CN105066899B - 一种互参考的光纤激光静态应变传感解调系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种互参考的光纤激光静态应变传感解调系统，该系统包括980nm泵浦源光源、980nm耦合器、第一波分复用器、第二波分复用器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、传感用光纤激光器、参考用光纤激光器、第一1550nm隔离器、第二1550nm隔离器、第一合束器、第二合束器、第三合束器、信号发生器、窄线宽可调谐激光器、第三1550nm隔离器、第三偏振控制器、1550nm耦合器、第一探测器、第二探测器、第三探测器、采集卡、解调算法单元和控制处理器。本发明解决了现有无源光纤光栅高精度静态应变解调技术中可调谐激光器扫描非线性对解调精度的限制问题，以及参考光栅与传感光栅之间温度灵敏度不一致对解调结果的影响问题，实现了高精度的静态应变测量。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种互参考的光纤激光静态应变传感解调系统。
背景技术
目前，光纤传感器、尤其是光纤光栅传感器，在地壳形变观测中的应用成为了这个领域的研究热点。光纤光栅(FBG)传感器作为光纤传感器家族中的一种主流传感元件，已经在智能材料与结构的应变测量中获得广泛的应用。但是，市场上广泛使用的FBG应变解调仪的应变测量精度一般为1με，如果要将其应用于地形变观测中，其应变观测精度远远到不到要求。虽然，目前有很多技术可以提高FBG的高频段应变测量精度(如光频梳技术、激光反馈锁频技术、光纤环技术等)，能够实现分辨率小于pε/√Hz(100Hz–100kHz)的应变测量(J.H.Chow,et al.,“Demonstration of a passive subpicostrain fiber strainsensor,”Optics letters,2005)。而实现高精度的静态/超低频应变(地壳形变是一种非常低频、周期为12小时的应变/应力信号)测量却十分困难。
2011年以来，人们提出了多个基于可调谐激光器和参考光栅提高FBG/或者FBG-FP(基于FBG的干涉仪)的静态应变测量精度的方法，比如日本东京大学的Qinwen Liu等人实现了5.8nε/√Hz的超低频准静态应变测量，并将该项技术引入了地壳形变观测中(Q.Liu,et al.,“Ultra-high-resolution large-dynamic-range optical fiber static strainsensor using Pound–Drever–Hall technique,”Optics letters,2011)。2014年中国科学院半导体研究所的黄稳柱等人提出了使用π相移光栅和小波降噪算法来进一步提高FBG的静态应变测量精度(Wenzhu Huang,et al.,“π-phase-shifted FBG for high-resolutionstatic-strain measurement based on wavelet threshold denoising algorithm”,et.al.,Journal of Lightwave Technology，2014)。同年，黄稳柱等人也申请了基于光纤光栅的高精度静态应变解调技术的相关专利(比如，黄稳柱等，一种高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，201410181113.6，国家发明专利)。
但是，以上的所有方案中，其测量精度都主要受限于可调谐激光器的波长快速扫描非线性。就算世界上最好的一款窄线宽激光器之一(丹麦NKT公司的窄线宽快速可调谐激光器)，其PZT波长快速扫描过程也同样具有较为严重的波长扫描非线性，这直接影响了最终的波长/应变解调分辨率或精度。目前还没有见到在高精度光纤光栅静态应变测量中解决可调谐激光器的扫描非线性问题的报道。同时，对于静态应变测量，参考光纤光栅的温度灵敏度和传感器光纤光栅的温度灵敏度需要保持一致，才能正确的实现温度补偿，但实际上由于光纤掺杂成份比例、光栅制作工艺等并不能保证完全相同，如何补偿掉/消除这微小的差异对解调精度影响也没有见到相关报道。
鉴于此，本发明提出一种基于互参考的光纤激光静态应变传感解调系统，使用一个窄线宽可调谐激光器和两个有源光纤光栅(光纤激光器)，通过拍频原理、设计互补偿光路以及互补偿算法，实现高精度的静态应变测量。重点解决现有无源光纤光栅高精度静态应变解调技术中可调谐激光器扫描非线性对解调精度的限制问题，以及参考光栅与传感光栅之间温度灵敏度不一致对解调结果的影响问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种互参考的光纤激光静态应变传感解调系统，以提高光纤光栅静态应变解调精度，解决无源光纤光栅高精度静态应变解调技术中可调谐激光器扫描非线性对解调精度的限制问题，以及解决参考光栅与传感光栅之间温度灵敏度不一致对解调结果的影响问题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种互参考的光纤激光静态应变传感解调系统，该系统包括980nm泵浦源光源1、980nm耦合器2、第一波分复用器31、第二波分复用器32、第一偏振控制器41、第二偏振控制器42、传感用光纤激光器13、参考用光纤激光器14、第一1550nm隔离器51、第二1550nm隔离器52、第一合束器61、第二合束器62、第三合束器63、信号发生器11、窄线宽可调谐激光器12、第三1550nm隔离器53、第三偏振控制器43、1550nm耦合器15、第一探测器71、第二探测器72、第三探测器73、采集卡8、解调算法单元9和控制处理器10，其中：
980nm泵浦光源1发出的光通过980nm耦合器2被一分为二，其中一束光依次通过第一波分复用器31、第一偏振控制器41使传感用光纤激光器13激射出一1550nm激光，该1550nm激光返回进入第一1550nm隔离器51，再进入第一合束器61，并从第一合束器61分别进入第三合束器63和第二探测器72；另一束光依次通过第二波分复用器32、第二偏振控制器42使参考用光纤激光器14激射出一1550nm激光，该1550nm激光返回进入第二1550nm隔离器52，再进入第二合束器62，并从第二合束器62分别进入第三合束器63和第三探测器73；
与此同时，控制处理器10控制信号发生器11发生信号，用以调谐窄线宽可调谐激光器12；窄线宽可调谐激光器12输出的1550nm激光依次经过第三1550nm隔离器53、第三偏振控制器43、1550nm耦合器15被一分为二，然后分别进入第一合束器61和第二合束器62，并分别从第一合束器61和第二合束器62进入第三合束器63，然后再从第三合束器63进入第一探测器71；
第一探测器71、第二探测器72、第三探测器73分别使第一合束器61、第二合束器62、第三合束器63进行拍频，采集卡8采集三组拍频信号，再通过解调算法单元9实现传感用光纤激光器13的应变解调、温度补偿、波长调谐非线性补偿。
上述方案中，所述窄线宽可调谐激光器12的输出激光，与传感用光纤激光器13、参考用光纤激光器14的反射激光具有相近的线宽。
上述方案中，所述传感用光纤激光器13和所述参考用光纤激光器14是分布反馈式有源光纤光栅或分布反射式有源光纤光栅。
上述方案中，在所述第一合束器61中汇合了传感用光纤激光器13和窄线宽可调谐激光器12的两束激光；在所述第二合束器62汇合了参考用光纤激光器14和窄线宽可调谐激光器12的两束激光；在所述第三合束器63同时汇合了传感用光纤激光器13、参考用光纤激光器14、窄线宽可调谐激光器12的三束激光。
上述方案中，所述采集卡8采集的三组拍频信号，其频谱信息反映了窄线宽可调谐激光器12与传感用光纤激光器13的光学波长差信息、窄线宽可调谐激光器12与参考用光纤激光器14的光学波长差信息、以及传感用光纤激光器13与参考用光纤激光器14的光学波长差信息。
上述方案中，所述窄线宽可调谐激光器12的中心波长通过控制处理器10和信号发生器11，实现按照特定的规律变化，进而通过解调算法单元9计算三组拍频信号之间的两两互相关，消去窄线宽可调谐激光器12波长调谐非线性、以及传感用光纤激光器13和参考用光纤激光器14的温度灵敏度不一致的影响。所述按照特定的规律变化是按照三角波或锯齿波规律变化。
上述方案中，所述第一探测器71、第二探测器72、第三探测器73和采集卡8的带宽，大于窄线宽可调谐激光器12与传感用光纤激光器13、参考用光纤激光器14的波长差或频率差，同时也大于传感用光纤激光器13与参考用光纤激光器14的波长差或频率差。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的互参考的光纤激光静态应变传感解调系统，通过拍频原理、设计互补偿光路以及互补偿算法，可以解决无源光纤光栅高精度静态应变解调技术中可调谐激光器扫描非线性对解调精度的限制问题，故可以进一步提高解调精度。
2、本发明提供的互参考的光纤激光静态应变传感解调系统，通过拍频原理、设计互补偿光路以及互补偿算法，可以解决参考光栅与传感光栅之间温度灵敏度不一致对解调结果的影响问题，可以进一步提高解调精度。
附图说明
图1为本发明提供的互参考的光纤激光静态应变传感解调系统的光路示意图；
图2为本发明提供的互参考的光纤激光静态应变传感解调系统实测中三路拍频信号频谱图；
图3为本发明提供的互参考的光纤激光静态应变传感解调系统实测中，可调谐激光光源在三角波驱动下，三路拍频信号频率随时间的变化情况；
图4为本发明提供的互参考的光纤激光静态应变传感解调系统的频率/应变解调测试结果。
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，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，该互参考的光纤激光静态应变传感解调系统包括：980nm泵浦源光源1、980nm耦合器2、第一波分复用器31、第二波分复用器32、第一偏振控制器41、第二偏振控制器42、传感用光纤激光器13、参考用光纤激光器14、第一1550nm隔离器51、第二1550nm隔离器52、第一合束器61、第二合束器62、第三合束器63、信号发生器11、窄线宽可调谐激光器12、第三1550nm隔离器53、第三偏振控制器43、1550nm耦合器15、第一探测器71、第二探测器72、第三探测器73、采集卡8、解调算法单元9和控制处理器10，其中：
980nm泵浦光源1发出的光通过一个980nm耦合器2被一分为二，其中一束光依次通过第一波分复用器31、第一偏振控制器41使传感用光纤激光器13激射出一1550nm激光，该1550nm激光返回进入第一1550nm隔离器51，再进入第一合束器61，并从第一合束器61分别进入第三合束器63和第二探测器72；另一束光依次通过第二波分复用器32、第二偏振控制器42使参考用光纤激光器14激射出一1550nm激光，该1550nm激光返回进入第二1550nm隔离器52，再进入第二合束器62，并从第二合束器62分别进入第三合束器63和第三探测器73。
与此同时，控制处理器10控制信号发生器11发生信号，用以调谐窄线宽可调谐激光器12；窄线宽可调谐激光器12输出的1550nm激光依次经过第三1550nm隔离器53、第三偏振控制器43、1550nm耦合器15被一分为二，然后分别进入第一合束器61和第二合束器62，并分别从第一合束器61和第二合束器62进入第三合束器63，然后再从第三合束器63进入第一探测器71。
在第一合束器61中汇合了传感用光纤激光器13和窄线宽可调谐激光器12的两束激光，在第二合束器62汇合了参考用光纤激光器14和窄线宽可调谐激光器12的两束激光，在第三合束器63同时汇合了传感用光纤激光器13、参考用光纤激光器14、窄线宽可调谐激光器12的三束激光。
通过第一探测器71、第二探测器72、第三探测器73分别使第一合束器61、第二合束器62、第三合束器63进行拍频，通过采集卡8采集三组拍频信号，再通过解调算法单元9实现传感用光纤激光器13的应变解调、温度补偿、波长调谐非线性补偿。
窄线宽可调谐激光器12的输出激光，与传感用光纤激光器13、参考用光纤激光器14的反射激光具有相近的线宽；传感用光纤激光器13、参考用光纤激光器14均是一种有源光纤光栅，可以为分布反馈式(DFB)有源光纤光栅，也可以是分布反射式(DBR)有源光纤光栅。
窄线宽可调谐激光器12、传感用光纤激光器13、参考用光纤激光器14通过三个合束器(第一合束器61、第二合束器62、第三合束器61)，分别进入到三个探测器(第一探测器71、第二探测器72、第三探测器73)进行拍频，并转换成三组拍频电压信号，通过采集卡8实现三组拍频电压信号的数据采集；拍频电压信号的频谱信息反映了窄线宽可调谐激光器12与传感用光纤激光器13的光学波长差信息、窄线宽可调谐激光器12与参考用光纤激光器14的光学波长差信息、以及传感用光纤激光器13与参考用光纤激光器14的光学波长差信息。
在本实施案例中，窄线宽可调谐激光器12的中心波长可以通过控制处理器10和信号发生器11，实现按照特定的规律变化，如按照三角波、锯齿波等规律变化，进而可以通过解调算法单元9计算三组拍频信号之间的两两互相关，可以消去窄线宽可调谐激光器12波长调谐非线性、以及两支光纤激光器13和14的温度灵敏度不一致的影响。
在本发明中，第一探测器71、第二探测器72、第三探测器73和采集卡8的带宽要足够大，要大于窄线宽可调谐激光器12与传感用光纤激光器13、参考用光纤激光器14的波长差(频率差)，同时也要大于传感用光纤激光器13与参考用光纤激光器14的波长差(频率差)。
请参照图1，本发明提供的互参考的光纤激光静态应变传感解调系统的工作原理为：980nm泵浦光源1通过一个980nm的耦合器2，以及两个波分复用器(第一波分复用器31、第二波分复用器32)，使得两个光纤激光器(一个传感用光纤激光器13、一个参考用光纤激光器14)分别激射一束窄线宽的激光，并且这两束激光分别经过第一偏振控制器41、第二偏振控制器42和第一1550nm隔离器51、第二1550nm隔离器52反射进入到三个合束器(第一合束器61、第二合束器62、第三合束器61)中。同时，一个窄线宽可调谐激光器12产生一束可调谐(波长可调)的窄线宽激光，通过第三1550nm隔离器53和一个1550nm耦合器15将这束激光一分为二，并分别进入到三个合束器(第一合束器61、第二合束器62、第三合束器61)中。这样窄线宽可调谐激光器12的一束激光将与传感用光纤激光器13激射的的激光通过第一合束器61一起进入到第二探测器72中，并在第二探测器72中进行拍频(即这两束激光通过拍频作用在探测器中形成能够反映这两束激光波长/频率差的电流/电压信号)，所以只需要通过数据采集卡8采集第二探测器72的电压变化情况，并进行傅立叶变换(频谱分析)就可以知道窄线宽激光器12与传感用光纤激光器13的拍频波长差/频率差(波长和频率是一一对应的关系，1550nm波段1pm的波长对应125MHz的频率)；而外界应变、温度的作用会使得传感用光纤激光器13的波长/频率发生变化，因此这个拍频频率差(记为fab)信号包含了传感光纤激光器13的应变、温度信号。同理，对于参考用光纤激光器14，本发明也可以通过其与窄线宽激光器12的拍频频率差(记为fac)来获得其感受的温度信号(参考光纤激光器不受到应变作用)。最后，通过解调算法单元9来对比fab与fac(如做差)，就可以实现传感光纤激光器12的温度补偿，同时也可以补偿掉窄线宽激光器12自身的频率漂移，进而实现传感光纤激光器13的应变解调。
正常情况下，通过上述原理就可以实现最终的应变解调，但在本发明方案中特别设计了一种互补偿的光路结构和算法，也就是通过增加一路拍频信号(传感用光纤激光器13与参考用光纤激光器14的拍频)，并且设计相应的算法9，可以进一步提高系统的解调精度。
下面，重点阐述如何利用互补偿结构、也就是如何利用传感用光纤激光器13与参考用光纤激光器14的拍频波长差/频率差(即为fbc)消除可调谐激光器扫描非线性对解调精度的限制问题，以及参考光栅与传感光栅之间温度灵敏度不一致对解调结果的影响问题。
理想激光器的光电场复振幅可表示为：
其中，E、f、分别为振幅、频率、相位。实际拍频过程中，不同束激光器来自独立的激光器，他们的频率差应当较小，相位不同。在本发明中，根据激光理论，窄线宽激光器12、传感用光纤激光器13、参考用光纤激光器14的电场强度Ea(t)、Eb(t)、Ec(t)可以分别表示如下：
根据拍频基本原理，本发明可以直接得到三束激光的拍频信号分别如下所示：
式中，fab(t)、fac(t)、fbc(t)分别为窄线宽激光器12与传感用光纤激光器13的拍频、窄线宽激光器12与参考用光纤激光器14的拍频、以及这两个拍频信号的二次拍频(也就是传感用光纤激光器13与参考用光纤激光器14的拍频)。
这里，假如窄线宽激光器的频率fa(t)是一个三角波周期函数、传感用光纤激光器和参考用光纤激光器的频率fb(t)、fc(t)为一个缓慢变化的频率，可以在一个周期内(三角波调谐周期)将其看作是定值。因此，fab(t)、fac(t)也为三角波函数，而fbc(t)为常数。但是根据实际情况，窄线宽激光器的频率受到非线性的影响，传感用光纤激光器和参考用光纤激光器的温度灵敏度不能完全一直，所以实际的三组拍频信号可以细化到下面的表达公式：
fab(t)＝T1(t)+s(t)+z1(t) (4)
fac(t)＝T2(t)+s(t)+z2(t) (5)
fbc(t)＝DC+z1(t)-z2(t) (6)
式中，T1(t)、T2(t)分别为窄线宽激光器12理想三角波扫描过程与传感光纤激光器13、参考光纤激光器14的拍频频率值的变化函数，s(t)为窄线宽激光器12扫描过程中非线性造成的波长随机偏移函数，z1(t)、z2(t)分别为传感光纤激光器13与参考光纤激光器14由温度波动造成的波长漂移。
将式(5)与式(6)相加得到：
facbc(t)＝DC+T2(t)+s(t)+z1(t) (7)
分别求取式(4)与式(5)、式(7)与式(5)的互相关得到：
将式(8)与式(9)相减得到：
再将式(10)取y轴对称函数：
由于所以，将式(10)与式(11)相减得到：
从式(12)可以看出，本发明可以通过式(12)的峰值位置求得两路三角波信号的延时，并且完全消除了窄线宽激光器12波长扫描非线性、传感光纤激光器13和参考光纤激光器14温度灵敏度不一致的影响。
请参照图2，在本发明中，为了进一步验证一种互参考光纤激光静态应变解调方法的可行性，本发明对窄线宽激光器12与传感用光纤激光器13的拍频信号(fab)、窄线宽激光器12与参考用光纤激光器14的拍频信号(fac)、以及传感用光纤激光器13参考用光纤激光器14的拍频信号(fbc)，分别进行数据采集和傅立叶变换(频谱分析)，可以看出该解调系统可以获得三组信噪比非常高的射频信号。
请参照图3，为了进一步阐述本发明提供的互参考的光纤激光静态应变传感解调系统的解调原理，本发明通过控制器10和信号发生器11，产生一个三角波信号来驱动窄线宽激光器12的波长调谐特性，本发明可以获得三组拍频信号的变化规律，进而本发明可以根据公式计算得到传感光纤激光器13的应变信号。
请参照图4，为了进一步验证一种互参考光纤激光静态应变解调方法的解调能力，本发明对图3的三组拍频频谱的基础上，通过解调算法单元9实现最终的传感用光纤激光器的应变解调，最终的解调精度优于(0.1MHz，约等于0.0008pm)，根据光纤激光器波长与应变的关系(1pm对应于1.2με)，可以得到最终的应变解调精度到达了0.667nε。并且，可以看出，该种互参考的解调算法单元与未使用互补偿算法相比，明显可以获得更优的解调结果。
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，所应理解的是，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)
1.一种互参考的光纤激光静态应变传感解调系统，其特征在于，该系统包括980nm泵浦源光源(1)、980nm耦合器(2)、第一波分复用器(31)、第二波分复用器(32)、第一偏振控制器(41)、第二偏振控制器(42)、传感用光纤激光器(13)、参考用光纤激光器(14)、第一1550nm隔离器(51)、第二1550nm隔离器(52)、第一合束器(61)、第二合束器(62)、第三合束器(63)、信号发生器(11)、窄线宽可调谐激光器(12)、第三1550nm隔离器(53)、第三偏振控制器(43)、1550nm耦合器(15)、第一探测器(71)、第二探测器(72)、第三探测器(73)、采集卡(8)、解调算法单元(9)和控制处理器(10)，其中：
980nm泵浦光源(1)发出的光通过980nm耦合器(2)被一分为二，其中一束光依次通过第一波分复用器(31)、第一偏振控制器(41)使传感用光纤激光器(13)激射出一1550nm激光，该1550nm激光返回进入第一1550nm隔离器(51)，再进入第一合束器(61)，并从第一合束器(61)分别进入第三合束器(63)和第二探测器(72)；另一束光依次通过第二波分复用器(32)、第二偏振控制器(42)使参考用光纤激光器(14)激射出一1550nm激光，该1550nm激光返回进入第二1550nm隔离器(52)，再进入第二合束器(62)，并从第二合束器(62)分别进入第三合束器(63)和第三探测器(73)；
与此同时，控制处理器(10)控制信号发生器(11)发生信号，用以调谐窄线宽可调谐激光器(12)；窄线宽可调谐激光器(12)输出的1550nm激光依次经过第三1550nm隔离器(53)、第三偏振控制器(43)、1550nm耦合器(15)被一分为二，然后分别进入第一合束器(61)和第二合束器(62)，并分别从第一合束器(61)和第二合束器(62)进入第三合束器(63)，然后再从第三合束器(63)进入第一探测器(71)；
第一探测器(71)、第二探测器(72)、第三探测器(73)分别使第一合束器(61)、第二合束器(62)、第三合束器(63)进行拍频，采集卡(8)采集三组拍频信号，再通过解调算法单元(9)实现传感用光纤激光器(13)的应变解调、温度补偿、波长调谐非线性补偿。
2.根据权利要求1所述的互参考的光纤激光静态应变传感解调系统，其特征在于，所述窄线宽可调谐激光器(12)的输出激光，与传感用光纤激光器(13)、参考用光纤激光器(14)的反射激光具有相近的线宽。
3.根据权利要求1所述的互参考的光纤激光静态应变传感解调系统，其特征在于，所述传感用光纤激光器(13)和所述参考用光纤激光器(14)是分布反馈式有源光纤光栅或分布反射式有源光纤光栅。
4.根据权利要求1所述的互参考的光纤激光静态应变传感解调系统，其特征在于，在所述第一合束器(61)中汇合了传感用光纤激光器(13)和窄线宽可调谐激光器(12)的两束激光；在所述第二合束器(62)汇合了参考用光纤激光器(14)和窄线宽可调谐激光器(12)的两束激光；在所述第三合束器(63)同时汇合了传感用光纤激光器(13)、参考用光纤激光器(14)、窄线宽可调谐激光器(12)的三束激光。
5.根据权利要求1所述的互参考的光纤激光静态应变传感解调系统，其特征在于，所述采集卡(8)采集的三组拍频信号，其频谱信息反映了窄线宽可调谐激光器(12)与传感用光纤激光器(13)的光学波长差信息、窄线宽可调谐激光器(12)与参考用光纤激光器(14)的光学波长差信息、以及传感用光纤激光器(13)与参考用光纤激光器(14)的光学波长差信息。
6.根据权利要求1所述的互参考的光纤激光静态应变传感解调系统，其特征在于，所述窄线宽可调谐激光器(12)的中心波长通过控制处理器(10)和信号发生器(11)，实现按照特定的规律变化，进而通过解调算法单元(9)计算三组拍频信号之间的两两互相关，消去窄线宽可调谐激光器(12)波长调谐非线性、以及传感用光纤激光器(13)和参考用光纤激光器(14)的温度灵敏度不一致的影响。
7.根据权利要求6所述的互参考的光纤激光静态应变传感解调系统，其特征在于，所述按照特定的规律变化是按照三角波或锯齿波规律变化。
8.根据权利要求1所述的互参考的光纤激光静态应变传感解调系统，其特征在于，所述第一探测器(71)、第二探测器(72)、第三探测器(73)和采集卡(8)的带宽，大于窄线宽可调谐激光器(12)与传感用光纤激光器(13)、参考用光纤激光器(14)的波长差或频率差，同时也大于传感用光纤激光器(13)与参考用光纤激光器(14)的波长差或频率差。
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