CN109186643A - 一种基于反射功能谐振滤波器的精确传感系统及传感方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于反射功能谐振滤波器的精确传感系统，包括激光光源、相位调制器、信号源、光纤环形器、具有反射功能的光学谐振滤波器、光电探测器、高速模数转换器及数据分析处理模块，激光光源输出的连续信号光经过相位调制器后各边带和载波相互拍频，信号光载波、上边带、下边带经过具有反射功能的谐振滤波器后相位发生变化，载波和边带都产生了一个相位延迟，从而打破了相位之间的平衡状态，使拍频信号可以被探测器探测到。本发明还公开了一种基于该传感系统的方法，当滤波器的中心波长随环境漂移，光载波对应相位响应曲线不同的位置，通过不同幅度的频谱输出解调出中心反射波长实现环境参量监测。
Description
技术领域
本发明涉及微波光子学及光纤传感技术领域，具体的说，是一种基于反射功能谐振滤波器的 精确传感系统及传感方法。
背景技术
随着光电子器件以及微波通信技术的快速发展，形成了光学和电学的交叉学科，即微波光 子学。微波光子技术具有带宽高、重量轻、抗电磁干扰以及损耗低等优点，对微波信号的发生、 传输和处理等方面都有很大的优势，并且被广泛应用于通信、军事等方面。其中，使用铌酸锂 晶体作为调制器主要构造的相位调制器迅速发展，一些光载射频技术和模拟光传输系统也由 强度调制-直接检测逐步被相位调制替代，这种调制方式完全避免了强度调制-直接检测的直 流偏置点漂移等弊端。
作为一种新型的光纤无源器件，近年来以光纤光栅为主的光学谐振滤波器的研究受到广 泛关注。目前，结合现在的技术，光纤光栅传感器可以对这些物理量进行精确测量：温度、应变、 位移、压力、扭角、压强、加速度磁场、电场、频率、热膨胀系数等。通常，外界的温度、应 变和压力等变化直接影响谐振滤波器反射谱的中心波长，如果需要得到更加精确的测量值， 那么还需要对中心波长的变化量进行准确监测。通常利用光谱仪解调FBG方法，由于光谱仪 是采用衍射和色散光栅来进行波长测量，所以分辨率很低，并且光谱仪价格相对昂贵，体积 庞大，很多情况无法满足FBG解调要求。匹配光栅FBG解调法解调精度非常高，信噪比指标 也非常好，但解调频率极大地受到PZT的响应速度的限制，因此无法对快速变化的物理量进 行精确测量。并且该方法要求待测FBG与参考FBG完全匹配，从制作工艺上讲，很难做到。 并且相对其他方法，其FBG波长解调范围很小，并且不能同时解调多个FBG。干涉法解调法 的解调精度相对其他方法最高，并且对于高速变化(频率大于100Hz)的物理量可以进行很 好的检测解调，但是该方法对于工艺的要求也最高，并且该方法对外界因素造成的干扰十分 敏感，所以要对检测环境要求非常高，同时该方法只适用于动态测量，无法进行静态测量， 从而也限制了该方法的应用范围。可调谐窄带滤波器解调方法和可调谐窄线宽激光器扫描法 都是很有应用前景的解调方案，其测量精度高，并且体积小巧，易于与FBG传感网络集成。 但是这两种方法很大程度上依赖PZT的工作性能和F-P的精细度，而PZT在高频电压下的稳 定度差，而高精度的F-P主要靠外国进口，所以成本较高。阵列波导光栅(AWG)解调法有极 高的精度，但是由于其对于阵列波导光栅的依赖大，解调范围受到AWG通道数和工作波长范 围的限制，并且该解调方法使用宽带光源，将有限的光功率分散到多个通道里，造成光谱资 源浪费和信噪比下降。光纤环形腔衰落解调方法使用窄带光源，并且核心装置为光纤环，造 价低廉，在非常多的情况下适用。但其需要MEMS等机械扫描装置，并需要很精确的后期数据 处理，所以很大程度上限制了该解调方法的解调速率。综上所述，以上几种FBG解调方法各 有所长，但都无法避免对于机械扫描装置的依赖，而且大多需要的器件设备造价昂贵，成本 大大提高。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于反射功能谐振滤波器的精确传感 系统及传感方法，进一步降低传感系统解调部分的复杂度，降低系统引入的噪声，提高了在 传感元件反射谱变化平缓区域的传感分辨率，减少了插入损耗等。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种基于具有反射功能的谐振滤 波器反射响应的精确传感系统，其特征在于，包括：
固定波长激光器，作为传感系统所需光源；
相位调制器，包含2个光学端口和1个电学端口，其光学输入端与激光器输出端相连， 用来对光源发出的光进行相位调制，产生载波边带；
微波信号源，作为相位调制器的信号源，输出函数信号，与相位调制器电学射频口相连 接；
光纤环形器，该环形器至少包含三个端口，a端口与b端口相通，b端口与c端口相通， c端口与a端口隔离，环形器a端口与相位调制器的输出端相连接，环形器的b端输出连入 具有反射功能的光学谐振滤波器，激光经光滤波器反射后返回进入环形器c端；
具有反射功能的光学谐振滤波器，滤波器输入端与环形器b端口相连，输出端悬空，激 光经滤波器反射后再次经由b端进入环形器c端，而不会返回到a端，所用具有反射功能的 光学谐振滤波器既作为系统中的鉴频元件，同时也起传感作用；
光电探测器，该探测器与环形器c端相连，将最终输出的光信号转为电信号以便探测；
高速模数转换器，与探测器输出端相连，将探测到的模拟信号转换为数字信号以便最后 作数据处理；
数据分析处理模块，对数字信号进行FFT变换，得到频谱，以便比较不同温度下的输出 频谱幅度。
数据处理模块所用的算法可以使用机器学习和神经网络算法对数据进行训练，采集样本， 进行样本归一化，对权值和阈值初始化，进行运算和反馈，将误差缩小到要求的范围。
一项利用上述系统的精确传感方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)确定固定波长激光器的输出光功率为P0；
(2)若光电探测器检测到接收端光功率的变化大于Δp，则启动常规的基于光功率的检测方 法，即通过测量滤波器反射的光功率大小变化进行传感监测。当被测参量发生改变时，具有 反射功能的谐振滤波器的中心波长随待测参量变化而发生漂移，从而使反射回来的激光束光 功率发生变化；
(3)若光电探测器检测到接收端光功率的变化小于Δp，则启动基于相位-幅度调制转换的 检测方法。在功率变化幅度较小的温度区间，此时滤波器的相位响应随着谐振频率变化较明 显。运用基于相位到幅度调制转换的方法，通过计算由环境参量变化导致相位变化而改变的 输出频谱幅度，即可对环境参量进行传感，提高传感分辨率及精确度；
(4)若两种方法均没有检测到温度改变，表明温度稳定在某一个较小的范围。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
1)本发明提供的一种基于反射功能谐振滤波器的精确传感系统，通过外调制的方法对输出 光进行调制，不需要使用可调谐激光器，也可使用宽谱激光光源，降低了光源要求。
2)本发明采用基于反射功能谐振滤波器的鉴频方法和相位调制-强度调制技术，通过输出电 频谱幅度变化对环境进行精确传感，不需要使用光谱仪对波长进行解调，减少了系统成 本，传感精确度也不受光谱仪的工作原理所限。
3)本发明将微波光子学的信号产生原理与光纤传感原理相结合，在反射谱变化较平坦的区 域实现相位测量，提高了传感系统的测量精度和动态范围。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于反射功能谐振滤波器的精确传感系统的结构示意图。
图2为光纤光栅反射谱的幅度响应。
图3为光纤光栅反射谱的相位响应。
图4为环境温度为28℃时的输出频谱。
图5为环境温度为28.4℃时的输出频谱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，传感系统所用光源1是一台带有输出尾纤的DFB激光器，其输出光经过相 位调制器2的光学端口，再从另一个光学输出端输出。微波信号源3作为相位调制器2的信 号源，输出函数信号，与相位调制器2的电学射频口相连接，对通过相位调制器2的光进行 相位调制，产生载波边带。被调制后的光从相位调制器2输出进入光纤环形器4，被具有反 射功能的谐振滤波器5反射一部分光，反射光由窄带光构成，窄带光的中心波长对应于具有 反射功能的谐振滤波器5的中心波长λc。反射光依次经环形器4的b端口、c端口入射到光 电探测器6，转换成模拟电信号进入高速模数转换器7，被探测到的模拟信号转换为数字信号 以便最后作数据处理。数据分析处理模块8对数字信号进行FFT变换，得到输出频谱。
本发明还提供一种精确传感的方法，经过相位调制后的光载波的归一化电场可以写为
式中ω0为光载波的角频率；为调制信号引起光载波的相位变化，βPM为相 位调制系数，定义为施加单位电压引起光载波的相位变化；f(t)为电调制信号。
相位调制后光信号的各边带和载波相互拍频，且每个拍频信号总是存在一个与之等大反 相的信号，光载波、上边带、下边带经过滤波器后相位发生变化，相位调制后的信号载波和 边带都产生了一个相位延迟，从而打破了相位之间的平衡状态，拍频信号可以被探测器探测 到，实现PM-IM转换
式中A和B表示边带幅度的增益且A≠B。在功率变化幅度较小的温度区间，此时谐振滤波 器反射谱的强度响应较为平坦，如图2所示，而相位响应随着谐振频率变化较明显，如图3 所示。若使相位调制后的载波信号位于滤波器相位响应的斜边上，载波和边带之间的幅度平 衡被打破，则幅度将能够被探测到，即可实现PM-IM的转换。
图4和图5为本发明具体实施过程中输出的频谱，当光电探测器检测到接收端光功率的 变化小于Δp＝0.2P0，即对应光功率衰减1dB以内，采用相位-强度调制转换的传感方法。滤 波器中心波长因环境改变而产生漂移，光载波对应相位响应曲线不同的位置，幅度改变量不 同从而探测得到的频谱功率不同，通过不同幅度的数据处理实现环境参量监测。在温度分别 为28℃和28.4℃时(该温度下光纤光栅反射谱幅度响应较平缓)，实验所得输出频谱有1.8dBm 的幅度差，通过比较不同参量下的输出频谱幅度实现传感。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应 该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原 理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进 都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种基于反射功能谐振滤波器的精确传感系统，其特征在于，包括：
固定波长激光器，作为传感系统所需光源；
相位调制器，包含2个光学端口和1个电学端口，其光学输入端与激光器输出端相连，用来对光源发出的光进行相位调制，产生载波边带，光学输出端与环形器a端口相连；
微波信号源，作为相位调制器的信号源，输出函数信号，与相位调制器电学射频口相连接；
光纤环形器，该环形器至少包含三个端口，a端口与b端口相通，b端口与c端口相通，c端口与a端口隔离，环形器a端口与相位调制器的一个光学输出端相连接，环形器的b端输出连入具有反射功能的光学谐振滤波器，激光经光滤波器反射后返回进入环形器c端；
具有反射功能的光学谐振滤波器，滤波器输入端与环形器b端口相连，输出端悬空，激光经滤波器反射后再次经由b端进入环形器c端，而不会返回到a端，所用具有反射功能的光学谐振滤波器既作为系统中的鉴频元件，同时也起传感作用；
光电探测器，该探测器与环形器c端相连，将最终输出的光信号转为电信号以便探测；
高速模数转换器，与探测器输出端相连，将探测到的模拟信号转换为数字信号以便最后作数据处理；
数据分析处理模块，对数字信号进行FFT变换，得到频谱。
2.根据权利要求1所述的基于反射功能谐振滤波器的精确传感系统，其特征在于：激光光源可以是低相位噪声的窄线宽激光器，也可以是DFB光纤激光器。
3.根据权利要求1所述的基于反射功能谐振滤波器的精确传感系统，其特征在于：相位调制器可以是铌酸锂电光相位调制器。
4.根据权利要求1所述的基于反射功能谐振滤波器的精确传感系统，其特征在于：信号源可产生单一频率或者多个频率的函数波形，将其连入相位调制器的射频端口，对光信号进行调制。
5.根据权利要求1所述的基于反射功能谐振滤波器的精确传感系统，其特征在于：具有反射功能的光学谐振滤波器可以是均匀布拉格光纤光栅、切趾光纤光栅、啁啾光纤光栅等不同特性的光纤光栅，也可以是微环等其它具有反射特性的光学谐振滤波器。
6.根据权利要求1所述的基于反射功能谐振滤波器的精确传感系统，其特征在于：系统中可加入光隔离器和偏振控制器。
7.基于权利要求1-6中任一项所述的系统的精确传感方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)确定固定波长激光器的输出光功率为P0；
(2)若光电探测器检测到接收端光功率的变化大于Δp，则启动常规的基于光功率的检测方法，即通过测量滤波器反射的光功率大小变化进行传感监测；
(3)若光电探测器检测到接收端光功率的变化小于Δp，则启动基于相位-幅度调制转换的检测方法；
(4)若两种方法均没有检测到温度改变，表明温度稳定在某一个较小的范围。
8.如权利要求7所述的传感方法，其特征是：所述基于光功率的检测方法中，首先保持相位调制器上的微波信号处于关闭状态，记录光功率随时间的变化。此时传感系统的功率只与具有反射功能的谐振滤波器的反射谱有关。当被测参量发生改变时，具有反射功能的谐振滤波器的中心波长随待测参量变化而发生漂移，从而使反射回来的激光束光功率发生变化。
9.如权利要求7所述的传感方法，其特征是：所述基于相位-幅度调制转换的检测方法中，首先开启相位调制器上的微波信号，在强度响应较为平坦的区间，此时相位响应变化较显著，经过相位调制后的信号的各边带和载波相互拍频，且每个拍频信号总是存在一个与之等大反相的信号，光载波、上边带、下边带经过滤波器后相位发生变化，相位调制后的信号载波和边带都产生了一个相位延迟，从而打破了相位之间的平衡状态，拍频信号可以被探测器探测到。当中心波长随环境漂移，光载波对应相位响应曲线不同的位置，相位延迟量不同从而探测得到的频谱功率不同，通过不同幅度的数据处理实现环境参量监测。
10.如权利要求7所述的传感方法，其特征是：数据处理模块所用的算法可以使用机器学习和神经网络算法对数据进行训练，采集样本，进行样本归一化，对权值和阈值初始化，进行运算和反馈，将误差缩小到要求的范围。
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