CN111637906B - 基于自差相干的光纤光栅解调装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于自差相干的光纤光栅解调装置和方法，该装置包括不等臂长MZ干涉器、光电接收器、模数转换器和鉴频器，其中，光纤光栅产生的反射光进入所述不等臂长MZ干涉器，由所述不等臂长MZ干涉器分为两路光，所述两路光发生干涉后产生中频信号，所述中频信号反映了两路光的频率变化，所述中频信号由所述光电接收器件转化为电信号，所述电信号由所述模数转换器转化为数字信号，所述鉴频器根据所述数字信号鉴频以确定所述反射光的光频率变化速度，由所述光频率变化速度确定被采集信号的变化速度。应用本发明可以获得信号值的变化速度，更好地描述整个信号变化过程。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感器测量技术，特别是涉及基于自差相干的光纤光栅解调装置和方法。
背景技术
光纤传感器因其敏感度高、抗干扰能力强、光纤纤细形状可变等优点普遍应用于温度传感、曲率传感等领域，其中光纤布拉格光栅因为制作工艺成熟、可以一条光纤上加工多个传感点等优点在光纤传感器中应用最为广泛。
目前光纤布拉格光栅的技术较为成熟，光纤布拉格光栅是将传统通信光纤经过掺杂、载氢等处理后，利用光刻技术在光纤内沿光传播方向刻写折射率周期变化的光栅，每一个折射率变化的界面都会让光能量少部分反射，而当界面间隔(光栅周期)与某个光的波长相一致时，该波长的能量就强烈反射，其它波长正常通过不被反射。当光栅收到如弯曲、温度变化等影响导致光栅周期发生变化时，该光栅反射的波长就发生改变，解调仪通过测量反射光的波长变化可以测量某个光栅受到的弯曲或温度变化。
光纤布拉格光栅非常灵敏，一般其光栅周期在微米以下(如1550nm波段其光栅周期大约在500纳米左右)，当光栅周期产生纳米级变化时，反射光在光谱上就会有纳米级偏移，而常用的光谱扫描式解调仪可以精确到皮米量级，因此即使非常微弱的形变，光纤光栅也能反馈较大的信号。由于其过于灵敏的特性，光纤光栅传感器通常用于环境检测、建筑物长期形变等缓变领域，而机器人/可穿戴等领域通常会出现关节曲率发生快速大角度的剧烈变化，解调仪往往无法捕捉或信号很快超出解调仪的范围。另一方面光纤布拉格光栅由于其测量精准、抗电磁干扰、光纤结构小巧易屈服、成本低廉等优点非常适合大规模应用于多自由度的机械结构或可穿戴设备中，但目前常用解调方案的测量精度与测量范围间的矛盾使其很难应用于快速动作的捕捉。
光纤布拉格光栅的解调方法一般有两种，一种是通过光谱扫描或光谱仪等方式对光纤布拉格光栅的回波进行光谱分析，这种方法成本高且动态范围小，仅适合对缓变信号进行精确传感；另一种是通过构建边缘滤波器，将光波长信号转变为光强信号进行接收，这种方法仅能对一个光栅进行解调，并且精度较低。
一、采用光谱扫描的解调方法
光谱扫描一种是改变激光器腔长，激光器由谐振腔前后表面反射反复激发腔内介质产生激光，激光的波长由谐振腔的光学长度决定，当谐振腔的长度变化时发射的激光波长就发生改变，谐振腔长度周期性变化时发射的激光波长也在光谱范围内周期性扫描，由于可以将谐振腔扫描周期固定，因此发射激光波长变化的周期固定，当波长与光栅周期不一致时光能量不被反射，波长与光栅周期一致时光能量反射，由于多个光栅周期各不相同，反射光各不相同，这样就把光栅在光谱上的分布变为时间序列上的脉冲串。图1为光谱扫描解调示意图，当某个光栅产生弯曲时，该光栅所反射的脉冲在时间上发生变化，由此可得到弯曲的曲率。
这种方案的缺点在于：
(1)以角度变化为0.001秒钟角度从0度转到18度为例(该速度大致对应常用的2级电机转数3000r/m，并且18度在光纤光栅测量较为准确的范围内)，采用光谱扫描的解调仪中较快的一般不超过kHz，因此在整个动作变化中最多仅能采集1个数据点，因此虽然光栅对静态角度测量能精确到微弧度，但无法描述快速的运动变化过程，作为对比以编码器作为角度测量，常用编码器采样率一般在100KHz，对本例可产生一百个测点，完全可以拟合得到整个运动过程。综上，虽然光纤光栅测量非常精准，但由于其解调速度慢，快速变化的动作过程中只能采集少量测量点，无法应用于信号变动较快的机器人领域。
(2)由于使用了可变的精密光学器件，这类解调仪成本高，不适合小型化且难以适合所有工况。
二、构造边缘滤波器的方案
所谓边缘滤波器是滤波器的某一个边缘斜率较低且线性度好，这样将光谱频域信号转换为光能量的强弱信号。一种构造边缘滤波器的方法是使用不等比长MZ干涉器，当同一光源的两束光分别经过两路再进行干涉时，其相干强度与臂长差满足
其中P1和P2分别为两臂的光强，λ为光波长，L1和L2分别为双臂长，n为折射率，
为相位噪声。能够看出当臂长差固定时，输出光强与波长的关系为余弦关系，将余弦的一条边中线性度较好的一部分作为边缘滤波器，波长变化时输出光强也随之变化，检测透过率即可获得波长变化信息。图2示出边缘滤波器解调(a)；以及MZ干涉器构造边缘滤波器(b)。
这种方案的缺点在于：
(1)边缘滤波器适合测量静态或缓变的信号，如本例中通过MZ干涉器构建边缘滤波器，其信号来源于时间无关量
这是因为时间变量在干涉中抵消，在快速变化的信号中，时间变量无法抵消时，边缘滤波器的相位信号值将不可测；
(2)边缘滤波器可能受到温度、形变等影响导致频域响应不稳定，在本例中会影响光程差n(L1-L2)；
(3)利用相干构造的边缘滤波器容易受到相位噪声的影响(本例中的
)，相位噪声可能来源于激光器本身，也可能来源于光路受外界的影响。
(4)以强度作为测量值易受干扰，如激光器本身强度抖动、光电器件噪声或光路损坏等均会影响强度，并且无法与传感值区分，难以诊断。
发明内容
本发明的主要目的提供一种基于自差相干的光纤光栅解调装置和方法，以解决传统光纤光栅解调方法无法对快速变化的信号进行探测的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于自差相干的光纤光栅解调装置，包括不等臂长MZ干涉器、光电接收器、模数转换器和鉴频器，其中，光纤光栅产生的反射光进入所述不等臂长MZ干涉器，由所述不等臂长MZ干涉器分为两路光，所述两路光发生干涉后产生中频信号，所述中频信号反映了两路光的频率变化，所述中频信号由所述光电接收器件转化为电信号，所述电信号由所述模数转换器转化为数字信号，所述鉴频器根据所述数字信号鉴频以确定所述反射光的光频率变化速度，由所述光频率变化速度确定被采集信号的变化速度。
进一步地：
还包括设置在所述光电接收器和所述模数转换器之间的滤波器，用于滤除高频突变，优选地，所述滤波器保持低频畅通，但滤除直流。
还包括环形器，光源发射的宽谱光进入所述环形器的第一端口，从所述环形器的第二端口输出进入所述光纤光栅，所述光纤光栅产生的反射光进入所述环形器的所述第二端口，从所述环形器的第三端口输出并进入所述不等臂长MZ干涉器。
所述光电接收器件是PIN或APD器件。
所述电信号为时变的余弦射频信号。
光从O点进入所述不等臂长MZ干涉器，分成两路，分别经过第1、2两条路径后到达I点再次合束，从I点干涉输出，从O点到I点经第1、2两条路径的全部长度分别为L1和L2；在O点处，光表达为
复波函数表示为
其中A为振幅，c为光速，n为介质折射率，λ为在O点的光波长，
是初相；
光束分为两路后，经第1路径传播到I点的光表达为
复波函数表示为
L1长度大于L2长度，当O点的光经第1路径到达I点时，经第2路径到达I点的光波长为λ'，光表达为
复波函数表示为
则I点处两路光相干涉，光强为
所述中频信号经直流滤波和归一化后得到信号为
其中
为相位常数，包含相位噪声与光程差产生的固定相位，Δλ为λ与λ'之差。
所述鉴频器鉴频后得到的频率为
所述鉴频后得到的频率反映所述反射光的光频率变化速度，由此确定波长变化速度为
其中ΔL为干涉器臂长差；
通过标定，将波长变化速度与信号变化速度相对应。
所述鉴频器采用求导后求解反正切或基于FFT的Rife算法。
一种基于自差相干的光纤光栅解调方法，使用所述的光纤光栅解调装置实现基于自差相干的光纤光栅解调。
一种光纤传感器，包括所述的光纤光栅解调装置。
本发明具有如下有益效果：
本发明提供一种基于自差相干的光纤光栅解调装置，其中，通过不等臂长MZ干涉器将光纤光栅波长变化信息转化为光电探测器更容易响应的射频段的中频信号，并将反映了两路光的频率变化的中频信号由光电接收器件转化为电信号，并经由所述模数转换器转化为数字信号，再由所述鉴频器鉴频以确定反射光的光频率变化速度，由所述光频率变化速度即可准确测出被采集信号的变化速度。利用本发明，在光栅传感器探测快速变化的信号值时，可以准确获得信号变化速度。本发明可以作为针对缓变信号的传统光栅解调方案的补充和完善，克服传统光纤光栅解调方案无法对快速变化的信号进行探测的缺陷，在传统方案获得少量信号值时，应用本发明可以获得信号值的变化速度，更好地描述整个信号变化过程。
本发明提出了采用不等臂长MZ干涉器对回波信号进行中频采样，避免了传统解调方法需要提高解调速度或应用高采样率器件的问题；本发明可以采集信号变化速度，从而提供更丰富的信息；本发明提出的解调方法较传统方法抗干扰、信噪比更高；本发明所需的器件简单，成本低廉，所有元器件均为常用通信级器件，易于大规模推广。
当信号转化为频率信息时，相位噪声
对信号无影响，因此解调仪即使收到外界震动、温度改变等工况变化也能正常工作，另一方面频率信息较光强(幅度)信息更为准确，因为光强会受到激光器功率抖动、光路损坏、光电器件噪声等影响，但这些影响不会在信号中引入其他频率，因此本发明信噪比更高。
此外，本发明已知光程差求解扫频速度，因此可以通过调整光程差(MZ干涉器双臂差)来控制信号频率的波段，只要臂长差在相干长度内就可以产生干涉信号。根据现有工艺，光纤光栅反射光相干长度可以达到厘米量级。
附图说明
图1光谱扫描解调示意图。
图2示出边缘滤波器解调(a)，以及MZ干涉器构造边缘滤波器(b)。
图3为本发明实施例的基于自差相干的光纤布拉格光栅解调装置的结构示意图。
图4为本发明实施例的MZ干涉器的示意图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
MZ干涉器又称马赫-泽德干涉器，是指将同一光源的光束分为两路(每一路又称为臂)，然后再合束，合束时产生干涉现象，两路的光程差(臂长差)决定了干涉后光强增强还是减弱。在本发明实施例中，MZ干涉器可采用光纤制作，将一条光纤分成两束，其中所述不等臂长干涉器是两束光纤不等长，之后再进行合束，合束后采用光电接收元件进行光强测量，光强与两束光纤的长度差有关。
自差相干是指光束与自身相干涉，本是一种通信概念，原指在DPSK编码中将光信号分为两路，一路延迟一个或数个码元长度再与另一路混合，在本发明中光束分为两路，两路相差固定的光程差后再进行相干。
参阅图3至图4，本发明实施例提供一种基于自差相干的光纤光栅解调装置，包括不等臂长MZ干涉器、光电接收器、模数转换器和鉴频器，其中，光纤光栅产生的反射光进入所述不等臂长MZ干涉器，由所述不等臂长MZ干涉器分为两路光，所述两路光发生干涉后产生中频信号，所述中频信号反映了两路光的频率变化，所述中频信号由所述光电接收器件转化为电信号，所述电信号由所述模数转换器转化为数字信号，所述鉴频器根据所述数字信号鉴频以确定所述反射光的光频率变化速度，由所述光频率变化速度确定被采集信号的变化速度。
本发明实施例提供的基于自差相干的光纤光栅解调装置中，通过不等臂长MZ干涉器将光纤光栅波长变化信息转化为光电探测器更容易响应的射频段的中频信号，并将反映了两路光的频率变化的中频信号由光电接收器件转化为电信号，并经由所述模数转换器转化为数字信号，再由所述鉴频器鉴频以确定反射光的光频率变化速度，由所述光频率变化速度即可准确测出被采集信号的变化速度。本发明实施例中利用不等臂长MZ干涉器实现光纤光栅的快速信号解调，当探测信号快速变化时，光纤光栅的波长变化速度能达到每秒数百纳米，当波长快速改变的光经过不等臂长MZ干涉器后被分为两路，再次干涉时由于两路有相对时延，干涉的两路光波长已经彼此不同，干涉后会产生中频信号，该中频信号频率远小于光频，因此可以被探测器感知。该中频信号是干涉两路光的光频率差，反映了两路光的频率变化，由于MZ干涉器的臂长差可以预先确定，因此两路光的相对延时可以确定，光纤光栅的反射光光频率变化速度也可确定。
应用本发明实施例，在用光栅传感器探测快速变化的信号值时，可以准确获得信号变化速度。本发明实施例可以作为针对缓变信号的传统光栅解调方案的补充和完善，克服传统光纤光栅解调方案无法对快速变化的信号进行探测的缺陷，在传统方案获得少量信号值时，应用本发明实施例可以获得信号值的变化速度，更好地描述整个信号变化过程。
以下结合附图进一步描述本发明具体实施例的特征和优点。
图3为本发明具体实施例的基于自差相干的光纤布拉格光栅解调装置结构示意图。光源发射宽谱光进入环形器1端口，从2端口输出，进入光纤光栅，光纤光栅产生信号后，反射光进入环形器2端口，从3端口输出进入MZ干涉器，产生干涉中频信号后被光电接收器件转化为电信号，这里光电接收器件可能是PIN也可能是APD或其他器件，射频波段的电信号经过滤波器，这里滤波器是为了滤除高频突变，这类突变对鉴频影响较大，但不必需，另外光纤光栅探测的信号往往从静态开始逐渐加速变化，因此通道上应保持低频畅通，但滤除直流，经滤波后信号转化为数字信号，通过鉴频器。
图4是MZ干涉器的示意图，如图光从O点进入，分成两路，两路长度分别为L1和L2，分别经过1、2两条路径后到达I点再次合束，从I点干涉输出，注意L1、L2为从O点到I点经1、2两条路径的全部长度。在O点处，光可以表达为
复波函数表示为
其中A为振幅，c为光速，n为介质折射率，λ为在O点的光的介质波长，
为初相，这里面A、c、n全程均不变，快速变化的传感信号中光波长在快速改变，因此λ仅代表O点处的光波长，
是初相，与到达O点前的光路有关，一般可认为相对光波长变化来说是个缓变量，因此也可认为不变。光束分为两路后，经1路传播到I点的光可表达为
复波函数表示为
这里多出的部分是光从O点经L1长度的光程后产生的相位，假设L1长度大于L2长度，当O点的光经1路径到达I点时，则原λ波长的光经2路径已经超过I点，此时经2路到达I点的光波长为λ'
复波函数表示为
则I点处两路光相干涉，光强为
由于光波动的cos表示法在计算光强时直接对振幅进行平方，不包含时间项，复振幅表示法计算光强时取共轭相乘，但复振幅本身不包含时间项，因此两种表示方法均只能对单色光求光强，本例中光波长在变化，因此公式中U代表复波函数，包含时间项，计算上引入复振幅的计算方法，即光强为复波函数共轭相乘。
在上述公式中能发现，当干涉强度结果滤除直流后，时变项为两束光频率差(中频信号)，常数项为两束光的光程差，由于有时变项的存在，常数项将不可测。一个例子为0.001秒钟角度从0度转到18度，波长改变量约2nm(该值为常规条件下的约值，并非确值，该值与光栅周期、光纤材料等均相关，无法给出确值，下面所有假设值均为约值)，则波长变化速度为2000nm/s，假设折射率n为1.47，臂长差L1-L2为5mm，则光从O点经1、2路径到达I点延时为24.5ps，根据波长变化速度，波长改变量为4.9×10-8nm，假设初始波长λ为1550nm，则λ'为1550+4.9×10-8nm，根据上文公式，则光强信号经直流滤波和归一化后为频率56.5KHz的余弦射频信号。通常通信类ADC或数据采集设备均可采集这一波段信号，由于信号是时变的余弦波形，相位信息2πn(L1-L2)/λ将不可测得，这也是使用边缘滤波法不可行的原因。
除此以外，当信号转化为频率信息时，相位噪声
对信号无影响，因此解调仪即使收到外界震动、温度改变等工况变化也能正常工作，另一方面频率信息较光强(幅度)信息更为准确，因为光强会受到激光器功率抖动、光路损坏、光电器件噪声等影响，但这些影响不会在信号中引入其他频率，因此本方法信噪比更高。
已知光程差求解扫频速度，因此可以通过调整光程差(MZ干涉器双臂差)来控制信号频率的波段，本例中5mm产生56.5KHz中频，一般数据采集设备最佳的采集波段在100KHz以上到MHz波段，因此可以将臂长差加倍，只要臂长差在相干长度内就可以产生干涉信号，根据现有工艺，光纤布拉格光栅反射光相干长度可以达到厘米量级。
干涉器产生中频信号后，信号经直流滤波和归一化后信号为
其中
为相位常数，包含相位噪声与光程差产生的固定相位，由于λ与λ'在数值上接近(一般不超过3nm)，因此可用全用λ近似，Δλ为λ与λ'之差。
鉴频有多种成熟方法，如求导后求解反正切、基于FFT的Rife算法等，鉴频后得到频率为
波长变化速度为
其中ΔL为干涉器臂长差。
通过标定，将波长变化速度与信号变化速度相对应。
本发明实施例提出了采用不等臂长MZ干涉器对回波信号进行中频采样，避免了传统解调方法需要提高解调速度或应用高采样率器件的问题；本发明可以采集信号变化速度，从而提供更丰富的信息；本发明实施例的解调方法较传统方法抗干扰、信噪比更高；本发明实施例的器件简单，成本低廉，所有元器件均为常用通信级器件，易于大规模推广。
本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。
Claims (7)
1.一种基于自差相干的光纤光栅解调装置，其特征在于，包括不等臂长MZ干涉器、光电接收器、模数转换器和鉴频器，其中，光纤光栅产生的反射光进入所述不等臂长MZ干涉器，由所述不等臂长MZ干涉器分为两路光，所述两路光发生干涉后产生中频信号，所述中频信号反映了两路光的频率变化，所述中频信号由所述光电接收器转化为电信号，所述电信号由所述模数转换器转化为数字信号，所述鉴频器根据所述数字信号鉴频以确定所述反射光的光频率变化速度，由所述光频率变化速度确定被采集信号的变化速度；其中，反射光从O点进入所述不等臂长MZ干涉器，所述两路光分别经过所述不等臂长MZ干涉器的第1、2两条路径后到达I点再次合束，从I点干涉输出；
还包括设置在所述光电接收器和所述模数转换器之间的滤波器，用于滤除高频突变，所述滤波器保持低频畅通，但滤除直流；
所述中频信号经直流滤波和归一化后得到信号为
其中
为初相，即相位常数，包含相位噪声与光程差产生的固定相位，c为光速，n为介质折射率，t为时间，λ为在O点的反射光波长，λ'为当O点的反射光经第1路径到达I点时，经第2路径到达I点的光波长，Δλ为λ与λ'之差；
所述鉴频器鉴频后得到的频率为
所述鉴频后得到的频率反映所述反射光的光频率变化速度，由此确定波长变化速度为
其中ΔL为干涉器臂长差；
通过标定，将波长变化速度与信号变化速度相对应。
2.如权利要求1所述的光纤光栅解调装置，其特征在于，还包括环形器，光源发射的宽谱光进入所述环形器的第一端口，从所述环形器的第二端口输出进入所述光纤光栅，所述光纤光栅产生的反射光进入所述环形器的所述第二端口，从所述环形器的第三端口输出并进入所述不等臂长MZ干涉器。
3.如权利要求1至2任一项所述的光纤光栅解调装置，其特征在于，所述光电接收器是PIN或APD器件。
4.如权利要求1至2任一项所述的光纤光栅解调装置，其特征在于，所述电信号为时变的余弦射频信号。
5.如权利要求1至2任一项所述的光纤光栅解调装置，其特征在于，从O点到I点经第1、2两条路径的全部长度分别为L1和L2；在O点处，反射光表达为
复波函数表示为
其中A为振幅；
光束分为两路后，经第1路径传播到I点的光表达为
复波函数表示为
L1长度大于L2长度，当O点的光经第1路径到达I点时，经第2路径到达I点的光波长为λ'，光表达为
复波函数表示为
则I点处两路光相干涉，光强为
6.一种基于自差相干的光纤光栅解调方法，其特征在于，使用如权利要求1至5任一项所述的光纤光栅解调装置实现基于自差相干的光纤光栅解调。
7.一种光纤传感器，其特征在于，包括如权利要求1至5任一项所述的光纤光栅解调装置。
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