CN109000687B - 一种基于偏芯相移光纤光栅的曲率解调装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于偏芯相移光纤光栅的曲率解调装置及其方法，装置包括激光器、偏振控制器、电光相位调制器、光环形器、曲率传感器、掺铒光纤放大器、光电探测器、射频功分器和微波功率放大器；所述的曲率传感器为在纤芯写入相移光纤光栅的偏芯光纤。本发明通过测量光电振荡器(激光器、偏振控制器、电光相位调制器、光环形器、曲率传感器、掺铒光纤放大器、光电探测器、射频功分器和微波功率放大器所组成的闭合环路构成了光电振荡器，偏芯的相移光纤光栅作为光电振荡器的选频装置，其反射谱中的陷波中心与曲率大小和弯曲方向有关)生成的微波信号频率，可解调曲率传感器的曲率值及弯曲方向。
Description
技术领域
本发明涉及光纤光栅传感领域，尤其涉及一种基于偏芯相移光纤光栅的曲率解调装置及其方法。
背景技术
曲率是描述物体形状的一个重要参数，通过对曲率的测量可以了解物体形状的变化趋势。曲率传感器在工业、基础设施建设、航空航天等领域应用广泛，到目前为止已经提出了多种弯曲曲率传感器并且进行了深入的研究，其中基于光纤光栅的曲率传感器由于具有体积小、重量轻、抗电磁干扰和准分布式测量等优点，一直是国内外学者关注的焦点。
例如Zhou Q,Zhang W,Chen L等人提出了一种光纤光栅矢量弯曲传感器(Zhou Q,Zhang W,Chen L,et al.Bending vector sensor based on a sector-shaped long-period grating[J].IEEE Photonics Technology Letters,2015,27(7):713-716.)，通过在标准单模光纤中写入倾斜的长周期光纤光栅构造传感结构的非对称特性。当传感器发生弯曲的时候会导致长周期光纤光栅的反射谱发生漂移，通过光谱仪解调出的反射谱漂移量可以得到传感器感测的曲率值。
又如Kong J,ZhouA,Cheng C等人提出了一种基于级联偏芯光纤布拉格光栅的双轴弯曲传感器(Kong J,Zhou A,Cheng C,et al.Two-Axis Bending Sensor Based onCascaded Eccentric Core Fiber Bragg Gratings[J].IEEE Photonics TechnologyLetters,2016,28(11):1237-1240.)，该传感器由两个分别写入光纤布拉格光栅的偏芯光纤正交熔接构成。每个光纤布拉格光栅对沿纤芯偏移方向的弯曲是最敏感的，对其垂直方向的弯曲最不敏感。当一个偏芯布拉格光栅处于最不敏感的弯曲状态时，另一个纤芯布拉格光栅一定处于最敏感的状态。通过光谱仪解调两个布拉格光栅反射谱的漂移量可以判别二维弯曲方向和曲率值。
然而，现有的光纤光栅曲率传感器的解调方式大多都是通过光谱仪测量光纤光栅反射波长的变化量，从而实现曲率值解调。利用光谱仪对曲率传感器的波长解调，不但解调设备昂贵，而且解调精度有限，难以实现对曲率的高精度传感。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于偏芯相移光纤光栅的曲率解调装置及其方法，通过在偏芯光纤纤芯中写入相移光纤光栅构成曲率传感器实现曲率解调装置，其中传感器具有灵敏度高、可区分弯曲方向等特点。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于偏芯相移光纤光栅的曲率解调装置，包括激光器、偏振控制器、电光相位调制器、光环形器、曲率传感器、掺铒光纤放大器、光电探测器、射频功分器和微波功率放大器；
激光器的输出端与偏振控制器连接，偏振控制器的输出端与电光相位调制器连接，电光相位调制器的输出端与光环形器1端口连接，光环形器2端口与曲率传感器双向连接，光环形器3端口与掺铒光纤放大器连接，掺铒光纤放大器的输出端与光电探测器连接，光电探测器的输出端与射频功分器连接，射频功分器的其中一个输出端与微波功率放大器连接，微波功率放大器的输出端与电光相位调制器连接，射频功分器的另外一个输出端输出测量信号；
所述的曲率传感器为在纤芯写入相移光纤光栅的偏芯光纤。
进一步地，所述的激光器为窄线宽可调谐激光器。
进一步地，所述的曲率传感器的传感信息通过与曲率传感器连接的标准单模光纤提取，所述偏芯光纤与所述标准单模光纤具有相同的纤芯直径，以减少连接损耗；其余光路均使用普通单模光纤连接。
进一步地，所述的曲率传感器为写入相移光纤光栅的单芯偏芯光纤或者在非中心纤芯中写入相移光纤光栅的多芯光纤。
本发明还提供一种基于偏芯相移光纤光栅的曲率解调方法，采用所述的装置，包括以下步骤：
S01：激光器输出信号经偏振控制器进入电光相位调制器；
S02：电光相位调制器产生的相位调制信号进入光环形器1端口，并从光环形器2端口输出，进入相移光纤光栅；
S03：相位调制信号被相移光纤光栅反射后，再次进入光环形器2端口并从光环形器3端口输出；
S04：从光环形器3端口输出的信号经掺铒光纤放大器放大后在光电探测器处拍频生成微波信号；
S05：当微波信号通过射频功分器后会分成两路信号输出，其中一路信号被微波功率放大器放大后作为反馈信号注入相位调制器的射频调制端口，实现反馈调制；另一路信号用于输出测量；
S06：通过测量生成的输出信号，从而解调曲率传感器的曲率值及弯曲方向。
进一步地，当相移光纤光栅受拉应变的时候，中心波长增大，陷波中心随反射谱向长波长方向漂移；当相移光纤光栅受压应变的时候，中心波长减小，陷波中心随反射谱向短波长方向漂移；从而导致光源载波与相移光纤光栅反射谱的陷波中心频率差发生改变，进而输出微波信号频率随之改变。
进一步地，在步骤S01和S02中，激光器输出连续波信号，经电光相位调制器产生相位调制信号，设电光相位调制器工作在小信号调制，则输出调制信号仅包含载波和±1阶边带，可表示为：
其中：ω0、
分别为光源载波的角频率和初始相位，Jn(KV)代表n阶第一类贝塞尔函数,K为相位调制指数，V、ωm分别为调制信号的强度和角频率，t表示时间。
进一步地，在步骤S03中，电光相位调制器产生的调制信号进入光环形器1端口，随后从光环形器2端口输出，进入相移光纤光栅；相位调制信号的某一阶边带被相移光纤光栅反射谱的陷波中心滤除，而包括载波和另一一阶边带的剩余频谱分量被反射后再次进入光环形器2端口并从光环形器3端口中输出。
进一步地，在步骤S04中，从光环形器3端口输出的信号经掺铒光纤放大器放大后在光电探测器处拍频产生微波信号，微波信号的频率f由光源载波与相移光纤光栅反射谱的陷波中心频率差值决定，表示为：
其中：fPS-FBG为相移光纤光栅的陷波频率，λPS-FBG为相移光纤光栅的对应波长，flaser为光源载波的中心频率，λlaser为光源载波的对应中心波长,c为光在真空中的传播速度，neff为纤芯有效折射率。
进一步地，由于偏芯纤芯不在光纤的中性轴处，当曲率传感器弯曲时，相移光纤光栅处的轴向应变将发生改变，使得相移光纤光栅反射谱的中心波长会发生漂移；相移光纤光栅反射谱的陷波波长变化量ΔλPS-FBG与光纤弯曲引入的应变量ε满足以下对应关系：
ΔλPS-FBG＝λPS-FBG·(1-P)·ε (3)
其中：P为光纤的光弹性系数，λPS-FBG为相移光纤光栅初始中心波长；由式(2)、(3)可知，光电振荡器输出的微波信号频率变化量Δf为：
假设弯曲方向平行于偏芯纤芯与光纤中性轴所构平面，则应变量ε、曲率C之间存在以下关系：
这里ρ为曲率传感器感测位置的曲率半径，r为偏芯纤芯到中性轴的距离；将式(5)代入式(4)中可得到微波信号频率变化量Δf与曲率C的关系：
由公式(6)可知，当曲率传感器发生弯曲时，会导致光电振荡器输出微波信号频率发生变化，且频率变化量与曲率成线性关系；因此在步骤S06中，通过测量微波信号的频率可方便的解调曲率传感器的曲率值并判断弯曲方向。
本发明的有益效果是：
本发明通过测量光电振荡器(激光器、偏振控制器、电光相位调制器、光环形器、曲率传感器、掺铒光纤放大器、光电探测器、射频功分器和微波功率放大器所组成的闭合环路构成了光电振荡器，偏芯的相移光纤光栅作为光电振荡器的选频装置，其反射谱中的陷波中心与曲率大小和弯曲方向有关)生成的微波信号频率，可解调曲率传感器的曲率值及弯曲方向。相对于在光域测量波长变化量来解调曲率值的方法，在微波域测量信号频谱的变化量，可以大大提高传感解调的精度。同时，当偏芯光纤中纤芯与中性轴距离越远，传感器的灵敏度越高，在传感器曲率值和弯曲方向不变的情况下，纤芯离中性轴越远，导致的微波信号频率变化量也就越大。
附图说明
图1为本发明装置方框图；
图2为本发明曲率传感器的结构示意图；
图3为实验测得的偏芯相移光纤光栅反射谱示意图；
图4为图3的反射谱中陷波的具体位置示意图；
图5为相移光纤光栅无弯曲和发生弯曲的反射谱原理图；
图6为相移光纤光栅无弯曲和发生弯曲的电光振荡器输出的产生的微波频率原理图；
图7是曲率及弯曲方向与微波信号频率变化量的关系图。
图中，1-激光器，2-偏振控制器，3-电光相位调制器，4-光环形器，5-曲率传感器，51-偏芯光纤，52-纤芯，53-相移光纤光栅，54-中性轴，6-掺铒光纤放大器，7-光电探测器，8-射频功分器，9-微波功率放大器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，属于“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本实施例提供一种基于偏芯相移光纤光栅53的曲率解调装置，可应用于工业、基础设施建设、航空航天等领域，根据对曲率的测量了解物体形状的变化趋势。如图1所示，包括激光器1、偏振控制器2、电光相位调制器3、光环形器4、曲率传感器5、掺铒光纤放大器6、光电探测器7、射频功分器8和微波功率放大器9；其中，激光器1的输出端与偏振控制器2连接，偏振控制器2的输出端与电光相位调制器3连接，电光相位调制器3的输出端与光环形器4的1端口连接，光环形器4的2端口与曲率传感器5双向连接，光环形器4的3端口与掺铒光纤放大器6连接，掺铒光纤放大器6的输出端与光电探测器7连接，光电探测器7的输出端与射频功分器8连接，射频功分器8的其中一个输出端与微波功率放大器9连接，微波功率放大器9的输出端与电光相位调制器3连接，射频功分器8的另外一个输出端输出测量信号；如图2所示，所述的曲率传感器5为在纤芯52写入相移光纤光栅53的偏芯光纤51。
在现有技术中，光纤光栅曲率传感器的解调方式大多都是通过光谱仪测量光纤光栅反射波长的变化量，从而实现曲率值解调。利用光谱仪对曲率传感器的波长解调，不但解调设备昂贵，而且解调精度有限，难以实现对曲率的高精度传感。
而在本实施例中，激光器1、偏振控制器2、电光相位调制器3、光环形器4、曲率传感器5、掺铒光纤放大器6、光电探测器7、射频功分器8和微波功率放大器9所组成的闭合环路构成了光电振荡器，偏芯的相移光纤光栅53作为光电振荡器的选频装置，选定振荡频率，其反射谱中的陷波中心与曲率大小和弯曲方向有关。
当曲率传感器5弯曲时，将引起纤芯52中的相移光纤光栅53的反射谱中心波长发生漂移，导致光电振荡器输出微波信号频率发生变化。由于输出微波信号频率与所设计的曲率传感器5的曲率成线性关系，因此通过测量微波信号的频率可方便的解调曲率值以及弯曲方向。
具体地，当相移光纤光栅53受拉应变的时候，中心波长增大，陷波中心随反射谱向长波长方向漂移；当相移光纤光栅53受压应变的时候，中心波长减小，陷波中心随反射谱向短波长方向漂移；从而导致光源载波与相移光纤光栅53反射谱的陷波中心频率差发生改变，进而光电振荡器的输出微波信号频率随之改变。通过测量光电振荡器生成的微波信号频率，即可解调曲率传感器5的曲率值及弯曲方向。
另外，对于偏芯光纤51，当偏芯光纤51中纤芯52与中性轴54距离越远，曲率传感器5的灵敏度越高，在曲率传感器5曲率值和弯曲方向不变的情况下，纤芯52离中性轴54越远，导致的微波信号频率变化量也就越大。
更优地，在本实施例中，所述的激光器1为窄线宽可调谐激光器1。
更优地，在本实施例中，所述的曲率传感器5的传感信息通过与曲率传感器连接的标准单模光纤提取，所述偏芯光纤51与所述标准单模光纤具有相同的纤芯52直径，以减少连接损耗。
其中，整个光路中除了曲率传感器5是偏芯光纤以外,其余的连接都是用的标准单模光纤而这里提到的传感信号通过与标准单模光纤连接提取，指的是光环行器2端口与曲率传感器之间。另外，除曲率传感器之外，所有光路均使用普通单模光纤连接。
更优地，在本实施例中，所述的曲率传感器5为写入相移光纤光栅53的单芯偏芯光纤51或者在非中心纤芯中写入相移光纤光栅53的多芯光纤。
实施例2
本实施例提供一种基于偏芯相移光纤光栅的曲率解调方法，该方法需要利用实施例1中的装置，并且与实施例1类似地，可应用于工业、基础设施建设、航空航天等领域，根据对曲率的测量了解物体形状的变化趋势。一种基于偏芯相移光纤光栅53的曲率解调方法，采用所述的装置，包括以下步骤S01～S6：
S01：激光器1输出信号经偏振控制器2进入电光相位调制器3；
其中，优选地，在本实施例中，激光器1输出连续波信号，经电光相位调制器3产生相位调制信号。
S02：电光相位调制器3产生的相位调制信号进入光环形器4的1端口，并从光环形器4的2端口输出，进入相移光纤光栅53；
其中，优选地，在本实施例中，设电光相位调制器3工作在小信号调制，则输出调制信号仅包含载波和±1阶边带，可表示为：
其中：ω0、
分别为光源载波的角频率和初始相位，Jn(KV)代表n阶第一类贝塞尔函数,K为相位调制指数，V、ωm分别为调制信号的强度和角频率，t表示时间。电光相位调制器3产生的上式的调制信号进入光环形器4的1端口，随后从光环形器4的2端口输出，进入相移光纤光栅53。
S03：相位调制信号被相移光纤光栅53反射后，再次进入光环形器4的2端口并从光环形器4的3端口输出；
其中，优选地，在本实施例中，相位调制信号的某一阶边带被相移光纤光栅53反射谱的陷波中心滤除，而包括载波和另一一阶边带的剩余频谱分量被反射后再次进入光环形器4的2端口并从光环形器4的3端口中输出。
S04：从光环形器4的3端口输出的信号经掺铒光纤放大器6放大后在光电探测器7处拍频生成微波信号；
其中，优选地，在本实施例中，从光环形器4的3端口输出的信号经掺铒光纤放大器6放大后在光电探测器7处拍频产生微波信号，微波信号的频率f由光源载波与相移光纤光栅53反射谱的陷波中心频率差值决定，表示为：
其中：fPS-FBG为相移光纤光栅53的陷波频率，λPS-FBG为相移光纤光栅53的对应波长，flaser为光源载波的中心频率，λlaser为光源载波的对应中心波长,c为光在真空中的传播速度，neff为纤芯52有效折射率。
S05：当微波信号通过射频功分器8后会分成两路信号输出，其中一路信号被微波功率放大器9放大后作为反馈信号注入相位调制器的射频调制端口，实现反馈调制；另一路信号用于输出测量信号；
S06：通过测量生成的测量信号，从而解调曲率传感器5的曲率值及弯曲方向。
其中，当相移光纤光栅53受拉应变的时候，中心波长增大，陷波中心随反射谱向长波长方向漂移；当相移光纤光栅53受压应变的时候，中心波长减小，陷波中心随反射谱向短波长方向漂移；从而导致光源载波与相移光纤光栅53反射谱的陷波中心频率差发生改变，进而输出微波信号频率随之改变。
具体地，由于偏芯纤芯52不在光纤的中性轴54处，当曲率传感器5弯曲时，相移光纤光栅53处的轴向应变将发生改变，使得相移光纤光栅53反射谱的中心波长会发生漂移；相移光纤光栅53反射谱的陷波波长变化量ΔλPS-FBG与光纤弯曲引入的应变量ε满足以下对应关系：
ΔλPS-FBG＝λPS-FBG·(1-P)·ε (3)
其中：P为光纤的光弹性系数，λPS-FBG为相移光纤光栅53初始中心波长；由式(2)、(3)可知，光电振荡器输出的微波信号频率变化量Δf为：
假设弯曲方向平行于偏芯纤芯52与光纤中性轴54所构平面，则应变量ε、曲率C之间存在以下关系：
这里ρ为曲率传感器5感测位置的曲率半径，r为偏芯纤芯52到中性轴54的距离；将式(5)代入式(4)中可得到微波信号频率变化量Δf与曲率C的关系：
由公式(6)可知，当曲率传感器5发生弯曲时，会导致光电振荡器输出微波信号频率发生变化，且频率变化量与曲率成线性关系；因此在步骤S06中，通过测量微波信号的频率可方便的解调曲率传感器5的曲率值并判断弯曲方向。
实施例3
本实施提供了一种基于偏芯相移光纤光栅的曲率解调装置/方法的一组实验数据。
如图5和图6所示，调节激光器1，使其激光输出中心波长对应于相移光纤光栅53反射谱中靠近陷波左侧顶部平坦区域内，偏芯相移光纤光栅53作为光电振荡器的选频装置，其中，在图5中，实线表示无弯曲时的相移光纤光栅53反射谱，虚线表示相移光纤光栅53发生弯曲时导致的反射谱漂移；而在图6中，实线表示为无弯曲时光电振荡器产生的微波频率f1，虚线表示受到弯曲后解调出的微波频率f2。
图3和图4分别给出了在本实施例的实验测得的偏芯相移光纤光栅52的反射谱及陷波位置，从图中可以看出陷波中心波长大约为1545.45nm，光电振荡器输出微波信号频率为光源载波频率与相移光纤光栅52的陷波中心频率差值。
实验中，曲率传感器5的弯曲方向与相移光纤光栅53和光纤中性轴54所构造平面一致，图7给出了激光输出中心波长对应于相移光纤光栅53反射谱中靠近陷波左侧顶部平坦区域时的曲率值和弯曲方向的判别方法。
①当偏芯纤芯52处于光纤中性轴54上方时，即如图2所示。若曲率传感器5向上弯曲呈“凸”形，此时相移光纤光栅53被拉伸，其中心波长向长波长方向漂移，根据理论分析推导的公式可知，输出微波信号频率增大；若曲率传感器5向下弯曲呈“凹”形，此时相移光纤光栅53被压缩，其中心波长向短波长方向漂移，输出微波信号频率减小。
②当偏芯纤芯52处于光纤中性轴54下方时，若曲率传感器5向上弯曲呈“凸”形，此时相移光纤光栅53被压缩，其中心波长向短波长方向漂移，输出微波信号频率减小；若曲率传感器5向下弯曲呈“凹”形，此时相移光纤光栅53被拉伸，其中心波长向长波长方向漂移，输出微波信号频率增大。
根据上述理论分析和公式推导，当激光输出中心波长对应于相移光纤光栅53反射谱中靠近陷波右侧顶部平坦区域内的时候，判别结果将会与上述结果相反，可以根据上面的例子自行推导，在应用中需根据实际情况选择不同的判别方法。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (6)
1.一种基于偏芯相移光纤光栅的曲率解调装置，其特征在于：
包括激光器、偏振控制器、电光相位调制器、光环形器、曲率传感器、掺铒光纤放大器、光电探测器、射频功分器和微波功率放大器；
激光器的输出端与偏振控制器连接，偏振控制器的输出端与电光相位调制器连接，电光相位调制器的输出端与光环形器1端口连接，光环形器2端口与曲率传感器双向连接，光环形器3端口与掺铒光纤放大器连接，掺铒光纤放大器的输出端与光电探测器连接，光电探测器的输出端与射频功分器连接，射频功分器的其中一个输出端与微波功率放大器连接，微波功率放大器的输出端与电光相位调制器连接，射频功分器的另外一个输出端输出测量信号；
所述的曲率传感器为在纤芯写入相移光纤光栅的偏芯光纤；
对于偏芯光纤，当偏芯光纤中纤芯与中性轴距离越远，曲率传感器的灵敏度越高，在曲率传感器曲率值和弯曲方向不变的情况下，纤芯离中性轴越远，导致的曲率解调装置输出的微波信号频率变化量也就越大。
2.根据权利要求1所述的一种基于偏芯相移光纤光栅的曲率解调装置，其特征在于：所述的激光器为窄线宽可调谐激光器。
3.根据权利要求1所述的一种基于偏芯相移光纤光栅的曲率解调装置，其特征在于：所述的曲率传感器的传感信息通过与曲率传感器连接的标准单模光纤提取，所述偏芯光纤与所述标准单模光纤具有相同的纤芯直径，以减少连接损耗。
4.根据权利要求1所述的一种基于偏芯相移光纤光栅的曲率解调装置，其特征在于：所述的曲率传感器为写入相移光纤光栅的单芯偏芯光纤或者在非中心纤芯中写入相移光纤光栅的多芯光纤。
5.一种基于偏芯相移光纤光栅的曲率解调方法，采用权利要求1～4中任意一项所述的装置，其特征在于：包括以下步骤：
S01：激光器输出信号经偏振控制器进入电光相位调制器；
S02：电光相位调制器产生的相位调制信号进入光环形器1端口，并从光环形器2端口输出，进入相移光纤光栅；
S03：相位调制信号被相移光纤光栅反射后，再次进入光环形器2端口并从光环形器3端口输出；
S04：从光环形器3端口输出的信号经掺铒光纤放大器放大后在光电探测器处拍频生成微波信号；
S05：当微波信号通过射频功分器后会分成两路信号输出，其中一路信号被微波功率放大器放大后作为反馈信号注入相位调制器的射频调制端口，实现反馈调制；另一路信号用于输出测量；
S06：通过测量生成的输出信号，从而解调曲率传感器的曲率值及弯曲方向。
6.根据权利要求5所述的一种基于偏芯相移光纤光栅的曲率解调方法，其特征在于：当相移光纤光栅受拉应变的时候，中心波长增大，陷波中心随反射谱向长波长方向漂移；当相移光纤光栅受压应变的时候，中心波长减小，陷波中心随反射谱向短波长方向漂移；从而导致光源载波与相移光纤光栅反射谱的陷波中心频率差发生改变，进而输出微波信号频率随之改变。
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