CN105606193A - 基于双可调谐光源的光纤法珀声振动传感装置及解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双可调谐光源的光纤法珀声振动传感装置及解调方法,包括第一、第二窄线宽激光器、第一波分复用器、光纤耦合器、光纤法珀声振动传感器、第二波分复用器、第一光电探测器和第二光电探测器、数据采集卡；第一波分复用器将两束不同波长的激光耦合进同一根光纤，经过光纤耦合器后传入光纤法珀声振动传感器；被调制后的信号光反射回耦合器中，传入第二波分复用器，将同一根光纤中两个不同波长的激光分开并分别传入两路光纤中，两束光分别传入第一、第二光电探测器中；转变成电信号，并被采集，采集电信号并从中提取出相位信息，解调出对声振动信号的测量结果。本发明可有效保证信号强度；满足宽范围的光纤法珀腔初始腔长及腔长变化的传感解调。

Description

基于双可调谐光源的光纤法珀声振动传感装置及解调方法

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，特别是涉及一种基于双可调谐激光器的光纤法珀声振动传感装置及解调方法。

背景技术

与传统电学领域的声振动传感器相比，光纤法珀声振动传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、抗电磁干扰能力强和便于远距离遥测等优点。针对快速变化的声振动信号，研究人员提出多种解调方法，主要包括基于光损耗型强度解调、干涉型强度解调和干涉型正交相位解调。其中：光损耗型强度解调利用光纤与反射膜间距离变化导致的光损耗变换感知待测声信号；干涉型强度解调利用光的干涉将光程变化信息变换成强度输出。但上述两种方法容易受到光源功率波动、光纤传输链路中的损耗变化以及偏离传感器正交工作点等因素的影响。尤其干涉型强度解调需要保持传感器工作在干涉传递函数的正交点，这对传感器的加工工艺和使用环境提出了苛刻的要求，而在传感器制作和使用过程中，很难保证其初始腔长始终工作在正交工作点，一旦偏离正交工作点，将降低传感器的灵敏度和线性度，甚至导致信号严重畸变失真。

为了解决上述问题，业界提出了多种干涉型正交相位解调方法，利用两个波长的光干涉可以构建正交的两个干涉信号输出：如采用宽带光源和两个可调谐干涉滤波器的解调结构或采用固定的密集波分复用器代替可调谐干涉滤波器。但上述方法中的输入光信号是从宽谱光源中通过光滤波器滤出得到，且光纤法珀声振动传感器的反射率低，大量的光功率被浪费，因此探测器接收到的光功率很低，难以满足长距离或光纤传输损耗大的场合。

发明内容

针对上述的现有技术及存在的问题，本发明提出了一种基于双可调谐光源的光纤法珀声振动传感装置及解调方法，通过采用两个窄线宽激光器提供窄线宽的双激光波长，构建两路正交干涉信号，通过对窄线宽激光器进行波长调谐，满足宽范围的光纤法珀腔初始腔长及腔长变化的传感解调。

本发明提出了一种基于双可调谐光源的光纤法珀声振动传感装置,从输入到输出端，该装置依序设置第一窄线宽激光器1和第二窄线宽激光器2、第一波分复用器3、光纤耦合器4、光纤法珀声振动传感器5、第二波分复用器7、第一光电探测器8和第二光电探测器9、数据采集卡10，第一、第二可调谐窄线宽激光器输出两个不同波长λ₁、λ₂的可调谐窄线宽激光，构建两路正交干涉信号；第一波分复用器3将两束不同波长的激光耦合进同一根光纤，经过耦合器4后传入光纤法珀声振动传感器5，感受声振动信号源6，将声振动信号转化为法珀腔腔长变化；被调制后的信号光反射回耦合器4中，传入第二波分复用器(7)，将同一根光纤中两个不同波长的激光分开并分别传入两路光纤中，两束光分别传入第一、第二光电探测器8、9中；输出的两路光信号分别经过第一光电探测器8和第二光电探测器(9)后转变成电信号，并被数据采集卡10采集电信号并从中提取出相位信息，解调出对声振动信号的测量结果。

本发明还提出了一种基于双可调谐光源的光纤法珀声振动传感装置的解调方法，其特征在于，该方法具体包括以下过程：

步骤一：调谐两个窄线宽激光器的波长，使两波长的激光产生的两路干涉信号正交；

步骤二、两个激光器发出的光经过第一波分复用器之后耦合进同一根光纤，经过耦合器后传入光纤法珀声振动传感器，被调制后的信号光反射回耦合器中，传入第二波分复用器，波分复用器将两个不同波长的光分开并分别传入两个光电探测器中；

步骤三、光信号经过光电探测器后转变成电信号，得到满足理想正交的双波长两路干涉信号分别为根据双波长正交相位提取解调方法，提取两路干涉信号的交流项并归一化得到计算得到相位信息为：

其中，g₁′、g′₂分别表示g₁、g₂对时间t求导。

步骤四、解调出的相位信息与光纤法珀腔的腔长变化呈线性比例关系，实现声振动信号的解调。

与现有技术相比，本发明通过采用两个窄线宽激光器提供窄线宽的双激光波长，构建两路正交干涉信号，使用具有高输出功率的单色光可有效保证信号强度；通过对窄线宽激光器进行波长调谐，满足宽范围的光纤法珀腔初始腔长及腔长变化的传感解调。

附图说明

图1为基于双可调谐激光器的光纤法珀声振动传感解调装置结构示意图；

图2为温度引起光纤法珀声振动传感器初始腔长漂移示意图，其中：(a)为光纤法珀声振动传感器在20℃和70℃下的反射光谱曲线，(b)为光纤法珀腔的腔长随温度变化曲线；可见腔长随着温度升高逐渐增大，70℃相比20℃时的腔长增加2.2μm。

图3为系统解调结果，选取一个通道的信号进行干涉强度解调，用以与本文提出的正交相位提取法进行对比；其中：(a)为干涉强度法解调结果，(b)为正交相位提取法解调结果，(c)为两种方法在不同温度下解调信号幅值对比图；

图4(a)、(b)为分别为波长调谐前后的正弦信号还原结果图。

其中，图1中：

1、第一波长窄线宽激光光源(波长λ₁)，2、第二波长窄线宽激光光源(波长λ₂)，3、第一波分复用器，4、光纤耦合器，5、光纤法珀声振动传感器，6、声振动信号源，7、第二波分复用器，8、光电探测器λ₁，9、光电探测器λ₂，10、数据采集卡，11、计算机。

具体实施方式

以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：

1、解调装置

搭建如图1所示的光纤法珀声振动传感解调装置结构作为本例的实验系统，将第一波长窄线宽激光光源1、第二波长窄线宽激光光源2、第一波分复用器3、光纤耦合器4、光纤法珀声振动传感器5、第二波分复用器7、第一光电探测器λ₁8、光电探测器λ₂9和采集卡10依次连接，构成基于双可调谐激光器的光纤法珀声振动传感解调装置；调谐两个窄线宽激光光源的波长λ₁、λ₂，使两波长的激光产生的两路干涉信号正交；两个激光器发出的光经过第一波分复用器3之后耦合到一根光纤，经过耦合器4后传入光纤法珀声振动传感器5，被调制后的信号光反射回耦合器4中，传入第二波分复用器7，将两束光分别传入第一、第二光电探测器中；两路光信号分别经过第一光电探测器(波长λ₁)8和第二光电探测器(波长λ₂)9后转变成电信号并采集。满足理想正交的双波长两路干涉信号分别为提取两路干涉信号的交流项并归一化得到可以解调出相位信息为：其中，g₁′、g′₂分别表示g₁、g₂对时间t求导。

由于正交相位提取直接解调出的相位信息与光纤法珀腔的变化呈线性比例关系，从而实现了信号的解调。

其中，第一波长窄线宽激光光源1、第二波长窄线宽激光光源2的中心波长分别为λ₁＝1546.02nm，λ₂＝1550.12nm，波长调谐范围±1nm，输出功率10mW；光纤耦合器4采用3dB耦合器。声振动信号源使用信号发生器输出频率1kHz正弦信号驱动扬声器。自行制作的光纤法珀声振动传感器5的初始腔长L₀＝72μm。

2、光纤法珀声振动传感器

光纤法珀声振动传感器5置于温控装置中，温度变化范围20～70℃，温度变化间隔5℃。通过超薄聚合物膜片感受声振动信号，将声振动信号转化为法珀腔腔长变化，解调腔长范围30～200μm。

制作初始腔长分别为55μm、70μm、100μm、130μm的光纤法珀声振动传感器5。图4(a)、(b)分别为波长调谐前后的正弦信号还原结果图。在波长调节前，初始腔长为55μm、70μm、100μm、130μm的四只传感器对应的解调信号幅值分别为0.073rad、0.088rad、0.047rad、0.028rad，对第一波分复用器3波长进行调谐，解调信号幅值增大，幅值分别为0.093rad、0.095rad、0.101rad、0.096rad，解调幅值相对变化为4.9％，有效克服了光纤法珀声振动传感器的初始腔长值离散引起的解调信号衰落问题。

Claims (2)

1.一种基于双可调谐光源的光纤法珀声振动传感装置，其特征在于，该装置从输入到输出端依序设置第一窄线宽激光器(1)和第二窄线宽激光器(2)、第一波分复用器(3)、光纤耦合器(4)、光纤法珀声振动传感器(5)、第二波分复用器(7)、第一光电探测器(8)和第二光电探测器(9)、数据采集卡(10)，第一、第二可调谐窄线宽激光器输出两个不同波长λ₁、λ₂的可调谐窄线宽激光，构建两路正交干涉信号；第一波分复用器(3)将两束不同波长的激光耦合进同一根光纤，经过耦合器(4)后传入光纤法珀声振动传感器(5)，感受声振动信号源(6)，将声振动信号转化为法珀腔腔长变化；被调制后的信号光反射回耦合器(4)中，传入第二波分复用器(7)，将同一根光纤中两个不同波长的激光分开并分别传入两路光纤中，两束光分别传入第一、第二光电探测器(8)、(9)中；输出的两路光信号分别经过第一光电探测器(8)和第二光电探测器(9)后转变成电信号，并被数据采集卡(10)采集电信号并从中提取出相位信息，解调出对声振动信号的测量结果。

2.一种利用权利要求1所述的基于双可调谐光源的光纤法珀声振动传感装置的解调方法，其特征在于，该方法具体包括以下过程：

步骤一：调谐两个窄线宽激光器的波长，使两波长的激光产生的两路干涉信号正交；

步骤二、两个激光器发出的光经过第一波分复用器之后耦合进同一根光纤，经过耦合器后传入光纤法珀声振动传感器，被调制后的信号光反射回耦合器中，传入第二波分复用器，波分复用器将两个不同波长的光分开并分别传入两个光电探测器中；

步骤三、光信号经过光电探测器后转变成电信号，得到满足理想正交的两路干涉信号分别为根据双波长正交相位提取解调方法，提取两路干涉信号的交流项并归一化得到计算得到相位信息为：

其中，g₁'、g₂'分别表示g₁、g₂对时间t求导。

步骤四、解调出的相位信息与光纤法珀腔的腔长变化呈线性比例关系，实现声振动信号的解调。