CN103983289B - 一种基于双偏振光纤激光传感器的拍频信号双路解调装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学频谱测量以及物理传感领域，涉及一种基于双偏振光纤激光传感器的拍频信号双路解调装置，用于检测微弱信号，包括输出激光信号中心波长在1550nm波段附近的DBR光纤激光传感器，波分复用器，980nm激光器，偏振分束器，三个偏振光控制器，中心波长为1550nm的窄线宽激光器，3dB耦合器，其中，由980nm激光器产生的激光通过波分复用器后进入DBR光纤激光传感器，微弱信号作用在DBR光纤激光传感器后产生的调制光信号，返回波分复用器，再经过光隔离器隔离输出；调整第三偏振控制器3并结合偏振分束器使DBR光纤激光传感器输出的两组正交偏振模式光学信号能量分离，由窄线宽激光器输出的能量可调的窄线宽激光信号通过3dB耦合器产生能量接近的两束参考光信号。本发明具有低成本，易解调可复用的优势。

Description

一种基于双偏振光纤激光传感器的拍频信号双路解调装置

所属技术领域

本发明属于高分辨率光学频谱测量分析及物理传感领域，涉及一种解调装置。

背景技术

光纤传感技术因具有良好的抗电磁干扰能力，结构紧凑和易于复用等特性而得到了广泛的应用。在已公开的光纤传感技术专利中，大部分都是通过外界微弱信号(被测量)的作用对光纤传感器中的光波强度，相位，偏振特性，波长造成影响从而传感检测并进行解调分析。光纤传感系统主要分为传感模块和解调模块，其中光纤传感器主要包括波长编码传感器和偏振传感器；解调方式大体分为强度调制，相位调制，波长调制，偏振调制和频率调制。例如，专利CN102636203A公开了一种基于法布里一珀罗腔传感核心的双波长拍频技术强度解调装置，利用具有高斯分布特性的拍频信号来标定中心频率，降低了对单纵模激光传感器选型的严格要求。CN102706273A公开了一种基于外差干涉信号的相位解调方法，采用自参考锁相环动态跟踪降频和基于FPGA的数字相位测量技术实现激光外差干涉信号的相位解调。CN102322880A公布了一种偏振敏感的分布式光频域反射扰动传感装置，基于光纤分布式波片模型的琼斯和穆勒矩阵的偏振计算方法实现传感光缆中偏振信息提取。CN103048631A发明了一种基于光纤光栅激光器的磁场传感器的偏振测量方法，光纤光栅激光腔内部线性双折射协同待测磁场圆双折射产生椭圆双折射强度的偏振特性，通过已测得拍频信号推算待测磁场强度CN102778324A发明了一种基于正交双偏振光纤激光器的液压传感器，通过对光纤激光器内置施加侧向作用力的增敏构件构成一种基于频率调制的新型传感器，检测拍频信号的变化来实现对液压的测量。

以上提及的光纤传感专利，通过采用数学模型分析或是改良传感器性能的方式来检测光波参数的变化，普遍具有精度低，结构复杂，能量传输浪费，解调设备成本昂贵等问题。同时针对幅值小或是对光纤结构产生各向同性影响的微弱信号，难以检测解调。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的上述不足，提供一种对外界微弱信号检测具有较高灵敏度、可以有效地完成外界微弱信号作用引起的拍频信号变化的双路解调测量的拍频信号双路解调装置。本发明基于具有稳定单纵模特性输出的光纤激光传感器结合窄线宽激光器构建传感解调系统，通过对单纵模内的两组正交偏振模式信号有效地进行模式分离，优化能量利用率和解调精度，操作原理设备简单，可以出色地完成基于光纤传感的外界微弱信号检测，完成微弱信号作用下产生拍频信号变化的双路解调测量。本发明的技术方案如下：

一种解调测量装置，用于检测微弱信号，包括输出激光信号中心波长在1550nm波段附近的DBR光纤激光传感器，波分复用器，980nm激光器，偏振分束器，第一偏振光控制器，第二偏振光控制器，第三偏振光控制器，中心波长为1550nm的窄线宽激光器，3dB耦合器，其中，

由980nm激光器产生的激光通过波分复用器后进入DBR光纤激光传感器，微弱信号作用在DBR光纤激光传感器后，使其内部结构发生不定改变，从而改变其内部双折射特性，由DBR光纤激光传感器进行能量转换产生的带有待测微弱信号调制信息的光信号，返回波分复用器，再经过光隔离器隔离输出；

调整第三偏振光控制器3并结合偏振分束器使DBR光纤激光传感器输出的两组正交偏振模式光学信号能量分离，设其中一组为X偏振模式光信号，另一组为Y偏振模式光信号；

由窄线宽激光器输出的能量可调的窄线宽激光信号通过3dB耦合器产生能量接近的两束参考光信号，分别为参考激光信号X和参考激光信号Y；

参考激光信号X与对应的X偏振模式光信号输入一臂光路中，参考激光信号Y与对应的Y偏振模式光信号，输入另一臂光路中，通过调整第一偏振光控制器分配来自参考激光信号X和X偏振模式光信号的信号能量，并通过第一光电转换器后完成光学信号到电学信号的转变，产生能量显著，易于检测的第一组拍频信号；通过调整第二偏振光控制器分配来自参考激光信号Y和Y偏振模式光信号的信号能量，通过第二光电转换器后完成光学信号到电学信号的转变，产生能量显著，易于检测的第二组拍频信号。

本发明的有益效果是：

现有的光纤双偏振激光传感器解调方式中，大体上都是基于光纤结构受外力影响产生内部双折射变化，从而影响单纵模光纤传感器内两组正交偏振模式光学信号各自中心波长在光学频域的位置，通过产生的拍频信号变化从而还原外界微弱信号的作用情况。对应各异的外界微弱信号作用，光纤传感器结构可能会产生各向异性或是各向同性的变化，各向异性造成两组正交偏振模式光学信号波长彼此远离产生易于检测的拍频信号。而当光纤结构产生各向同性变化时，两组光学波长同向移动且变化幅值相近时产生的拍频信号因无法达到光学频谱分析仪的最小分辨率需求难以检测，降低解调精度，甚至容易被人们忽略。本发明选用发展成熟且性能稳定的直腔光纤作为传感元件，确保光纤传感器的单纵模稳定输出。其单纵模内部仅存的两组正交偏振模式光学信号受到微弱信号作用后中心波长产生变化，通过偏振分束器将两组偏振模式光学信号进行有效分离后各自进入一臂光路，引入具有固定中心波长，能量可调的窄线宽激光信号分别耦合到已分离的两组偏振模式光路中进行拍频，通过检测两组射频领域内的拍频信号输出特性，可以还原在外界微弱信号作用下，对两组正交偏振模式的中心波长移动方向及幅度造成的影响，还原微弱信号的具体信息。本发明具有结构简单，集成度和能量利用率高等特性，无需复杂的模型分析以及传感器性能改良，尤其针对微弱信号(如温度，轴向应力，45度侧压力)引入后对光纤内部双折射造成影响产生细微变化以及对光纤结构造成各向同性变化的作用，克服拍频信号变化过小不易检测的缺点，有效地实现高灵敏度检测识别。

附图说明

附图1为基于双偏振光纤激光传感器拍频信号双路解调测量装置系统框图。

其中选用980nm激光器作为泵浦光源提供激励，通过DBR光纤传感器感测外界微弱信号作用，结合调制解调光路以及电路系统，针对微弱信号作用对拍频信号变化的影响进行检测。

附图2为光纤传感器结构示意图。传感光纤为直腔光纤，具有高反射率和低反射率一对光栅结构，可确保能量稳定的激光具有单纵模输出特性。

具体实施方式

下面结合附图实例对本发明做进一步说明。

参见图1和图2，本发明中提及的光纤传感解调系统主要是基于DBR(分布布拉格反射式，下同)光纤激光传感器。在微弱信号(如温度，轴向应力，45度侧压力等)作用在DBR光纤激光传感器的前提下，DBR光纤激光传感器内部结构发生不定变化引起双折射改变，980nm激光器通过一个波分复用器(980/1550nm)后进入DBR光纤激光传感器。DBR光纤激光传感器内的一组光纤光栅完成能量转换产生1550nm波长附近且具有微弱信号调制信息的待测信号，以具有不同中心波长的两组偏振模式光学信号形态输出，从DBR光纤激光传感器的左侧输出返回波分复用器的右端口后通过光隔离器，光隔离器具有良好的隔离效果只允许激光信号单向通过。调整偏振控制器3并结合偏振分束器对DBR光纤激光传感器输出的两组正交偏振模式光学信号进行有效的能量分离。假定含有微弱信号待测信息的两组正交偏振模式分离后产生的分别为X偏振模式光信号和Y偏振模式光信号。鉴于对X偏振模式光信号和Y偏振模式光信号采用同样的对称解调方式，仅介绍对X偏振模式光信号的解调方法。窄线宽激光器产生能量可调，具有固定中心波长窄线宽激光信号输出，通过3dB耦合器产生能量接近的两束参考光信号分别为参考激光信号X和参考激光信号Y，二者进入后续各自的光路中。以参考激光信号X为例，参考激光信号X作为具有固定中心波长且能量可调的参考激光信号，与X偏振模式光信号在光路中进行拍频，通过偏振控制器1控制各自的能量避免模式竞争。输出的光学信号通过光电转换器1转换为电学信号在频谱分析仪1中输出显示。频谱分析仪1中产生的电学信号和窄线宽激光器引入的光学参考信号都是已知，可以求解还原受到微弱信号作用后的X偏振模式光信号的中心频率。同理，可以求出受到微弱信号作用后的Y偏振模式光信号的中心频率，重新构建拍频信号输出与外界微弱信号变化的对应关系，通过新型的拍频信号双路解调技术及装置实现对微弱信号的高效实时测量

Claims (1)

1.一种基于双偏振光纤激光传感器的拍频信号双路解调装置，用于检测微弱信号，包括输出激光信号中心波长在1550nm波段附近的DBR光纤激光传感器，波分复用器，980nm激光器，偏振分束器，第一偏振光控制器，第二偏振光控制器，第三偏振光控制器，中心波长为1550nm的窄线宽激光器，3dB耦合器，其中，

由980nm激光器产生的激光通过波分复用器后进入DBR光纤激光传感器，微弱信号作用在DBR光纤激光传感器后，使其内部结构发生不定改变，从而改变其内部双折射特性，由DBR光纤激光传感器进行能量转换产生的带有待测微弱信号调制信息的光信号，返回波分复用器，再经过光隔离器隔离输出；

调整第三偏振光控制器并结合偏振分束器使DBR光纤激光传感器输出的两组正交偏振模式光学信号能量分离，设其中一组为X偏振模式光信号，另一组为Y偏振模式光信号；

由窄线宽激光器输出的能量可调的窄线宽激光信号通过3dB耦合器产生能量接近的两束参考光信号，分别为参考激光信号X和参考激光信号Y；

参考激光信号X与对应的X偏振模式光信号输入一臂光路中，参考激光信号Y与对应的Y偏振模式光信号，输入另一臂光路中，通过调整第一偏振光控制器分配来自参考激光信号X和X偏振模式光信号的信号能量，并通过第一光电转换器后完成光学信号到电学信号的转变，产生能量显著、易于检测的第一组拍频信号；通过调整第二偏振光控制器分配来自参考激光信号Y和Y偏振模式光信号的信号能量，通过第二光电转换器后完成光学信号到电学信号的转变，产生能量显著、易于检测的第二组拍频信号。