CN111998884B - 一种波长自标定光纤fp传感器解调方法 - Google Patents

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Abstract

本发明请求保护一种波长自标定光纤FP传感器解调方法，属于光纤传感技术领域。其利用较大波长调谐范围的快速扫描激光器结合FP标准具进行波长自标定，再利用波长解调算法实现光纤法布里‑泊罗(FP)传感器的动态绝对腔长的解调方法。本发明的效果和益处是从根本上解决光纤传感领域中干涉型光纤传感器工作点漂移以及光强波动带来的动态范围小和解调信号不稳定的问题，而且对比其他方法又降低了系统的成本和复杂程度。本发明为声波和振动信号的高灵敏度、大动态范围的解调提供一种高性能的解决方案。

Description

一种波长自标定光纤FP传感器解调方法
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，是一种利用较大波长调谐范围的快速扫描激光器和光谱的波长自标定实现绝对腔长测量的光纤法布里-泊罗(FP)传感器的解调方法。
背景技术
光纤FP传感器属于干涉型光纤传感器，对比电子传感器，光纤FP传感器在声波与振动测量领域具有结构简单、灵敏度高、抗电磁干扰、体积小、安全、可远距离遥测、形成光纤传感网络等诸多优点。因而在声波探测，振动检测，建筑结构健康监测等方面有着重要的应用。光纤FP传感器探测声波或者振动等动态信号的机理是外界信号引起探头中的信号敏感部分振动，振动的信号敏感部分会使FP腔长发生改变，可以通过测量反射光强度变化或者直接测量腔长变换来表征探测到的信号，前者为干涉-强度解调，后者为波长解调。
干涉-强度解调是基于干涉信号按余弦规律变化的特点的，利用余弦曲线中线性度最好的一段作为相位-强度转换曲线，这种传感机理就带来了环境因素变化下的工作点漂移问题和线性动态范围小的问题。干涉-强度传感器对声波等动态信号进解调时，静态工作点一般设置在干涉曲线斜率最大的π/2相位点(Q点)，这样传感器可以获得最大的灵敏度和线性动态范围。如果工作点因外界因素偏离Q点，传感器的灵敏度就会降低并出现非线性响应。文献1[J.F.Dorighi,S.Krishnaswamy,J.D.Achenbach,Stabilization of anembedded fiber optic Fabry–Perot sensor for ultrasound detection,IEEE Trans.Ultrason.Ferroelectr.Freq.Control 37(1995)820–824]和文献2[Bing.Yu,Anbo.Wang,Grating-assisted demodulation of interferometric optical sensors,Appl.Opt.42(2003)6824–6829]报道了通过动态调整光源中心波长的方式，补偿环境因素引起的静态工作点漂移，但由于光源的调谐范围有限，对工作点漂移并不能无限补偿，并且补偿系统往往体积较大，结构复杂。
文献3[专利号：201510158109.2，一种波长循环调谐补偿干涉型传感器工作点漂移的方法]使用波长循环调谐补偿的方案实现了干涉-强度型传感器的工作点补偿，可以很好的稳定工作点，但不能从根本上解决工作点漂移，而且限于干涉型传感器的传感机理，其线性动态范围较小，不适合用于大信号检测。
文献4[Mao X,Tian X,Zhou X,et al.Characteristics of a fiber-opticalFabry-Perot interferometric acoustic sensor based on an improved phasegenerated carrier demodulation mechanism[J].Optical Engineering,2015,54(4):046107]利用相位生成载波(PGC)解调法对声波实现了检测，但是也暴露了PGC解调方法在声波检测应用中灵敏度低，信号解调方法复杂等问题。
综上所述，针对光纤FP传感器对动态信号的测量提出一种的高灵敏度、大动态范围和高稳定性的解调方法及系统具有重要的意义和实用价值。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种的高灵敏度、大动态范围和高稳定性的光纤FP传感器的解调方法。本发明的技术方案如下：
一种波长自标定光纤FP传感器解调方法，其利用传感解调系统对受声波调制的光纤FP腔的瞬态光谱进行实时波长标定，再利用多峰波长解调算法求出腔长的绝对值，该方法采用的光纤FP传感解调系统，包括光源(1)、光纤耦合器(2)、光纤环形器(3)、FP标准具(4)、光纤FP探头(5)、光电转换及信号采集模块(6)及计算机(7)；
解调具体步骤如下：首先快速扫描光源(1)整个输出光谱范围，光源(1)发出扫描激光经光纤耦合器(3)分光，一部分光进入光纤环形器进另一部分进入FP标准具(4)，进入光纤环形器(2)一部分光再导入光纤FP探头(3)后，在光纤FP探头(3)的单模光纤(7)端面与声波敏感膜片(8)的内表面发生干涉，干涉光谱反射再经光纤环形器(3)进入光电转换及信号采集模块(6)，进入FP标准具(4)的那部分光经过标准具后的透射光谱直接进入进入光电转换及信号采集模块(6)，光电转换及信号采集模块(6)将采集到的干涉光谱和透射光谱数据传输给计算机(7)，计算机(7)通过透射光谱数据标定干涉光谱的波长，再通过多峰解调算法计算出受声波信号调制的FP腔的瞬态绝对腔长，最终得到正比于声波振幅的腔长动态变化波形并显示。
进一步的，所述快速扫描光源(1)整个输出光谱范围具体包括：所述光源(1)是一种波长可快速调谐的分布布拉格反射(DBR)半导体激光器，利用改变DBR半导体激光器的注入电流实现激光波长的快速扫描，从而得到低细度光纤FP传感器的干涉光谱，
进一步的，所诉得到的低细度光纤FP传感器的干涉光谱可利用FP标准具实现光谱的波长的实时标定。
进一步的，所述DBR半导体激光器的波长可调谐范围大于10nm，波长调谐速度大于100nm/ms。
进一步的，所述DBR激光器光谱扫描频率大于所探测信号频率的2倍以上。
进一步的，所述腔长绝对值解调方法是基于多峰解调的腔长解调算法。多峰解调算法是在测量过程中跟踪干涉谱中的多个干涉级次的波峰或者波谷，当一腔长发生改变时，将导致波峰或者波谷的位置发生改变，通过波峰或者波谷位置的移动可以解调出光纤传感器的腔长值。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明基于激光波长快速扫描和干涉光谱波长自标定的方案可以实时获得光纤FP传感器的绝对腔长值，并且激光器的波长快速调谐是基于半导体激光器注入电流，所以此方案波长快速速度快，可以用于测量声波或振动等动态信号，此方案可从根本上解决光纤传感领域中干涉型光纤传感器工作点漂移以及光强波动带来的解调信号不稳定和线性动态范围小等问题；而且，DBR激光器作为光源较宽谱自发辐射光源相比，具有更小强度噪声、更高功率的特点。此外，本发明的信号解调机理和系统结构也为单光源实现声波传感网络提供了可能。
本发明的难点在于利用自标定的快速扫描激光器实现FP传感头绝对腔长与声波幅值相对应，自标定的快速扫描激光器代替了高速光谱仪的功能，并且是自带光源的，这使得该绝对腔长解调方案成本低、结构相对简单。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例基于快速可调谐DBR光源的光纤FP声波传感系统示意图。
图2是光纤FP探头的结构示意图。
图中：1光源；2光纤耦合器；3光纤环形器；4FP标准具；5光纤EFPI探头；6光电转换及信号采集模块；7计算机；8光纤；9外壳；10声波敏感膜片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
本发明目的在于实现光纤FP传感器腔长的实时绝对解调，提出了基于DBR激光器波长快速扫描对受信号调制的光纤FP腔的瞬态腔长进行实时绝对测量的方法；依据此方法所设计的传感系统结构简单、造价低，并具有灵敏度高、动态范围大、稳定性好等优点。
本发明设计的主要依据包括：
在低细度光纤FP传感器的干涉光谱可以表示为：I＝A+Bcos(4πnL/λ+π)，其中，A、B由入射光强和端面反射率决定，λ是激光波长，n是腔内折射率，L表示腔长；光纤EFPI传感器腔长L的绝对值会随声波信号或者振动信号的变化而变换，并且和信号的幅度成正比关系。利用DBR激光器对输出光谱进行快速扫描，得到低细度光纤FP传感器的干涉光谱信息，同时通过FP标准具实时表达输出的激光波长，数据采集卡将同步采集到的干涉光谱信息和激光波长信息传输给计算机，计算机将干涉光谱和激光波长进行关联，再通过多峰解调算法计算出光纤FP传感器腔长的绝对值，只要DBR激光器光谱扫描频率大于所探测动态信号频率的2倍以上，就可以正确还原出所要探测的动态信号。此方案对FP传感器采用的是波长解调，所以可以完成克服FP传感器干涉-强度解调工作点漂移的影响。
本发明的技术解决方案：
一种波长自标定光纤FP传感器解调方法，利用较大波长调谐范围的分布布拉格反射(DBR)半导体激光器作为光源，应用激光器波长快速扫描技术对受声波调制的光纤FP腔的瞬态腔长进行扫描，获取干涉光谱，同时获取光谱波长信息，再利用多峰解调算法求出腔长的绝对值，实现对声音信号的高灵敏度、大动态范围、高稳定度的测量；该方法采用的光纤FP传感解调系统，包括光源1，光纤耦合器2，光纤环形器3，FP标准具4，光纤FP探头5，光电转换及信号采集模块6，计算机7，光纤8，外壳9，声波敏感膜片10；
具体步骤如下：首先快速扫描光源1整个输出光谱范围，光源1发出扫描激光经光纤耦合器2分光，一部分光进入光纤环形器3，一部分光进入FP标准具4，进入光纤环形器的那部分光先导入光纤EFPI探头5后，在光纤EFPI探头3的单模光纤7的端面与声波敏感膜片8的内表面发生干涉，干涉光谱反射再经光纤环形器3进入光电转换及信号采集模块6，进入FP标准具4的那部分光经过标准具后的透射光谱直接进入进入光电转换及信号采集模块6，光电转换及信号采集模块6将采集到的干涉光谱和透射光谱数据传输给计算机7，计算机7通过透射光谱数据标定干涉光谱的波长，再通过多峰解调算法计算出受声波信号调制的FP腔的瞬态绝对腔长，最终得到正比于声波振幅的腔长动态变化波形并显示。
所述的光源1是一种波长可快速调谐的DBR半导体激光器，波长可调谐范围大于10nm，波长调谐速度大于100nm/ms。
所述的光纤FP探头3是一种膜片式光纤EFPI结构的声波传感单元。
所述的腔长绝对值解调方法是基于快速傅里叶变换的解调方法。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (1)

1.一种波长自标定光纤FP传感器解调方法，其特征在于，利用快速波长扫描激光器对光纤法布里-泊罗FP传感器进行光谱扫描，结合FP标准具实现FP光谱的实时波长自标定，再通过多峰解调算法解调出瞬态绝对腔长，采用的光纤EFPI传感解调系统，包括光源(1)、光纤耦合器(2)、光纤环形器(3)、FP标准具(4)、光纤EFPI探头(5)、光电转换及信号采集模块(6)及计算机(7)；所述的光纤EFPI探头(5)是一种膜片式光纤FP结构的声波传感单元，包括单模光纤(8)、外壳(8)、声波敏感膜片(10)；
解调具体步骤如下：首先快速扫描光源(1)整个输出光谱范围，光源(1)发出扫描激光经光纤耦合器(2)分光，一部分光进入光纤环形器(3)，一部分光进入FP标准具(4)，进入光纤环形器(3)的那部分光先导入光纤EFPI探头(5)后，在光纤EFPI探头(5)的单模光纤(8)的端面与声波敏感膜片(10)的内表面发生干涉，干涉光谱反射再经光纤环形器(3)进入光电转换及信号采集模块(6)，进入FP标准具(4)的那部分光经过标准具后的透射光谱直接进入光电转换及信号采集模块(6)，光电转换及信号采集模块(6)将采集到的干涉光谱和透射光谱数据传输给计算机(7)，计算机(7)通过透射光谱数据标定干涉光谱的波长，再通过多峰解调算法计算出受声波信号调制的FP腔的瞬态绝对腔长，最终得到正比于声波振幅的腔长动态变化波形并显示；
所述快速扫描光源(1)整个输出光谱范围波长可以实现自标定具体包括：所述光源(1)是一种波长可快速调谐的分布布拉格反射(DBR)半导体激光器，利用DBR半导体激光器波长快速扫描输出，得到低细度光纤FP传感器的干涉光谱，再利用FP标准具实现光谱的波长的实时标定；
所述DBR半导体激光器的波长可调谐范围大于10nm，波长调谐速度大于100nm/ms；
所述DBR半导体激光器光谱扫描频率大于所探测信号频率的2倍以上；
所述的通过多峰解调算法计算出受声波信号调制的FP腔的瞬态绝对腔长，具体包括：
设定干涉光谱中的特定级次为m，其峰值波长λm应满足式(1)的条件，有：
Figure FDA0004062820840000021
在光纤FP传感器输出光谱中的某个范围内提取两个光强极大处的波长λm和λm-k(λm<λm-k)，m和(m-k)分别是相应波长对应的干涉级次，由式(1)可得：
Figure FDA0004062820840000022
将式(1)与(2)联立求解，求得初始腔长L0：
Figure FDA0004062820840000023
当FP腔的腔长发生变化时，利用式(3)求出变化后的腔长。
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