CN109470285B - 一种高精度高速光纤光栅传感器波长解调方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高精度高速光纤光栅传感器波长解调方法，采用高速的三角波电压信号驱动可调谐F‑P光源，通过同一个周期的三角波上升沿和下降沿驱动信号解决传感器光谱信号与标准具谱线不同步造成解调波长偏移的问题；并且，采用标准具谱线将可调谐F‑P光源光谱进行细分，得到多个光谱作为参考，能够有效抑制可调谐F‑P光源内部可调谐滤波器的压电陶瓷因迟滞、蠕变和非线性等特性引起的解调波长波动，从而有效提高了光纤光栅传感器波长的解调精度，实现航天器、飞机等关键结构的应变、温度和加速度等状态信息的采集。

Description

一种高精度高速光纤光栅传感器波长解调方法
技术领域
本发明属于光纤光栅传感技术领域，具体涉及一种高精度高速光纤光栅传感器波长解调方法。
背景技术
光纤光栅传感系统是以光信号为载体，光纤光栅传感器将温度、应变和加速度等信息转换为光信号波长的变化，并采用解调设备解调光信号波长，该系统具有体积小、重量轻、抗电磁干扰能力强和耐腐蚀能力强等优点，可应用在强电磁干扰、热真空或辐照等严酷环境下。
可调谐F-P滤波法是常用的光纤光栅传感解调方法，通过可调谐F-P光源、标准具和气室等关键器件，可以解决温度对波长解调精度的影响，具有较高的相对波长解调精度。但是，采用高速的锯齿波或者三角波等电压信号驱动F-P光源时，光纤光栅传感器接入光纤长度产生光信号传输时延，传感器光谱信号与标准具谱线不同步，降低了绝对波长解调精度，影响实际应用；并且，可调谐F-P光源内部可调谐滤波器的压电陶瓷存在迟滞、蠕变和非线性等特性，使输出波长与驱动电压不能保持良好的线性，影响解调精度。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种高精度高速光纤光栅传感器波长解调方法，解决传感器光谱信号与标准具谱线不同步造成解调波长偏移的问题，以及抑制F-P光源内部可调谐滤波器的压电陶瓷因迟滞、蠕变和非线性等特性引起的解调波长波动问题。
一种光纤光栅传感器波长解调方法，包括如下步骤：
(1)采用三角波电压信号驱动光纤传感器解调装置的可调谐F-P光源；
(2)通过标准具接收光纤光栅传感器反射的光信号，并解调出同一个三角波周期内上升沿和下降沿电压信号驱动时的光纤光栅传感器波长，分别定义为λ传1和λ传2；
(3)三角波上升沿电压信号驱动时，在标准具谱线上找到与光纤光栅传感器光谱相邻的两个波长和时间，分别定义为λ3、t3、λ4和t4；三角波下降沿电压信号驱动时，在标准具谱线上找到与光纤光栅传感器光谱相邻的两个波长和时间，分别定义为λl-3、tl-3、λl-2和tl-2；
(4)计算三角波上升沿电压信号驱动时，光纤光栅传感器光谱附近可调谐F-P光源的局部波长扫描速度
Figure GDA0002679606800000021
计算三角波下降沿电压信号驱动时，光纤光栅传感器光谱附近可调谐F-P光源的局部波长扫描速度
Figure GDA0002679606800000022
(5)令上升沿和下降沿电压信号驱动时解调的传感器波长应相等，即λ＝λ传1+T×V上＝λ传2-T×V下；
计算光纤光栅传感器接入光纤长度产生的光信号传输时延T；
Figure GDA0002679606800000023
则光纤光栅传感器的实际波长
Figure GDA0002679606800000024
较佳的，同时采用气室接收可调谐F-P光源的光信号，作为标准具解调光纤光栅传感器波长的校准信号。
本发明具有如下有益效果：
采用高速的三角波电压信号驱动可调谐F-P光源，通过同一个周期的三角波上升沿和下降沿驱动信号解决传感器光谱信号与标准具谱线不同步造成解调波长偏移的问题；并且，采用标准具谱线将可调谐F-P光源光谱进行细分，得到多个光谱作为参考，能够有效抑制可调谐F-P光源内部可调谐滤波器的压电陶瓷因迟滞、蠕变和非线性等特性引起的解调波长波动，从而有效提高了光纤光栅传感器波长的解调精度，实现航天器、飞机等关键结构的应变、温度和加速度等状态信息的采集。
附图说明
图1为现有的光纤光栅传感解调装置示意图；
图2为本发明的高速高精度光纤光栅传感器波长解调方法原理图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
波长解调方法主要针对高速波长解调时提高光纤光栅传感器波长的解调精度而开展的设计，解决如下技术问题：
(1)采用高速电压信号驱动可调谐F-P光源时，光纤光栅传感器接入光纤长度产生光信号传输时延，传感器光谱信号与标准具光谱谱线不同步，造成解调波长产生偏移，影响解调精度。
(2)可调谐F-P光源的核心器件是可调谐滤波器，该器件内部压电陶瓷存在迟滞、蠕变和非线性等特性使输出波长与驱动电压不能保持良好的线性，影响解调精度；
本发明针对基于可调谐F-P滤波法的光纤解调装置，提出了一种高精度高速光纤光栅传感器波长解调方法。如图1所示，基于可调谐F-P滤波法的光纤解调装置主要包括：驱动电路、可调谐F-P光源、标准具和气室等关键器件。其中：驱动电路产生三角波驱动信号；可调谐F-P光源在三角波的上升沿和下降沿信号的驱动下，输出波长连续的光信号；标准具作为波长解调的标准尺子，当可调谐F-P光源输出的连续光信号经标准具后产生谱线信号，能够解调出光纤光栅传感器波长；气室接收光源信号，产生波长解调的校准信号，能够消除标准具受温度影响产生的波长偏移。
高精度高速光纤光栅传感器波长解调方法是：采用高速的三角波上升沿和下降沿电压信号驱动可调谐F-P光源，通过标准具和气室解调出光纤光栅传感器的波长信息，针对同一个三角波周期内解调出的波长，再通过传感器光谱信号邻近的标准具谱线消除可调谐F-P光源和光纤光栅传感器接入光纤长度对波长的影响，得到高精度的光纤光栅传感器波长。如图2所示，具体实现过程是：
(1)三角波驱动可调谐F-P光源时，上升沿和下降沿电压信号均能够驱动可调谐F-P光源输出光信号，满足波长范围要求，波长由小到大或者由大到小连续变化，并且上升沿和下降沿电压信号驱动时波长变化方向相反；三角波最大频率由可调谐F-P光源内部可调谐滤波器决定，光源输出波长扫描速度V(nm/s)；
(2)通过标准具和气室分别解调出同一个三角波周期内上升沿和下降沿电压信号驱动时的光纤光栅传感器波长λ传1(nm)和λ传2(nm)，而光纤光栅传感器实际波长λ(nm)可通过上述波长补偿后得到；
(3)三角波上升沿电压信号驱动时，在标准具谱线上找到与光纤光栅传感器光谱相邻的两个波长和时间，分别定义为λ3(nm)、t3(s)、λ4(nm)和t4(s)；三角波下降沿电压信号驱动时，在标准具谱线上找到与光纤光栅传感器光谱相邻的两个波长和时间，分别定义为λl-3(nm)、tl-3(s)、λl-2(nm)和tl-2(s)；
(4)三角波上升沿电压信号驱动时，波长由大变小，光纤光栅传感器光谱附近可调谐F-P光源的局部波长扫描速度
Figure GDA0002679606800000051
三角波下降沿电压信号驱动时，光纤光栅传感器光谱附近可调谐F-P光源的局部波长扫描速度
Figure GDA0002679606800000052
(5)光纤光栅传感器接入光纤长度产生的光信号传输时延为T，经过补偿后，上升沿和下降沿电压信号驱动时解调的传感器波长相等，即λ＝λ传1+T×V上＝λ传2-T×V下，可以计算出
Figure GDA0002679606800000053
因此光纤光栅传感器的实际波长
Figure GDA0002679606800000054
实施例：
本发明高精度高速光纤光栅传感解调方法，采用基于可调谐F-P滤波法的光纤解调装置进行解调，包括以下步骤：
步骤一：驱动电路产生三角波驱动信号，上升沿和下降沿均能够驱动可调谐F-P光源输出波长，满足波长范围要求；本实例可调谐F-P光源内置MOI公司的可调谐滤波器FFP-TF2，根据FFP-TF2的调谐频率≤800Hz，确定三角波驱动信号频率≤800Hz；上升沿驱动时波长由大到小连续变化，下降沿驱动时波长由小到大连续变化，波长扫描速度V(nm/s)。
步骤二：可调谐F-P光源输出的光信号分别进入标准具、气室和光纤光栅传感器，通过标准具和气室分别解调出同一个三角波周期内上升沿和下降沿驱动时的光纤光栅传感器波长λ传1(nm)和λ传2(nm)，并且受三角波驱动信号的频率和光纤光栅传感器接入光纤长度的影响，导致λ传1≠λ传2，光纤光栅传感器实际波长λ(nm)需消除上述影响。
步骤三：为了抑制F-P光源的迟滞、蠕变和非线性等特性造成的波长偏移，采用标准具谱线将光谱进行细分，得到多个光谱作为参考，选取光纤光栅传感器光谱相邻的标准具谱线得到可调谐F-P光源的局部波长扫描速度；三角波上升沿驱动时，光纤光栅传感器光谱相邻的标准具谱线的波长和时间分别为λ3(nm)、t3(s)、λ4(nm)和t4(s)，结合波长由大变小的变化方向，可调谐F-P光源的局部波长扫描速度
Figure GDA0002679606800000061
三角波下降沿驱动时，光纤光栅传感器光谱相邻的标准具谱线的波长和时间分别为λl-3(nm)、tl-3(s)、λl-2(nm)和tl-2(s)，可调谐F-P光源的局部波长扫描速度
Figure GDA0002679606800000062
步骤四：光纤光栅传感器接入光纤长度产生的光信号传输时延为T，经过补偿后，上升沿驱动和下降沿驱动解调的传感器波长相等，即λ＝λ传1+T×V上＝λ传2-T×V下，可以计算出
Figure GDA0002679606800000063
因此光纤光栅传感器的实际波长
Figure GDA0002679606800000064
本发明的高精度高速光纤光栅传感器波长解调方法应用于航天器、飞机等关键结构应变、振动等信息的高速采集，实现了目标结构健康信息的实时监测，提高了关键结构的安全性，具有广泛的应用前景。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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保护范围之内。

Claims (2)

1.一种光纤光栅传感器波长解调方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)采用三角波电压信号驱动光纤传感器解调装置的可调谐F-P光源；
(2)通过标准具接收光纤光栅传感器反射的光信号，并解调出同一个三角波周期内上升沿和下降沿电压信号驱动时的光纤光栅传感器波长，分别定义为λ传1和λ传2；
(3)三角波上升沿电压信号驱动时，在标准具谱线上找到与光纤光栅传感器光谱相邻的两个波长和时间，分别定义为λ3、t3、λ4和t4；三角波下降沿电压信号驱动时，在标准具谱线上找到与光纤光栅传感器光谱相邻的两个波长和时间，分别定义为λl-3、tl-3、λl-2和tl-2；
(4)计算三角波上升沿电压信号驱动时，光纤光栅传感器光谱附近可调谐F-P光源的局部波长扫描速度
Figure FDA0002677999740000011
计算三角波下降沿电压信号驱动时，光纤光栅传感器光谱附近可调谐F-P光源的局部波长扫描速度
Figure FDA0002677999740000012
(5)光纤光栅传感器接入光纤长度产生的光信号传输时延为T，经过补偿后，上升沿驱动和下降沿驱动解调的传感器波长相等，即λ＝λ传1+T×V上＝λ传2-T×V下；
计算光纤光栅传感器接入光纤长度产生的光信号传输时延T；
Figure FDA0002677999740000013
则光纤光栅传感器的实际波长
Figure FDA0002677999740000014
2.如权利要求1所述的光纤光栅传感器波长解调方法，其特征在于，同时采用气室接收可调谐F-P光源的光信号，作为标准具解调光纤光栅传感器波长的校准信号。
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