10最后用来将经解调模块9解调后的波长调制型传感器3和波长型参考器4的信号相减，输出就得到了消除波长解调器受外界振动与噪声的干扰后，波长调制型传感器的波长位移信号。

波长型参考器4与波长调制型传感器3相对应，若波长调制型传感器3为光纤光栅传感器，则波长型参考器4为一支中心波长不同的光纤光栅，若波长调制型传感器3为光纤激光传感器，则波长型参考器4为一支中心波长不同的光纤激光器。波长调制型传感器3与波长型参考器4是波分复用的关系。波长型参考器4要进行隔振、隔声封装。

波长调制型传感器3采用光纤光栅传感器时，光源1应选取宽带光源，包括自发辐射光源、半导体超辐射二极管、半导体发光二极管，耦合器2选用2×2光纤耦合器，波长调制型传感器3与波长型参考器4并联，或者耦合器2选用光纤环形器，波长调制型传感器3与波长型参考器4串联。

波长调制型传感器3采用光纤激光传感器时，光源1应选取抽运光源，如半导体激光器，耦合器2选用波长耦合器，波长调制型传感器3与波长型参考器4串联。

波长解复用模块7可以采用商用的密集波分复用器(DWDM)。

该抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统消除振动、噪声干扰的原理如下：

对于干涉式解调，其原理是将波长调制型传感器3和波长型参考器4的中心波长的变化Δλ_s(t)转化为相位的变化Δφ_s(t)，其转化关系为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_s\left(t\right)=\frac{2\mathrm{\πnL}}{{\mathrm{\λ}}^2}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_s\left(t\right)---\left(1\right)$

其中，λ₀为波长调制型传感器的中心波长，n为光纤纤芯的折射率，L为光纤的臂长差(双程)。

对于波长调制型传感器3，解调模块9解调出来的相位信号φ_Sensor(t)中，不仅包括波长变化转化而成的相位变化Δφ_s(t)，还包括干涉仪探测到的外界的振动和噪声信号φ₀(t)：

φ_Sensor(t)＝Δφ_s(t)+φ₀(t)                         (2)

而波长型参考器4对外界振动、噪声不敏感，中心波长不发生变化，经解调模块9解调出来的相位信号φ_Reference(t)即为干涉仪接收的外界振动和噪声干扰信号φ₀(t)：

φ_Reference(t)＝φ₀(t)                               (3)

经减法器10相减后，得到：

φ(t)＝φ_Sensor(t)-φ_Reference(t)＝Δφ_s(t)           (4)

其相位中不再含有干涉仪接收的外界振动、噪声干扰信号，进而将(4)式转化为光纤光栅的中心波长的变化Δλ_s(t)输出后，解调出来的波长调制型传感器3的波长位移信号中，也消除了解调仪受外界振动、噪声的干扰。

该抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统结构简单，因而该系统易于实现。由于不需要对干涉仪进行隔振、隔声封装，因而具有体积小、重量轻的特点。并且由于该系统的工作原理与振动、噪声干扰信号的频率无关，因而能够在较宽频率范围内发挥作用。

图2为一种抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统应用于光纤光栅传感器PGC解调的实施例。宽带光源201(对应图1中光源1)发出的光经2×2耦合器202(对应图1中耦合器2)分为两束分别照射光纤光栅传感器203(对应图1中波长调制型传感器3)和参考光纤光栅204(对应图1中波长型参考器4)，被反射后依次经2×2耦合器202和光纤隔离器205(对应图1中光纤隔离器5)入射非平衡光纤迈克尔逊干涉仪206(对应图1中的光纤干涉仪6)，非平衡光纤迈克尔逊干涉仪206的光纤一臂带相位调制器，在非平衡光纤迈克尔逊干涉仪206中发生干涉后输出到密集波分复用器208(对应波长解复用模块7)，而密集波分复用器208将光纤光栅传感器203和参考光纤光栅204的两束光分至各自通道后，输入探测及信号解调模块209，经过解调后送入减法器210(对应图1中减法器10)将两通道信号相减，PGC解调法所需要的载波信号通过载波发生电路207产生，其产生的正弦载波信号分两路送入非平衡光纤迈克尔逊干涉仪206的相位调制器上和探测及信号解调模块209中，减法器210的输出即为去除解调器受外界振动与噪声的干扰后，光纤光栅传感器203的波长位移信号。

光纤光栅传感器203和参考光纤光栅204中的光纤元件均为光纤布拉格光栅，其中心波长不同，封装形式不同，参考光纤光栅204采用隔振、隔声封装，对外界振动、噪声均不敏感，用来提供一路参考光信号，而光纤光栅传感器203为增敏封装的光纤光栅传感器，用于探测外界信号。

图3为一种抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统应用于光纤激光传感器3×3解调的实施例。抽运光源301(对应图1中光源1)发出的光经波长耦合器302(对应图1中耦合器2)依次泵浦参考光纤激光器303(对应图1中波长型参考器4)和光纤激光传感器304(对应图1中波长调制型传感器3)，参考光纤激光器303和光纤激光传感器304发出的光依次经波长耦合器302和光纤隔离器305(对应图1中光纤隔离器5)入射基于3×3耦合器的光纤迈克尔逊干涉仪306(对应图1中光纤干涉仪6)，在基于3×3耦合器的光纤迈克尔逊干涉仪306中发生干涉后分三路输出到密集波分复用器一307、密集波分复用器二308、密集波分复用器三309，而密集波分复用器一307、密集波分复用器二308和密集波分复用器三309将参考光纤激光器303和光纤激光传感器304的光分开，输入探测及信号解调模块310，经过解调后送入减法器311将两通道信号相减，减法器311的输出即为去除解调器受外界振动与噪声的干扰后，光纤激光传感器的波长位移信号。

参考光纤激光器303和光纤激光传感器304均为基于光纤光栅的掺铒光纤激光器，其激射光的中心波长不同，封装形式不同，参考光纤激光器303采用隔振、隔声封装，对外界振动、噪声均不敏感，而光纤激光传感器304为增敏封装的光纤激光传感器。

尽管本发明是结合其示例性实施例来具体展示和描述的，本领域的技术人员应该理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的修改。

Claims (9)

1.一种抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统，其特征在于，包括：

一光源，提供照射光；

一耦合器，该耦合器的输入端与光源的输出端经光纤连接；

一波长调制型传感器和波长型参考器，该波长调制型传感器和波长型参考器的输入端经光纤与耦合器的输出端连接，波长调制型传感器用来探测信号，而波长型参考器用来提供一路参考光；所述波长调制型传感器为光纤光栅传感器，波长型参考器为一支中心波长不同的光纤光栅；

一光纤隔离器，该光纤隔离器的输入端经光纤与耦合器的输入端连接，该光纤隔离器接收光源经耦合器到波长调制型传感器和波长型参考器的反射光；

一光纤干涉仪，该光纤干涉仪的输入端经光纤与光纤隔离器的输出端连接，用于将波长调制型传感器的中心波长位移信号转化为干涉条纹的相位信号；

一波长解复用模块，该波长解复用模块的输入端经光纤与光纤干涉仪的输出端连接，用于将波长调制型传感器和波长型参考器的光分开到各自的信道中；

一光电转换及放大电路，该光电转换及放大电路的两输入端经光纤与波长解复用模块的两输出端连接，用于将两路光信号转化为电压信号并进行放大；

一解调模块，该解调模块的两输入端与光电转换及放大电路的两输出端连接，用于解调出两路干涉条纹中的相位信号；

一减法器，该减法器的两输入端与解调模块的两输出端连接，用于将解调后的波长调制型传感器和波长型参考器的信号相减。

2.如权利要求1所述的一种抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统，其特征在于，其中所述的光源为宽带光源或抽运光源；该宽带光源选自自发辐射光源、半导体超辐射二极管、半导体发光二极管之一。

3.如权利要求1所述的一种抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统，其特征在于，其中所述的波长型参考器进行隔振、隔声封装。

4.如权利要求1所述的一种抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统，其特征在于，光源为宽带光源，选自自发辐射光源、半导体超辐射二极管、半导体发光二极管之一。

5.如权利要求1所述的一种抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统，其特征在于，其中所述的光纤干涉仪是非平衡马赫曾德干涉仪或者非平衡迈克尔逊干涉仪。

6.如权利要求1所述的一种抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统，其特征在于，其中所述的波长解复用模块各通道的透射波长应与波长调制型传感器和波长型参考器的中心波长相对应。

7.如权利要求1所述的一种抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统，其特征在于，其中所述的解调模块和减法器用模拟电路或数字信号处理器来实现。

8.一种抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统，其特征在于，包括：

一光源，提供照射光；

一耦合器，该耦合器的输入端与光源的输出端经光纤连接；

一波长调制型传感器和波长型参考器，该波长调制型传感器和波长型参考器的输入端经光纤与耦合器的输出端连接，波长调制型传感器用来探测信号，而波长型参考器用来提供一路参考光；所述波长调制型传感器为光纤激光传感器，波长型参考器为一支中心波长不同的光纤激光器；

一光纤隔离器，该光纤隔离器的输入端经光纤与耦合器的输入端连接，该光纤隔离器接收光源经耦合器到波长调制型传感器和波长型参考器的反射光；

一光纤干涉仪，该光纤干涉仪的输入端经光纤与光纤隔离器的输出端连接，用于将波长调制型传感器的中心波长位移信号转化为干涉条纹的相位信号；

一波长解复用模块，该波长解复用模块的输入端经光纤与光纤干涉仪的输出端连接，用于将波长调制型传感器和波长型参考器的光分开到各自的信道中；

一光电转换及放大电路，该光电转换及放大电路的两输入端经光纤与波长解复用模块的两输出端连接，用于将两路光信号转化为电压信号并进行放大；

一解调模块，该解调模块的两输入端与光电转换及放大电路的两输出端连接，用于解调出两路干涉条纹中的相位信号；

一减法器，该减法器的两输入端与解调模块的两输出端连接，用于将解调后的波长调制型传感器和波长型参考器的信号相减。

9.如权利要求8所述的一种抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统，其特征在于，光源选取抽运光源。

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