CN109916533A - 一种pdh解调的保偏光栅fp腔温度应变同时测量装置 - Google Patents

Abstract

一种PDH解调的保偏光栅FP腔温度应变同时测量装置，属于光电探测技术领域。本发明包括超窄线宽光源、光源扫频装置、保偏光纤光栅、偏振分束装置、正交解调装置，窄线宽可调谐激光器由三角波驱动，提供扫频光源，Y波导调制后信号与后部光纤呈45°焊接，反射信号由PBS进行偏振态分离，利用保偏光纤光栅的FP腔特性进行温度和应变的探测，使用PDH技术获得谐振峰的准确频移信号，并通过保偏光纤光栅FP腔的两个偏振轴的物理特性，同时解算出温度与应变的信号。本发明的有益效果在于解调端口使用两个正交解调系统对信号进行解调，获得更高信噪比的信号，提高了测试精度，可用于恶劣环境条件下的高精度光纤光栅温度，应变传感器的制造。

Description

一种PDH解调的保偏光栅FP腔温度应变同时测量装置

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种PDH解调的保偏光栅FP腔温度应变同时测量装置。

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(Gatti D,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腔体来消除由于温度所造成的测量精度的问题(CN201410180646.2)，并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)。随后，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。为了实现对应变和温度同时进行测量，其常用的方法为使用两根类似的光纤光栅谐振腔放置于同一环境当中，并使得一支光纤仅对温度敏感。采集两个光纤的反射信号特征，反推出受到的物理量影响的大小之后，再进行相关运算对温度和应变分别求解(CN201410180646.2、CN201410181113.6)。由于光纤光栅制作工艺的不同，往往受到应变和温度的变化所造成光栅的偏移量大小不尽相同，会引入额外的测量误差。同时由于使用了双光纤光栅谐振腔，无法保证两根光纤光栅工作的物理环境完全一致，因此也无法完全消除由于温度所带来的附加噪声。

本发明结合正交解调技术消除解调过程中的解调噪声，提供了一种使用PDH解调的保偏光栅FP腔温度应变同时测量装置。利用保偏光纤光栅谐振腔两个偏振方向上的物理特性差异，将其看作为两个独立工作的光纤光栅谐振腔。由于物理环境上，保偏光纤光栅为单根光纤，两个偏振态方向上所处的环境相同，受到温度的干扰和应变的大小一致，因此可以更为精确地对噪声和应变的大小进行测量。装置同时引入正交解调方法消除解调过程中载波的时延不同步问题，提升了信号的信噪比。方案实现了单根光纤上温度与应力的高精度同时测量，可用于高精度光纤光栅应变、温度传感器的制备。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种PDH解调的保偏光栅FP腔温度应变同时测量装置。

为实现上述目的，一种PDH解调的保偏光栅FP腔温度应变同时测量装置，窄线宽可调谐激光器通过保偏光纤依次与光纤隔离器003、Y波导调制器004、保偏光纤环形器006、保偏光纤光栅FP腔007连接，所述保偏光纤环形器006的另一端通过保偏光纤依次与偏振分束模块、解调模块014连接，解调模块014与控制端计算机015连接，信号发生器008通过保偏光纤分别与所述Y波导调制器004、所述解调模块014连接，所述偏振分束模块为偏振分束器009的第一输出端通过保偏光纤依次与第一光电探测器010、第一数据转换模块012连接，偏振分束器009的第二输出端通过保偏光纤依次与第二光电探测器011、第二数据转换模块013连接，所述窄线宽可调谐激光器由三角波发生器001驱动窄线宽扫频激光器002构成，所述Y波导调制器004输出端与保偏光纤呈45°焊接。

所述窄线宽扫频激光器002输出波长为1550nm，线宽宽度<1MHz。

所述Y波导调制器004工作波长为1550nm，电调制带宽>200MHz，并接收来自号发生器008产生的正弦信号对输入Y波导的相位进行调制。

所述保偏光纤光栅FP腔007刻写在保偏光纤上，正常工作频率为1550nm。

所述的解调模块014为数字解调，解调模块014包括相位延时器、乘法器、低通滤波器、平方乘法器、加法器、平方根运算器、应变温度解调运算模块121组成，低通滤波器的频率特性相同。

所述的解调模块014中的应变温度解调运算模块121接收来自平方根运算器的信号输入，同时以所述窄线宽可调谐激光器的输出激光频率进行参考，应用PDH算法获得保偏光纤光栅FP腔的第一偏振态频移量Δλ_x、第二偏振态频移量Δλ_y。

所述保偏光纤光栅FP腔007的温度和压力信息的计算公式为

其中ε_z为压力信息，ΔT为温度信息，ABCD矩阵仅与保偏光纤光栅的特性有关。

所述解调模块014接收到快轴光信号103和慢轴光信号104与标准调制信号的原信号和经过相位延时器102的延时信号进行相乘，经过低通滤波器进行滤波操作，得到的两路IQ信号相加之后进行平方根运算，最后进入应变温度解调运算模块121解调；解调模块014完全数字化操作，通过计算机进行运算或者使用FPGA进行实现。

本发明的有益效果在于：本发明可以在PDH测量方法的基础上使用保偏光纤光栅谐振腔来替代普通单模光纤光栅谐振腔，结构简单，易于实现；利用保偏光纤光栅的测量特性，在单一光纤光栅上进行温度和应变的同时测量，尽可能地隔离了由于测量环境的不同所引入的额外噪声；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为本发明保偏光纤光栅FP腔的数字解调模块框图。

图3为本发明保偏光纤光栅FP应力温度传感器示意图。

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

一种PDH解调的保偏光栅FP腔温度应变同时测量装置，窄线宽可调谐激光器通过保偏光纤依次与光纤隔离器003、Y波导调制器004、保偏光纤环形器006、保偏光纤光栅FP腔007连接，所述保偏光纤环形器006的另一端通过保偏光纤依次与偏振分束模块、解调模块014连接，解调模块014与控制端计算机015连接，信号发生器008通过保偏光纤分别与所述Y波导调制器004、所述解调模块014连接，所述偏振分束模块为偏振分束器009的第一输出端通过保偏光纤依次与第一光电探测器010、第一数据转换模块012连接，偏振分束器009的第二输出端通过保偏光纤依次与第二光电探测器011、第二数据转换模块013连接，所述窄线宽可调谐激光器由三角波发生器001驱动窄线宽扫频激光器002构成，所述Y波导调制器004输出端与保偏光纤呈45°焊接。

所述窄线宽扫频激光器002输出波长为1550nm，线宽宽度<1MHz，可以接受来自外部的扫频电压来实现扫频，激光器接收到的扫频驱动信号为三角波信号。

所述Y波导调制器004工作波长为1550nm，电调制带宽>200MHz，并接收来自号发生器008产生的正弦信号对输入Y波导的相位进行调制。

偏振分束器009将来自光纤光栅FP腔007的反射光的快慢轴进行分离，并分别将快轴光和慢轴光送入光电探测器010和011当中。

光电探测器010和011将光信号转换成电信号后，经过A/D转换之后送入解调模块014中进行解调。

解调模块内部结构图如图2所示，包括两个相同的正交解调装置以及应变温度解调模块。整个解调模块由：相位延时器102，乘法器105、106、107、108，低通滤波器109、110、111、112，平方乘法器113、114、115、116，加法器117、118，平方根运算器119、120和应变温度解调运算模块121组成。解调模块为数字解调。

解调模块接收来自信号发生器008，图2中为101，产生的标准信号，同时接收来自A/D转换器转换的快轴光信号103和慢轴光信号104的输入。

低通滤波器109、110、111、112的频率特性相同。

应变温度解调运算模块121接收来自平方根运算器119和120的信号输入，同时以激光器输出激光频率进行参考，应用PDH算法获得由于温度和压力变化造成的保偏光纤光栅FP腔两个偏振态的频移量大小：Δλ_x和Δλ_y。

保偏光纤光栅FP腔的温度和压力信息通过下述矩阵进行计算：

其中ABCD矩阵仅与保偏光纤光栅的特性有关。

解调系统接收到快轴光信号103和慢轴光信号104与标准调制信号的原信号和经过相位延时器102的延时信号进行相乘，经过低通滤波器109、110、111、112进行滤波操作，得到的两路IQ信号相加之后进行平方根运算，最后进入应变温度解调运算模块121参与应变和温度的解调。

解调模块可以完全数字化操作，可以通过计算机进行运算或者使用FPGA进行实现。

所述的控制端计算机015，其特征为：

控制计算机015能够对信号进行后处理，包括对信号噪声的抑制以及温度压力的换算，并通过应用程序显示在屏幕上。

控制计算机015能够监视整个观测系统的性能变化，并能够对系统的关键参数进行调整。

控制计算机提供应用软件的图形界面，同时提供温度和应变信号的存储功能。

实施例2

本发明是基于PDH光纤光栅技术应变测量方法的改进，为了隔离温度和应变的信息，尽可能消除由于不同光纤光栅之间温度和应变所处环境的问题，使用保偏光纤光栅来解决温度和应变的分离问题，其工作原理如图1所示。由三角波发生器001驱动的扫频激光器002产生扫频激光，经过隔离器003之后送入由标准正弦发生器008所驱动的Y波导004进行PDH信号调制，Y波导将输入的激光的两个偏振轴进行分离，并在某一个偏振轴上输出经过调制后的激光。产生的调制后的激光信号与后端保偏光纤之间通过45°进行焊接，使得当传输光经过光纤中焊点005时，单轴光信号的一部分光能量会耦合到后端光纤的两个偏振轴当中。进而后端光纤在两个偏振方向上都有调制后的激光信号。调制后的光信号经过保偏光纤耦合器006之后送入保偏光纤光栅FP腔007当中。由光纤光栅FP腔007两个工作轴反射的光信号再次经过保偏光纤耦合器006，并经过后部的偏振分束器009进行偏振态的分离。偏振分束器009分离的快轴光信号和慢轴光信号分别送入光电探测器010和011当中，并转换为电信号。

输出的激光信号经过相位调制器后，光纤内激光信号满足关系：

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007后，对应的某偏振态上的反射信号为：

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，由模拟/数字转换模块012、013转换后的输入信号为一窄带信号，信号S_in满足第一关系式：

或者第二关系式：

S_in＝P_DC-P₀Im{F(ω)}sin(Ωt)

公式中，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)为光纤光栅谐振腔某一偏振轴上的反射函数，Ω为调制频率，β为调制深度。探测得到的信号在调制频率较低时满足第一关系式，在调制频率较高时满足第二关系式。得到的信号经过零差解调可以得到与谐振峰位置有关的信号。

解调模块对来自数据转换模块010，011的数字信号进行处理，也对信号发生器008产生的标准信号进行采集。信号发生器采集的载波信号将作为解调过程中的载波信号基准。由于载波信号基准与输入信号的调制信号之间存在一定的相位延时，因此采用正交解调的方法来消除由于相位时延所造成的额外相位噪声。其具体实现如图2所示。现以一个通道(上半部分)为例进行说明：

由信号发生器101产生的标准信号，一路直接送入乘法器105，一路经由-90°相位延时器102后送入后部乘法器106。

由A/D转换器采集的信号103送入乘法器与标准载波信号相乘，之后经过低通滤波器109，110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。

将得到的I、Q信号进行平方器113，114后于加法器117处相加即可消除延时项，再通过开方器119就可以得到标准待测信号。在开方器119进行开放运算的同时，应接收来自113，114乘方器信号的原始符号特征来对最终的解调结果进行符号恢复。

得到对应的两个偏振态的误差信号后，可以推算得到谐振腔对应的偏振轴上发生的频率移动大小。解调出的频移量送入解调模块内部子模块121进行进一步的应变和温度的解调。由于光纤光栅谐振腔的特性，当腔体受到来自温度和压力的影响时，其对应的波长改变量与所受温度和压力的变化呈线性关系。其线性系数仅与构成光纤光栅的材料特性有关。当使用保偏光纤光栅谐振腔时，由于晶体的双折射效应，光纤光栅两个偏振轴方向上存在差异，其对温度和应变的线性响应也存在差异。因此在受到外界温度和应变影响时，两个偏振轴向的波长改变量可以通过公式9所示的矩阵方程来表示：

其中，参数矩阵ABCD仅与保偏光纤的特性有关。对任一已经确定的光纤光栅，参数矩阵ABCD是已知的。

因此，当获得了两个偏振轴对应的波长改变情况，就可以通过下式计算出对应的温度与应变信号。

基于保偏光纤光栅FP的应力温度传感器，实施方式如图3所示，该传感测试系统分为三部分，一个是传感探头模块，一个是解调箱，一个是控制计算机系统。

传感探头模块由保偏光纤201，光纤护套与紧固夹具202，外部保护传感壳体203，保偏光纤光栅FP谐振腔204和后部固定块205组成。整个测量系统使用的整体光路原理图如图1所示，其中解调箱207内部包含了光源的调制以及系统的解调模块，外部有两个光纤接口，分别连接保偏光纤耦合器206的两个端口。其中，保偏光纤耦合器工作频段为1550nm。解调箱得到的信号通过USB线缆208与后部计算机209连接，提供测量信号的显示与解调过程的控制。

为保护传感器以及对外界物理量进行有效传感，传感器外部保护壳体203由硬质铝合金的材料构成。外部通过固定机构与待测物体进行固定，进而实现物理量的采集。传感器内部的保偏光纤光栅FP谐振腔204处于张紧的状态，通过光纤护套与紧固夹具202进行固定。保证传感器能够有效的拾取外界的物理信号。

解调箱内部有可以控制的数字信号发生器，代替图1中的三角波发生器001和标准信号发生器008产生标准的扫频信号控制激光器以及驱动Y波导进行调制。激光器产生的扫频激光通过隔离器进入Y波导进行调制，之后在后端与保偏光纤进行45°焊接后，提供到激光器的输出端口。

解调箱另一输入端口接收来自传感器的反射信号，输入内部的偏振分束器009进行偏振态分离，并在解调箱内部进行光电转换。使用的偏振分束器的消光比应>10⁵，解调箱内部使用的光电探测器010、011为高速光电探测器，其最高探测频率为80MHz。光电探测器将对应的信号转换为电信号。后部的解调模块全部进行软件化的实现，通过高速采集卡进行采集。采集到的信号通过USB通信线缆输送到电脑进行解调。

解调过程中使用的ABCD矩阵仅与光纤光栅的材料特性以及其光栅的刻写特性有关。其具体的数值，则通过对传感器的标定进行测量得到。具体方法为在恒温变应力环境以及恒应力变温环境分别确定传输矩阵内元素ABCD的参数。测量得到的数值矩阵可以用于对温度和应力的测量。

上述方案当中：

传感器所使用的保偏光纤光栅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保偏熊猫光纤上。

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。

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。

使用的Y波导器件工作频带为1550nm，可调制频率>200MHz，快轴或者慢轴工作。

输入Y波导的调制信号频率为20MHz标准正弦波。

从上述的技术方案汇总中可以看出，本发明提供了一种使用PDH解调的保偏光栅FP腔温度应变同时测量装置，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。整个系统利用了保偏光纤光栅谐振腔在两个偏振方向上的微小差异来进行温度和应变的高精度测量。激光在两个偏振态方向上的反射波长的反射特性可以使用传递矩阵来进行表示。通过扫频激光来反推对应的频移大小进而获得待测的温度应变的大小。本发明在原有的PDH基础上，使用保偏光纤光栅谐振腔来替代普通单模光纤光栅谐振腔，结构简单，易于实现。并在单一光纤光栅上进行温度和应变的同时测量，尽可能地隔离了由于测量环境的不同所引入的额外噪声。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。解调算法使用了全数字化的实现，进一步降低解调设备的成本。

Claims (8)

1.一种PDH解调的保偏光栅FP腔温度应变同时测量装置，窄线宽可调谐激光器通过保偏光纤依次与光纤隔离器(003)、Y波导调制器(004)、保偏光纤环形器(006)、保偏光纤光栅FP腔(007)连接，所述保偏光纤环形器(006)的另一端通过保偏光纤依次与偏振分束模块、解调模块(014)连接，解调模块(014)与控制端计算机(015)连接，信号发生器(008)通过保偏光纤分别与所述Y波导调制器(004)、所述解调模块(014)连接，其特征在于：所述偏振分束模块为偏振分束器(009)的第一输出端通过保偏光纤依次与第一光电探测器(010)、第一数据转换模块(012)连接，偏振分束器(009)的第二输出端通过保偏光纤依次与第二光电探测器(011)、第二数据转换模块(013)连接，所述窄线宽可调谐激光器由三角波发生器(001)驱动窄线宽扫频激光器(002)构成，所述Y波导调制器(004)输出端与保偏光纤呈45°焊接。

2.根据权利要求1所述的一种PDH解调的保偏光栅FP腔温度应变同时测量装置，其特征在于：所述窄线宽扫频激光器(002)输出波长为1550nm，线宽宽度<1MHz。

3.根据权利要求1所述的一种PDH解调的保偏光栅FP腔温度应变同时测量装置，其特征在于：所述Y波导调制器(004)工作波长为1550nm，电调制带宽>200MHz，并接收来自号发生器(008)产生的正弦信号对输入Y波导的相位进行调制。

4.根据权利要求1所述的一种PDH解调的保偏光栅FP腔温度应变同时测量装置，其特征在于：所述保偏光纤光栅FP腔(007)刻写在保偏光纤上，正常工作频率为1550nm。

5.根据权利要求1所述的一种PDH解调的保偏光栅FP腔温度应变同时测量装置，其特征在于：所述的解调模块(014)为数字解调，解调模块(014)包括相位延时器、乘法器、低通滤波器、平方乘法器、加法器、平方根运算器、应变温度解调运算模块(121)组成，低通滤波器的频率特性相同。

6.根据权利要求1所述的一种PDH解调的保偏光栅FP腔温度应变同时测量装置，其特征在于：所述的解调模块(014)中的应变温度解调运算模块(121)接收来自平方根运算器的信号输入，同时以所述窄线宽可调谐激光器的输出激光频率进行参考，应用PDH算法获得保偏光纤光栅FP腔的第一偏振态频移量Δλ_x、第二偏振态频移量Δλ_y。

7.根据权利要求1或6所述的一种PDH解调的保偏光栅FP腔温度应变同时测量装置，其特征在于：所述保偏光纤光栅FP腔(007)的温度和压力信息的计算公式为

其中ε_z为压力信息，ΔT为温度信息，ABCD矩阵仅与保偏光纤光栅的特性有关。

8.根据权利要求1或6所述的一种PDH解调的保偏光栅FP腔温度应变同时测量装置，其特征在于：所述解调模块(014)接收到快轴光信号(103)和慢轴光信号(104)与标准调制信号的原信号和经过相位延时器(102)的延时信号进行相乘，经过低通滤波器进行滤波操作，得到的两路IQ信号相加之后进行平方根运算，最后进入应变温度解调运算模块(121)解调；解调模块(014)完全数字化操作，通过计算机进行运算或者使用FPGA进行实现。