CN109883348A - 一种使用伪随机码码分复用的pdh多传感器应变测量装置 - Google Patents

Abstract

一种使用伪随机码码分复用的PDH多传感器应变测量装置，属于光电探测技术领域。本发明的高稳定光源与调制模块依次与单模光纤环路器、偏振态控制器、集成多通道光纤光栅谐振腔连接，单模光纤环路器的另一端依次与随机码调制解调模块、光电探测器、正交解调模块、数据采集卡、PID控制器、高稳定光源与调制模块连接。本发明可以实现多根光纤光栅的复用，易于实现，且能够节约改造成本；码分复用技术降低噪声，并能够实现对任一光纤光栅进行长时间连续测量；消除噪声，提升了信号的解调精度，采用全光纤光路，具有体积小、测量精度高、温度稳定性和抗振动稳定性好等特点；解调算法可以数字化硬件实现，也可以采集后送入计算机进行解调，设计灵活。

Description

一种使用伪随机码码分复用的PDH多传感器应变测量装置

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种使用伪随机码码分复用的PDH多传感器应 变测量装置。

背景技术

光纤光栅传感器(FBG)由于其较小的尺寸，高速相应特性以及容易复用等诸多优势， 在智能材料以及结构监测方面都得到了有效的应用。但对高精度温度应变观测等方面，单根 光纤光栅由于反射峰过宽，并不能满足要求。因此可以利用光纤光栅组成谐振腔来减少反射 峰的宽度，获得更为精准的观测信号。因此，人们提出了许多改进的光纤光栅测量方案，例 如使用相移光纤光栅、光纤光栅法泊干涉仪替代普通的光纤光栅，采用激光锁频技术提高光 纤光栅测量精度等。其中，结合PDH激光锁频技术，光纤光栅能够获得极高的应变测量精度。

PDH激光稳频技术，也称为相位调制光外差技术，它是以外部标准谐振腔的谐振频率作 为基准频率对激光器进行频率锁定，属于主动稳频技术。该稳频技术由于其系统抗干扰能力 强、稳定度高、伺服响应快、不易失锁等优点，成为目前普遍采用的一种稳频方法。

将PDH技术反向应用可以用来测量由于外部干扰对光纤光栅腔体结构所带来的影响。 2005年，意大利的G.Gagliardi等人进行了此方面的研究工作(Gagliardi G,Salza M,Ferraro P, et al.Fiber Bragg-grating strain sensor interrogation using laserradio-frequency modulation[J]. Optics Express,2005,13(7):2377-2384.)，2008年，D.Gatti使用相移光纤光栅代替传统的光纤 光栅进行测量，获得了更高的灵敏度(GattiD,Galzerano G,Janner D,et al.Fiber strain sensor based on a pi-phase-shiftedBragg grating and the Pound-Drever-Hall technique.[J].Optics Express, 2008,16(3):1945-1950.)。

随后，国内也在此方面展开了相关的研究，并获得了较好的成果，例如，2014年，中国 科学院半导体研究所使用两根一样的光纤光栅谐振腔体来消除由于温度所造成的测量精度的 问题(CN201410180646.2)，随后使用拍频原理将得到的PDH误差信号与本振光进行相干作 用，在放大误差信号的同时抑制了光路中存在的噪声，获得更为精准的误差信号(CN201510542578.4)。接着，在原有拍频技术的基础上，又引入单边带扫频技术，解决高精度应变测量以及激光扫频当中的非线性现象(CN201510541632.3)。2017年，电子科技大学将反馈回路引入PDH信号解调当中，提高传感信号的解调性能。并同时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(CN201710674179.2)。

上述主要研究工作在提升光纤光栅的测量灵敏度等方面。但是未涉及光纤光栅测量阵列 化的问题。例如，深井光纤观测当中，由于受限制于井下空间以及井下工作环境等条件，希 望能够在单根光纤上级联多根传感器来进行阵列化的测量。

现阶段已有的结合PDH技术的光纤谐振腔阵列方法主要分为时分复用和波分复用两种。 波分复用技术在2009年由Littler等人提出，通过波分复用器将工作在不同的频带范围内的光 纤光栅进行级联(Littler I C,Gray M B,Chow J H,et al.Pico-strainmultiplexed fiber optic sensor array operating down to infra-sonicfrequencies[J].Optics Express,2009,17(13):11077-11087.)。 时分复用技术则在2015年由上海交通大学的何组源课题组提出，通过发出脉冲的方法对多个 不同延时的光纤进行问询测量(Chen,Jiageng,Qing W.Liu,and Zu Y.He.Multiplexed quasi-staticstrain sensor with high sensing rate and nano-strain resolution[C]//AsiaCommunications and Photonics Conference.Optical Society of America,2015.)。波分复用技术由 于使用了宽频带扫频光源，因此造价昂贵，且扫频精度受限于光源的可调节精度。时分复用 技术则因为进行了问询操作，因此不能对单一传感器进行连续观测。

本发明提供了一种利用伪随机码的码分复用技术来对光纤光栅阵列进行复用测量，并结 合正交调制技术来实现信号的高精度解调。其设计思想是：基于码分复用技术，将不同时延 的光学信号划分在不同的码空间当中，在解调阶段从码空间当中对信号进行恢复。相同时延 的调制信号可以解调出对应时延的光信号，不同时延的解调信号则可以化为噪声信号，通过 切换时延可以实现对不同光纤光栅进行长时间稳定测量。在解调端口使用正交解调方法可以 消除解调过程中载波的时延不同步问题，实现高精度的信号测量。装置的特征包含伪随机码 调制解调部分以及PDH信号的正交解调部分，实现了单根光纤的多传感器集成，且后端解调 部分也相对灵活，仅需要在原有光路上进行少量改造即可以进行复用。提高了复用的效率， 同时节约了仪器的改造成本，可用于使用PDH技术的光纤光栅应变、温度或者其他物理量的 观测设备当中。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种使用伪随机码码分复用的PDH多传感器应变测量装 置。

为实现上述目的，一种使用伪随机码码分复用的PDH多传感器应变测量装置，其结构包 括高稳定光源与调制模块1、集成多通道光纤光栅谐振腔2、随机码调制解调模块3、正交解 调模块4，所述高稳定光源与调制模块1通过单模光纤依次与单模光纤环路器001、偏振态控 制器003、所述集成多通道光纤光栅谐振腔2连接，单模光纤环路器001的另一端通过单模 光纤依次与所述随机码调制解调模块3、光电探测器006连接，光电探测器006依次与所述 正交解调模块4、数据采集卡010、PID控制器009、高稳定光源与所述调制模块1连接，数 据采集卡010的另一端与控制计算机011连接，所述随机码调制解调模块3分别与信号发生 器007、数据采集卡010相连，所述正交解调模块4的另一端通过-90°移相器008与信号发生 器007连接。

所述随机码调制解调模块3接收信号发生器007的正弦信号、数据采集卡010的随机码 延时控制信号；所述光电探测器006为带平滑滤波的抗混叠平衡光电探测器。

所述高稳定光源与调制模块1的结构由窄线宽激光器101通过单模光纤依次与单模光纤 隔离器103、相位调制器105相连构成，窄线宽激光器101的线宽小于1MHz，同时可以在一 定范围内接受来自外部控制信号的控制，对输出激光的波长进行控制。

所述集成多通道光纤光栅谐振腔2由单模1×N耦合器201通过单模光纤与若干光纤光栅 法布里-泊罗谐振腔203连接构成，光纤光栅法布里-泊罗谐振腔203的谐振特性在窄线宽激 光器101可调谐的范围内，此处所用的单模光纤每根长度不等，数量与光纤光栅法布里-泊罗 谐振腔203数目相同。

所述随机码调制解调模块3包括随机码产生器301、延时器302、乘法器303、单模光纤 相位调制器304、单模光纤；随机码产生器301产生的伪随机相位噪声码是最大长度序列码， 输出信号在±π之间跳变；由随机码产生器301产生的伪随机码序列与所述信号发生器007的 调制信号经过乘法器303混频后对相位调制器105进行调制；由随机码产生器301产生的伪 随机码序列经过信号延时器302后对相位调制器304进行调制。

所述正交解调模块4包括模拟/数字转换模块A/D401、第一乘法器402、第一低通滤波器 404、第一平方运算器406、第二乘法器403、第二低通滤波器405、第二平方运算器407、加 法器408、平方根运算器409，所述信号发生器007与模拟/数字转换模块A/D401的信号同时 输入第一乘法器402并依次与第一低通滤波器404、第一平方运算器406、加法器408、平方 根运算器409连接，所述-90°移相器008与模拟/数字转换模块A/D401的信号同时输入第二 乘法器403，并依次与第二低通滤波器405、第二平方运算器407、加法器408相连；第一低通滤波器404与第二低通滤波器405相同；平方根运算器409与所述数据采集卡010相连； 所述正交解调模块4或使用软件解调方法进行解调。

由所述正交解调模块4的模拟/数字转换模块A/D401转换后的信号为窄带信号，信号S_in满足下式

或者

S_in＝P_DC-P₀Im{F(ω)}sin(Ωt)

其中，P_DC为输入信号的直流项，P₀为增益倍数，与输入激光强度有关，F(ω)为光纤光 栅谐振腔的反射函数，Ω为调制频率，β为调制深度。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的一种使用伪随机码码分复用的PDH多传感器应变测量装置，可以在PDH 测量方法的基础上进行少量更改即可以实现多根光纤光栅的复用，易于实现，且能够节约改 造成本；此种码分复用技术可以降低传输线路上的单频噪声，并能够实现对任一光纤光栅进 行长时间连续测量；引入了正交解调技术，能够消除由于载波不同步所带来的解调相位噪声， 以及数字延时器所带来的延时噪声，提升了信号的解调精度，减少了由于解调所带来的额外 噪声；采用全光纤光路，具有体积小、测量精度高、温度稳定性和抗振动稳定性好等特点； 解调算法可以数字化硬件实现，也可以采集后送入计算机进行解调，设计灵活。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为传统PDH系统的系统结构示意图。

图3为本发明PDH误差信号以及伪随机码复用原理说明示意图。

图4为本发明正交解调系统结构说明示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的描述：

实施例1

本发明是对基于PDH技术的光纤谐振腔技术的一种改进。解决了单根光纤多传感器级联 过程中的复用以及解调的过程，实现多个光纤光栅的同时测量方案。采用的基本原理即利用 随机码调制的扩频性质实现信号的码空间分离。其中，PDH的工作原理如图2所示，以利用 光纤光栅法布里-泊罗谐振腔来进行应变测试为例，由窄线宽激光器501发出的激光经过光隔 离器502后送入相位调制器503进行相位调制。相位调制器503的调制信号由射频信号发生 器508产生，调制后的光信号送入光纤环路器504。由于不同偏振态的光将会在谐振腔内部 产生其他杂散峰，因此需要对送入光纤光栅谐振腔506的光的偏振态进行控制。经过偏振态 控制器505后送入测量用的光纤光栅谐振腔506当中去。

由于光纤光栅谐振腔506的反射特性，反射光将携带反射腔体的特性。反射光再次经过 偏振态控制器505后进入环形器504，随后在光电探测器507端转换为电信号。电信号经过 A/D转换器509转换为数字信号，经乘法器510与载波508相乘后经过滤波器511解调出待 测信号，之后送入DAQ数据采集卡512送入电脑进行后处理，同时驱动PID控制器513对光源501进行控制。

经过相位调制器后，光纤内激光满足关系

e^{i(ωt+βsin(2πΩt))}

公式中ω为激光器产生激光的频率，β为调制深度，Ω为调制频率。经过光纤光栅谐振 腔506后，得到

F(ω_eff)e^{i(ωt+βsin(2πΩt))}

其中，F(ω_eff)为光纤光栅谐振腔的反射特性函数，ω_eff为等效瞬时频率。在光电探测器 端口，受制于光电探测器的探测范围以及探测原理的影响，实际上探测得到的信号在调制频 率较低时满足关系式(1)，在调制频率较高时满足关系式(2)。得到的信号经过零差解调可 以得到与谐振峰有关的信号。

以低频调制为例，如图3中所示，从光电探测器端口探测得到的信号拥有三个特征峰， 包含主频峰603以及对应的一次谐波峰604。其中第一谐波峰604的峰值大小与待测光纤光 栅谐振腔的特性有关。当激光器为扫频光源时，通过零差解调系统解调得到的信号具有类似 601的形状特征。其与坐标轴的交点602即表明此时激光器的频率与谐振腔的频率相同。当 谐振腔受到外部干扰其频率发生改变时，则交点602的位置将发生改变。通过调整激光器可 以计算出交点位置的变化，进而可以得知谐振腔谐振频率的改变，从而可以推算对应物理量 的大小。

若多跟光纤光栅203进行级联，可以通过使用随机噪声码的特性来对信号进行区别。如 图1中所示，将随机码301发生器产生的高速随机码信号与标准信号发生器007产生的载波 信号通过乘法器303相乘即可进行多跟光纤谐振腔的复用，复用时要求随机码信号远大于 PDH调制信号。其复用的原理如下：

1.随机码信号与标准正弦信号相乘后得到混合的射频调制信号。如图3中605所示，此 时进行调制的信号变为两种信号的混杂，调制信号可以表示为：

sin(2πΩt)c(t-τ₀)

其中，伪随机信号表示为c(t-τ₀)，为±1之间跳变的信号。

2.在解调端，当信号与载波拥有同样的时延时，由于随机噪声码的性质：

sin(2πΩt)c(t-τ₀)c(t-τ₀)＝sin(2πΩt)

信号可以完全得到恢复，如图3中606所示，为同相信号恢复后得到的信号。

3.当信号与载波的时延不相同时，根据噪声码的性质，有：

sin(2πΩt)c(t-τ₀)c(t-τ₁)＝sin(2πΩt)c'(t-τ₀)

其中，c'(t-τ₀)仍为伪随机信号。对公式中信号进行平滑后，得到的信号如图3中607 所示，为类似于白噪声的信号。因此当时延不同时，其他路的信号将成为类似白噪声的信号 而得到抑制。

4.当多路信号通过单一光纤进行传输时，由于不同光纤光栅得到的调制信号有不同的时 延，通过调整解调信号的时延大小就可以区分不同光纤光栅的信号，完成了多个传感器的复 用。

在信号的解调部分，为了抑制由于载波的不同步所带来的额外噪声，本发明使用了正交 IQ解调的方法。其解调方法原理如图4所示：

1.由信号发生器701产生的标准信号，一路直接送入乘法器704，一路经由相位延时器 703后送入后部乘法器705。

2.由A/D转换器采集的信号702送入乘法器与标准载波信号相乘，之后经过低通滤波器 706，707得到I、Q信号为：

公式中，A(t)表示待测信号，表示标准载波信号与输入信号的载波之间的相位差。

3.将得到的I、Q信号进行平方器708，709后再在加法器710处相加即可消除延时项， 再通过开方器711就可以得到标准信号。在开方器711进行开放运算的同时，应接收来自708， 709乘方器的信号原始符号特征以进行符号恢复。

为清楚地说明本发明一种使用伪随机码码分复用的PDH多传感器测量方案的装置和测 量方法，结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施方式如图1所示，该光纤系统包括高稳定光源与调制模块1、集成多通道光纤光栅 谐振腔2、随机码调制解调模块3、正交解调模块4四个主要部分。

由激光器输出的激光经过光隔离器103后被相位调制器105进行调制。相位调制器的调 制信号由标准信号发生器007产生的正弦调制信号与伪随机码产生器301产生的二进制伪随 机码的混合信号组成。这样，相当于激光经过了两个调制码的分别调制，激光频率被盖上了 时间戳。经过调制后的频率通过光纤环路器001被送入到后部的测量结构当中去。

激光在进入光纤光栅谐振腔之前，要经过偏振态控制器003的调制，因为不同的偏振态 会在光纤光栅内部产生多余无用的谐振峰，影响对信号的判别。经过偏振态控制后的激光进 入光纤光栅谐振腔203内部。由谐振腔反射的激光信号再次经过偏振态控制器003后进入光 纤环路器001，被送往后部的解调装置当中。其中，光纤光栅谐振腔通过构造物理结构来使 得其对外界的物理量敏感。例如，将光纤光栅外部封装壳体结构，再与地面进行耦合，即可 以使得光纤光栅对地面的振动或者应变敏感。将光纤光栅松弛并放入温度变化的环境当中即 可以用来探测周围温度环境的变化。多跟光纤光栅进行级联时，每根光纤光栅谐振腔所连接 的光纤长度不同以确保不同的光纤光栅谐振腔接收到光源激光的时延不同，进而确保了每根 光纤光栅谐振腔的反射光被划分进不同的码空间当中去。

被送入解调模块的光会再次经过相位调制器304的调制，此时调制信号仅为伪随机噪声 信号，其相位由延时器302控制。当对应光纤光栅信号与延时器输出的信号同步时，对应光 纤光栅信号得到恢复，其余信号仍为伪随机信号。经过解调后的信号被送入光电探测器006 转化为标准的PDH误差信号。其中光电探测器006为带平滑滤波的平衡探测器，能有效地隔 离采集到的白噪声信号。

采集到的信号经过A/D信号转换器转换为数字信号后，进入正交解调系统当中。PDH误 差信号分别与标准信号发生器007产生的调至信号和相移器008的移相信号进行相乘，得到 的信号经过低通滤波器滤除高阶信号之后，平方相加后再开方得到对应的PDH误差信号。

处理后的PDH误差信号可以经过采集卡010进行采集，交由电脑进行后续控制和运算， 计算后的误差信号也可以送入PID控制器来调整激光器的频率。通过对激光器调制频率的控 制量大小即可以得到相应的光纤光栅谐振腔中心频率的偏移量大小，进而解算出外界物理量 变化的大小。

系统当中，随机码调制解调模块3中的延时器模块302由电脑通过采集卡010进行控制。 通过调整不同的相位时延就可以依次对不同的光纤光栅进行连续长时间监控。伪随机噪声码 信号是以一定长度信号码元重复的。

上述方案当中：

1.传感器所使用的光纤光栅FP工作中心波长为1550nm，两端峰值反射率为99％，使用 的光纤光栅FP腔长为20cm，刻写于标准125μm单模光纤上。

2.内部使用的激光器为1550nm的窄线宽激光器，激光器具有扫频功能，可以通过外部信 号进行控制。激光器的线宽为<10KHz。

3.使用的光纤隔离器工作频带为1550nm，其对反向光的衰减系数为-20dB。

4.使用Y波导代替相位调制器进行相位调制。器件工作频带为1550nm，可调制频率>400MHz，快轴或者慢轴工作。

5.输入Y波导的调制信号频率为20MHz标准正弦波。

6.混频的随机码信号为300MHz，NRZ-OOK信号，其信号特征为信号仅有±π两个状态。

从上述的技术方案当汇总可以看出，本发明提供了一种使用伪随机相位噪声码码分复用 的PDH多传感器的应变测量复用方案，并且引入了正交解调系统来消除由于载波的不同步所 带来的额外噪声。整个系统先通过伪随机信号将激光器产生的激光信号按照时延不同分配到 不同的码空间后再进入光纤光栅谐振系统后进行物理量的探测。光纤光栅谐振腔的反射信号 再经过码元的解调后送入解调系统当中，通过正交解调系统解调出对应的误差信号，通过误 差信号反算出对应的物理量大小，以及进行光源的反馈控制。本发明在原有的PDH探测基础 上，仅进行少量改造即可以实现多传感器的探测。码分复用的方法隔绝了传输线路上的窄带 噪声，能够对任一光纤进行长时间稳定测量；且由于使用了正交解调的方法，消除了由于载 波不同步所带来的解调噪声，解决了传统测量系统解调算法噪声过大等问题。

Claims (7)

1.一种使用伪随机码码分复用的PDH多传感器应变测量装置，其结构包括高稳定光源与调制模块(1)、集成多通道光纤光栅谐振腔(2)、随机码调制解调模块(3)、正交解调模块(4)，其特征在于：所述高稳定光源与调制模块(1)通过单模光纤依次与单模光纤环路器(001)、偏振态控制器(003)、所述集成多通道光纤光栅谐振腔(2)连接，单模光纤环路器(001)的另一端通过单模光纤依次与所述随机码调制解调模块(3)、光电探测器(006)连接，光电探测器(006)依次与所述正交解调模块(4)、数据采集卡(010)、PID控制器(009)、高稳定光源与所述调制模块(1)连接，数据采集卡(010)的另一端与控制计算机(011)连接，所述随机码调制解调模块(3)分别与信号发生器(007)、数据采集卡(010)相连，所述正交解调模块(4)的另一端通过-90°移相器(008)与信号发生器(007)连接。

2.根据权利要求1所述的一种使用伪随机码码分复用的PDH多传感器应变测量装置，其特征在于：所述随机码调制解调模块(3)接收信号发生器(007)的正弦信号、数据采集卡(010)的随机码延时控制信号；所述光电探测器(006)为带平滑滤波的抗混叠平衡光电探测器。

3.根据权利要求1所述的一种使用伪随机码码分复用的PDH多传感器应变测量装置，其特征在于：所述高稳定光源与调制模块(1)的结构由窄线宽激光器(101)通过单模光纤依次与单模光纤隔离器(103)、相位调制器(105)相连构成，窄线宽激光器(101)的线宽小于1MHz，同时可以在一定范围内接受来自外部控制信号的控制，对输出激光的波长进行控制。

4.根据权利要求1所述的一种使用伪随机码码分复用的PDH多传感器应变测量装置，其特征在于：所述集成多通道光纤光栅谐振腔(2)由单模1×N耦合器(201)通过单模光纤与若干光纤光栅法布里-泊罗谐振腔(203)连接构成，光纤光栅法布里-泊罗谐振腔(203)的谐振特性在窄线宽激光器(101)可调谐的范围内，此处所用的单模光纤每根长度不等，数量与光纤光栅法布里-泊罗谐振腔(203)数目相同。

5.根据权利要求1所述的一种使用伪随机码码分复用的PDH多传感器应变测量装置，其特征在于：所述随机码调制解调模块(3)包括随机码产生器(301)、延时器(302)、乘法器(303)、单模光纤相位调制器(304)、单模光纤；随机码产生器(301)产生的伪随机相位噪声码是最大长度序列码，输出信号在±π之间跳变；由随机码产生器(301)产生的伪随机码序列与所述信号发生器(007)的调制信号经过乘法器(303)混频后对相位调制器(105)进行调制；由随机码产生器(301)产生的伪随机码序列经过信号延时器(302)后对相位调制器(304)进行调制。

6.根据权利要求1所述的一种使用伪随机码码分复用的PDH多传感器应变测量装置，其特征在于：所述正交解调模块(4)包括模拟/数字转换模块A/D(401)、第一乘法器(402)、第一低通滤波器(404)、第一平方运算器(406)、第二乘法器(403)、第二低通滤波器(405)、第二平方运算器(407)、加法器(408)、平方根运算器(409)，所述信号发生器(007)与模拟/数字转换模块A/D(401)的信号同时输入第一乘法器(402)并依次与第一低通滤波器(404)、第一平方运算器(406)、加法器(408)、平方根运算器(409)连接，所述-90°移相器(008)与模拟/数字转换模块A/D(401)的信号同时输入第二乘法器(403)，并依次与第二低通滤波器(405)、第二平方运算器(407)、加法器(408)相连；第一低通滤波器(404)与第二低通滤波器(405)相同；平方根运算器(409)与所述数据采集卡(010)相连；所述正交解调模块(4)或使用软件解调方法进行解调。

7.根据权利要求1所述的一种使用伪随机码码分复用的PDH多传感器应变测量装置，其特征在于：由所述正交解调模块(4)的模拟/数字转换模块A/D(401)转换后的信号为窄带信号，信号S_in满足下式

或者

S_in＝P_DC-P₀ Im{F(ω)}sin(Ωt)

其中，P_DC为输入信号的直流项，P₀为增益倍数，与输入激光强度有关，F(ω)为光纤光栅谐振腔的反射函数，Ω为调制频率，β为调制深度。