CN104048617B - 对偏振态变化不敏感的高精度光纤光栅传感解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对偏振态变化不敏感的高精度光纤光栅传感解调方法，包括：将两路光纤光栅反射谱S₁、S₂分别进行小波变换，得小波变换的结果WT₁和WT₂，再由此计算S₁、S₂的时间‑小波能量谱H₁和H₂；检测H₁、H₂的峰值位置，再根据检测出的峰值位置，将H₁、H₂分别进行能量融合得到新的时间‑小波能量谱E₁、E₂；检测E₁、E₂的峰值位置，得到峰值位置P₁和P₂，再将其相减得到两个峰值位置的差值，即两路光纤光栅反射谱的波长差。本发明的解调方法能够有效地解决单模光纤中偏振态不稳定造成解调结果出错的问题，通过小波时频能量谱代替光纤光栅的反射谱实现光纤光栅的反射峰的探测，可以对传感信号进行降噪处理，进一步提高解调系统的应变测量精度。

Description

对偏振态变化不敏感的高精度光纤光栅传感解调方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种对偏振态变化不敏感的高精度光纤光栅传感解调方法。

背景技术

伴随着窄线宽激光器和光纤光栅传感解调技术的长足发展，基于窄线宽激光器和光纤光栅的超高分辨率静态应变测量方案受到光纤传感领域科研工作者的重视(Q.W.Liu.An ultra-high-resolution FBG static-strain sensor for geophysisapplications.Proc.of SPIE，Vol.7653，76530W，2010)。为了进一步提高这个技术方案的应变测量分辨率，要求光纤光栅具有更窄的带宽。为此，日本东京大学提出了多种技术方案，采用比光纤光栅具有更窄的带宽的光纤光栅法-珀干涉仪来实现更高精度的静态应变测量(Q.W.Liu.Ultra-high-resolution large-dynamic-range optical fiber staticstrain sensor using Pound-Drever-Hall technique.Optics letters，36(20)，4044-4046，2011)。与此同时，刘庆文在其专利号为CN202853879U、CN203100689U、CN102818695A等专利中，也提出了利用一个参考的光纤环形腔和一个传感光纤光栅的方案来检测应变，该方案也具有较大的应变测量动态范围和较高的应变测量分辨率。

但是，以上几种基于光纤光栅法-珀干涉仪或光纤环行腔的高精度静态应变测量技术方案，都存在一个关键的技术问题：偏振态的不稳定会让系统解调结果出错。这是因为单模光纤存在两个正交的偏振态，每个偏振态对于一个反射峰；实际传感解调过程中，我们只用到其中一个反射峰，即只需要其中一个偏振模式；而两个偏振态在外界环境扰动下的此长彼消，会让解调结果出错。因此，上述方案，都通过外接一个偏振控制器来控制这两个偏振态(消除其中一个偏振态)以保证最终解调结果不受偏振态的影响；而实际中，偏振态在外界环境的扰动下会不断发生变化。偏振控制器可以在短期保证想要的偏振输出状态，但是长时间后整个解调系统还是会因为偏振态的不稳定出错。虽然，商用的偏振分析仪可以输出稳定的偏振模式，但是这种仪器太昂贵。因此，需要研究一种方法，来解决这种基于光纤光栅法-珀干涉仪或光纤环行腔的高精度静态应变解调系统中偏振态不稳定对解调结果造成影响的问题。

小波分析是一种处理非平稳信号的有力工具，并且通过小波变换可以获得时域信号的时间-小波能量谱。这里我们首次利用基于小波变换的能量谱分析(时间-小波能量谱)来消除单模光纤光栅的偏振态不稳定造成解调结果出错的问题，并且同时可消除反射谱中的非平稳的噪声信号。目前，还没有见到将基于小波变换的能量谱分析(时间-小波能量谱)用于消除光纤光栅反射谱偏振态对解调精度产生的影响或者计算两路光纤传感器反射谱的波长差实现高精度应变解调的报道。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种对偏振态变化不敏感的高精度光纤光栅传感解调方法，并重点解决单模光纤光栅、光纤光栅法-珀干涉仪或相移光纤光栅偏振态不稳定造成解调结果出错的问题。另外，该方法采用了小波时频能量谱反映光纤光栅的反射谱，可以对传感信号进行降噪处理，进一步提高解调系统的应变测量精度。

本发明的对偏振态变化不敏感的高精度光纤光栅传感解调方法，包括下列步骤：

步骤1：将两路光纤光栅反射谱S₁、S₂分别进行小波变换，得到小波变换的结果WT₁和WT₂，再利用得到的小波变换结果WT₁和WT₂计算两路光纤光栅反射谱S₁、S₂的时间-小波能量谱，得到光纤光栅反射谱S₁的时间-小波能量谱H₁和光纤光栅反射谱S₁的时间-小波能量谱H₂；

步骤2：检测时间-小波能量谱H₁、H₂的峰值位置，再根据检测出的峰值位置，将时间-小波能量谱H₁进行能量融合得到新的时间-小波能量谱E₁，将时间-小波能量谱H₂进行能量融合得到新的时间-小波能量谱E₂；

步骤3：检测时间-小波能谱E₁、E₂的峰值位置，得到时间-小波能谱E₁的峰值位置P₁和时间-小波能谱E₂的峰值位置P₂，再将得到的两个峰值位置P₁、P₂相减，得到两个峰值位置的差值，即两路光纤光栅反射谱的波长差。

其中，所述步骤1中所述两路光纤光栅反射谱S₁、S₂是通过窄线宽可调谐激光器扫描来获得的。

其中，所述窄线宽可调谐激光器具有小于1kHz的窄线宽和大于4pm的大可调谐范围，所述光纤光栅具有小于2MHz的窄带宽。

其中，所述步骤1中对两路光纤光栅反射谱S₁、S₂进行小波能量谱计算是通过选取Morlet函数作为小波基函数来实现的。

其中，所述步骤2中所述对时间-小波能量谱H₁、H₂进行能量融合的步骤是通过将时间-小波能量谱H₁、H₂中较小的一个偏振能量峰处的3dB带宽内的能量直接加到另一个较大的偏振能量峰处，并将该处的能量清零，从而得到新的时间-小波能量谱E₁、E₂来实现的。

其中，所述光纤光栅反射谱S₁、S₂通过光纤光栅法-珀式干涉仪或相移光纤光栅获得。

其中，所述光纤光栅反射谱S₁、S₂，一个作为参考、一个作为传感，且两者对应的光纤传感具有相同的技术指标。

其中，所述的光纤光栅反射谱S₁、S₂对应的两个光纤光栅，处于温度相对恒定、噪声小的环境中。

其中，根据所述步骤3中得到的时间-小波能谱E₁的峰值位置P₁和时间-小波能谱E₂的峰值位置P₂的差值，进一步计算得到所述光纤光栅受到外界应变量的大小。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的传感解调方法能够有效地解决单模光纤中偏振态不稳定造成解调结果出错的问题；

2、本发明的传感解调方法，通过小波时频能量谱代替光纤光栅的反射谱实现光纤光栅的反射峰的探测，可以对传感信号进行降噪处理，进一步提高解调系统的应变测量精度。

附图说明

图1为本发明的对偏振态变化不敏感的高精度光纤光栅传感解调方法的流程图；

图2a为本发明的参考光纤光栅反射谱的实测图；

图2b为本发明的参考光纤光栅反射谱能量融合前的时间-小波能量谱图；

图3a为本发明的传感光纤光栅反射谱的实测图；

图3b为本发明的传感光纤光栅反射谱能量融合前的时间-小波能量谱图；

图4为本发明的对偏振态变化不敏感的高精度光纤光栅传感解调方法的应变测试结果图。

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。通过结合附图，对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更容易理解和清晰。

本发明的对偏振态变化不敏感的高精度光纤光栅低频应变的传感解调方法的基本原理如下：

参照图1，首先通过窄线宽可调谐激光器扫描两路光纤光栅传感器获得两路光纤光栅反射谱S₁、S₂，然后以Morlet函数作为小波基函数对光纤光栅反射谱S₁进行小波变换处理得到小波变换的结果WT₁，以Morlet函数作为小波基函数对光纤光栅反射谱S₂进行小波变换处理得到小波变换的结果WT₂。经过小波变换后，两路光纤光栅反射谱S₁、S₂中的由光强、外界环境等因素引起的各种噪声得到了有效抑制。接着根据小波能量变换的能量守恒性质计算出光纤光栅反射谱S₁的时间-小波能量谱H₁、光纤光栅反射谱S₂的时间-小波能量谱H₂。此时，光纤光栅反射谱的两个偏振峰就变换成了时间-小波能量谱上的两个能量峰，并且这两个能量峰在时间轴上的分布与光纤光栅反射谱偏振峰在时间轴上的分布是一致的。然后将时间-小波能量谱H₁进行能量融合得到新的时间-小波能量谱E₁，将时间-小波能量谱H₂进行能量融合得到新的时间-小波能量谱E₂。经过能量融合，时间-小波能量谱上H₁的两个能量峰融合成了时间-小波能量谱E₁的一个能量峰；时间-小波能量谱上H₂的两个能量峰融合成了时间-小波能量谱E₂的一个能量峰。此时，消除了偏振态不稳定对系统的影响。最后，检测时间-小波能谱E₁、E₂的峰值位置，得到时间-小波能谱E₁的峰值位置P₁和时间-小波能谱E₂的峰值位置P₂，再将得到的两个峰值位置P₁、P₂相减，得到两个峰值位置的差值，即两路光纤光栅反射谱的波长差。

下面通过实例对本发明所述的对偏振态变化不敏感的高精度光纤光栅低频应变的传感解调方法的具体步骤进行详细阐述。

假设参考和传感光纤传感器(以光纤光栅为例)的反射谱分别为x(t)、y(t)，并且x(t)、y(t)是能量有限的信号。那么可以得到x(t)、y(t)的小波变换分别为WT_x(a，τ)、WT_y(a，τ)，表达式如下：

式(1)中，τ为时间漂移量，a为伸缩因子(又称尺度因子)，t为时间变量，是小波函数。因为Morlet函数是平方衰减函数并且它的波形跟FBG-FP的反射谱波形非常相似，所以这里我们选取Morlet函数作为小波基函数。这里，也是能量有限的，并且要满足一定的容许条件：

式(2)中，是小波函数的傅里叶变换。

根据小波变换的能量守恒性质有：

式(3)中，E_x(τ)是x(t)的时间-小波能量谱，为x(t)的能量沿时间轴的分布。E_y(τ)是y(t)的时间-小波能量谱，为y(t)的能量沿时间轴的分布。E_x(τ)、E_y(τ)的表达式如下：

通过式(4)，我们可以得到两路光纤光栅反射谱的能量分布，并且光纤光栅反射谱的能量分布图上有两个能量峰值，分别对应光纤光栅反射谱的两个偏振峰。通过寻峰，找出E_x(τ)、E_y(τ)的峰值位置，然后根据峰值位置，分别对E_x(τ)、E_y(τ)进行能量融合，使得每个E_x(τ)、E_y(τ)中的两个偏振能量峰融合成为一个能量峰，即直接将E_x(τ)/E_y(τ)中较小的一个偏振能量峰处的3dB带宽内的能量直接加到另一个较大的偏振能量峰处，并将该处的能量清零，从而得到新的时间-小波能量谱E_x′(τ)、E_y′(τ)。接着对E_x′(τ)、E_y′(τ)进行寻峰，得到峰值位置，最后将峰值位置作差便可求解出两路光纤光栅反射谱的波长差。

由于进行小波变换求取时间-小波能量谱，因此，两路光纤光栅反射谱的非平稳噪声和相关性噪声得到了有效的抑制。不要求已知光纤传感信号和噪声的先验知识，不要求光纤传感信号和噪声互相独立，有利于提高解调精度。经过能量融合的计算消除了偏振态不稳定造成解调结果出错的问题。

基于以上原理，图1为本发明的对偏振态变化不敏感的高精度光纤光栅低频传感解调方法的流程图。如图1所示，该高精度光纤光栅低频传感解调方法，包括下列步骤：

步骤1：将两路光纤光栅反射谱S₁、S₂分别进行小波变换，得到小波变换的结果WT₁和WT₂，同时，可以减小由光强、外界环境等因素引起的各种噪声对系统产生的影响。这里，我们选取Morlet函数作为小波基函，因为Morlet函数是平方衰减函数并且它的波形跟FBG-FP的反射谱波形非常相似。利用得到的小波变换结果WT₁和WT₂计算两路光纤光栅反射谱S₁、S₂的时间-小波能量谱。得到光纤光栅反射谱S₁的时间-小波能量谱H₁和光纤光栅反射谱S₁的时间-小波能量谱H₂。这样，光纤光栅反射谱的两个偏振峰就变换成了时间-小波能量谱上的两个能量峰，并且这两个能量峰在时间轴上的分布与光纤光栅反射谱偏振峰在时间轴上的分布是一致的。

可以参照图2a，本发明提供了参考光纤光栅反射谱的实测图，图中显示了在一个计算周期内的参考光纤光栅反射谱的偏振峰的位置和状态。再参照图2b，本发明提供了参考光纤光栅反射谱能量融合前的时间-小波能量谱图，通过与图2a对比很明显的看出：参考光纤光栅反射谱的两个偏振峰变换成了时间-小波能量谱上的两个能量峰，这两个能量峰在时间轴上的分布与光纤光栅反射谱偏振峰在时间轴上的分布是一致的。并且较大的偏振峰具有的能量比较小的偏振峰具有的能量要大。另外，从时间-小波能量谱图中还可以看出，偏振峰带宽以外的部分能量值都是一致的，这说明了在时间-小波能量谱中减小了噪声的影响，有利于解调精度的进一步提高。

参照图3a，本发明提供了传感光纤光栅反射谱的实测图，图中显示了在一个计算周期内的传感光纤光栅反射谱的偏振峰的位置和状态。再参照图3b，本发明提供了传感光纤光栅反射谱能量融合前的时间-小波能量谱图，通过与图3a对比很明显的看出：传感光纤光栅反射谱的两个偏振峰就变换成了时间-小波能量谱上的两个能量峰，这两个能量峰在时间轴上的分布与光纤光栅反射谱偏振峰在时间轴上的分布是一致的。并且较大的偏振峰具有的能量比较小的偏振峰具有的能量要大。另外，从时间-小波能量谱图中还可以看出，偏振峰带宽以外的部分能量值都是一致的，这说明了在时间-小波能量谱中不含有噪声的影响。有利于解调精度的进一步提高。步骤2：检测时间-小波能量谱H₁、H₂的峰值位置，再根据检测到的峰值位置，将时间-小波能量谱H₁进行能量融合得到新的时间-小波能量谱E₁，时间-小波能量谱H₂进行能量融合得到新的时间-小波能量谱E₂。经过能量融合，时间-小波能量谱上H₁的两个能量峰融合成了时间-小波能量谱E₁的一个能量峰；时间-小波能量谱上H₂的两个能量峰融合成了时间-小波能量谱E₂的一个能量峰。

步骤3：检测时间-小波能谱E₁、E₂的峰值位置，得到时间-小波能谱E₁的峰值位置P₁和时间-小波能谱E₂的峰值位置P₂，再将得到的两个峰值位置P₁、P₂相减，得到两个峰值位置的差值，即两路光纤光栅反射谱的波长差。由于两个峰均受到温度的同等程度的影响，通过两个峰值位置相减，减去了受到温度影响的部分，相当于该数值同时进行了温度补偿。由于两个峰值位置的差值就等于传感光纤光栅相对于参考光纤光栅的波长偏移量，根据波长偏移量与光纤光栅受到外界应变值的关系(1.2pm/με)，可进一步推导出光纤光栅受到的外界应变量的大小。

参照图4，为了进一步验证高精度光纤光栅解调方法，本发明的对偏振态变化不敏感的高精度光纤光栅低频传感解调方法的解调结果如图所示，约为2.5nε。

需要特别说明的是，时间-小波能量谱模块1中小波变换的小波基的选取可以是Morlet函数，也可以是其他可适用的小波基函数。

其中，参考光纤光栅反射谱S₁和传感光纤光栅反射谱S₂，是通过窄线宽可调谐激光器扫描获得的。这里要求可调谐激光器具有窄线宽和大可调谐范围，例如线宽小于1kHz、可调谐范围大于4pm；为了提高应变测量精度，光纤光栅应该也具有窄带宽，例如线宽小于2MHz。

在本发明中，利用小波变换计算光纤光栅反射谱S₁、S₂的时间-小波能量谱，用于消除两路光纤光栅反射谱S₁、S₂的偏振峰不稳定的影响，实现光纤光栅反射谱S₁、S₂的反射峰波长差的计算，并进行温度和噪声的补偿；由于小波变换具有时频分析能力，在利用两路光纤光栅反射谱S₁、S₂的时间-小波能量谱消除偏振态不稳定对系统的影响的同时，该方法还能够适用于处理具有非平稳噪声的反射谱信号。本发明的高精度低频传感解调方法与传统的互相关计算相比，具有更高的波长差计算精度，并对外界干扰、噪声信号具有更高的柔性。

在本发明中，所述光纤光栅反射谱S₁、S₂，可以通过光纤光栅法珀式干涉仪、相移光纤光栅获得，还可以通过其他干涉式光纤传感器获得；这两个光纤光栅反射谱，一个作为参考、一个作为传感，并且他们对应的光纤传感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，所述的光纤光栅反射谱S₁、S₂对应的两个光纤光栅，应该处于温度相对恒定、噪声小的环境中，比如山洞、不锈钢密封管内，以保证解调结果的正确性。

需要说明的是，由于光纤光栅经过适当封装后，不仅可以作为应变传感器、还可作为温度、压力、振动、位移等等不同参量的传感器，本发明适用于所有以波长作为调制量的传感系统。

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 (8)

1.一种对偏振态变化不敏感的高精度光纤光栅传感解调方法，包括下列步骤：

步骤1：将两路光纤光栅反射谱S₁、S₂分别进行小波变换，得到小波变换的结果WT₁和WT₂，再利用得到的小波变换结果WT₁和WT₂计算两路光纤光栅反射谱S₁、S₂的时间-小波能量谱，得到光纤光栅反射谱S₁的时间-小波能量谱H₁和光纤光栅反射谱S₂的时间-小波能量谱H₂；

步骤2：检测时间-小波能量谱H₁、H₂的峰值位置，再根据检测出的峰值位置，将时间-小波能量谱H₁进行能量融合得到新的时间-小波能量谱E₁，将时间-小波能量谱H₂进行能量融合得到新的时间-小波能量谱E₂；其中所述能量融合的步骤是通过将时间-小波能量谱H₁、H₂中较小的一个偏振能量峰处的3dB带宽内的能量直接加到另一个较大的偏振能量峰处，并将该处的能量清零，从而得到新的时间-小波能量谱E₁、E₂来实现的；

步骤3：检测时间-小波能量谱E₁、E₂的峰值位置，得到时间-小波能量谱E₁的峰值位置P₁和时间-小波能量谱E₂的峰值位置P₂，再将得到的两个峰值位置P₁、P₂相减，得到两个峰值位置的差值，即两路光纤光栅反射谱的波长差。

2.根据权利要求1所述的高精度光纤光栅传感解调方法，其中所述步骤1中所述两路光纤光栅反射谱S₁、S₂是通过窄线宽可调谐激光器扫描来获得的。

3.根据权利要求2所述的高精度光纤光栅传感解调方法，其中所述窄线宽可调谐激光器具有小于1kHz的窄线宽和大于4pm的大可调谐范围，所述光纤光栅具有小于2MHz的窄带宽。

4.根据权利要求1所述的高精度光纤光栅传感解调方法，其中所述步骤1中对两路光纤光栅反射谱S₁、S₂进行小波变换是通过选取Morlet函数作为小波基函数来实现的。

5.根据权利要求1所述的高精度光纤光栅传感解调方法，其中所述光纤光栅反射谱S₁、S₂通过光纤光栅法-珀式干涉仪或相移光纤光栅获得。

6.根据权利要求1所述的高精度光纤光栅传感解调方法，其中所述光纤光栅反射谱S₁、S₂，一个作为参考、一个作为传感，且两者对应的光纤传感具有相同的技术指标。

7.根据权利要求5所述的高精度光纤光栅传感解调方法，其中所述的光纤光栅反射谱S₁、S₂对应的两个光纤光栅，处于温度相对恒定、噪声小的环境中。

8.根据权利要求1所述的高精度光纤光栅传感解调方法，其中根据所述步骤3中得到的时间-小波能量谱E₁的峰值位置P₁和时间-小波能量谱E₂的峰值位置P₂的差值，进一步计算得到所述光纤光栅受到外界应变量的大小。