CN107328430A - 基于脉冲光源和稳定干涉仪相结合的传感解调系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于脉冲光源和稳定干涉仪相结合的传感解调系统，应用于光纤传感技术领域，通过引入反馈控制电路，对系统中的干涉仪进行反馈控制，使其工作在稳定的光程差状态，有效地避免外界信号对于干涉仪稳定信号的干扰，从而提高传感信号的解调性能；然后通过在传感光纤中引入反射镜，以实现不同传感器的传感信号的解调。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及一种传感信号的解调技术。
背景技术
随着光纤传感走向实际应用，传感信号的解调技术成为了关键点。例如用光纤光栅构成的传感系统，由于传感量主要是以波长的微小变化为调制信号，所以传感系统中应有精密的波长或波长变化的检测装置。波长解调器的测量精度直接限制了整个系统的检测精度。
在已报道的对传感信号的解调方案中，干涉法解调分辨率高，一般能够达到微应变甚至以下的数量级，它又分为参考光栅法、傅里叶变换分析法、参考干涉图法以及可调光源法，这几种方法对于环境要求过高，且难以操作。
由于分布式光纤传感技术在分布多点温度、压力等测量领域有着举足轻重的地位，其技术逐渐在特殊的测量领域中得到应用，并朝着高精度、低成本、高可靠性、实时性等方向发展。对于分布式光纤传感解调方法也存在多种方案，其中一种方案为干涉解调法。
在干涉法解调系统中，由于系统中含有干涉仪，其易受外界环境因素的影响，导致其输出光强不稳定，从而存在解调精度不高，工作性能不稳定等问题。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提出了一种基于脉冲光源和稳定干涉仪相结合的传感解调系统，通过引入反馈控制电路，对系统中的干涉仪进行反馈控制，使其工作在稳定的光程差状态，有效地避免外界信号对于干涉仪稳定信号的干扰，从而提高传感信号的解调性能。
本发明采用的技术方案是：基于脉冲光源和稳定干涉仪相结合的传感解调系统，包括：用于使干涉仪工作于稳定光程差状态的反馈控制电路，以及解调电路；
所述反馈控制电路包括：直流光源、第一环形器、第一光电探测器、反馈控制系统、相位调制器；所述反馈控制系统为PID控制系统或PDH控制系统；
所述解调电路包括：待解调光源、第二环形器、第三环形器、光纤传感器、第一波分复用器、耦合器、干涉仪、第二波分复用器、第三波分复用器、第四波分复用器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器、模数转换器、以及相位解调器；
所述直流光源产生的直流光信号经第一环形器输入第一光电探测器，第一光电探测器获得的信号输入反馈控制系统，反馈控制系统的输出信号接相位调制器，所述相位调制器与干涉仪中任一条干涉臂相连；
所述直流光信号还经第一环形器输入第一波分复用器；
所述待解调光源发射的待解调光信号经第二环形器输入光纤传感器，经光纤传感器反射回来的待解调光信号依次经第二环形器、第三环形器，输入第一波分复用器与直流光信号汇合，经耦合器耦合进入干涉仪；干涉后的信号经耦合器反射回三路干涉信号，第一路干涉信号依次经第一波分复用器、第三环形器，输入第二波分复用器进行分波，由第二光电探测器探测获得经干涉后的脉冲光信号；第二路干涉信号经第三波分复用器分波后由第三光电探测器探测获得经干涉后的待解调光信号；第三路干涉信号经第四波分复用器分波后由第四光电探测器探测获得经干涉后的待解调光信号；
所述第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器探测获得的经干涉后的待解调光信号通过模数转换器转换为数字信号，输入相位解调器中进行解调。
进一步地，当解调瑞利散射信号时，所述待解调光源为窄线宽脉冲光源，所述光纤传感器为传感光纤。
进一步地，当解调光纤光栅传感信号时，所述待解调光源为宽波长脉冲光源或窄线宽脉冲光源，所述光纤传感器为引入光纤光栅的传感光纤。
更进一步地，所述引入光纤光栅为若干光纤光栅串联。
更进一步地，当待解调光源为宽波长脉冲光源，所述引入的光纤光栅之间的距离大于宽波长脉冲光源宽度所覆盖的传感光纤长度，并且大于干涉仪的光程差。
更进一步地，当待解调光源为窄线宽脉冲光源，所述引入的光纤光栅之间的距离与干涉仪的光程差匹配。
进一步地，当待解调光源为泵浦光源时，所述光纤传感器为光纤激光器。
进一步地，当解调FP信号时，所述待解调光源为窄线宽脉冲光源，所述光纤传感器为引入FP腔的传感光纤。
更进一步地，当待解调光源为窄线宽脉冲光源，所述引入的FP腔之间的距离与干涉仪的光程差匹配。
更进一步地，所述FP腔由两个单一反射界面或布拉格光纤光栅构成。
本发明的有益效果：本发明的基于脉冲光源和稳定干涉仪相结合的传感解调系统，通过引入反馈电路，控制相位调制器补偿干涉仪因外界影响产生的相位差，从而使干涉仪的输出相位达到稳定，解决了目前传感信号解调中，由于使用的干涉仪易受外界环境因素的影响，导致解调精度不高，系统工作稳定性差的问题；本申请所提供的解调系统不仅可以基于无源解调方法解调，也可以基于相位载波方法解调。
附图说明
图1是本发明的基于脉冲光源和稳定干涉仪相结合的传感解调系统示意图；
图2是本发明实施例提供的FBG传感信号解调系统示意图；
其中，11为直流光源，12为脉冲光源，21为第一环形器，22为第二环形器，23为第三环形器，31为第一光电探测器，32为第二光电探测器，33为第三光电探测器，34为第四光电探测器，41为第一波分复用器，42为第二波分复用器，43为第三波分复用器，44为第四波分复用器，5为耦合器，6为PID控制系统或PDH控制系统，7为相位调制器。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
如图1所示，为本发明的方案示意图，本发明的技术方案为：基于脉冲光源和稳定干涉仪相结合的传感解调系统，包括：用于使干涉仪工作于稳定光程差状态的反馈控制电路，以及解调电路；
反馈控制电路包括：直流光源11、第一环形器21、第一光电探测器31、PID控制系统6、相位调制器7；
解调电路包括：待解调光源12、第二环形器22、第三环形器23、光纤传感器、第一波分复用器41、耦合器5、干涉仪、第二波分复用器42、第三波分复用器43、第四波分复用器44、第二光电探测器32、第三光电探测器33、第四光电探测器34、模数转换器、以及相位解调器；
直流光源11产生的直流光信号经第一环形器21输入第一光电探测器31，第一光电探测器31探测获得的信号输入PID控制系统6，PID控制系统6的输出信号接相位调制器7，相位调制器7与干涉仪中任一条干涉臂相连；实现对干涉仪输出的干涉光信号进行相位差补偿，从而使输出的相位达到稳定。
直流光信号还经第一环形器21输入第一波分复用器41；
待解调光源12发射的待解调光信号经第二环形器22输入光纤传感器，经光纤传感器反射回来的光信号依次经第二环形器22、第三环形器23，输入第一波分复用器41与直流光信号汇合，经耦合器5耦合进入干涉仪；干涉后的信号经耦合器5反射回三路干涉信号，第一路干涉信号依次经第一波分复用器41、第三环形器23，输入第二波分复用器42进行分波，由第二光电探测器32探测获得经干涉后的待解调光信号；第二路干涉信号经第三波分复用器43分波后由第三光电探测器33探测获得经干涉后的待解调光信号；第三路干涉信号经第四波分复用器44分波后由第四光电探测器34探测获得经干涉后的待解调光信号；
干涉信号中包括干涉后的待解调光信号与干涉后的直流光信号。
第二光电探测器32、第三光电探测器33、第四光电探测器34探测到的经干涉后的待解调光信号通过模数转换器转换为数字信号，输入相位解调器中进行解调，解调出光纤传感器中光信号由于受到外界干扰的相位变化。
当待解调光源12为窄线宽脉冲光源时，光纤传感器为传感光纤，此时该系统用于解调瑞利散射信号；通过在传感光纤中引入反射镜，以实现不同传感器的传感信号的解调。加入反射镜后，其反射信号远远大于瑞利散射信号，可远远提高信噪比。
反射镜具体为：光纤光栅或FP腔(Fabry-perot Cavity，法布里-珀罗腔)。
当反射镜为光纤光栅时，通过将多个光栅串联实现分布式多点传感，此时，本申请的系统用于解调FBG传感信号，待解调光源12为宽波长脉冲光源或窄线宽脉冲光源。当脉冲光源为宽波长光源时，宽波长光源占有一定的波长范围λ0～λ1，如图2所示，该光源通过环形器入射到串接联有FBG(Fiber Bragg Grating，光纤光栅)的光纤中，FBG的反射信号可反射回进入已稳定的接收干涉仪；
干涉仪的稳定是采用另一个直流光信号λ2，组合探测器，相位调制器形成反馈控制电路对干涉仪进行反馈控制，使其工作在以稳定光程差的状态，从而有效地避免外界信号对干涉仪稳定信号的干扰；λ2与宽波长光源不在同一波段，由此可由波分复用器进行分波和复波。
当解调FBG传感信号，待解调光源12为宽波长脉冲光源时，FBG间的间距只需大于宽波长脉冲光源宽度所覆盖的光纤长度以及干涉仪的OPD(optical path difference，光程差)；并且FBG的带宽所对应的相干长度要大于干涉仪的光程差。
当解调FBG传感信号，待解调光源12为窄线宽脉冲光源时，FBG间的距离与干涉仪的光程差匹配，即同一个反射面(FBG)反射回的脉冲光发生干涉，不同反射面的反射脉冲光不重叠，即不产生干涉。
待解调光源12为泵浦光源时，本申请的系统解调的信号是光纤激光器，由泵浦激光器给光纤激光器提供能量产生激光，光纤传感器对应光纤激光器，例如，引入FP腔并掺铒或掺镱形成的光纤激光器；激光器发出的波长变化会随外界参量的变化而变化，波长的变化基于上述同样的原理进行解调。
当解调FP信号时，待解调光源12为窄线宽脉冲光源，光纤传感器为引入FP腔的传感光纤；通过将FP腔串接在光纤中实现分布式测量；并且所述引入的FP腔之间的距离与干涉仪的光程差匹配。
所述FP腔由两个单一反射界面或布拉格光纤光栅构成。
本申请中的PID控制系统还替换为PDH控制系统。
本申请中的干涉仪可以采用马赫-泽德尔干涉仪(M-Z)或迈克尔逊干涉仪(Michelson)或赛格纳克干涉仪(Sagnac)等干涉仪，可利用2×2，3×3或者4×4耦合器组成。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.基于脉冲光源和稳定干涉仪相结合的传感解调系统，其特征在于，包括：用于使干涉仪工作于稳定光程差状态的反馈控制电路，以及解调电路；
所述反馈控制电路包括：直流光源、第一环形器、第一光电探测器、反馈控制系统、相位调制器；所述反馈控制系统为PID控制系统或PDH控制系统；
所述解调电路包括：待解调光源、第二环形器、第三环形器、光纤传感器、第一波分复用器、耦合器、干涉仪、第二波分复用器、第三波分复用器、第四波分复用器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器、模数转换器、以及相位解调器；
所述直流光源产生的直流光信号经第一环形器输入第一光电探测器，第一光电探测器获得的信号输入反馈控制系统，反馈控制系统的输出信号接相位调制器，所述相位调制器与干涉仪中任一条干涉臂相连；
所述直流光信号还经第一环形器输入第一波分复用器；
所述待解调光源发射的待解调光信号经第二环形器输入光纤传感器，经光纤传感器反射回来的待解调光信号依次经第二环形器、第三环形器，输入第一波分复用器与直流光信号汇合，经耦合器耦合进入干涉仪；干涉后的信号经耦合器反射回三路干涉信号，第一路干涉信号依次经第一波分复用器、第三环形器，输入第二波分复用器进行分波，由第二光电探测器探测获得经干涉后的脉冲光信号；第二路干涉信号经第三波分复用器分波后由第三光电探测器探测获得经干涉后的待解调光信号；第三路干涉信号经第四波分复用器分波后由第四光电探测器探测获得经干涉后的待解调光信号；
所述第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器探测获得的经干涉后的待解调光信号通过模数转换器转换为数字信号，输入相位解调器中进行解调。
2.根据权利要求1所述的基于脉冲光源和稳定干涉仪相结合的传感解调系统，其特征在于，当解调瑞利散射信号时，所述待解调光源为窄线宽脉冲光源，所述光纤传感器为传感光纤。
3.根据权利要求1所述的基于脉冲光源和稳定干涉仪相结合的传感解调系统，其特征在于，当解调光纤光栅传感信号时，所述待解调光源为宽波长脉冲光源或窄线宽脉冲光源，所述光纤传感器为引入光纤光栅的传感光纤。
4.根据权利要求3所述的基于脉冲光源和稳定干涉仪相结合的传感解调系统，其特征在于，所述引入光纤光栅为若干光纤光栅串联。
5.根据权利要求4所述的基于脉冲光源和稳定干涉仪相结合的传感解调系统，其特征在于，当待解调光源为宽波长脉冲光源，所述引入的光纤光栅之间的距离大于宽波长脉冲光源宽度所覆盖的传感光纤长度，并且大于干涉仪的光程差。
6.根据权利要求4所述的基于脉冲光源和稳定干涉仪相结合的传感解调系统，其特征在于，当待解调光源为窄线宽脉冲光源，所述引入的光纤光栅之间的距离与干涉仪的光程差匹配。
7.根据权利要求1所述的基于脉冲光源和稳定干涉仪相结合的传感解调系统，其特征在于，当待解调光源为泵浦光源时，所述光纤传感器为光纤激光器。
8.根据权利要求1所述的基于脉冲光源和稳定干涉仪相结合的传感解调系统，其特征在于，当解调FP信号时，所述待解调光源为窄线宽脉冲光源，所述光纤传感器为引入FP腔的传感光纤。
9.根据权利要求7所述的基于脉冲光源和稳定干涉仪相结合的传感解调系统，其特征在于，当待解调光源为窄线宽脉冲光源，所述引入的FP腔之间的距离与干涉仪的光程差匹配。
10.根据权利要求8或权利要求9所述的基于脉冲光源和稳定干涉仪相结合的传感解调系统，其特征在于，所述FP腔由两个单一反射界面或布拉格光纤光栅构成。
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| CN109489698A (zh) * | 2018-11-21 | 2019-03-19 | 电子科技大学 | 一种基于稳定干涉仪的fbg解调系统 |
| CN109489698B (zh) * | 2018-11-21 | 2020-01-14 | 电子科技大学 | 一种基于稳定干涉仪的fbg解调系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107328430B (zh) | 2020-06-26 |
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