CN106404243B - 一种基于光纤光栅偏振信息检测的高频动态信息解调系统以及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于光纤光栅偏振信息检测的高频动态信息解调系统以及方法，它包括偏振分束器PBS，光电检测器PD1、PD2和信号处理模块，所述的偏振分束器PBS用于接收含有压力信息的光信号，偏振分束器PBS的两个信号输出端分别接两个光电检测器PD1、PD2的信号输入端，前述光电检测器将光信号转换成电信号，前述两个光电检测器PD1、PD2的信号输出端与信号处理模块的信号输入端相连，解调压力信息。本发明的结构简单、成本低廉，能够解调出动态压力信息。满足高频率的动态压力实时监测需求。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其是压力传感系统，具体地说是一种利用光纤光栅透射光的斯托克斯参量对压力进行实时监测的光纤传感方法。
背景技术
当光纤受到外界环境(温度、应力、磁场、压力等)影响时，光纤中传输光的强度、相位、频率、偏振态等参量会相应的发生变化。通过检测传输光的这些参量便可获知相应物理量的变化，这种技术称为光纤传感技术。
光纤光栅作为一种成熟的全光纤器件，由于其本身具有的体积小，插入损耗低，易于与其他光纤器件集成等特点，在光纤通信和光纤传感领域中有着非常重要的应用。目前多数是利用波长偏移量进行温度传感和应力传感。其测量原理主要是利用外界参量变化引起的光纤光栅的折射率或光栅周期的变化从而导致布拉格波长发生偏移，通过测量偏移量达到传感的目的。然而，现有的有源、无源光纤光栅传感网络的解调速率通常在～kHz量级，对瞬变、高频和高速冲击变量的解调能力不足。
研究和实验表明，在压力的作用下，光纤光栅中所产生的双折射现象会引起光的偏振特性发生变化，比如斯托克斯参量。通过对单波长点上斯托克斯参量的检测可以实现动态压力的传感。并可以通过悬臂梁、磁铁、振动膜等多种换能结构可以将位移、加速度、电流、水下声信号等其它变量转换成压力致双折射的变化，从而可以利用偏振特性实现多种变量的测量。
传统测量斯托克斯参量的原理是分波型方式，即将待测光分成四束，然后对这些光束分别施加不同方位的检偏器或者1/4波片，经过光电检测后，对输出的光电流进行计算，得到Stokes参量。由于检偏器和波片目前只有分立式器件而没有光纤在线式器件，因此光束的准直、检偏器和波片角度的精准调节以及器件的集成处理对工艺和封装要求非常严格，核心工艺技术为国外垄断，成本较为昂贵。同时国外公司的偏振测试卡采用非终端测试方式，限制了带宽，很难进行带宽扩展。
发明内容
本发明的目的是提供一种新颖简单的、全光纤在线方式高频动态信息解调方法，用以检测压力致双折射引起的偏振信息变化，从而得到外在传感量的。
本发明的技术方案是：
一种基于光纤光栅偏振信息检测的高频动态信息解调系统，它包括偏振分束器PBS，光电检测器PD1、PD2和信号处理模块，所述的偏振分束器PBS用于接收含有压力信息的光信号，偏振分束器PBS的两个信号输出端分别接两个光电检测器PD1、PD2的信号输入端，前述光电检测器将光信号转换成电信号，前述两个光电检测器PD1、PD2的信号输出端与信号处理模块的信号输入端相连，解调压力信息。
一种基于光纤光栅偏振信息检测的高频动态信息解调方法，该方法包括以下步骤：
S1、将外在高频动态压力F加载在传感光纤光栅上，光源的出射光通过前述光纤光栅；
S2、采用偏振分束器PBS接收前述经过光纤光栅的出射光，该出射光为SC，偏振分束器PBS将出射光SC分成偏振相互正交的两束出射光S//和S┴；
S3、前述偏振相互正交的两束出射光S//和S┴分别通过光电检测器PD1、PD2，转换成光电流I1和I2，并且发送至信号处理模块；
S4、信号处理模块对前述光电流I1和I2进行处理，提取高频动态压力F。
本发明的步骤S1中，外在高频动态压力F加载在传感光纤光栅上，使得透射光的三个斯托科斯参量发生变化，其变化量与压力大小存在线性关系。
本发明的步骤S2具体为；偏振分束器PBS将出射光SC分成偏振相互正交的两束出射光S//和S┴；
出射光SC，S//以及S┴的偏振态可用斯托克斯参量分别表示为：
下标0、1、2、3分别表示四个斯托克斯参量。
采用下述公式计算得到出射光S//以及S┴中第一斯托克斯参量分别为：
其中：α表示出射光SC在//方向与参考系的x轴夹角；出射光SC在┴方向与x轴夹角为α+90°。
本发明的步骤S3具体为；采用下述公式将偏振相互正交的出射光S//和S┴转换成光电流I1和I2：
其中：R是常数，R的大小取决于所用的光电探测器性能；分别表示出射光SC的第一、第二和第三个斯托克斯参量；α表示出射光SC在//方向与参考系的x轴夹角。
本发明的步骤S4具体为；
S4-1、信号处理模块对前述光电流I1和I2进行处理，获取输出光电流Iout；
S4-2、采用下述公式提取高频动态压力F；
Iout＝F(k1cos2α+k2sin2α)；
其中：α表示出射光SC在//方向与参考系的x轴夹角，k1、k2、k3为出射光SC的归一化斯托克斯参量对压力F的灵敏度，当传感光纤光栅调整固定后，k1、k2以及角度α均为定值。
本发明的有益效果：
本发明利用光纤光栅在外加压力作用下产生线双折射，导致透射光的三个归一化斯托克斯参量发生变化，利用偏振分束器采用光纤在线方式，构建结构简单、成本低廉的信息解调系统，建立解调系统输出函数与动态压力信息之间的关系模型，从中解调出所含动态压力信息。可以满足高频率的动态压力实时监测需求。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种全光纤在线方式偏振信息解调方法，如图中虚线框图所示，包括偏振分束器(PBS)和两个光电探测器以及信号处理模块。利用PBS将从压力作用下光纤光栅中的出射光(偏振态SC)分成偏振相互正交的两束光(S//和S┴)，这两束偏振正交的光中都会含有动态压力信息F，分别通过光电探测器后转换成强度信息(I1和I2)，再通过信号处理方式，将信息提取出来。
理论部分如下：
经过FBG中压力致双折射调制后，出射光斯托克斯参量SC表示为：
归一化斯托克斯参量分别为：
其中这三个归一化参量都与压力大小相关。经过合理设计，可以使他们的归一化矢量与压力大小之间形成线性关系，即：
其中k1、k2、k3为灵敏度，F是施加压力大小。我们的目的就是要检测出其中的压力信息F。
对包含压力信息的光偏振信息SC进行检测。PBS的两个正交方向分别记为水平(//)和垂直(┴)方向，两个方向与参考系的x轴有一定的夹角，//方向与x轴夹角为α，则┴方向与x轴夹角为α+90°。//方向穆勒矩阵为：
此方向上的斯托克斯参量为：
S//＝M//·SC
经过光电探测器测量的是光电流，即光功率大小，光功率大小就包含S0 //中，因此计算得到：
同理，┴方向的穆勒矩阵为
此方向上的斯托克斯参量为：
S⊥＝M⊥·SC
同理得到，
则经过光电探测器后得到的光电流为：
其中R是常数。
利用差除和的信号处理方法得到
可以看到，出射电流与压力大小成正比，从而可以解调出压力信息。
具体实施时：
一种基于光纤光栅偏振信息检测的压力传感系统中高频动态信息解调方法，包括以下步骤：
S1、外在动态压力加载在传感光纤光栅上，导致透射光的三个斯托科斯参量发生变化，其变化量与压力大小存在线性关系；
S2、通过偏振分束器(PBS)将输出的透射光分成偏振方向相互正交的两束光；
S3、两个光电探测器将光信号转换成电信号；
S4、信号处理模块对两路光电流进行差除和运算，实时监测压力大小。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (5)
1.一种基于光纤光栅偏振信息检测的高频动态信息解调方法，其特征是该方法包括以下步骤：
S1、将外在高频动态压力F加载在传感光纤光栅上，光源的出射光通过前述光纤光栅；
S2、采用偏振分束器PBS接收前述经过光纤光栅的出射光，该出射光为SC，偏振分束器PBS将出射光SC分成偏振相互正交的两束出射光S//和S┴；
S3、前述偏振相互正交的两束出射光S//和S┴分别通过光电检测器PD1、PD2，转换成光电流I1和I2，并且发送至信号处理模块；
S4、信号处理模块对前述光电流I1和I2进行处理，提取高频动态压力F；
步骤S2具体为；偏振分束器PBS将出射光SC分成偏振相互正交的两束出射光S//和S┴；
出射光SC，S//以及S┴的偏振态可用斯托克斯参量分别表示为：
下标0、1、2、3分别表示四个斯托克斯参量；
采用下述公式计算得到出射光S//以及S┴中第一斯托克斯参量分别为：
其中：α表示出射光SC在//方向与参考系的x轴夹角；出射光SC在┴方向与x轴夹角为α+90°。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅偏振信息检测的高频动态信息解调方法，其特征是步骤S1中，外在高频动态压力F加载在传感光纤光栅上，使得透射光的三个斯托科斯参量发生变化，其变化量与压力大小存在线性关系。
3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅偏振信息检测的高频动态信息解调方法，其特征是步骤S3具体为；采用下述公式将偏振相互正交的出射光S//和S┴转换成光电流I1和I2：
其中：R是常数，R的大小取决于所用的光电探测器性能；分别表示出射光SC的第一、第二和第三个斯托克斯参量；α表示出射光SC在//方向与参考系的x轴夹角。
4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅偏振信息检测的高频动态信息解调方法，其特征是步骤S4具体为；
S4-1、信号处理模块对前述光电流I1和I2进行处理，获取输出光电流Iout；
S4-2、采用下述公式提取高频动态压力F；
Iout＝F(k1cos2α+k2sin2α)；
其中：α表示出射光SC在//方向与参考系的x轴夹角，k1、k2、k3为出射光SC的归一化斯托克斯参量对压力F的灵敏度，当传感光纤光栅调整固定后，k1、k2以及角度α均为定值。
5.一种权利要求1-4之一所述的基于光纤光栅偏振信息检测的高频动态信息解调方法所采用的系统，其特征是它包括偏振分束器PBS，光电检测器PD1、PD2和信号处理模块，所述的偏振分束器PBS用于接收含有压力信息的光信号，偏振分束器PBS的两个信号输出端分别接两个光电检测器PD1、PD2的信号输入端，前述光电检测器将光信号转换成电信号，前述两个光电检测器PD1、PD2的信号输出端与信号处理模块的信号输入端相连，解调压力信息。
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