CN105091776A - 基于单边带扫频调制的光纤激光静态应变拍频解调系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单边带扫频调制的光纤激光静态应变拍频解调系统，包括泵浦源、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、第一隔离器、第二隔离器、第一合束器、第二合束器、第一宽频带光电探测器、第二宽频带光电探测器、控制处理器、窄线宽激光光源、第三隔离器、第三偏振控制器、第三合束器、抑制载波单边带调制器、第四合束器、扫频信号发生器、相位调制器、射频信号发生器、稳频源和光电探测器。本发明实现了光纤激光器的高精度静态应变测量，解决了现有光纤激光器解调技术不能实现高精度静态应变测量、可调谐激光扫频非线性对解调精度的影响等问题。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于单边带扫频调制的光纤激光静态应变拍频解调系统。
背景技术
伴随着光电子技术的不断发展，上个世纪90年代末以来，出现了以分布反馈光纤激光器(DFB-FL)和分布反射光纤激光器(DBR-FL)作为传感元件的新一代传感器，它是光纤传感领域近年来的一个研究热点。除了具有普通FBG传感器结构简单、抗电磁干扰、尺寸小和易于通过波分复用组建传感网络等优点之外，还具有单频、窄线宽、高功率、超低噪声等独特优势。结合高分辨率波长解调技术，它能够实现超高灵敏度的信号探测，在微弱信号探测方面有着不可比拟的优势。
有源光纤光栅器件(例如分布反馈光纤激光器、分布反射光纤激光器)，具有极窄的线宽(kHz量级)，比传统的无源光栅器件(例如光纤光栅、光纤光栅法珀干涉仪、相移光栅)要窄3个量级以上，越窄的线宽意味着更高精度的波长/应变测试。
虽然早就有研究把分布反馈光纤激光器、分布反射光纤激光器用于高精度的应变测量，比如干涉式相位解调技术(F.Li，etal.，“Fiberlasersensingtechnologyanditsapplications，”InfraredandLaserEngineering，2009)、偏振激光拍频解调技术(B.O.Guan，etal.，“Dualpolarizationfibergratinglaserhydrophone，”OpticsExpress，2009)、3×3耦合器解调技术等(Y.Liu，etal.，“Fiberlasersensingsystemanditsapplications”，PhotonicSensors，2011)。但这些技术都只能实现动态应变解调，低频段很难降到1Hz以下，还没有见到将有源光纤光栅用于超高精度的静态/超低频应变测量的报道。
鉴于此，本发明提出一种基于单边带扫频调制的光纤激光静态应变拍频解调系统，首先采用PDH稳频技术将窄线宽激光光源锁定在一个稳频源上，然后通过一个抑制载波单边带调制器实现窄线宽激光的调谐，并且把这个可调谐的激光与两个光纤激光器同时进行拍频(两个光纤激光器，其中一个为传感用光纤激光器、一个为温度补偿用光纤激光器)；并且通过数据采集和处理系统测量这两组拍频信号频率变化值的延时、或者拍频频率差来实现传感用光纤激光器的应变解调。这项技术可以实现光纤激光器的高精度静态应变解调，重点解决现有光纤激光器解调技术不能实现高精度静态应变测量、可调谐激光扫频非线性对解调精度的影响等问题，同时可以解决窄线宽激光光源波长或频率漂移对解调精度的影响问题。
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基于单边带扫频调制的光纤激光静态应变拍频解调系统，以实现光纤激光器的高精度静态应变测量，解决现有光纤激光器解调技术不能实现高精度静态应变测量、可调谐激光扫频非线性对解调精度的影响等问题，同时解决窄线宽激光光源波长或频率漂移对解调精度的影响问题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种基于单边带扫频调制的光纤激光静态应变拍频解调系统，该系统包括泵浦源1、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5、参考用光纤激光器6、第一隔离器71、第二隔离器72、第一合束器81、第二合束器82、第一宽频带光电探测器91、第二宽频带光电探测器92、控制处理器17、窄线宽激光光源15、第三隔离器73、第三偏振控制器43、第三合束器83、抑制载波单边带调制器10、第四合束器84、扫频信号发生器11、相位调制器13、射频信号发生器12、稳频源14和光电探测器16，其中：泵浦源1发出的光通过耦合器2被一分为二，其中一束光依次通过第一波分复用器31和第一偏振控制器41进入传感用光纤激光器5，使得传感用光纤激光器5激射出一束1550nm窄线宽激光，该窄线宽激光反射进入第一隔离器71，再进入第一合束器81中；另一束光依次通过第二波分复用器32和第二偏振控制器42进入参考用光纤激光器6，使得参考用光纤激光器6激射出一束1550nm窄线宽激光，该窄线宽激光反射进入第二隔离器72，再进入第二合束器82中；同时，窄线宽激光光源15发出的光，依次通过第三隔离器73和第三偏振控制器43进入第三合束器83被一分为二，其中一束光依次通过相位调制器13、稳频源14、光电探测器16进入用于信号采集处理的控制处理器17实现窄线宽激光光源的频率锁定；另一束光通过一个抑制载波单边带调制器10进入第四合束器84再次被一分为二，分别进入第一合束器81和第二合束器82中，进入第一合束器81的光与传感用光纤激光器5激射出的窄线宽激光汇合，进入到第一宽频带光电探测器91中进行拍频，进入第二合束器82的光与参考用光纤激光器6激射出的窄线宽激光汇合，进入到第二宽频带光电探测器92中进行拍频。
上述方案中，所述传感用光纤激光器5是一种有源光纤光栅，用于感受外界应变作用，传感用光纤激光器5反射激光波长的变化量直接反映了应变信号的大小。
上述方案中，所述参考用光纤激光器6是一种有源光纤光栅，用于实现传感用光纤激光器5的温度补偿。
上述方案中，所述窄线宽激光光源15，用于产生窄线宽激光，并通过第三合束器83将窄线宽激光一分为二，其中一束激光用于窄线宽激光光源15频率锁定，另一束激光与传感用光纤激光器5、参考用光纤激光器6分别进行拍频，用于实际的应变传感解调。所述窄线宽激光光源15通过PDH锁频技术将其中心波长锁定在稳频源14的色散光谱上，实现窄线宽激光光源14的频率稳定。
上述方案中，所述窄线宽激光光源15的输出激光，与传感用光纤激光器5、参考用光纤激光器6的反射激光具有相近的线宽，并且窄线宽激光光源15输出激光的中心波长与传感用光纤激光器5、参考用光纤激光器6反射激光的中心波长也相近。所述传感用光纤激光器、参考用光纤激光器是分布反馈式(DFB)有源光纤光栅或分布反射式(DBR)有源光纤光栅；所述窄线宽激光光源为商用的半导体激光器或者商用的光纤激光器。
上述方案中，所述抑制载波单边带调制器10由所述扫频信号发生器11来驱动，用于实现窄线宽激光的波长或频率的可调谐。所述抑制载波单边带调制器10是抑制载波单边带铌酸铝调制器，其带宽大于传感用光纤激光器5、参考用光纤激光器6的中心波长差，以利于拍频解调。
上述方案中，所述相位调制器13，通过一个射频信号发生器12，结合一个稳频源14和一个光电探测器16组成一个典型的PDH锁频光路，用于实现窄线宽激光光源15的频率或波长的锁定。
上述方案中，所述第一隔离器71用于隔离1550nm激光返回到传感用光纤激光器5中，以免对传感用光纤激光器5的信号产生干扰；所述第二隔离器72用于隔离1550nm激光返回到参考光纤激光器6中，以免对参考光纤激光器的信号产生干扰。
上述方案中，所述第一宽频带光电探测器91和第二宽频带光电探测器92，用于实现传感用光纤激光器5、参考用光纤激光器6与窄线宽激光光源光学频率差的测量，并将其转换为电学的拍频信号，通过控制处理器17实现拍频电压信号的数据采集和处理；拍频电压信号的频谱信息反映了窄线宽可调谐激光器15与传感用光纤激光器5、参考用光纤激光器6的光学波长或频率差信息。所述探测器9和控制处理器17的带宽大于窄线宽可调谐激光光源15与传感用光纤激光器5、或参考用光纤激光器6的波长差或频率差。
上述方案中，所述控制处理器17，用于扫频信号发生器11、射频信号发生器12的信号控制，并用于控制器窄线宽激光光源15频率或波长锁定反馈控制，以及用于解决算法的实施和解调结果的显示和存储。
(三)有益效果
1、本发明提供的基于单边带扫频调制的光纤激光静态应变拍频解调系统，采用窄线宽的有源光纤光栅作为传感元件，相比无源光纤光栅静态解调技术，能够实现更高的静态应变解调。
2、本发明提供的基于单边带扫频调制的光纤激光静态应变拍频解调系统，采用拍频解调原理，通过测量激光光源与有源光纤光栅之间的拍频频率实现有源光纤激光器的相对频率(波长)漂移，只需要通过射频信号分析仪就可以实现波长解调，故可以解决现有无源光纤光栅高精度静态应变解调技术中解调算法较为复杂的问题。
3、本发明提供的基于单边带扫频调制的光纤激光静态应变拍频解调系统，一方面采用PDH技术将窄线宽激光光源锁定在一个稳频源上，另一方面通过一直抑制载波单边带调制器实现窄线宽激光的调谐，这样不但能够解决窄线宽激光光源波长(频率)漂移对解调精度的影响问题，而且能够解决大大提高可调谐激光扫频的线性度、进而提高波长(波长大小与应变大小具有线性对应关系)解调精度。
附图说明
图1为本发明提供的基于单边带扫频调制的光纤激光静态应变拍频解调系统的原理框图。
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，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，该光纤激光静态应变解调系统包括：980nm泵浦源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5、参考用光纤激光器6、第一隔离器71、第二隔离器72、第一合束器81、第二合束器82、第一宽频带光电探测器91、第二宽频带光电探测器92、控制/处理器17、窄线宽激光光源15、第三隔离器73、第三偏振控制器43、第三合束器83、抑制载波单边带调制器10、第四合束器84、扫频信号发生器11、相位调制器13、射频信号发生器12、稳频源14和光电探测器16，其中：
980nm泵浦源1通过一个980nm耦合器2将泵浦光源发出的光一分为二，其中一束光依次通过第一波分复用器31和第一偏振控制器41进入传感用光纤激光器5，使得传感用光纤激光器5激射出一束1550nm窄线宽激光，该窄线宽激光反射进入第一隔离器71，再进入第一合束器81中。另一束光依次通过第二波分复用器32和第二偏振控制器42进入参考用光纤激光器6，使得参考用光纤激光器6激射出一束1550nm窄线宽激光，该窄线宽激光反射进入第二隔离器72，再进入第二合束器82中。其中，第一隔离器71和第二隔离器72主要是隔离1550nm激光返回到传感用光纤激光器5和参考光纤激光器6中，以免对两个光纤激光器的信号产生干扰。
与此同时，一个窄线宽激光光源15发出的光，依次通过一个1550nm的第三隔离器73和第三偏振控制器43，进入一个1550nm的第三合束器83被一分为二；其中一束光依次通过相位调制器13、稳频源(如气体饱和吸收腔、光频梳等)14、光电探测器16进入用于信号采集处理的控制/处理器17实现窄线宽激光光源的频率锁定，这是典型的PDH锁频光路，其中相位调制器13通过射频信号发生器12驱动。
窄线宽激光光源15发出的另一束光通过一个抑制载波单边带调制器(可以是光纤通信领域成熟的抑制载波单边带铌酸铝调制器)10进入一个1550nm的第四合束器84再次被一分为二，分别进入另外两个1550nm耦合器，即第一合束器81、第二合束器82中，与传感用光纤激光器5和参考用光纤激光器6激射的两束激光汇合，一起进入到第一宽频带光电探测器91、第二宽频带光电探测器92中进行拍频；这里抑制载波单边带调制器10由一个扫频信号发生器11来驱动，主要作用是实现激光的可调谐，我们可以按照设计的调谐方式对激光进行波长调谐(如以三角波的方式对激光进行固定周期调谐)。
图1中，传感用光纤激光器5是一种有源光纤光栅，用于感受外界应变作用，传感用光纤激光器5反射激光波长的变化量直接反映了应变信号的大小。参考用光纤激光器6也是一种有源光纤光栅，用于实现传感用光纤激光器5的温度补偿。窄线宽激光光源15，用于产生窄线宽激光，并通过第三合束器83将窄线宽激光一分为二，其中一束激光用于窄线宽激光光源15频率锁定；另一束激光与传感用光纤激光器5、参考用光纤激光器6分别进行拍频，用于实际的应变传感解调。抑制载波单边带调制器10，通过一个扫频信号发生器11，用于实现窄线宽激光的波长(频率)可调谐。相位调制器13，通过一个射频信号发生器12，结合一个稳频源14和一个光电探测器16组成一个典型的PDH锁频光路，用于实现窄线宽激光光源15的频率(波长)锁定。第一宽频带光电探测器91和第二宽频带光电探测器92，用于实现传感用光纤激光器5、参考用光纤激光器6与窄线宽激光光源光学频率差的测量，并将其转换为电学的拍频信号。控制/处理器17，用于扫频信号发生器11、射频信号发生器12的信号控制，并用于控制器窄线宽激光光源15频率/波长锁定反馈控制，以及用于解决算法的实施和解调结果的显示和存储。
在本实施例中，窄线宽激光光源15的输出激光，与传感用光纤激光器5、参考用光纤激光器6的反射激光具有相近的线宽(利于都在3kHz左右，相差不超过3倍)；并且与传感用光纤激光器5、参考用光纤激光器6的中心波长相近(例如相差10pm以内)
在本实施例中，窄线宽激光光源15的激光，与传感用光纤激光器5、参考用光纤激光器6的反射激光均通过1550nm耦合器(合束器)，进入到探测器进行拍频并将转换成两组拍频电压信号，通过控制/处理器17实现拍频电压信号的数据采集和处理；拍频电压信号的频谱信息反映了窄线宽可调谐激光器15与传感用光纤激光器5、参考用光纤激光器6的光学波长差信息。
在本实施例中，抑制载波单边带调制器10可以是光纤通信领域成熟的抑制载波单边带铌酸铝调制器，应具有较大的带宽，应大于传感用光纤激光器5、参考用光纤激光器6的中心波长差，以利于拍频解调。
窄线宽激光光源15可以通过典型的PDH锁频技术将其中心波长锁定在稳频源14的色散光谱上，实现窄线宽激光光源15的频率稳定。
在本实施例中，传感用光纤激光器5、参考用光纤激光器6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；窄线宽激光光源15可以为商用的半导体激光器或者商用的光纤激光器。
在本实施例中，第一宽频带光电探测器91、第二宽频带光电探测器92和控制/处理器17的带宽要足够大，要大于窄线宽可调谐激光光源15与传感用光纤激光器5、或参考用光纤激光器6的波长差(频率差)。
在实际应用中，将传感用光纤激光器5和参考用光纤激光器6放在相同的环境中(具有相关温度变化条件)，因此通过测量窄线宽激光光源15与传感用光纤激光器5、参考光纤激光器6的拍频信号频率(通过频谱分析获得拍频频率值)的频率差，就可以实现温度补偿，并得到传感光纤激光器的静态应变信号。
由于窄线宽激光光源15锁定在稳频源上具有较高的频率稳定度，而其与传感用光纤激光器5和参考用光纤激光器6激射的两束激光进行拍频时，我们可以直接测得窄线宽激光光源15分别与传感用光纤激光器5、参考用光纤激光器6的波长差(频率差)。
由于传感用光纤激光器5的波长漂移(频率漂移)由应变和温度的共同影响组成，而参考用光纤激光器6的波长漂移(频率漂移)仅取决于温度影响，因此我们只需要计算窄线宽激光光源15分别与传感用光纤激光器5、参考用光纤激光器6的拍频信号的频率差，就能够实现传感用光纤激光器5的温度补偿和应变解调。
特别地，这里我们可以通过抑制载波单边带调制器实现激光的可调谐，因此最终的窄线宽激光光源15与传感用光纤激光器5、参考用光纤激光器6的频率信号的频率值可以按照预先设计的调谐函数规律变化，我们可以利用这个优势，通过相关滤波算法、或互相关算法消去高频噪声的影响，实现更高精度应变解调。
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 (14)
1.一种基于单边带扫频调制的光纤激光静态应变拍频解调系统，其特征在于，该系统包括泵浦源(1)、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(5)、参考用光纤激光器(6)、第一隔离器(71)、第二隔离器(72)、第一合束器(81)、第二合束器(82)、第一宽频带光电探测器(91)、第二宽频带光电探测器(92)、控制处理器(17)、窄线宽激光光源(15)、第三隔离器(73)、第三偏振控制器(43)、第三合束器(83)、抑制载波单边带调制器(10)、第四合束器(84)、扫频信号发生器(11)、相位调制器(13)、射频信号发生器(12)、稳频源(14)和光电探测器(16)，其中：
泵浦源(1)发出的光通过耦合器(2)被一分为二，其中一束光依次通过第一波分复用器(31)和第一偏振控制器(41)进入传感用光纤激光器(5)，使得传感用光纤激光器(5)激射出一束1550nm窄线宽激光，该窄线宽激光反射进入第一隔离器(71)，再进入第一合束器(81)中；另一束光依次通过第二波分复用器(32)和第二偏振控制器(42)进入参考用光纤激光器(6)，使得参考用光纤激光器(6)激射出一束1550nm窄线宽激光，该窄线宽激光反射进入第二隔离器(72)，再进入第二合束器(82)中；
同时，窄线宽激光光源(15)发出的光，依次通过第三隔离器(73)和第三偏振控制器(43)进入第三合束器(83)被一分为二，其中一束光依次通过相位调制器(13)、稳频源(14)、光电探测器(16)进入用于信号采集处理的控制处理器(17)实现窄线宽激光光源的频率锁定；另一束光通过一个抑制载波单边带调制器(10)进入第四合束器(84)再次被一分为二，分别进入第一合束器(81)和第二合束器(82)中，进入第一合束器(81)的光与传感用光纤激光器(5)激射出的窄线宽激光汇合，进入到第一宽频带光电探测器(91)中进行拍频，进入第二合束器(82)的光与参考用光纤激光器(6)激射出的窄线宽激光汇合，进入到第二宽频带光电探测器(92)中进行拍频。
2.根据权利要求1所述的基于单边带扫频调制的光纤激光静态应变拍频解调系统，其特征在于，所述传感用光纤激光器(5)是一种有源光纤光栅，用于感受外界应变作用，传感用光纤激光器(5)反射激光波长的变化量直接反映了应变信号的大小。
3.根据权利要求1所述的基于单边带扫频调制的光纤激光静态应变拍频解调系统，其特征在于，所述参考用光纤激光器(6)是一种有源光纤光栅，用于实现传感用光纤激光器(5)的温度补偿。
4.根据权利要求1所述的基于单边带扫频调制的光纤激光静态应变拍频解调系统，其特征在于，所述窄线宽激光光源(15)，用于产生窄线宽激光，并通过第三合束器(83)将窄线宽激光一分为二，其中一束激光用于窄线宽激光光源(15)频率锁定，另一束激光与传感用光纤激光器(5)、参考用光纤激光器(6)分别进行拍频，用于实际的应变传感解调。
5.根据权利要求4所述的基于单边带扫频调制的光纤激光静态应变拍频解调系统，其特征在于，所述窄线宽激光光源(15)通过PDH锁频技术将其中心波长锁定在稳频源(14)的色散光谱上，实现窄线宽激光光源(14)的频率稳定。
6.根据权利要求1所述的基于单边带扫频调制的光纤激光静态应变拍频解调系统，其特征在于，所述窄线宽激光光源(15)的输出激光，与传感用光纤激光器(5)、参考用光纤激光器(6)的反射激光具有相近的线宽，并且窄线宽激光光源(15)输出激光的中心波长与传感用光纤激光器(5)、参考用光纤激光器(6)反射激光的中心波长也相近。
7.根据权利要求6所述的基于单边带扫频调制的光纤激光静态应变拍频解调系统，其特征在于，所述传感用光纤激光器、参考用光纤激光器是分布反馈式(DFB)有源光纤光栅或分布反射式(DBR)有源光纤光栅；所述窄线宽激光光源为商用的半导体激光器或者商用的光纤激光器。
8.根据权利要求1所述的基于单边带扫频调制的光纤激光静态应变拍频解调系统，其特征在于，所述抑制载波单边带调制器(10)由所述扫频信号发生器(11)来驱动，用于实现窄线宽激光的波长或频率的可调谐。
9.根据权利要求8所述的基于单边带扫频调制的光纤激光静态应变拍频解调系统，其特征在于，所述抑制载波单边带调制器(10)是抑制载波单边带铌酸铝调制器，其带宽大于传感用光纤激光器(5)、参考用光纤激光器(6)的中心波长差，以利于拍频解调。
10.根据权利要求1所述的基于单边带扫频调制的光纤激光静态应变拍频解调系统，其特征在于，所述相位调制器(13)，通过一个射频信号发生器(12)，结合一个稳频源(14)和一个光电探测器(16)组成一个典型的PDH锁频光路，用于实现窄线宽激光光源(15)的频率或波长的锁定。
11.根据权利要求1所述的基于单边带扫频调制的光纤激光静态应变拍频解调系统，其特征在于，
所述第一隔离器(71)用于隔离1550nm激光返回到传感用光纤激光器(5)中，以免对传感用光纤激光器(5)的信号产生干扰；
所述第二隔离器(72)用于隔离1550nm激光返回到参考光纤激光器(6)中，以免对参考光纤激光器的信号产生干扰。
12.根据权利要求1所述的基于单边带扫频调制的光纤激光静态应变拍频解调系统，其特征在于，所述第一宽频带光电探测器(91)和第二宽频带光电探测器(92)，用于实现传感用光纤激光器(5)、参考用光纤激光器(6)与窄线宽激光光源光学频率差的测量，并将其转换为电学的拍频信号，通过控制处理器(17)实现拍频电压信号的数据采集和处理；拍频电压信号的频谱信息反映了窄线宽可调谐激光器15与传感用光纤激光器(5)、参考用光纤激光器(6)的光学波长或频率差信息。
13.根据权利要求12所述的基于单边带扫频调制的光纤激光静态应变拍频解调系统，其特征在于，所述探测器9和控制处理器(17)的带宽大于窄线宽可调谐激光光源(15)与传感用光纤激光器(5)、或参考用光纤激光器(6)的波长差或频率差。
14.根据权利要求1所述的基于单边带扫频调制的光纤激光静态应变拍频解调系统，其特征在于，所述控制处理器(17)，用于扫频信号发生器(11)、射频信号发生器(12)的信号控制，并用于控制器窄线宽激光光源(15)频率或波长锁定反馈控制，以及用于解决算法的实施和解调结果的显示和存储。
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