CN105180823B - 基于锁频技术和拍频原理的光纤激光静态应变解调系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于锁频技术和拍频原理的光纤激光静态应变解调系统，包括泵浦源、波分复用器、传感用光纤激光器、第一隔离器、合束器、第一探测器、数据采集器、控制处理器、窄线宽可调谐激光器、耦合器、第二隔离器、相位调制器、环行器、光纤光栅谐振腔、第二探测器和信号发生器。该系统将一个窄线宽激光光源锁定在一个无源光纤光栅法珀干涉仪的一个谐振峰上，然后将这个窄线宽激光光源与一个光纤激光器进行拍频，通过测量这个拍频信号的频率来实现光纤激光器的应变测量，同时通过无源光纤光栅可以实现温度补充、以及光源频率波动的补充。本发明提高了光纤光栅的静态应变解调精度，解决了现有有源光纤光栅不能实现高精度的静态应变解调问题。

Description

基于锁频技术和拍频原理的光纤激光静态应变解调系统

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于锁频技术和拍频原理的光纤激光静态应变解调系统。

背景技术

应变测量可以分为静态应变(如频带为DC-0.01Hz)测量、准静态/动态(如频率在0.1Hz以上)应变测量。近年来，光纤传感器(尤其是光纤光栅)由于具有适合长距离传输与传感、不受电磁干扰、灵敏度高等优势，在工程应变测量领域得到了广泛的应用。

目前，市场上广泛使用的光纤光栅(FBG)应变解调仪的应变测量精度一般为1με，这在高精度的应变/形变(如地壳形变)监测领域是难以满足实际应用需求的。其实，已经有很多技术可以提高FBG的准静态/动态应变测量精度(如激光锁频传感技术等)。比如2005年澳大利亚国立大学的Jong H.Chow等人将PDH激光锁频技术用于光纤光栅(FBG)FFP的应力应变测量，可以将应变测量分辨率提高到pε/√Hz(100Hz-100kHz)(J.H.Chow，et al.，“Demonstration of a passive subpicostrain fiber strain sensor，”Opticsletters，2005)。2008年D.Gatti首次将π相移光纤光栅和PDH技术结合，在高频段实现了分辨率5pε/√Hz的应变测量(D.Gatti，et al.，“Fiber strain sensor based on a pi-phase-shifted Bragg grating and the Pound-Drever-Hall technique，”Opt.Express，2008)。

对于高精度的静态应变测量，人们也提出了基于可调谐激光器和参考光栅的方案来提高FBG/或者FBG-FP(基于FBG的干涉仪)的静态应变测量精度，2011年日本东京大学的Qinwen Liu等人最早实现了5.8nε/√Hz的超低频/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 opticalfiber static strain sensor 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 FBGfor high-resolution static-strain measurement based on wavelet thresholddenoising 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)。

但是以上的高精度静态应变测量方法，都是基于光纤光栅、光纤光栅法珀干涉仪或相移光栅等无源光栅器件实现的。这些无源光栅器件，其反射谱的线宽一般最小最可以做到MHz量级，很难再做得更高；而越小的线宽意味着更高的解调精度。有源光纤光栅器件，比如分布反馈光纤激光器(DFB-FL)、分布反射光纤激光器(DBR-FL)，具有极窄的线宽(kHz量级)，比无源光栅器件要窄3个量级。虽然早就有研究把有源光纤光栅用于高精度的应变测量，比如干涉式相位解调技术(F.Li，et al.，“Fiber laser sensing technology andits applications，”Infrared and Laser Engineering，2009)、偏振激光拍频解调技术(B.O.Guan，et al.，“Dual polarization fiber grating laser hydrophone，”OpticsExpress，2009)、3×3耦合器解调技术等(Y.Liu，et al.，“Fiber laser sensing systemand its applications”，Photonic Sensors，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。

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锁频技术和拍频原理的光纤激光静态应变解调系统，以提高现有光纤光栅的静态应变解调精度，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线性度不佳导致应变测量精度受限、激光光源频率波动对解调精度的影响、解调算法较为复杂等问题，同时解决现有有源光纤光栅不能实现高精度的静态应变解调问题。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种基于锁频技术和拍频原理的光纤激光静态应变解调系统，该光纤激光静态应变解调系统包括泵浦源1、波分复用器2、传感用光纤激光器3、第一隔离器61、合束器7、第一探测器81、数据采集器9、控制处理器10、窄线宽可调谐激光器11、耦合器12、第二隔离器62、相位调制器13、环行器15、光纤光栅谐振腔4、第二探测器82和信号发生器14，其中：

泵浦源1通过波分复用器2，使得传感用光纤激光器3激射产生波长为1550nm的反射激光，该反射激光经过第一隔离器61进入到合束器7中；

在传感用光纤激光器3激射产生的反射激光进入到合束器7中的同时，窄线宽激光器11发出的激光被耦合器12一分为二，其中一束激光进入合束器7中与传感用光纤激光器3的反射激光汇合，汇合后的两束激光一起进入第一探测器81进行拍频，并通过数据采集器9和控制处理器10实现两束激光的拍频频率差的测量；

窄线宽激光器11的另一束激光依次经过一个第二隔离器62、相位调制器13、环行器15、光纤光栅谐振腔4和第二探测器82实现窄线宽激光器11的频率锁定。

上述方案中，所述传感用光纤激光器3是一种有源光纤光栅，用于感受外界应变作用，应变信号的大小直接反映了传感用光纤激光器3反射激光波长的变化量。所述传感用光纤激光器3采用分布反馈式(DFB)有源光纤光栅或分布反射式(DBR)有源光纤光栅。

上述方案中，所述窄线宽可调谐激光器11用于产生窄线宽可调谐激光，并与传感用光纤激光器3进行拍频，用于实际的应变传感解调。

上述方案中，所述光纤光栅谐振腔4是一种无源光纤光栅，一方面用于实现传感用光纤激光器3的温度补偿，另一方面用于窄线宽可调谐激光器11的频率锁定。所述光纤光栅谐振腔4作为参考用光纤光栅，采用光纤光栅法珀干涉仪或者相移光栅。

上述方案中，所述信号发生器14给相位调制器13提供调制信号源，控制处理器10通过计算光纤光栅谐振腔4返回到第二探测器82的信号来对窄线宽可调谐激光器11的波长进行反馈控制。所述控制处理器10，一方面用于控制器窄线宽可调谐激光器11波长锁定反馈控制，另一方面实现解调结果的显示和存储。

上述方案中，所述窄线宽激光器11的波长与光纤光栅谐振腔4的波长完全保持一致，通过测量窄线宽激光器11与传感用光纤激光器3的频率差，能够实现温度补偿，并得到传感光纤激光器的静态应变信号。

上述方案中，该光纤激光静态应变解调系统还包括第一偏振控制器51、第二偏振控制器52和第三偏振控制器53，其中，第一偏振控制器51连接于第一隔离器16与合束器7之间，第二偏振控制器52连接于耦合器12与合束器7之间，第三偏振控制器53连接于环行器15与光纤光栅谐振腔4之间，第一偏振控制器51和第二偏振控制器53用于调整传感用光纤激光器3反射激光和窄线宽激光器11入射到合束器7中的激光的偏振态，使得这两束激光的偏振方向到达一致，获得最佳的拍频效果；第三偏振控制器53用于调整光纤光栅谐振腔4反射光路的偏振态使得PDH锁频光路获得最佳的PDH误差信号。

(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、本发明提供的基于锁频技术和拍频检测原理的光纤激光静态应变解调系统，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、本发明提供的基于锁频技术和拍频检测原理的光纤激光静态应变解调系统，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可调谐激光器扫描线性度不佳导致应变测量精度受限、解调算法较为复杂等问题。

3、本发明提供的基于锁频技术和拍频检测原理的光纤激光静态应变解调系统，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漂移的测量，并通过PDH锁频技术将激光光源锁定在无源光纤光栅法珀干涉仪谐振峰上，可以解决现有无源光纤光栅高精度静态应变解调技术中激光光源频率波动对解调精度的影响问题。

4、本发明提供的基于锁频技术和拍频检测原理的光纤激光静态应变解调系统，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漂移的测量，并通过PDH锁频技术将激光光源锁定在无源光纤光栅法珀干涉仪谐振峰上，可以通过无源光纤光栅的参考作用实现温度补偿，故可以解决现有有源光纤光栅不能实现高精度的静态应变测量问题。

附图说明

图1为本发明提供的基于锁频技术和拍频检测原理的光纤激光静态应变解调系统的示意图。

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，图1为本发明提供的基于锁频技术和拍频检测原理的光纤激光静态应变解调系统的示意图，该光纤激光静态应变解调系统包括泵浦源1、波分复用器2、传感用光纤激光器3、第一隔离器61、合束器7、第一探测器81、数据采集器9、控制处理器10、窄线宽可调谐激光器11、耦合器12、第二隔离器62、相位调制器13、环行器15、光纤光栅谐振腔4、第二探测器82和信号发生器14，其中：

泵浦源1是一个波长为980nm的泵浦源，泵浦源1通过一个波分复用器(WDM)2，使得传感用光纤激光器3激射产生波长为1550nm的反射激光，该反射激光经过第一隔离器61进入到合束器7中。传感用光纤激光器3是一种有源光纤光栅，用于感受外界应变作用，应变信号的大小直接反映了传感用光纤激光器3反射激光波长的变化量。进一步地，该光纤激光静态应变解调系统还包括第一偏振控制器51，连接于第一隔离器61与合束器7之间。

在传感用光纤激光器3激射产生的反射激光进入到合束器7中的同时，窄线宽激光器11发出的激光被一个1550nm的耦合器12一分为二，其中一束激光进入合束器7中与传感用光纤激光器3的反射激光汇合，汇合后的两束激光一起进入第一探测器81进行拍频，并通过数据采集器9和控制处理器10实现两束激光的拍频频率差的测量(通过频谱分析测量拍频信号的频率信号就可以完成)。窄线宽可调谐激光器11用于产生窄线宽可调谐激光，并与传感用光纤激光器3进行拍频，用于实际的应变传感解调。进一步地，该光纤激光静态应变解调系统还包括第二偏振控制器52，连接于耦合器12与合束器7之间。

其中，第一偏振控制51器和第二偏振控制器52的作用是调整传感用光纤激光器3反射激光和窄线宽激光器11入射到合束器7中的激光的偏振态，使得这两束激光的偏振方向到达一致，获得最佳的拍频效果。

窄线宽激光器11的另一束激光依次经过一个第二隔离器62、相位调制器13、环行器15、光纤光栅谐振腔4和第二探测器82实现窄线宽激光器11的频率锁定(这是典型的PDH锁频光路结构)。光纤光栅谐振腔4是一种无源光纤光栅，一方面用于实现传感用光纤激光器3的温度补偿，另一方面用于窄线宽可调谐激光器11的频率锁定。进一步地，该光纤激光静态应变解调系统还包括第三偏振控制器53，连接于环行器15与光纤光栅谐振腔4之间，其功能是调整光纤光栅谐振腔4反射光路的偏振态使得PDH锁频光路获得最佳的PDH误差信号。

信号发生器14给相位调制器13提供调制信号源，控制处理器10通过计算光纤光栅谐振腔4返回到第二探测器82的信号来对窄线宽可调谐激光器11的波长进行反馈控制。控制处理器10，一方面用于控制器窄线宽可调谐激光器11波长锁定反馈控制，另一方面实现解调结果的显示和存储。

这样，窄线宽激光器11的波长与光纤光栅谐振腔4的波长完全保持一致，而实际应用中，将光纤光栅谐振腔4和传感用光纤激光器3放在相同的环境中(具有相关温度变化条件)，因此我们通过测量窄线宽激光器11与传感用光纤激光器3的频率差(通过频谱分析获得拍频频率值)，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。

在图1中，窄线宽可调谐激光器11的输出激光，与传感用光纤激光器3的反射激光具有相近的线宽；传感用光纤激光器3是一种有源光纤光栅，可以是分布反馈式(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11，与传感用光纤激光器3通过合束器7，进入到第一探测器81进行拍频并将转换成一组拍频电压信号，通过数据采集器9实现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11与传感用光纤激光器3的光学波长差信息。

在图1中，窄线宽可调谐激光器11可以通过锁频技术和控制处理器10将其中心波长锁定在光纤光栅的谐振峰上，实现窄线宽激光器11的中心波长与光纤光栅谐振峰波长的实时相等。光纤光栅谐振腔4作为参考用光纤光栅，是一种无源光纤光栅谐振腔，可以为光纤光栅法珀干涉仪、或者相移光栅，该光纤光栅谐振腔4与传感用光纤激光器3具有相同的温度灵敏度(温度系数)。因此只需要计算窄线宽可调谐激光器11与传感用光纤激光器3的光学波长差信息就可以获得传感用光纤激光器3所受的应变信息，并且可以实现温度补偿。其中，探测器81和数据采集器9的带宽要足够大，要大于窄线宽可调谐激光器11与传感用光纤激光器3的波长差(频率差)。

请参照图1，该光纤激光静态应变解调系统包括的工作原理为：

980nm泵浦源1，通过一个波分复用器(WDM)2，使得传感用光纤激光器3激射产生波长为1550nm的反射激光，该反射激光经过第一隔离器61及第一偏振控制器51进入到合束器7中；同时，窄线宽激光器11发出的激光被一个1550nm的耦合器12一分为二，其中一束激光进入合束器7中与传感用光纤激光器3的反射激光汇合，汇合后的两束激光一起进入第一探测器81进行拍频，并通过数据采集器9和控制处理器10实现两束激光的频率差的测量(通过频谱分析测量拍频信号的频率信号就可以完成)。窄线宽激光器11的另一束激光经过一个第二隔离器62、相位调制器13、环行器15、第三偏振控制器53、光纤光栅谐振腔4、第二探测器82实现窄线宽激光器11的频率锁定(这是典型的PDH锁频光路结构)。信号发生器14给相位调制器13提供调制信号源，控制处理器10通过计算光纤光栅谐振腔4返回到第二探测器82的信号来对窄线宽可调谐激光器11的波长进行反馈控制。这样，窄线宽激光器11的波长与光纤光栅谐振腔4的波长完成保持一直，而实际应用中，将光纤光栅谐振腔4和传感用光纤激光器3放在相同的环境中(具有相关温度变化条件)，因此我们通过测量窄线宽激光器11与传感用光纤激光器3的频率差(通过频谱分析获得拍频频率值)，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。

从上述技术方案可以看出，本发明提供的基于锁频技术和拍频检测原理的光纤激光静态应变解调系统，首先采用PDH锁频技术将一个窄线宽激光光源锁定在一个无源光纤光栅法珀干涉仪的一个谐振峰上，然后将这个窄线宽激光光源与一个光纤激光器进行拍频，通过测量这个拍频信号的频率来实现光纤激光器的应变测量，同时通过无源光纤光栅可以实现温度补充、以及光源频率波动的补充。本发明可以进一步提高光纤光栅的静态应变解调精度，重点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线性度不佳导致应变测量精度受限、激光光源频率波动对解调精度的影响、解调算法较为复杂等问题，同时解决了现有有源光纤光栅不能实现高精度的静态应变解调问题。

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 (10)

1.一种基于锁频技术和拍频原理的光纤激光静态应变解调系统，其特征在于，该光纤激光静态应变解调系统包括泵浦源(1)、波分复用器(2)、传感用光纤激光器(3)、第一隔离器(61)、合束器(7)、第一探测器(81)、数据采集器(9)、控制处理器(10)、窄线宽可调谐激光器(11)、耦合器(12)、第二隔离器(62)、相位调制器(13)、环行器(15)、光纤光栅谐振腔(4)、第二探测器(82)和信号发生器(14)，其中：

泵浦源(1)通过波分复用器(2)，使得传感用光纤激光器(3)激射产生波长为1550nm的反射激光，该反射激光经过第一隔离器(61)进入到合束器(7)中；

在传感用光纤激光器(3)激射产生的反射激光进入到合束器(7)中的同时，窄线宽激光器(11)发出的激光被耦合器(12)一分为二，其中一束激光进入合束器(7)中与传感用光纤激光器(3)的反射激光汇合，汇合后的两束激光一起进入第一探测器(81)进行拍频，并通过数据采集器(9)和控制处理器(10)实现两束激光的拍频频率差的测量；

窄线宽激光器(11)的另一束激光依次经过一个第二隔离器(62)、相位调制器(13)、环行器(15)、光纤光栅谐振腔(4)和第二探测器(82)实现窄线宽激光器(11)的频率锁定。

2.根据权利要求1所述的基于锁频技术和拍频原理的光纤激光静态应变解调系统，其特征在于，所述传感用光纤激光器(3)是一种有源光纤光栅，用于感受外界应变作用，应变信号的大小直接反映了传感用光纤激光器(3)反射激光波长的变化量。

3.根据权利要求2所述的基于锁频技术和拍频原理的光纤激光静态应变解调系统，其特征在于，所述传感用光纤激光器(3)采用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所述的基于锁频技术和拍频原理的光纤激光静态应变解调系统，其特征在于，所述窄线宽可调谐激光器(11)用于产生窄线宽可调谐激光，并与传感用光纤激光器(3)进行拍频，用于实际的应变传感解调。

5.根据权利要求1所述的基于锁频技术和拍频原理的光纤激光静态应变解调系统，其特征在于，所述光纤光栅谐振腔(4)是一种无源光纤光栅，一方面用于实现传感用光纤激光器(3)的温度补偿，另一方面用于窄线宽可调谐激光器(11)的频率锁定。

6.根据权利要求5所述的基于锁频技术和拍频原理的光纤激光静态应变解调系统，其特征在于，所述光纤光栅谐振腔(4)作为参考用光纤光栅，采用光纤光栅法珀干涉仪或者相移光栅。

7.根据权利要求1所述的基于锁频技术和拍频原理的光纤激光静态应变解调系统，其特征在于，所述信号发生器(14)给相位调制器(13)提供调制信号源，控制处理器(10)通过计算光纤光栅谐振腔(4)返回到第二探测器(82)的信号来对窄线宽可调谐激光器(11)的波长进行反馈控制。

8.根据权利要求7所述的基于锁频技术和拍频原理的光纤激光静态应变解调系统，其特征在于，所述控制处理器(10)，一方面用于控制器窄线宽可调谐激光器(11)波长锁定反馈控制，另一方面实现解调结果的显示和存储。

9.根据权利要求1所述的基于锁频技术和拍频原理的光纤激光静态应变解调系统，其特征在于，所述窄线宽激光器(11)的波长与光纤光栅谐振腔(4)的波长完全保持一致，通过测量窄线宽激光器(11)与传感用光纤激光器(3)的频率差，能够实现温度补偿，并得到传感光纤激光器的静态应变信号。

10.根据权利要求1所述的基于锁频技术和拍频原理的光纤激光静态应变解调系统，其特征在于，该光纤激光静态应变解调系统还包括第一偏振控制器(51)、第二偏振控制器(52)和第三偏振控制器(53)，其中，第一偏振控制器(51)连接于第一隔离器(61)与合束器(7)之间，第二偏振控制器(52)连接于耦合器(12)与合束器(7)之间，第三偏振控制器(53)连接于环行器(15)与光纤光栅谐振腔(4)之间，第一偏振控制器(51)和第二偏振控制器(52)用于调整传感用光纤激光器(3)反射激光和窄线宽激光器(11)入射到合束器(7)中的激光的偏振态，使得这两束激光的偏振方向到达一致，获得最佳的拍频效果；第三偏振控制器(53)用于调整光纤光栅谐振腔(4)反射光路的偏振态使得PDH锁频光路获得最佳的PDH误差信号。