CN111721395A - 一种环境稳定型光纤声波探测系统及方法 - Google Patents

一种环境稳定型光纤声波探测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种环境稳定型光纤声波探测系统及方法，属于声波传感器领域。本发明包括激光源、光环形器、光电探测器、伺服控制、光源控制器、微处理器、光纤声传感器。激光源采用半导体激光器，是分布反馈激光器。当光纤声传感器承受较大温度变化时，传感器的测量信号仍然保持在线性的工作区域，保证信号测量信号的稳定性。通过智能反馈控制模块保证输出信号在两个相邻波谷的线性工作点的调谐范围，通过智能反馈控制模块，激光从当前的光谱锁定脉冲上升沿的线性工作处解锁，并重新锁定到新光谱脉冲的线性工作期望点，实现复杂环境下的声源信号检测。本发明能够将解锁/重锁过程的时间控制在1ms以内，且能够保证所探测的声源信号在无明显中断。

Description

一种环境稳定型光纤声波探测系统及方法
技术领域
本发明涉及一种环境稳定型声光探测系统及方法，属于声波传感器领域。
背景技术
光纤传感技术的发展越来越成熟，并且已经广泛应用于许多领域。光纤声波传感技术是光纤传感技术中的一个重要研究领域，与传统的电学式声波传感器相比，具有极高的探测灵敏度、抗电磁干扰、低成本、可工作于恶劣环境等优点受到极大关注。现今光纤声波传感器已广泛应用于工业生产、医疗诊断、自然灾害预警、地质勘探、军事等领域。由于这些领域中对声波探测的特殊环境需求，人们开始研究和关注高精度、高稳定性、低成本和小型化的光纤声波传感器。
发明内容
针对复杂环境下声波信号的探测需求，本发明公开的一种环境稳定型光纤声波探测系统及方法要解决的技术问题是：当光纤声传感器承受较大温度变化时，传感器的测量信号仍然保持在线性的工作区域，保证信号测量的稳定性。通过智能反馈控制模块保证输出信号在两个相邻波谷的线性工作区域内调谐，一旦遇到环境温度较大变化时，通过智能反馈控制模块，激光从当前的光谱锁定脉冲上升沿的线性工作处解锁，并重新锁定到新光谱脉冲的线性工作期望点，实现复杂环境下的声源信号检测。本发明能够将解锁/重锁过程的时间控制在1ms以内，且能够保证所探测的声源信号在无明显中断。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种环境稳定型光纤声波探测系统，包括激光源、光环形器、光电探测器、伺服控制、光源控制器、微处理器、光纤声传感器。
激光源采用半导体激光器，是分布反馈激光器，其中心波长通过电流注入进行调制，实现在大于波导的FSR的波长范围内进行高速调谐。
单模光纤用于传输入射光。
所述光纤声传感器选用空芯光子晶体光纤，用于形成法布里-珀罗干涉腔(F-P干涉腔)，从而实现反谐振波导结构。反谐振波导的反射光谱在传输波导反射带宽内具有多个窄带脉冲谱线，所述窄带谱线在宽反射带宽内近似等距，为基于激光的强度解调声信号检测提供多个线性工作点。
光纤声传感器用于复杂环境下的高灵敏度声信号检测。
智能反馈控制模块通过伺服控制、光源控制器、微处理器实现，在激光二极管调谐范围内的中心波长进入到期望线性工作点时锁定。智能反馈控制模块用于自动执行解锁/重锁过程。
激光源发射的激光通过光环形器被光纤声传感器反射后通过光耦合器分成两路，一路经过光电探测器将光信号转换为第一电信号，第一电信号依次传经过伺服控制器、光源控制器后进入微处理器；另一路被光电探测器采集换为第二电信号，通过示波器显示。第一电信号依次经过伺服控制器、光源控制器后进入微处理器；微处理器利用来自激光控制器的激光电流信息，调整锁定电压，并控制伺服控制器，当光纤声传感器的光谱上升沿移出激光调谐范围时，执行解锁/重锁过程，即微处理器调整锁定电压经由伺服控制器发送给光源控制器，以控制光源的波长，使得波长始终处于工作线性区域内，重锁过程的时间控制在预设时间以内。
作为优选，使得波长始终处于工作线性区域内，解锁/重锁过程的时间控制在1ms以内。
作为优选，所述法布里-珀罗干涉腔(F-P干涉腔)内介质由双层介质组成。
本发明公开的一种环境稳定型光纤声波探测系统的工作方法为：一旦反谐振波导信号的反射光谱由于环境温度变化或者振动原因，一个邻近的光谱窄带光谱脉冲移动到激光的调谐范围，并通过智能反馈控制模块，激光被快速调谐到该光谱脉冲线性工作区域，并锁定其光谱脉冲上升沿的线性工作区，从而在有环境干扰的情况下准确监测声源信号。一个反谐振波导原理的光纤声传感器反射光谱的FSR范围内，在激光波长调谐的范围内激光被锁定到一个用于光纤声传感器检测的光谱脉冲线性工作区域内。
背景环境因素引起的线性工作区变化向长波长光谱脉冲方向移动，随着激光波长调谐范围的上限，更短的波长的相邻光谱进入调谐范围，因为光纤声传感器的线性工作区域为小于激光调谐范围，将激光器从当前的脉冲线性工作区域处解锁，将其波长调整到调整范围的低短波长区，并将激光器重新锁定到新的光谱脉冲线性工作区域处，以便继续进行声源信号在线性工作区域内不受环境因素影响的检测。
同样地，如果光纤声传感器的检测反射光谱移出调谐范围，朝向较短波长方向，则较长波长的光谱移进调谐范围，激光被锁定到一个用于光纤声传感器声发射检测的光谱脉冲上升沿的线性工作区域内，进而用于声源信号检测。
通过智能反馈控制模块执行解锁/重锁过程，控制光源的波长，使得波长始终处于工作线性区域内。由于激光器通过电流注入的高速波长调谐能力，所述解锁/重锁过程控制在1ms以内，对声源信号检测几乎没有影响。由于光谱脉冲的谱宽比常规FBGS的带宽要窄得多，因此声发射的检测灵敏度显著提高。
智能反馈控制模块的具体工作方法为：若光纤声光传感器由于声音振动被拉伸时，光谱脉冲超出调谐范围向更长的波长移动时，激光最初被锁定在激光波长调谐范围内的光谱脉冲的上升沿线性工作区，设置为与激光注入电流范围相对应的电流值。初始锁定状态由零信号验证。微处理器连续读取激光电流信号，并以此来推断激光功率，从而通过调整电压来调整锁定电压。若光纤声光传感器由于声信号被拉伸时，激光注入电流和激光波长向可调谐范围的上边界移动，而较低波长附近的脉冲向调谐范围移动。此时，即t0时，微处理器开始发送一个逻辑为“高”的电平TTL信号，打开反馈回路，并打开激光器。TTL高电平也将PI控制器输出的信号保持在当前值。解锁导致差分放大器产生一个误差信号(ERR)偏离零点，。与此同时，微处理器发送一个调制信号(MOD)，所述MOD被添加到模拟比例积分PI控制器的信号中。所述信号经伺服控制倒转后输入激光控制器，使激光电流减小，使激光波长向短波长方向调谐。在一个(t1-t0)时间跨度内，MOD信号将激光线拉到刚刚进入调谐范围的光谱脉冲的波长以下。波长调谐范围由ERR信号确定，所述信号显示在t1记录之前有一个脉冲上升沿，当激光波长经过从较低波长端进入。光纤声传感器由于声信号被压缩时的控制过程与此类似。当操作点向电流和波长调谐范围的下边界移动时，通过激活TTL电平，将激光从当前的光谱脉冲中释放出来。随后，一个MOD信号被发送到激光控制器，使激光波长向更长的波长移动，并超过当前的光谱脉冲。因为激光波长只需要从当前光谱脉冲的一边移动到另一边，所以需要一个MOD信号。然后关闭TTL以关闭反馈回路，并将激光器波长重新锁定在从较长波长一端进入调谐的上升沿的线性工作点上。即通过智能反馈控制模块执行解锁/重锁定过程，以控制光源的波长，使得波长始终处于工作线性区域内。
有益效果：
1、本发明公开的一种环境稳定型光纤声波探测系统及方法，采用空芯光子晶体光纤、反谐振波导和智能反馈控制模块的激光强度解调的光纤声传感器系统，运用光调制原理、光弹效应、反谐振波导和智能反馈光强调制，实现复杂环境下的声源信号高精度高灵敏度检测，且能够保证所探测的声源信号在无明显中断。
2、本发明公开的一种环境稳定型光纤声波探测系统及方法，当光纤声传感器承受较大温度变化时，传感器的测量信号仍然保持在线性的工作区域，保证信号测量信号的稳定性。通过智能反馈控制模块保证输出信号在两个相邻波谷的线性工作点的调谐范围，通过智能反馈控制模块，激光从当前的光谱锁定脉冲上升沿的线性工作处解锁，并重新锁定到新光谱脉冲的线性工作期望点，实现复杂环境下的声源信号检测。
3、本发明公开的一种环境稳定型光纤声波探测系统及方法，激光源采用一种半导体激光器，是一种分布反馈激光源，其中心波长可以通过电流注入进行调制，实现在大于波导的自由光谱范围(Free Spectral Range，FSR)的波长范围内高速调谐。
4、本发明公开的一种环境稳定型光纤声波探测系统及方法，通过智能反馈控制模块将光纤声传感器锁定在线性工作区域内，消除温度对光纤声传感器的影响，使其工作稳定，提高光纤声传感器灵敏度和精度；由于激光二极管通过电流注入的高速波长调谐能力，所述解锁/重锁过程控制在1ms以内，对声源信号检测几乎没有影响。由于光谱脉冲的谱宽比常规FBGS的带宽要窄得多，因此声信号的检测灵敏度显著提高。
附图说明
图1为本发明公开的一种环境稳定型光纤声波探测系统结构图；
图2为光纤声传感器结构图；
图3为智能反馈控制模块及伺服控制结构图。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
如图1所示，本实施例公开的一种环境稳定型光纤声波探测系统，包括激光源(EP1550-NLW))、光环形器、光电探测器、伺服控制、光源控制器、微处理器、光纤声传感器。
激光源采用半导体激光器，是分布反馈激光器，波长范围：1540nm-1560nm，激光器的激光阈值为40mA，最大工作电流为250mA。其中心波长通过电流注入进行调制，实现在大于波导的FSR的波长范围内进行高速调谐。
单模光纤用于传输入射光。
所述光纤声传感器选用空芯光子晶体光纤，用于形成法布里-珀罗干涉腔(F-P干涉腔)，从而实现反谐振波导结构，所述法布里-珀罗干涉腔(FP干涉腔)内介质由双层介质组成。反谐振波导的反射光谱在传输波导反射带宽内具有多个窄带脉冲谱线，所述窄带谱线在宽反射带宽内近似等距，为基于激光的强度解调声信号检测提供多个线性工作点。
如图2所示，光纤声传感器用于复杂-环境下(振动、高温等)的高灵敏度声信号检测。
如图3所示，智能反馈控制模块通过伺服控制、光源控制器、微处理器实现，在激光二极管调谐范围内的中心波长进入到期望线性工作点时锁定。智能反馈控制模块用于自动执行解锁/重锁过程。
激光源发射的激光通过光环形器被光纤声传感器反射后通过光耦合器分成两路，一路经过光电探测器将光信号转换为第一电信号，第一电信号依次传经过伺服控制器、光源控制器后进入微处理器；另一路被光电探测器采集换为第二电信号，通过示波器显示信号。第一电信号依次经过伺服控制器、光源控制器后进入微处理器；微处理器利用来自激光控制器的激光电流信息，调整锁定电压，并控制伺服控制器，当光纤声传感器的光谱上升沿移出激光调谐范围时，执行解锁/重锁过程，即微处理器调整锁定电压经由伺服控制器发送给光源控制器，以控制光源的波长，使得波长始终处于工作线性区域内，重锁过程的时间控制在预设时间以内。
如图1、2、3所示，本实施例公开的一种环境稳定型光纤声波探测系统的工作方法为：一旦反谐振波导信号的反射光谱由于环境温度变化或者振动等原因，一个邻近的光谱窄带光谱脉冲移动到激光的调谐范围，激光被快速调谐到该光谱脉冲线性工作区域，并通过智能反馈控制模块锁定其光谱脉冲上升沿的线性工作区，从而在有环境干扰的情况下监测声源信号。一个反谐振波导原理的光纤声传感器反射光谱的近FSR范围内，在激光波长调谐的范围内激光被锁定到一个用于光纤声传感器检测的光谱脉冲线性工作区域内。
背景环境因素引起的线性工作区变化向长波长光谱脉冲方向移动，随着激光波长调谐范围的上限，更短的波长的相邻光谱进入调谐范围，因为光纤声传感器的线性工作区域为小于激光调谐范围，将激光器从当前的脉冲线性工作区域处解锁，将其波长调整到调整范围的低短波长区，并将激光器重新锁定到新的光谱脉冲线性工作区域处，以便继续进行声源信号在线性工作区域内不受环境因素影响的检测。
同样地，如果光纤声传感器的检测反射光谱移出调谐范围，朝向较短的波长方向，则较长波长的光谱移进调谐范围，激光被锁定到一个用于光纤声传感器声发射检测的光谱脉冲上升沿的线性工作区域内，进而用于声源信号检测。
通过智能反馈控制模块执行解锁/重锁过程，控制光源的波长，使得波长始终处于工作线性区域内。由于激光器通过电流注入的高速波长调谐能力，所述解锁/重锁过程控制在1ms以内，对声源信号检测几乎没有影响。由于光谱脉冲的谱宽比常规FBGS的带宽要窄得多，因此声发射的检测灵敏度显著提高。
智能反馈控制模块的具体工作方法为：若光纤声光传感器由于声音振动被拉伸时，光谱脉冲超出调谐范围向更长的波长移动时，伺服控制器控制和监控信号。激光最初被锁定在激光波长调谐范围内的光谱脉冲的上升沿线性工作区，设置为与激光注入电流范围相对应的电流值。初始锁定状态由零信号验证。微处理器连续读取激光电流信号，并以此来推断激光功率，从而通过调整电压来调整锁定电压。若光纤声光传感器由于声信号被拉伸时，激光注入电流和激光波长向可调谐范围的上边界移动，而较低波长附近的脉冲向调谐范围移动。此时，即t0时，微处理器开始发送一个逻辑为“高”的电平TTL信号，打开反馈回路，并打开激光器。TTL高电平也将PI控制器输出的信号保持在当前值。解锁导致ERR信号偏离零点。与此同时，微处理器向发送一个信号MOD，所述MOD信号被添加到PI过滤器的信号中。所述信号经伺服控制反馈到输入激光控制器，使激光电流减小，使激光波长向短波长方向调谐。在一个(t1-t0)时间跨度内，MOD信号将激光谱线拉到刚刚进入调谐范围的光谱脉冲的波长以下。波长调谐范围由ERR信号确定，所述信号显示在t1记录之前有一个脉冲上升沿，当激光波长经过从较低波长端进入。光纤声传感器由于声信号被压缩时的控制过程与此类似。当操作点向电流和波长调谐范围的下边界移动时，通过激活TTL电平，将激光从当前的光谱脉冲中释放出来。随后，一个MOD信号被发送到激光控制器，使激光波长向更长的波长移动，并超过当前的光谱脉冲。因为激光波长只需要从当前光谱脉冲的一边移动到另一边，所以需要一个MOD信号。然后关闭TTL以关闭反馈回路，并将激光器波长重新锁定在从较长波长一端进入调谐的光谱上升沿的线性工作点上。即通过智能反馈控制模块执行解锁/重锁定过程，以控制光源的波长，使得波长始终处于工作线性区域内。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种环境稳定型光纤声波探测系统，其特征在于：包括激光源、光环形器、光电探测器、伺服控制、光源控制器、微处理器、光纤声传感器；
激光源采用半导体激光器，是分布反馈激光器，其中心波长通过电流注入进行调制，实现在大于波导的FSR的波长范围内进行高速调谐；
单模光纤用于传输入射光；
所述光纤声传感器选用空芯光子晶体光纤，用于形成法布里-珀罗干涉腔，从而实现反谐振波导结构；反谐振波导的反射光谱在传输波导反射带宽内具有多个窄带脉冲谱线，所述窄带谱线在宽反射带宽内近似等距，为基于激光的强度解调声信号检测提供多个线性工作点；
光纤声传感器用于复杂环境下的高灵敏度声信号检测；
智能反馈控制模块通过伺服控制、光源控制器、微处理器实现，在激光二极管调谐范围内的中心波长进入到期望线性工作点时锁定；智能反馈控制模块用于自动执行解锁/重锁过程。
2.如权利要求1所述的一种环境稳定型光纤声波探测系统，其特征在于：激光源发射的激光通过光环形器被光纤声传感器反射后通过光耦合器分成两路，一路经过光电探测器将光信号转换为第一电信号，第一电信号依次传经过伺服控制器、光源控制器后进入微处理器；另一路被光电探测器采集换为第二电信号，通过示波器显示；第一电信号依次经过伺服控制器、光源控制器后进入微处理器；微处理器利用来自激光控制器的激光电流信息，调整锁定电压，并控制伺服控制器，当光纤声传感器的光谱上升沿移出激光调谐范围时，执行解锁/重锁过程，即微处理器调整锁定电压经由伺服控制器发送给光源控制器，以控制光源的波长，使得波长始终处于工作线性区域内，重锁过程的时间控制在预设时间以内。
3.如权利要求2所述的一种环境稳定型光纤声波探测系统，其特征在于：使得波长始终处于工作线性区域内，解锁/重锁过程的时间控制在1ms以内。
4.如权利要求2所述的一种环境稳定型光纤声波探测系统，其特征在于：所述法布里-珀罗干涉腔体内介质由双层介质组成。
5.一种环境稳定型光纤声波探测方法，基于如权利要求1、2、3或4所述的一种环境稳定型光纤声波探测系统实现，其特征在于：一旦反谐振波导信号的反射光谱由于环境温度变化或者振动原因，一个邻近的光谱窄带光谱脉冲移动到激光的调谐范围，并通过智能反馈控制模块，激光被快速调谐到该光谱脉冲线性工作区域，并锁定其光谱脉冲上升沿的线性工作区，从而在有环境干扰的情况下准确监测声源信号；一个反谐振波导原理的光纤声传感器反射光谱的FSR范围内，在激光波长调谐的范围内激光被锁定到一个用于光纤声传感器检测的光谱脉冲线性工作区域内。
背景环境因素引起的线性工作区变化向长波长光谱脉冲方向移动，随着激光波长调谐范围的上限，更短的波长的相邻光谱进入调谐范围，因为光纤声传感器的线性工作区域为小于激光调谐范围，将激光器从当前的脉冲线性工作区域处解锁，将其波长调整到调整范围的低短波长区，并将激光器重新锁定到新的光谱脉冲线性工作区域处，以便继续进行声源信号在线性工作区域内不受环境因素影响的检测；
同样地，如果光纤声传感器的检测反射光谱移出调谐范围，朝向较短波长方向，则较长波长的光谱移进调谐范围，激光被锁定到一个用于光纤声传感器声发射检测的光谱脉冲上升沿的线性工作区域内，进而用于声源信号检测；
通过智能反馈控制模块执行解锁/重锁过程，控制光源的波长，使得波长始终处于工作线性区域内；由于激光器通过电流注入的高速波长调谐能力，所述解锁/重锁过程控制在1ms以内，对声源信号检测几乎没有影响；由于光谱脉冲的谱宽比常规FBGS的带宽要窄得多，因此声发射的检测灵敏度显著提高。
6.如权利要求5所述的一种环境稳定型光纤声波探测方法，其特征在于：智能反馈控制模块的具体工作方法为：智能反馈控制模块的具体工作方法为：若光纤声光传感器由于声音振动被拉伸时，光谱脉冲超出调谐范围向更长的波长移动时，激光最初被锁定在激光波长调谐范围内的光谱脉冲的上升沿线性工作区，设置为与激光注入电流范围相对应的电流值；初始锁定状态由零信号验证；微处理器连续读取激光电流信号，并以此来推断激光功率，从而通过调整电压来调整锁定电压；若光纤声光传感器由于声信号被拉伸时，激光注入电流和激光波长向可调谐范围的上边界移动，而较低波长附近的脉冲向调谐范围移动；此时，即t0时，微处理器开始发送一个逻辑为“高”的电平TTL信号，打开反馈回路，并打开激光器；TTL高电平也将PI控制器输出的信号保持在当前值；解锁导致差分放大器产生一个误差信号ERR偏离零点；与此同时，微处理器发送一个调制信号MOD，所述MOD被添加到模拟比例积分PI控制器的信号中；所述信号经伺服控制倒转后输入激光控制器，使激光电流减小，使激光波长向短波长方向调谐；在一个(t1-t0)时间跨度内，MOD信号将激光线拉到刚刚进入调谐范围的光谱脉冲的波长以下；波长调谐范围由ERR信号确定，所述信号显示在t1记录之前有一个脉冲上升沿，当激光波长经过从较低波长端进入；光纤声传感器由于声信号被压缩时的控制过程与此类似；当操作点向电流和波长调谐范围的下边界移动时，通过激活TTL电平，将激光从当前的光谱脉冲中释放出来；随后，一个MOD信号被发送到激光控制器，使激光波长向更长的波长移动，并超过当前的光谱脉冲；因为激光波长只需要从当前光谱脉冲的一边移动到另一边，所以需要一个MOD信号；然后关闭TTL以关闭反馈回路，并将激光器波长重新锁定在从较长波长一端进入调谐的上升沿的线性工作点上；即通过智能反馈控制模块执行解锁/重锁定过程，以控制光源的波长，使得波长始终处于工作线性区域内。
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