CN104316090B - 一种温度自补偿高分辨率高频光纤光栅解调系统的温度自补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温度自补偿高分辨率高频光纤光栅解调系统及方法，光路传播过程为可调谐窄带激光器发射窄带光，窄带光经过光纤分路器分成两束光，分别从光纤分路器的两个输出端口输出，其中一束光经过第一光纤耦合器的输入端发送至传感光栅，经过传感光栅后返回至第一光纤耦合器的另一输入端，传输给第一光电探测器，转换成电压信号后传递给数据采集及处理装置；另一束光通过第二光纤耦合器输送至温度补偿光栅，经过温度补偿光栅后返回至第二光纤耦合器的另一输入端，传输给第二光电探测器，转换成电压信号后，通过温度自补偿装置进行温度补偿，得到可调谐窄带激光器的输出中心波长改变量，本发明具有温度自补偿、高分辨率的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种温度自补偿高分辨率高频光纤光栅解调系统及方法。
背景技术
随着光纤光栅(FBG)传感器在声发射领域的应用日益广泛，人们对于温度自补偿高分辨率声发射解调技术需求日益迫切。光纤光栅常用的解调技术有F-P滤波法、边沿滤波法、功率解调法等。F-P解调技术成熟，但其成熟的解调设备最大也仅为2000Hz，应用范围较窄，难以满足声发射高分辨率解调的需要(声发射信号频率范围很宽，从几Hz次声频、20Hz～20KHz声频到数MHz的超声频都属于声发射范畴)。边沿滤波法和功率解调法可实现光纤光栅声发射信号的高频解调，相比较而言，基于功率解调法的高频解调系统的灵敏度更高、信噪比更好。功率解调法多采用可调谐窄带激光器作为光源对光纤光栅传感器提供光源，并对其反射光谱进行截取，通过测量其输出光强来实现其反射波长的解调。功率解调法在可以获得高频高灵敏度的同时，其受温度的影响比较严重。光纤光栅传感器对温度较为敏感，温度的变化易导致光栅波长的漂移，进而导致其反射光谱的线性范围区间发生漂移。与此同时，可调窄带激光器的输出波长较为恒定，导致其输出波长偏离FBG反射光谱的线性范围区间，降低解调精度。
综上所述，设计一种可以温度自补偿的基于可调窄带激光器的高分辨率的光纤光栅解调系统尤为重要。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种温度自补偿高分辨率高频光纤光栅解调系统及方法，本系统结合可调谐窄带激光器的光纤光栅波长解调原理和规则的爬山搜索算法，在保证高分辨率的同时，具有温度自补偿功能，且不受外界温度的干扰。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种温度自补偿高分辨率高频光纤光栅解调系统，包括可调谐窄带激光器、光纤分路器、数据采集及处理装置、温度自补偿装置、温度补偿光栅和传感光栅，其中，可调谐窄带激光器发射窄带光，窄带光经过光纤分路器分成两束光，分别从光纤分路器的两个输出端口输出，其中一束光经过第一光纤耦合器的输入端发送至传感光栅，经过传感光栅后返回至第一光纤 耦合器的另一输入端，传输给第一光电探测器，转换成电压信号后传递给数据采集及处理装置；另一束光通过第二光纤耦合器输送至温度补偿光栅，经过温度补偿光栅后返回至第二光纤耦合器的另一输入端，传输给第二光电探测器，转换成电压信号后，通过温度自补偿装置进行温度补偿，得到可调谐窄带激光器的输出中心波长改变量。
所述光纤分路器为1:1光纤分路器，将窄带光分为相同的两束光。
所述第一光纤耦合器和第二光纤耦合器，均为1:1光纤耦合器。
所述可调谐窄带激光器的调谐范围宽为1560～1680nm，输出光功率最大值达10mw，光谱半宽高小于0.1pm，波长波动小于±1pm，输出光功率波动小于±0.01dB。
所述可调谐窄带激光器输出的超窄带光精确地锁定在传感光栅的3dB带宽处，且其带宽小于传感光栅的3dB带宽，保证系统解调的高分辨率。
所述第一光电探测器和第二光电探测器的带宽与增益可调，以抑制信号噪声。
所述传感光栅栅区长度为2mm，可良好感知频率范围在60kHz～200kHz的声发射信号。
所述温度补偿光栅栅区长度为10mm，且温度补偿光栅只受温度影响。
所述温度自补偿装置集成有基于规则的爬山搜索算法模块，用于以可调谐窄带激光器的输出中心波长变化量为输入，光功率变化为输出，实现解调系统温度自补偿。
一种基于上述系统的温度自补偿方法，具体包括以下步骤：
(1)计算相关处理参数，假定初始时刻可调谐窄带激光器的输出光谱与温度补偿光栅的反射光谱重叠部分的光功率为P，外界温度导致温度补偿光栅波长波动后的光功率为P1，则光功率变化量为ΔP1＝P1-P；温度自补偿装置给定的可调谐窄带激光器的输出中心波长变化量为Δλ，与之对应的光功率为P2，调整可调谐窄带激光器的输出中心波长引起的光功率变化量为ΔP2＝P2-P；
(2)基于规则的爬山搜索算法模块对规则数据库初始化，规则数据库存储ΔP1与Δλ的对应关系，如果ΔP1不为零，则记录Δλ的值；
(3)判断ΔP1是否超过光功率波动阈值，如果超过波动阈值，说明外界温度发生变化，转入步骤(4)；如果未超过波动阈值，则说明在高灵敏度解调范围内，不需调整，正常工作；
(4)从规则数据库中搜索Δλ的初始值，查看规则数据库中ΔP1与Δλ的对应关系，选取Δλ的初始值，并将其作为温度自补偿装置的给定值；
(5)判断ΔP2是否超过光功率波动阈值，如果小于光功率波动阈值，则说明可调谐窄带激光器的输出中心波长位于光纤光栅反射光谱的3dB带宽处，温度补偿完毕，同时将此次ΔP1与Δλ的对应关系存入规则数据库；否则转入步骤(6)；
(6)可调谐窄带激光器的输出中心波长仍偏离光纤光栅反射光谱的3DB带宽处，再次给予温度自补偿装置一次返回步骤(5)。
所述步骤(4)中，具体方法为：若规则数据库中存在ΔP1与Δλ的对应关系，则取ΔP1所对应的所有Δλ的平均值作为Δλ初始值；若规则数据库中不存在ΔP1与Δλ的对应关系，则取规则数据库中离ΔP1最近的光功率变化量所对应的所有Δλ的平均值作为Δλ初始值。
本发明的工作原理为：光纤光栅反射光谱中有一段可视为线性变化，可调谐窄带激光器输出中心波长恒定且其3dB带宽远小于光纤光栅的3dB带宽。因此，若将可调谐窄带激光器输出中心波长调谐在光纤光栅反射光谱的线性变化区间内，则当光纤光栅探测到外界信号发生波长的变化时，光电探测器获取的光功率(光纤光栅反射光谱与可调谐窄带激光器输出光谱重叠部分)将发生变化，通过检测光功率的变化就可实现声发射信号的高精度解调。
本发明的有益效果为：
(1)在保证高分辨率的同时，具有温度自补偿功能，使其不受外界温度的干扰；
(2)通过基于规则的爬山搜索算法，以可调谐窄带激光器的输出中心波长变化量为输入，光功率变化为输出，实现解调系统温度自补偿，且自补偿效果精确，计算方法简便；
(3)系统结构简单、投入成本低。
附图说明
图1是温度自补偿高分辨率高频光纤光栅解调系统示意图。
其中，1、可调谐窄带激光器；2、1:1光纤分路器；3、第一1:1光纤耦合器；4、传感光栅；5、第一光电探测器；6、数据采集及处理装置；7、第二1:1光纤耦合器；8、温度补偿光栅；9、第二光电探测器；10、温度自补偿装置。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明提供一种温度自补偿高分辨率高频光纤光栅解调系统，由可调谐窄带激光器(1)、1:1光纤分路器(2)、第一1:1光纤耦合器(3)、第二1:1光纤耦合器(7)、第一光电探测器(5)、第二光电探测器(9)、数据采集及处理设备(6)、温度自补偿装置(10)、温度补偿光栅(8)和传感光栅(4)组成。
可调谐窄带激光器(1)输出的窄带光通过1:1光纤分路器(2)分为相同的2束光。从1:1光纤分路器(2)的B端输出的光经过第一1:1光纤耦合器(3)输送至传感光栅(4)，然后从传感光栅(4)返回的光经第一1:1光纤耦合器(3)的D端输入至第一光电探测器(5)并转换为电压信号，最后经数据采集及处理设备(6)进行处理得到传感信号，实现声发射信号的高分辨率解调。
可调谐窄带激光器(1)调谐范围宽(1560～1680nm)，输出光功率高(最大可达10mw)，光谱半宽高小于0.1pm，稳定性高(长时间运行，波长波动小于±1pm，输出光功率波动小于±0.01dB)。
可调谐窄带激光器(1)输出的超窄带光可精确地锁定在传感光栅(4)的3dB带宽处，且其带宽远小于传感光栅(4)的3dB带宽，保证了系统解调的高分辨率。
系统解调频率高，解调频率最高可达MHz级。
第一光电探测器(5)、第二光电探测器(9)具有可调节的增益和带宽，可有效抑制信号噪声，实现光信号的高精度转换。
数据采集及处理设备(6)采样频率高(MHz级)。
传感光栅栅区长度为2mm，可良好感知频率范围在60kHz～200kHz的声发射信号。
温度补偿光栅栅区长度为10mm，且温度补偿光栅只受温度影响。
1:1光纤分路器(2)将可调谐窄带激光器(1)输出的窄带光分为相同的2束光。从1:1光纤分路器(2)的B端输出的光经过第一1:1光纤耦合器(3)输送至传感光栅(4)，然后从传感光栅(4)返回的光经第一1:1光纤耦合器(3)的D端输入至第一光电探测器(5)并转换为电压信号，最后经数据采集及处理设备(6)进行处理得到传感信号，实现声发射信号的高分辨率解调。
从1:1光纤分路器(2)的C端输出的光经过第二1:1光纤耦合器(7)输送至温度补偿光栅(8)，然后从温度补偿光栅(8)返回的光经第二1:1光纤耦合器(7)的F端输入至第二光电探测器(9)并转换为电压信号，进入温度自补偿装置(10)进行温度补偿，得出可调谐 窄带激光器(1)的输出中心波长改变量，实现光纤光栅解调系统的温度自补偿。本发明中的温度自补偿方法采用基于规则的爬山搜索算法实现，具体实现如下：
假定初始时刻可调谐窄带激光器的输出光谱与温度补偿光栅的反射光谱重叠部分的光功率为P，外界温度导致温度补偿光栅波长波动后的光功率为P1，则光功率变化量为ΔP1＝P1-P；温度自补偿装置给定的可调谐窄带激光器的输出中心波长变化量为Δλ,与之对应的光功率为P2，调整可调谐窄带激光器的输出中心波长引起的光功率变化量为ΔP2＝P2-P。
(1)初始化规则数据库，其中存放着ΔP1与Δλ的对应关系，存放方式采用下述方式：ifΔP1thenΔλ；
(2)判断|ΔP1|＞ε？,ε为光功率波动阈值；
(3)若|ΔP1|＞ε，说明外界温度发生变化，从规则数据库中搜索Δλ初始值，若规则数据库中存在ΔP1与Δλ的对应关系，则取ΔP1所对应的所有Δλ的平均值作为Δλ初始值；若规则数据库中不存在ΔP1与Δλ的对应关系，则取规则数据库中离ΔP1最近的光功率变化量所对应的所有Δλ的平均值作为Δλ初始值；
(4)温度自补偿装置给定Δλ，判断|ΔP2|＜ε？。
(5)若|ΔP2|＜ε，说明可调谐窄带激光器的输出中心波长又位于光纤光栅反射光谱的3dB带宽处，温度补偿完毕，同时将此次ΔP1与Δλ的对应关系存入规则数据库。
(6)若|ΔP2|＞ε，说明可调谐窄带激光器的输出中心波长仍偏离光纤光栅反射光谱的3dB带宽处，此时，再次给予一次然后返回步骤4进行处理。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (9)
1.一种温度自补偿高分辨率高频光纤光栅解调系统的温度自补偿方法，所述温度自补偿高分辨率高频光纤光栅解调系统，包括可调谐窄带激光器、光纤分路器、数据采集及处理装置、温度自补偿装置、温度补偿光栅和传感光栅，其中，可调谐窄带激光器发射窄带光，窄带光经过光纤分路器分成两束光，分别从光纤分路器的两个输出端口输出，其中一束光经过第一光纤耦合器的输入端发送至传感光栅，经过传感光栅后返回至第一光纤耦合器的另一输入端，传输给第一光电探测器，转换成电压信号后传递给数据采集及处理装置；另一束光通过第二光纤耦合器输送至温度补偿光栅，经过温度补偿光栅后返回至第二光纤耦合器的另一输入端，传输给第二光电探测器，转换成电压信号后，通过温度自补偿装置进行温度补偿，得到可调谐窄带激光器的输出中心波长改变量；其特征是：具体包括以下步骤：
(1)计算相关处理参数，假定初始时刻可调谐窄带激光器的输出光谱与温度补偿光栅的反射光谱重叠部分的光功率为P，外界温度导致温度补偿光栅波长波动后的光功率为P1，则光功率变化量为ΔP1＝P1-P；温度自补偿装置给定的可调谐窄带激光器的输出中心波长变化量为Δλ，与之对应的光功率为P2，调整可调谐窄带激光器的输出中心波长引起的光功率变化量为ΔP2＝P2-P；
(2)基于规则的爬山搜索算法模块对规则数据库初始化，规则数据库存储ΔP1与Δλ的对应关系，如果ΔP1不为零，则记录Δλ的值；
(3)判断ΔP1是否超过光功率波动阈值，如果超过波动阈值，说明外界温度发生变化，转入步骤(4)；如果未超过波动阈值，则说明在高灵敏度解调范围内，不需调整，正常工作；
(4)从规则数据库中搜索Δλ的初始值，查看规则数据库中ΔP1与Δλ的对应关系，选取Δλ的初始值，并将其作为温度自补偿装置的给定值；
(5)判断ΔP2是否超过光功率波动阈值，如果小于光功率波动阈值，则说明可调谐窄带激光器的输出中心波长位于温度补偿光栅的光纤光栅反射光谱的3dB带宽处，温度补偿完毕，同时将此次ΔP1与Δλ的对应关系存入规则数据库；否则转入步骤(6)；
(6)可调谐窄带激光器的输出中心波长仍偏离温度补偿光栅的光纤光栅反射光谱的3dB带宽处，再次给予温度自补偿装置一次返回步骤(5)。
2.如权利要求1所述的温度自补偿方法，其特征是：所述步骤(4)中，具体方法为：若规则数据库中存在ΔP1与Δλ的对应关系，则取ΔP1所对应的所有Δλ的平均值作为Δλ初始值；若规则数据库中不存在ΔP1与Δλ的对应关系，则取规则数据库中离ΔP1最近的光功率变化量所对应的所有Δλ的平均值作为Δλ初始值。
3.如权利要求1所述的温度自补偿方法，其特征是：所述光纤分路器为1:1光纤分路器，将窄带光分为相同的两束光。
4.如权利要求1所述的温度自补偿方法，其特征是：所述第一光纤耦合器和第二光纤耦合器，均为1:1光纤耦合器。
5.如权利要求1所述的温度自补偿方法，其特征是：所述可调谐窄带激光器的调谐范围宽为1560～1680nm，输出光功率最大值达10mw，光谱半宽高小于0.1pm，波长波动小于±1pm，输出光功率波动小于±0.01dB。
6.如权利要求5所述的温度自补偿方法，其特征是：所述可调谐窄带激光器输出的超窄带光精确地锁定在传感光栅的3dB带宽处，且其带宽小于传感光栅的3dB带宽，保证系统解调的高分辨率。
7.如权利要求1所述的温度自补偿方法，其特征是：所述第一光电探测器和第二光电探测器的带宽与增益可调，以抑制信号噪声。
8.如权利要求1所述的温度自补偿方法，其特征是：所述传感光栅栅区长度为2mm，良好感知频率范围在60kHz～200kHz的声发射信号；所述温度补偿光栅栅区长度为10mm，且温度补偿光栅只受温度影响。
9.如权利要求1所述的温度自补偿方法，其特征是：所述温度自补偿装置集成有基于规则的爬山搜索算法模块，用于以可调谐窄带激光器的输出中心波长变化量为输入，光功率变化为输出，实现解调系统温度自补偿。
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