CN111896036B - 一种连续波空间域光纤光栅腔衰荡传感器系统解调方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连续波空间域光纤光栅腔衰荡传感器系统解调方法，包括：步骤一，使宽带光源发射的连续光在光纤光栅衰荡腔内来回振荡，在光电平衡探测器处获得频移干涉差分电信号；步骤二，利用数据采集处理单元对电信号进行采集，经过快速傅里叶变换、峰值提取和指数拟合处理，获得系统的本征衰荡距离；步骤三，将待测参量作用于任一光纤光栅上，依次改变其大小，重复步骤二，获取对应的一系列衰荡距离；步骤四，计算衰荡距离倒数相对于本征衰荡距离倒数的变化量，绘制其随待测参量变化的曲线，由曲线斜率求出待测参量。本发明采用两个同波长同带宽的光纤光栅形成光纤光栅衰荡腔，不仅能降低成本、获得高灵敏度，而且能实现对温度的自动补偿。
Description
技术领域
本发明涉及光纤光栅传感器技术领域，特别涉及一种连续波空间域光纤光栅腔衰荡传感器系统解调方法。
背景技术
光纤光栅是一种以光纤为媒质、光信号为载体的传感器，具有尺寸小，电绝缘、抗电磁干扰，响应快，易组网和可远程监测等优点，在结构健康监测、航空航天、船舶航运和石油化工等领域获得了广泛的应用。
传统的光纤光栅传感器主要基于波长解调法，需要采用昂贵的光谱分析仪或复杂的波长解调设备。由于光谱分析设备的分辨率有限，光纤光栅传感器的测量精度和灵敏度都比较低。为了解决这个问题，近年来已经出现了一些采用传统的光纤腔衰荡光谱技术实现光纤光栅传感解调的报道，提高了测量精度和灵敏度。例如，Chuiji Wang等人提出了一种基于传统光纤腔衰荡技术的光纤光栅温度传感器。这种传感器利用光纤腔的循环衰减大大延长了信号光与外界相互作用的时间，提高了测量灵敏度，同时将探测光栅中心波长的移动转化为探测脉冲光在衰荡腔内的衰减速度即衰荡时间的变化，提高了测量精度提高了测量精度，也避免了光谱分析仪的使用。随后Daqing Tang等人[1]采用这种技术实现了气体压力的监测，获得的灵敏度为-0.384ms/MPa，比光谱分析仪的解调结果提高了79倍。Atsushi Yarai等人[2]提出基于光纤腔衰荡技术的光纤温度传感器，在温度20.0℃时获得了0.02℃的探测极限，相比以往技术至少提高了5倍。虽然这类技术在一定程度提高了测量精度和灵敏度，但是测量的都是脉冲光在衰荡腔内的衰减速率(即衰荡时间常数)，需要采用脉冲激光器或电光调制器、高速光电探测器和高速数据采集仪，结构复杂，成本难以进一步降低，在实际应用中受到很大限制。此外，以上解调技术均无法克服外界环境温度对光纤光栅传感器系统的影响。光纤光栅不仅对应力、应变和压强等敏感，对温度也特别敏感，温度的变化会引起光纤光栅中心波长的漂移。因此为了能更准确地测得作用在光纤光栅上的应力、应变和压强等参量，必须消除外界温度的交叉干扰，从而提高系统的测试精度。
文中涉及如下参考文献：
[1]Daqing Tang,Dexing Yang,Yajun Jiang,et al.Fiber loop ring-downoptical fiber grating gas pressure sensor.Optics and Lasers in Engineering,2010,48(12):1262-1265.
[2]AtsushiYarai,Katsuyuki Hara.Resolution enhancement of fiber Bragggrating temperature sensor using a cavity ring-downtechnique.Japanese Journalof Applied Physics,2018,57(2):028002.
发明内容
本发明的目的是提供一种灵敏度高、成本低、精度高的连续波空间域光纤光栅腔衰荡传感器系统解调方法。
本发明连续波空间域光纤光栅腔衰荡传感器系统解调方法，所使用的传感器系统包括宽带光源、光纤环形器、分光比为50：50的光纤耦合器、第一偏振控制器、光纤光栅衰荡腔、不对称插入的声光调制器、声光调制器驱动源、光电平衡探测器以及数据采集处理单元；其中，光纤光栅衰荡腔由第一光纤光栅、延迟光纤、第二偏振控制器、第二光纤光栅顺次连接构成；第一光纤光栅和第二光纤光栅的中心波长和带宽均一致，第一光纤光栅和第二光纤光栅的反射率相同或不同，但均大于95％；光纤光栅衰荡腔的腔长(此处腔长即第一光纤光栅和第二光纤光栅之间距离的两倍)大于宽带光源的相干长度；
宽带光源的输出端连接光纤环形器的第一端，光纤环形器的第二端连接光纤耦合器的第一输入端，其第三端连接光电平衡探测器；光纤耦合器的第二输入端也连接光电平衡探测器；光纤耦合器的第一输出端连接第一偏振控制器一端，第一偏振控制器的另一端连接第一光纤光栅；光纤耦合器的第二输出端连接声光调制器的一端，声光调制器的另一端连接第二光纤光栅；光电平衡探测器的输出端连接数据采集处理单元；声光调制器、声光调制器驱动源、数据采集处理单元顺次连接；
所述解调方法包括以下步骤：
步骤一，宽带光源发射的连续光依次经光纤环形器、光纤耦合器，进入光纤光栅衰荡腔内来回振荡，在光电平衡探测器处获得频移干涉差分电信号；
步骤二，利用数据采集处理单元对电信号进行采集，作快速傅里叶变换获得连续波空间域衰荡信号，对连续波空间域衰荡信号进行峰值提取和指数拟合，得到指数衰减曲线，从而获得本征衰荡距离Λ0；衰荡距离的定义为：峰值幅度降低到初始峰值幅度的1/e时所经历的距离；
步骤三，将待测参量作用于第一光纤光栅或第二光纤光栅上，依次改变其大小，重复步骤二，获取对应的一系列衰荡距离；
步骤四，计算衰荡距离倒数相对于本征衰荡距离倒数的变化量，绘制其随待测参量变化的关系曲线，根据曲线斜率k和当前衰荡距离Λ，利用公式
计算当前待测参量X。
进一步地，数据采集处理单元包括相连接的数据采集单元和计算机。
数据采集单元用来采集光电平衡探测器输出的频移干涉差分电信号，具体可采用数字示波器、数据采集卡等。
进一步地，宽带光源可采用自发辐射源、发光二极管或超辐射发光二极管。
本发明中，光纤光栅衰荡腔由同波长、同带宽、高反射率的第一光纤光栅和第二光纤光栅构成，其中任意一个光纤光栅可用作传感元件。相反方向传播的两束连续光在两个光纤光栅之间来回反射衰减，经过频移干涉和傅里叶变换之后形成连续波空间域衰荡信号。当环境温度变化时，由于传感光纤光栅和另外一个光纤光栅的温度特性一致，两者的透射光谱同步移动，宽带光源的谱宽足够宽，能够保证透射谱漂移前后光纤光栅衰荡腔内的总损耗相等，从而保证衰荡距离相同。因此，温度变化不会改变光纤光栅衰荡腔的衰荡距离。衰荡距离的变化仅仅由加载在传感光纤光栅上的待测参量引起。因此这种传感器系统能自动进行温度补偿，通过监测衰荡距离的变化即可实现对待测参量的精确测量。
和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)本发明摆脱了光谱分析仪及其分辨率的限制，相比于传统的光纤腔衰荡技术，不需要脉冲调制，也不需要快速探测与高速采集设备，采用连续光源、慢速探测器和低速采集设备即可，在获得高灵敏度的同时，还简化了系统结构，降低了系统成本。
(2)与基于频移干涉光纤腔衰荡技术的传统光纤传感系统相比，本发明利用两个同波长、同带宽的光纤光栅构成光纤光栅衰荡腔，利用其中一个光纤光栅感知待测参量，另一个光纤光栅作为温度补偿，不但无需使用两个高耦合比的光纤耦合器和额外的传感元件，结构更简单，而且可以自动补偿外界温度的交叉影响，实现对待测参量更精确的测量。
附图说明
图1是本发明解调方法所采用传感器系统的结构框图，图中，1-宽带光源，2-光纤环形器，3-光纤耦合器，4-第一偏振控制器，5-第一光纤光栅，6-延迟光纤，7-第二偏振控制器，8-第二光纤光栅，9-声光调制器，10-光电平衡探测器，11-声光调制器驱动源，12-数据采集处理单元；
图2是具体实施方式中所采用传感器系统的结构框图；
图3是第一光纤光栅与待测参量作用下第二光纤光栅的反射谱；
图4是本发明解调方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本发明解调方法所采用传感器系统的结构框图，图2为图1的一种具体实施方式，参见图2，所示为本发明方法所采用的传感器系统结构框图，所示传感器系统包括作为宽带光源的自发辐射源ASE、光纤环形器Cir、分光比为50：50的光纤耦合器C1、第一偏振控制器PC1、光纤光栅衰荡腔、不对称插入的声光调制器AOM、声光调制器驱动源Drive、光电平衡探测器BD、数字示波器OSC以及内嵌Labview程序的计算机CP，计算机CP即数据处理单元。其中，光纤光栅衰荡腔由第一光纤光栅FBGT、约55米长的延迟光纤fiber、第二偏振控制器PC2、第二光纤光栅FBGS顺次连接构成。本实施例中，光纤光栅衰荡腔总长度约60米。
此处，不对称插入的声光调制器指：声光调制器到光纤耦合器C1的输出端口①、②(即图1所示光纤耦合器C1右侧的端口①、②)的距离不一样。只有不对称地将声光调制器插入到光纤耦合器C1的两个输出端形成的环路中，才能使顺时针方向和逆时针方向旋转的两束光发生频移的时间不一样，才能产生相位差，从而形成干涉。
自发辐射源ASE的输出端连接光纤环形器Cir的第一端，光纤环形器Cir的第二端连接光纤耦合器C1的第一输入端，其第三端连接光电平衡探测器BD；光纤耦合器C1的第二输入端也连接光电平衡探测器BD。光纤耦合器C1的第一输出端连接第一偏振控制器PC1一端，第一偏振控制器PC1的另一端连接第一光纤光栅FBGT；光纤耦合器C1的第二输出端连接声光调制器AOM的一端，声光调制器AOM的另一端连接第二光纤光栅FBGS。光电平衡探测器BD的输出端与数字示波器OSC、计算机CP顺次连接，声光调制器AOM、声光调制器驱动源Drive和计算机CP顺次连接。
需要说明的是，光纤环形器Cir的第一端、第二端、第三端分别对应图1所示光纤环形器Cir的端口①、②、③。光纤耦合器C1的第一输入端、第二输入端分别对应图1中标注于光纤耦合器C1左侧的端口①、②，光纤耦合器C1的第一输出端、第二输出端分别对应图1中标注于光纤耦合器C1右侧的端口①、②。
该传感器系统中，光纤环形器Cir是三个端口的非可逆光纤器件，参见图1，光信号从光纤环形器的端口①输入，则只能从端口②输出；光信号从端口②输入，则只能从端口③输出，光纤环形器起到非可逆传输光的作用。
该传感器系统中，声光调制器AOM用作频移器；第一偏振控制器PC1和第二偏振控制器PC2用来调节光信号的偏振态以及提高干涉条纹可见度；数字示波器OSC用于采集和显示频移干涉差分信号；声光调制器驱动源Drive用作声光调制器AOM的驱动电源；内嵌Labview程序的计算机CP主要用来对采集的数据进行处理。
本具体实施方式中，自发辐射源ASE型号为Connet AS3210-BB2；光纤环形器Cir采用MC Fiber Optics公司的光纤环形器；光纤耦合器C1采用MC Fiber Optics公司的光纤耦合器；第一偏振控制器PC1和第二偏振控制器PC2均采用MC Fiber Optics公司的偏振控制器；声光调制器AOM型号为Brimrose AMM-100-20-25-1550-2FP；声光调制器驱动源Drive的扫频范围为90-110MHz，采用Brimrose公司的声光调制器驱动源；光电平衡探测器BD采用1MHz的光电平衡探测器，型号为New Focus Model 2117型号；数字示波器OSC采用100KHz的示波器，型号为Tektronix MDO3014；第一光纤光栅FBGT和第二光纤光栅FBGS均采用Shenghai optical公司的光纤光栅；延迟光纤fiber采用YPFC光纤。
该传感器系统的工作原理如下：
自发辐射源ASE发射的连续光，从光纤环形器Cir的端口①进入，从端口②输出，经光纤耦合器C1后，分成顺时针和逆时针方向传输的两束光。顺时针方向传播的光束从光纤耦合器C1右侧的端口①输出，经第一偏振控制器PC1进入光纤光栅衰荡腔，在光纤光栅衰荡腔内来回反射。每次经过第二光纤光栅FBGS的反射后，仍有大部分光留在腔内继续传播，只有少部分光从第二光纤光栅FBGS透射出来。透射出来的光经声光调制器AOM发生频移后到达光纤耦合器C1。逆时针方向传输的光束则从光纤耦合器C1右侧的端口②输出，经声光调制器AOM进入光纤光栅衰荡腔，在光纤光栅衰荡腔内来回反射。每次经过第一光纤光栅FBGT的反射后，有少部分光从第一光纤光栅FBGT透射出来，再经第一偏振控制器PC1进入光纤耦合器C1。
顺时针和逆时针传播的两束光在光纤光栅衰荡腔内来回传输的距离为腔长的整数倍，当此倍数不相等时，反方向传输的两束光不发生干涉；当倍数相等时，由于反方向传输的两束光发生频移的位置不同，而在两束光之间产生恒定的相位差，当光纤光栅衰荡腔的腔长大于光源的相干长度时，这两束光便会在光纤耦合器C1处发生干涉，这种干涉称之为频移干涉。频移干涉光被光纤耦合器C1平分成两束光，一束光经光纤耦合器C1左侧的端口②直接传输至光电平衡探测器BD的一端，另一束光则经光纤耦合器C1左侧的端口①输出，从光纤环形器Cir的端口②输入，再从光纤环形器Cir的端口③输出到光电平衡探测器BD的另一端。两束光经光电平衡探测器BD的差分探测，转换为电信号，记为频移干涉差分电信号，由数字示波器OSC采集，之后传输到计算机CP内进行数据处理。计算机CP对数字示波器OSC采集的频移干涉差分电信号做快速傅里叶变换，获得幅度随传播距离衰减的信号，即连续波空间域衰荡信号。再经过峰值提取和指数拟合，得到光纤光栅衰荡腔的腔内损耗和衰荡距离。
当环境温度变化时，由于第一光纤光栅FBGT和第二光纤光栅FBGS的温度特性一致，两者的透射谱同步移动。此处温度特性一致指：当两光纤光栅处于同一环境中，环境温度变化时，光纤光栅的中心波长漂移量相同，则两光纤光栅的温度特性一致。第一光纤光栅FBGT和第二光纤光栅FBGS中任一个均可用作传感元件。自发辐射源ASE的谱宽足够宽，能够保证透射谱漂移前后光纤光栅衰荡腔内的总损耗相等，从而保证衰荡距离相同。因此，本发明光纤光栅衰荡腔内，温度变化不会改变光纤光栅衰荡腔的衰荡距离。当待测参量(例如温度、压力、应变、折射率等)作用在第一光纤光栅FBGT或第二光纤光栅FBGS上时，传感光纤光栅的透射强度将发生线性变化，导致光纤光栅衰荡腔的总损耗变化，进而引起衰荡距离变化。衰荡距离的变化仅仅是由加载在传感光纤光栅上的待测参量引起。因此该传感器系统在进行温度补偿的同时，通过监测衰荡距离的变化即可实现待测参量的精确测量。
本具体实施方式中，第一光纤光栅FBGT和第二光纤光栅FBGS的中心波长、带宽和反射率均一致，分别为1550nm、0.2nm和99.9％。两者的反射率可以不相同，但是两者的反射率必须足够高，一般大于95％，只有这样，连续光才能在光纤光栅衰荡腔内进行多次反射和透射，整个传感器系统的本征腔损耗较低，探测极限较高。参见图3，当待测参量作用于第二光纤光栅FBGS上，第一光纤光栅FBGT和第二光纤光栅FBGS反射谱的相对位置发生改变，第二光纤光栅FBGS的中心波长往长波方向漂移。这样，在第一光纤光栅FBGT的中心波长没有相对移动的前提下，第二光纤光栅FBGS的反射率和插入损耗都发生变化，因而光纤光栅衰荡腔的总损耗和衰荡距离也会发生变化。
图4为本发明解调方法流程图，具体实施方式中包含的步骤具体如下：
步骤一，打开自发辐射源ASE，使自发辐射源ASE发射的连续光进入光纤光栅衰荡腔内来回振荡，在光电平衡探测器BD处获得频移干涉差分电信号；
步骤二，电信号由数字示波器OSC采集，计算机对数字示波器OSC采集的电信号数据进行快速傅里叶变换，得到连续波空间域衰荡信号，对连续波空间域衰荡信号进行峰值提取和指数拟合，从而获得光纤光栅衰荡腔的本征衰荡距离。此处指数拟合指：利用指数函数对从电信号数据提取的峰值点进行拟合，得到一条指数拟合曲线。该指数拟合曲线为峰值幅度随空间距离指数衰减的衰荡谱；
步骤三，将待测参量作用于第一光纤光栅FBGT或第二光纤光栅FBGS上，本具体实施方式中待测参量作用于第二光纤光栅FBGS上，依次改变待测参量大小，观察并保存对应的一系列衰荡距离；
步骤四，计算衰荡距离倒数相对于本征衰荡距离倒数的变化量，获得变化量与待测参量之间的关系变化曲线，获得关系变化曲线的斜率k；根据斜率k和当前的衰荡距离Λ，利用公式
即可计算当前待测参量X，其中Λ0为本征衰荡距离。
本发明解调方法所涉及的计算原理如下：
光电平衡探测器BD差分探测获得的频移干涉差分电信号ΔI采用公式(1)表示：
式(1)中：
Im为连续光在光纤光栅衰荡腔中环行距离mL后干涉信号的强度，Im＝I0e-mα，I0为初始光强；m为光束环行圈数，m＝0,1,2,...，L为两个光纤光栅之间距离的两倍，即光纤光栅衰荡腔的腔长；
L0为光纤耦合器第一输出端、第二输出端分别到声光调制器之间的两段光纤长度之差，L0为常数，其决定空间域衰荡信号中第一个傅里叶峰的位置；
α为未施加待测参量时光纤光栅衰荡腔内的总损耗，即本征腔损耗，其包括第一光纤光栅FBGT和第二光纤光栅FBGS因反射引入的插入损耗、延迟光纤fiber的传输损耗、光纤熔接损耗以及第二偏振控制器PC2的插入损耗；
n为单模光纤纤芯的有效折射率；
f为声光调制器AOM引起的频移量，c为真空光速。
由公式(1)可知，对频移干涉差分电信号做快速傅里叶变换，并将频率Fm＝n(mL+L0)/c转换为距离，即可获得傅里叶峰值幅度随空间距离mL+L0按指数衰减的衰荡谱，即连续波空间域衰荡信号。定义峰值幅度降低到初始峰值幅度的1/e时所经历的距离为衰荡距离，e表示自然对数底数，则有：
此时没有待测参量作用在第二光纤光栅FBGS上，Λ0即本征衰荡距离。
当待测测量参量如压力、应变、压强或折射率等加载在第二光纤光栅FBGS上时，第二光纤光栅FBGS的中心波长发生漂移，引起其透射率发生变化，从而使第二光纤光栅FBGS产生附加损耗β，此时衰荡距离Λ变为：
式(3)中，附加损耗可表示为β＝ξX，ξ为第二光纤光栅FBGS对待测参量X的敏感系数。
结合公式(2)和(3)有：
从式(4)可知，在腔长L和敏感系数ξ一定的情况下，衰荡距离倒数的变化量
与待测参量X成正比。只要测量第二光纤光栅FBGS在有待测参量作用和没有待测参量作用时的光纤腔衰荡距离，通过作图求出斜率k，就可计算出待测参量的大小。
本发明提供的这种连续波空间域光纤光栅腔衰荡传感器解调方法相比于传统的波长解调技术，不需要使用光谱分析仪，提高了测量精度，也不像传统的光纤腔衰荡光谱技术那样对光源、光电探测器和数据采集设备有过高的要求，降低了系统的复杂度和成本。该传感传统的最大特点在于采用两个同波长、同带宽的光纤光栅替代两个高耦合比的光纤耦合器构成光纤光栅衰荡腔，利用它们温度响应相同的特点对环境温度自动进行补偿，同时将测量波长漂移量或衰荡时间的变化转换为测量衰荡距离的变化，因此还具有高灵敏度、低成本和结构简单的优势。
上述实施例所述是用以具体说明本发明，文中虽通过特定的术语进行说明，但不能以此限定本发明的保护范围，熟悉此技术领域的人士可在了解本发明的精神与原则后对其进行变更或修改而达到等效目的，而此等效变更和修改，皆应涵盖于权利要求范围所界定范畴内。
Claims (2)
1.一种连续波空间域光纤光栅腔衰荡传感器系统解调方法，其特征是：
所使用的传感器系统包括宽带光源(1)、光纤环形器(2)、分光比为50：50的光纤耦合器(3)、第一偏振控制器(4)、光纤光栅衰荡腔、不对称插入的声光调制器(9)、光电平衡探测器(10)、声光调制器驱动源(11)以及数据采集处理单元(12)；其中，光纤光栅衰荡腔由第一光纤光栅(5)、延迟光纤(6)、第二偏振控制器(7)、第二光纤光栅(8)顺次连接构成；第一光纤光栅(5)和第二光纤光栅(8)的中心波长和带宽均一致，第一光纤光栅(5)和第二光纤光栅(8)的反射率相同或不同，但均大于95％；光纤光栅衰荡腔的腔长大于宽带光源的相干长度；宽带光源(1)的输出端连接光纤环形器(2)的第一端，光纤环形器(2)的第二端连接光纤耦合器(3)的第一输入端，光纤环形器(2)的第三端连接光电平衡探测器(10)；光纤耦合器(3)的第二输入端也连接光电平衡探测器(10)；光纤耦合器(3)的第一输出端连接第一偏振控制器(4)一端，第一偏振控制器(4)的另一端连接第一光纤光栅(5)；光纤耦合器(3)的第二输出端连接声光调制器(9)的一端，声光调制器(9)的另一端连接第二光纤光栅(8)；光电平衡探测器(10)的输出端、数据采集处理单元(12)、声光调制器驱动源(11)、声光调制器(9)顺次连接；
所述解调方法包括以下步骤：
步骤一，宽带光源(1)发射的连续光依次经光纤环形器(2)、光纤耦合器(3)，进入光纤光栅衰荡腔内来回振荡，在光电平衡探测器(10)处获得频移干涉差分电信号；
步骤二，利用数据采集处理单元(12)对电信号进行采集，作快速傅里叶变换获得连续波空间域衰荡信号，对连续波空间域衰荡信号进行峰值提取和指数拟合，得到指数衰减曲线，从而获得本征衰荡距离Λ0；衰荡距离的定义为：峰值幅度降低到初始峰值幅度的1/e时所经历的距离，e表示自然对数底数；
步骤三，将待测参量作用于第一光纤光栅(5)或第二光纤光栅(8)上，依次改变其大小，重复步骤二，获取对应的一系列衰荡距离；
步骤四，计算衰荡距离倒数相对于本征衰荡距离倒数的变化量，绘制其随待测参量变化的关系曲线，根据曲线斜率k和当前衰荡距离Λ，利用公式
计算当前待测参量X。
2.如权利要求1所述的连续波空间域光纤光栅腔衰荡传感器系统解调方法，其特征是：
所述数据采集处理单元包括相连接的数据采集单元和计算机。
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