CN111238553B - 一种光纤光栅传感器波长解调方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤光栅传感器波长解调方法，根据波长解调范围和精度需求确定一组具有固定频率间隔的扫频频点；在每一个扫频频点用微波信号对光纤光栅传感器的传感信号进行调制，令所生成的调制光信号通过色散元件后将其转换为电信号，并测量出该电信号相对于所述微波信号的相位变化；利用所测得的一系列相位变化数据通过相推法计算出相对时延，并根据相对时延的变化计算出所述光纤光栅传感器的波长漂移量。本发明还公开了一种光纤光栅传感器波长解调装置。相比现有技术，本发明可同时满足解调速度、解调分辨率与解调精度的要求。

Description

一种光纤光栅传感器波长解调方法及装置

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅传感器波长解调方法及装置，属于光纤传感器技术领域。

背景技术

在过去的几十年里，光纤传感器由于具有传输损耗低，重量轻，成本低和抗电磁干扰等优势，引起了人们的广泛关注，在医学、建筑、周界安防、航空航天等领域都有着潜在的应用价值。光纤光栅传感器是光纤传感器中应用最普遍的光传感器之一。由于光纤光栅传感器对外界环境十分敏感，所以如温度、应变、扭矩、压力、波导折射率等待传感量在传感过程中都会被转换为光纤光栅传感器的中心波长漂移。因此，光纤光栅传感器的中心波长解调技术是实现高性能光纤光栅传感器的关键。传统的光纤光栅传感器中心波长解调方案包括基于光学滤波器，干涉仪，波长扫描可调谐激光器和电荷耦合器件光谱成像的方法。这类传统的方法在光域直接对光信号进行处理，通常解调精度与解调速度相互制约。

与上述方法相比，基于微波光子学的光纤光栅传感器解调方案具有更高的波长解调精度，原因在于微波域中可以实现更高分辨率的频谱分析和更高的稳定性幅值和相位检测，基于微波光子学的光纤光栅传感器波长解调方案将光域的波长漂移信息通过光电转换提取到电域的微波信号当中。波长-时延映射是一种典型的基于微波光子学的光纤光栅传感器解调方法。其中，光纤光栅传感器的波长漂移将被进一步转换为光纤时延的变化。但是，为了获得光纤时延的精确值，微波光子学的方案是通过光电转换将光信号的时延差转换为电信号的相位，该电信号的相位响应是周期变化的，这就导致在该传感方案的测量分辨率和测量范围之间互相制约。否则，将在测量(传感)过程中将会出现整周模糊，这种现象在过去的研究种被称为“累积效应”(R.Cheng,L.Xia,J.Yan,J.Zhou,Y.Wen,andJ.Rohollahnejad,“Radio Frequency FBG-Based Interferometer for Remote AdaptiveStrain Monitoring,”IEEE Photonics Technology Letters,vol.27,no.15,pp.1577-1580,Aug 1,2015.)。

一种典型的光纤光栅元件为光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)。2016年，夏历课题组提出一种基于射频不平衡马赫-曾德尔干涉仪的方案用于高精度FBG解调(J.Zhou,L.Xia,R.Cheng,Y.Wen,and J.Rohollahnejad,“Radio-frequency unbalancedM–Zinterferometer for wavelength interrogation of fiber Bragg gratingsensors,”Optics Letters,vol.41,no.2,pp.313,2016.)，FBG的反射信号经由单频微波信号调制，然后分为两条不同长度的光链路再合并。合并后的光信号通过光电转换，在电域中对信号进行探测，由于调制的微波信号分别通过了不同长度的光路，随之产生微波干涉。如果通过探测光电转换后微波信号振幅，可以计算出FBG的波长漂移。但是，该方法的解调范围受到了微波干涉仪的自由光谱范围的限制。2018年，王津课题组提出一种基于光学真时延的FBG解调方案(J.Wang,W.Zhu,C.Ma,and T.Xu,“FBG wavelength demodulation basedon a radio frequency optical true time delay method,”Optics Letters,vol.43,no.11,pp.2664,2018.)，FBG的波长变化在色散补偿光纤中转换为时延变化，并通过直接检测调制的微波信号的相位来实现解调。该传感器分辨率可以达到±0.2℃(对应于2pm的波长分辨率)，但测量范围却低于100℃(对应于1nm的波长偏移)，这是因为该实验种的相位检测器只有2π的探测范围，当相位值超过2π即发生相位翻转，出现整周模糊情况。2019年，舒学文课题组提出一种基于光电振荡器结构的FBG波长解调方案(Z.Xu,X.Shu,and H.Fu,“Fiber Bragg grating sensor interrogation system based on an optoelectronicoscillator loop,”Optics Express,vol.27,no.16,pp.23274,2019.)。具有大色散的色散元件被插入光电振荡器的腔中。由于色散较大，FBG的波长变化将相应地改变FBG反射信号的时延，从而改变光电振荡器的腔长。当光电振荡器的腔长(即时延)决定输出信号的频率时，FBG的波长变化会转换为微波频移。但是，由于最大频移应小于光电振荡器腔的自由光谱范围，因此解调范围也受到限制。

目前能够实现大范围传感的微波光子FBG波长-时延解调方案为光频域反射方案(Z.Xu,X.Shu,and H.Fu,“Interrogation of a Sensor Array of Identical Weak FBGsUsing Dispersive Incoherent OFDR,”IEEE Photonics Technology Letters,vol.28,no.10,pp.1154-1156,2016.)，该方案通过色散延时线实现波长-时延映射，利用矢量网络分析仪测量延时线的0～10GHz光谱响应。通过对10GHz范围光谱响应进行逆傅里叶变换实现时延测量。该方案大大拓宽测量(传感)范围，但是该方案每次测量需要401个扫频点，单次测量速度83秒，不满足传感的实时性需求，严重制约了其在传感中的应用

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种光纤光栅传感器波长解调方法，可同时满足解调速度、解调分辨率与解调精度的要求。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种光纤光栅传感器波长解调方法，根据波长解调范围和精度需求确定一组具有固定频率间隔的扫频频点；在每一个扫频频点用微波信号对光纤光栅传感器的传感信号进行调制，令所生成的调制光信号通过色散元件后将其转换为电信号，并测量出该电信号相对于所述微波信号的相位变化；利用所测得的一系列相位变化数据通过相推法计算出相对时延，并根据相对时延的变化计算出所述光纤光栅传感器的波长漂移量；所述扫频频点的固定频率间隔Δf和扫频点数N满足：

其中，ξ_λ为所需的波长解调精度，Δθ为所述相位变化测量的分辨率，Δλ_max为所需的波长解调范围，τ₀是波长为一预设参考波长λ₀的光信号在所述色散元件中的传播时延，N₀为任意正整数，D和L分别是所述色散元件的色散常数与长度。

优选地，所述通过相推法计算出相对时延，具体按照以下公式：

其中，T(λ)为所述光纤光栅传感器在中心波长为λ处的相对时延，f₁，f₂，…，f_n为第1～n个扫频频点的频率，Φ(f,λ)是在扫频频点f处所测量到的相位变化经相位展开后的相位值。

进一步优选地，根据相对时延的变化计算出所述光纤光栅传感器的波长漂移量，具体按照下式：

其中，Δλ为所述光纤光栅传感器的波长漂移量，T(λ₀+Δλ)、T(λ₀)分别为所述光纤光栅传感器在中心波长为λ₀+Δλ和λ₀处的相对时延。

根据相同的发明构思还可以得到以下技术方案：

一种光纤光栅传感器波长解调装置，包括：

微波扫频源，用于在一组具有固定频率间隔的扫频频点输出相应的微波信号，所述扫频频点预先根据波长解调范围和精度需求确定；所述扫频频点的固定频率间隔Δf和扫频点数N满足：

其中，ξ_λ为所需的波长解调精度，Δθ为所述相位变化测量的分辨率，Δλ_max为所需的波长解调范围，τ₀是波长为一预设参考波长λ₀的光信号在所述色散元件中的传播时延，N₀为任意正整数，D和L分别是所述色散元件的色散常数与长度；

电光调制器，用于用所述微波信号对光纤光栅传感器的传感信号进行调制；

色散元件，用于对所述电光调制器输出的调制光信号进行色散处理；

光电探测器，用于将色散处理后的调制光信号转换为电信号；

相位测量单元，用于测量出该电信号相对于所述微波信号的相位变化；

解算单元，用于利用所测得的一系列相位变化数据通过相推法计算出相对时延，并根据相对时延的变化计算出所述光纤光栅传感器的波长漂移量。

优选地，所述通过相推法计算出相对时延，具体按照以下公式：

其中，T(λ)为所述光纤光栅传感器在中心波长为λ处的相对时延，f₁，f₂，…，f_n为第1～n个扫频频点的频率，Φ(f,λ)是在扫频频点f处所测量到的相位变化经相位展开后的相位值。

进一步优选地，根据相对时延的变化计算出所述光纤光栅传感器的波长漂移量，具体按照下式：

其中，Δλ为所述光纤光栅传感器的波长漂移量，T(λ₀+Δλ)、T(λ₀)分别为所述光纤光栅传感器在中心波长为λ₀+Δλ和λ₀处的相对时延。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明对现有基于时延测量的光纤光栅传感器波长解调技术进行改进，采用测量光纤相对时延变化得到光纤光栅传感器的波长变化。在相同的波长解调范围内，相比于现有的扫频方式，本方法需要扫描的频点数较少，扫描时间大大减少；此外，由于扫描频点大幅减少，对微波扫频源的要求也大幅降低，同时满足解调速度、解调分辨率与解调范围的要求。

附图说明

图1为本发明光纤光栅传感器波长解调装置一个具体实施例的结构原理示意图。

具体实施方式

针对目前现有基于“波长-时延”转换的光纤光栅传感器波长解调技术由于解调精度和解调范围相互制约导致的解调系统的缺陷。本发明的解决思路是摒弃传统单频点的测量方案，根据波长解调精度和波长解调范围，对于周期性的系统响应采取新型的扫频方案解调，需要扫描的频点数大大减少。这样可以同时满足解调精度与解调范围的要求，也在一定程度上保证了解调速度。

下面结合附图对本专利进行详细说明。

如图1所示，宽谱光源发出宽谱光从环形器端口1到端口2进入FBG，FBG反射的光信号载波为FBG的中心波长，经环形器端口2从端口3输出后通过光放大器补偿光信号功率。随后反射信号进入电光调制器，扫频微波源输出的微波信号加载到电光调制器的射频输入口对FBG反射信号进行调制，经过调制后的FBG反射信号可表示为：

E_o(t)＝E_o(1+M cos(2πf·t))exp j(2πf_c·t) (1)

其中，E₀是光场强度，f_c和f分别是FBG反射光的载波频率和微波扫频源的微波信号频率，M是电光调制器的调制系数。电光调制器输出的光信号经过色散补偿光纤实现“波长-时延”转换，此时光信号在色散补偿光纤中的时延τ(λ)可以表示为：

τ(λ)＝τ₀+DL·(λ-λ₀) (2)

其中，λ₀是一预设的参考波长，τ₀是波长为λ₀的光信号在色散补偿光纤中的传播时延，D和L分布为色散补偿光纤的色散系数与长度。经过色散补偿光纤后光信号表示为：

E_r(t)＝E_o(1+M cos2πf(t-τ(λ)))exp j(2πf_c(t-τ(λ))) (3)

光信号再经过光电探测器进行光电转换，所得电信号的一倍频分量可表示为：

i(t)＝2ηME₀ ² cos(2πf(t-τ(λ))) (4)

其中，η为光电转换系数。由公式(4)可得微波信号的相位响应满足：

φ(f,λ)＝-2π·f·τ(λ) (5)

此时可以通过相位响应直线的斜率得到时延，时延可通过对相位响应进行微分得到：

其中，f₁，f₂，…，f_n为第1～n个扫频频点的频率，Δf是扫频频点的固定频率间隔,N是扫频点数，可写作：f_n＝f₁+(N-1)Δf。该方案解调精度由公式(7)表示：

其中ξ_λ为所需的波长解调精度，Δθ为鉴相器相位变化测量的分辨率，f_span＝NΔf为微波扫频范围。

与公式(5)的类似，这里定义由鉴相器采集到的相位响应斜率为相对时延T(λ)，表示为：

其中，Φ(f,λ)是由鉴相器采集到并通过相位展开算法展开后的相位值，该相位展开算法将相邻扫频点相位差大于π的相位值通过2π整数倍的修正，以保证展开后的相邻扫频点的相位差小于π。该操作可在MATLAB中通过unwrap()函数计算完成。

由于鉴相器探测到的相位大小为–π到π，相邻的扫频点的真实相位差一旦大于π就会发生相位翻转现象，相邻扫频点真实相位差每变化2π其相位值就会翻转2π。故相位的真实值与鉴相器探测值之间的关系可表示为：

其中[…]为向下取整函数。因此相对时延和时延的关系为：

其中，[Δf·τ(λ)+1/2]一项为相对时延测量产生的整周模糊项。假设所需波长解调范围为Δλ_max，波长解调精度为ξ_λ。选取扫频固定频率间隔Δf和扫频点数N满足：

其中N₀为任一正整数。在该扫频选择下，相对时延T(λ)因FBG波长漂移Δλ(满足Δλ<Δλ_max)而产生时延变化可表示为：

结合公式(8)和公式(14)，波长漂移量可由相对时延的变化量解调：

所提出的波长解调方法同时满足了解调精度与解调范围的要求，解调范围与解调精度分别由公式(12)和公式(13)决定。

Claims (2)

1.一种光纤光栅传感器波长解调方法，其特征在于，根据波长解调范围和精度需求确定一组具有固定频率间隔的扫频频点；在每一个扫频频点用微波信号对光纤光栅传感器的传感信号进行调制，令所生成的调制光信号通过色散元件后将其转换为电信号，并测量出该电信号相对于所述微波信号的相位变化；利用所测得的一系列相位变化数据通过相推法计算出相对时延，并根据相对时延的变化计算出所述光纤光栅传感器的波长漂移量；所述扫频频点的固定频率间隔Δf和扫频点数N满足：

其中，ξ_λ为所需的波长解调精度，Δθ为所述相位变化测量的分辨率，Δλ_max为所需的波长解调范围，τ₀是波长为一预设参考波长λ₀的光信号在所述色散元件中的传播时延，N₀为任意正整数，D和L分别是所述色散元件的色散常数与长度；

所述通过相推法计算出相对时延，具体按照以下公式：

其中，T(λ)为所述光纤光栅传感器在中心波长为λ处的相对时延，f₁，f₂，…，f_n为第1～n个扫频频点的频率，Φ(f,λ)是在扫频频点f处所测量到的相位变化经相位展开后的相位值；

根据相对时延的变化计算出所述光纤光栅传感器的波长漂移量，具体按照下式：

其中，Δλ为所述光纤光栅传感器的波长漂移量，T(λ₀+Δλ)、T(λ₀)分别为所述光纤光栅传感器在中心波长为λ₀+Δλ和λ₀处的相对时延。

2.一种光纤光栅传感器波长解调装置，其特征在于，包括：

微波扫频源，用于在一组具有固定频率间隔的扫频频点输出相应的微波信号，所述扫频频点预先根据波长解调范围和精度需求确定；

电光调制器，用于用所述微波信号对光纤光栅传感器的传感信号进行调制；

色散元件，用于对所述电光调制器输出的调制光信号进行色散处理；

光电探测器，用于将色散处理后的调制光信号转换为电信号；

相位测量单元，用于测量出该电信号相对于所述微波信号的相位变化；

解算单元，用于利用所测得的一系列相位变化数据通过相推法计算出相对时延，并根据相对时延的变化计算出所述光纤光栅传感器的波长漂移量

所述扫频频点的固定频率间隔Δf和扫频点数N满足：

其中，ξ_λ为所需的波长解调精度，Δθ为所述相位变化测量的分辨率，Δλ_max为所需的波长解调范围，τ₀是波长为一预设参考波长λ₀的光信号在所述色散元件中的传播时延，N₀为任意正整数，D和L分别是所述色散元件的色散常数与长度；

所述通过相推法计算出相对时延，具体按照以下公式：

其中，T(λ)为所述光纤光栅传感器在中心波长为λ处的相对时延，f₁，f₂，…，f_n为第1～n个扫频频点的频率，Φ(f,λ)是在扫频频点f处所测量到的相位变化经相位展开后的相位值；

根据相对时延的变化计算出所述光纤光栅传感器的波长漂移量，具体按照下式：

其中，Δλ为所述光纤光栅传感器的波长漂移量，T(λ₀+Δλ)、T(λ₀)分别为所述光纤光栅传感器在中心波长为λ₀+Δλ和λ₀处的相对时延。

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