CN103968934A - 基于光电振荡器的振动信息获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光电振荡器的振动信息获取方法，包括如下步骤：在光电振荡器中将光源产生的光载波通过单边带调制获得调制光信号；利用光电振荡器的储能光纤拾取来自振动体的振动信息，并加载至所述调制光信号得到载有振动信息的光信号；将载有振动信息的光信号进行光电转换和振荡，得到振荡信号；将振荡信号进行处理和采集后进行数字解调，得到所述振动信息。本发明利用光电振荡器的长储能光纤作为传感光纤，可以提高传感器的灵敏度，并且不受激光器光强波动的影响，可实现高灵敏度的振动信号测量。

Description

基于光电振荡器的振动信息获取方法

技术领域

本发明涉及光纤传感与数字信号处理领域，尤其是涉及一种基于光电振荡器的振动信息获取方法。

背景技术

光纤传感器具有抗干扰能力强，耐腐蚀的特点，被广泛运用于温度，应力，振动，声场等参数的测量，特别是恶劣环境下传统传感器无法胜任的领域，如矿井、油井，大型发电机组与核电站等强辐射与电磁干扰环境下的测量。

光纤传感器按照原理可分为无源传感器与有源传感器两大类。其中无源传感器又可分为以光纤为敏感元件的传感器和以光纤光栅为敏感元件的传感器。以光纤为传感元件的传感器原理为：外界物理量变化导致光纤内传输的光信号的参数(相位、偏振态等)发生变化，并通过相干检测得到待求的物理量。该类传感器灵敏度高，易受外界环境的干扰，一般需要通过正交解调技术来改善系统稳定性。以光纤光栅为敏感元件的传感器原理为：外界物理量变化导致光栅固有布拉格波长发生变化，通过解析光栅反射或者透射光谱即可得到待求物理量。该类传感器结构简单，易复用，但波长解析系统相对复杂且昂贵。

相比于无源光纤传感器，有源光纤传感器利用振荡器的谐振腔作为敏感元件，当施加在谐振腔上的外界物理量发生变化时，谐振腔光纤由于弹光效应、热光效应等，其折射率发生变化，即等效腔长发生变化，腔内固有的模式间隔相应地发生变化，通过对各个纵模的拍频信号频率进行解调即可得到待测物理量。当谐振腔内同时存在两个偏振模时，外界物理量导致的光纤快轴与慢轴方向折射率变化的各向异性会使谐振腔内同时存在两组偏振模光频梳，通过偏振模拍频信号频率的解调即可得到待测信号。常见的有源光纤传感器为基于光纤激光器的传感器，该类传感器采用掺铒光纤作为谐振腔敏感元件，腔内多纵模信号存在均匀展宽效应导致的模式竞争，拍频信号信噪比不高，采用长谐振腔时成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光电振荡器的有源光纤传感器，通过对光电振荡器内多纵模拍频信号的数字解调，并合理地选取传感光纤长度可实现振动信号的解调。采用长距离的储能光纤提高谐振腔Q值，可得到高质量的多纵模信号，同时长储能光纤也是传感光纤，能够实现更高的检测灵敏度。

一种基于光电振荡器的振动信息获取方法，包括如下步骤：

在光电振荡器中将光源产生的光载波通过单边带调制获得调制光信号；

利用光电振荡器的储能光纤拾取来自振动体的振动信息，并加载至所述调制光信号得到载有振动信息的光信号；

将载有振动信息的光信号进行光电转换和振荡，得到振荡信号；

将振荡信号进行处理和采集后进行数字解调，得到所述振动信息。

本发明利用光电振荡器谐振腔的光学部分进行测振，并对采集到的信号处理至低频，并通过时频分析进行解调。

光电振荡器克服了现有技术所采用的光纤激光器测振中所存在的灵敏度与信噪比之间的矛盾，且光电振荡器输出的信号质量非常好，能够提高分辨率。

进行振荡的方法为，对载有振动信息的光信号进行光电转换并依次经过带通滤波器和射频放大器后反馈回单边带调制器，利用所构成的闭环产生振荡，其中所述振荡信号在射频放大器输出端获取。

通过环路将信号进行反馈用于对光波的调制，以建立稳定的振荡。当调制器采用双边带调制时，上下边带分别与载波拍频所得的射频信号因频率和幅度相同，相位相反，经不同长度的传感光纤色散后拍频信号强度不同，难以控制，故需采用单边带调制。

射频放大的放大增益大于40dB。

进行射频放大时，采用低噪声射频放大器，所提供的放大增益大于40dB，以克服环路损耗，满足光电振荡器起振的阈值条件。

其中，利用3dB耦合器将射频放大器输出的信号分为两路，其中一路经正交耦合器后反馈至双电极马赫增德尔调制器进行单边带调制，另一路用于进行所述处理和采集。

采用单边带调制时，在小信号调制下，3dB耦合器将输入的信号分为能量相同的两路信号进行输出，双电极马赫增德尔调制器的射频输入端引入90°的相位差，两个射频输入端的信号正交时，可获得单边带调制，此时光电振荡器可建立起稳定的振荡。

所述光载波为激光经过偏振后所得的偏振光。

激光经过偏振后能够克服单边带调制器的插入损耗。

其中利用窄线宽半导体激光发生器来产生激光。

利用窄线宽半导体激光发生器所产生的激光具有相干性，具有良好的抗环境干扰能力。

所述储能光纤为单模光纤。

单模光纤成本低廉，对于频率较高的待测振动信号具有较好的灵敏度。当待测振动信号频率较低时，可采用更大长度的传感光纤，提高检测灵敏度。

将振荡信号进行处理的方式为，将振荡信号与微波信号源产生的射频信号进行混频，再进行低通滤波。

振荡信号在整个谐振腔内必须连续。因为载有振动信息的光信号在转换为电信号后经过了带通滤波，所以光电振荡器不能直接输出低频信号，需要与微波信号源混频到低频再检测。

射频信号在混频器中与微波信号源产生的固定频率的射频信号混频至较低频率，经低通滤波器滤出较低频率的混频信号，由高速采集卡采集并进行数字解调以得到振动信息。

本发明通过采用长的储能光纤作为传感光纤，能够提高振动信号检测的灵敏度，同时可提高谐振腔的Q值，获得低噪声的多纵模信号，提高检测精度。与其他无源光纤传感器相比，该装置将振动信息编码在多纵模拍频信号的频率上而非相位上，因此对光源功率波动的影响不敏感。与基于光纤激光器的光纤传感器方案相比，该装置的储能光纤采用普通单模光纤，价格低廉。

附图说明

图1为本发明一个实施例所采用的装置结构示意图；

图2为本发明当前实施例双电极马赫增德尔调制器的单边带调制示意图。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明一个实施例的方法所采用的基于光电振荡器的振动信号解调装置，包括：光电振荡器、混频器10、微波信号源11、低通滤波器12以及高速采集卡13。其中光电振荡器包括：激光器1、偏振控制器2、双电极马赫增德尔调制器3、传感光纤4、高速光电探测器5、带通滤波器6、射频放大器7、3dB射频耦合器8以及正交耦合器9。

本发明当前实施例中，光源为由激光器1和偏振控制器2所构成，用于产生作为光载波的偏振光。激光器1是窄线宽半导体激光发生器，输出光为相干光，具有良好的抗环境干扰能力。激光器1的输出光由偏振控制器2调整偏振态后进入双电极马赫增德尔调制器3，以获得最小的偏振相关损耗。

双电极马赫增德尔调制器3为铌酸锂电光强度调制器，通过调节两个偏置端口电压大小使两臂产生90度初始相移，当两个输入端的信号正交时可获得单边带调制。

双电极马赫增德尔调制器的输出光进入绕置在振动体上的储能光纤4以拾取振动信号，在振动信号中含有需要得到的振动信息。储能光纤4的输出信号依次经过光电探测器5、带通滤波器6、射频放大器7与3dB射频耦合器8。储能光纤4为普通单模光纤。当待测振动信号频率较低时，可采用更大长度的储能光纤，提高检测灵敏度。光电探测器5为高速光电探测器，具有较高的光电转换效率。

3dB射频耦合器将8射频放大器7的输出的信号分为两路：一路送入正交耦合器9的输入端，正交耦合器9输出端输出两路信号分别输入双电极马赫增德尔调制器3的两个射频输入端，用于将输入的偏振光进行单边带调制后得到拍频信号。另一路信号在混频器10中与微波信号源11产生的固定频率的射频信号混频至中频，然后经低通滤波器12后由高速采集卡13采集。射频放大器7为低噪声放大器，并且能够提供大于40dB的增益，以克服环路损耗，满足光电振荡器起振的阈值条件。

正交耦合器9输出的两路相互正交的信号进入双电极马赫增德尔调制器之前，光电振荡器还未起振，因此需要判断是否起振。通常光电振荡器在开始工作到振荡稳定的时间较短，因此在预估的时间后，认为光电振荡器振荡稳定，由高速采集卡13将采集到的信号进行数字解调，以得到储能光纤上拾取的振动信息。

本发明的工作原理如下：

光电振荡器环路中加入了带通滤波器，用于限制产生振荡的纵模数量，但光电振荡器仍为多纵模工作状态。谐振腔内各模式的频率为：

其中N为模式的序数，取值为远大于1的正整数，c为真空中的光速，n为光纤折射率，L为谐振腔长度，f_N为振荡器FSR的N倍。各模式的拍频频率由M的取值为大于等于1的正整数。

当调制器采用双边带调制时，上下边带分别与载波拍频所得的射频信号因频率和幅度相同，相位相反，经不同长度的传感光纤色散后拍频信号强度不同，难以控制，故需采用单边带调制。采用单边带调制时，如图2所示，输入信号表示为射频输入端其中一端的输入表示为cos（ω_RFt），在小信号调制下，双电极马赫增德尔调制器的两臂通过偏置电压V_bias引入的相位差，两个射频输入端的信号正交时，可获得单边带调制，此时光电振荡器可建立起稳定的振荡。谐振腔内所有振荡模式满足无失真传输条件，拍频信号满足相干叠加条件。各谐波在光电探测器中拍频后叠加的结果是，拍频信号频率越高，功率越小；频率越低，功率越大。为避免该问题采用了带通滤波器限制腔内振荡的模式数量。

该系统对应力的瞬时响应可描述为：

${\mathrm{df}}_M=-f_M(\frac{\mathrm{dn}}{n}+\frac{\mathrm{dL}}{L})=-f_M(1-p_e)\mathrm{\ϵ}$

其中ε是施加在传感光纤上的应变量，f_M为拍频信号的频率，p_e为光纤的应变系数，n为光纤有效折射率，L为谐振腔的有效长度。选取较大的f_M可提高检测的灵敏度。假设作用于传感光纤4上的振动信号为单频信号，即：

ε＝a_scos(2πf_st)

其中a_s为光纤上的最大应变量，f_s为所施加单频信号的频率。

令α＝-f_M(1-p_e)a_s，从光电探测器5输出的信号为：

$S_M\left(t\right)=A_M\cos (2\mathrm{\π}{f}_{M}t+\frac{\mathrm{\α}}{f_s}\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{s}t\right))$

A_M是最终从光电探测器输出信号的幅度，S_M(t)是一个调频信号，代表第M阶的拍频信号，其瞬时频率受传感光纤上的振动信号调制，当高速采集卡的采样速率高于载有振动信息的信号最大频率的两倍时，对此调频信号进行时频分析即可解调得到振动信号。

本发明利用光电振荡器的长储能光纤作为传感光纤，可以提高传感器的灵敏度，并且不受激光器光强波动的影响，可实现高灵敏度的振动信号测量。

Claims (8)

1.一种基于光电振荡器的振动信息获取方法，其特征在于，包括如下步骤：

在光电振荡器中将光源产生的光载波通过单边带调制获得调制光信号；

利用光电振荡器的储能光纤拾取来自振动体的振动信息，并加载至所述调制光信号得到载有振动信息的光信号；

将载有振动信息的光信号进行光电转换和振荡，得到振荡信号；

将振荡信号进行处理和采集后进行数字解调，得到所述振动信息。

2.如权利要求1所述基于光电振荡器的振动信息获取方法，其特征在于，进行振荡的方法为，对载有振动信息的光信号进行光电转换并依次经过带通滤波器和射频放大器后反馈回单边带调制器，利用所构成的闭环产生振荡，其中所述振荡信号在射频放大器输出端获取。

3.如权利要求2所述基于光电振荡器的振动信息获取方法，其特征在于，射频放大的放大增益大于40dB。

4.如权利要求2所述基于光电振荡器的振动信息获取方法，其特征在于，其中，利用3dB耦合器将射频放大器输出的信号分为两路，其中一路经正交耦合器后反馈至双电极马赫增德尔调制器进行单边带调制，另一路用于进行所述处理和采集。

5.如权利要求1所述基于光电振荡器的振动信息获取方法，其特征在于，所述光载波为激光经过偏振后所得的偏振光。

6.如权利要求3所述基于光电振荡器的振动信息获取方法，其特征在于，其中利用窄线宽半导体激光发生器来产生激光。

7.如权利要求1所述基于光电振荡器的振动信息获取方法，其特征在于，所述储能光纤为单模光纤。

8.如权利要求1所述基于光电振荡器的振动信息获取方法，其特征在于，将振荡信号进行处理的方式为，将振荡信号与微波信号源产生的射频信号进行混频，再进行低通滤波。