CN112902861B - 一种基于超大测量范围pdh传感的应变测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于超大测量范围PDH传感的应变测量装置，包括循环移频模块、相位调制模块、光纤光栅传感模块和解调模块四部分。本发明采用循环移频模块，使光经过单边带调制进行多次循环后不断产生新的子载波，生成频率间隔稳定的光频梳，对于施加任意应变后的光纤光栅的谐振频率，总有频率相近的梳齿作为比较的基准，当偏移频率大于光源调制的最大频率范围，则可以通过调整射频信号发生器输出信号的频率使谐振频率与下一梳齿对准，实现连续锁定。由此提高了系统的应变测量范围，并且避免了波长扫描中的非线性影响，保持了测量的精度，可灵活应用于基于PDH技术的光纤光栅应变等物理量的观测设备中。

Description

一种基于超大测量范围PDH传感的应变测量装置
技术领域
本发明涉及一种基于超大测量范围PDH传感的应变测量装置，属于光电探测技术领域。
背景技术
地震等自然灾害对全球人民的生命财产安全造成极大威胁，对于地壳形变的长期监测变得至关重要，为了能够准确的掌握地壳的运动和应变信息，各种应变仪应运而生。现有的各类光纤光栅应变传感系统中，基于普通光纤布拉格光栅(FBG)实现复用应变传感系统具有成本低、容易进行多点复用等特点，然而由于普通光纤光栅的反射峰宽度较宽，其应变分辨率一般在微应变数量级(10-6ε),无法达到地球物理学研究中对传感器精度的要求；而地壳形变的幅度波动一般从几个纳应变到几百个微应变不等，需要应变系统能够精确测量应变的同时还拥有超大的测量范围。
为了实现更高精度的应变测量，一般使用相移光纤布拉格光栅或者光纤法布里-泊罗谐振腔，采用激光锁频技术实现。其中，结合PDH激光锁频技术，能够获得极高的应变测量精度。PDH激光稳频技术以外部标准谐振腔的谐振频率作为基准频率对激光频率进行频率锁定。应用该技术可以测量外部干扰对光纤光栅腔体结构造成的影响。
2008年D.Gatti使用相移光纤光栅进行测量，获得了更高的灵敏度(Gatti D,Galzerano G,Janner D,et al.Fiber strain sensor based on aπ-phase-shiftedBragg grating and the Pound-Drever-Hall technique[J].Optics Express,2008,16(3):1945-50.)，2010年Shaddock D A使用原子光谱作为参考，实现了高精度的静态应变传感(Lam T Y,Chow J H,Shaddock D A,et al.High-resolution absolute frequencyreferenced fiber optic sensor for quasi-static strain sensing[J].Appl Opt,2010,49(21):4029-4033.)，但是传感器受限于原子光谱的带宽，应变测量范围为几个微应变；2011年上海交通大学何祖源团队提出用可调谐激光器扫描一对光纤法布里-泊罗谐振腔，提高了应变测量范围(Liu Q,Tokunaga T,He Z.Ultra-high-resolution large-dynamic-range optical fiber static strain sensor using Pound–Drever–Halltechnique[J].Optics Letters,2011,36(20):4044-4046.)，但激光器波长扫描过程中的非线性对测量精度有所影响，2013年使用光纤环形腔作为参考元件，实现了超过1000微米应变的测量范围(CN203100689U)，但是调制装置复杂，硬件开销大，2016年采用双反馈回路实现了超高精度的光纤应变传感器，但是应变测量范围仍然受限于边带调制信号的频率范围。
对于光纤应变传感器来说，在保持高应变测量精度的同时提高应变测量范围，具有非常重要的意义和实用价值。本发明基于现有技术改进，提供了一种超大测量范围的PDH传感器应变测量装置，在PDH技术传感光路的基础上，采用循环移频模块，产生频率间隔可调的光频梳输出，由于其避免了波长扫描中的非线性影响，保持了测量的精度，同时利用多个梳齿对传感光纤光栅谐振峰进行连续锁定，提高了系统的应变测量范围，由此实现了超大应变测量范围和超高精度应变传感，可应用于使用PDH技术的光纤光栅应变、温度或其他物理量的观测设备中。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种基于超大测量范围PDH传感的应变测量装置，利用此装置可以有效提高应变测量范围，同时实现超高测量精度和超大测量范围应变传感。
本发明的目的是这样实现的：包含相位调制模块(12)、光纤光栅传感模块(13)和解调模块(14)，还包含循环移频模块(11)，窄线宽激光器(101)通过第一偏振态控制器(102)依次与循环移频模块(11)、相位调制模块(12)、光纤光栅传感模块(13)连接，光纤光栅传感模块(13)通过光电探测器(103)与解调模块(14)连接，解调模块(14)中的控制计算机(143)和正交解调模块(141)分别与循环移频模块(11)和相位调制模块(12)连接；循环移频模块(11)中，2×2光耦合器(111)的一输出光纤与单边带调制器(116)、掺铒光纤放大器(114)、光带通滤波器(113)和第二偏振态控制器(112)依次连接，第二偏振态控制器(112)另一端与2×2光耦合器(111)的一输入光纤相连接，射频信号发生器(115)产生射频信号，产生射频信号用于对单边带调制器(116)进行调制，同时射频信号频率受控于解调模块(14)中的控制计算机(143)。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述的窄线宽激光器(101)线宽小于1MHz，同时在一定范围内接受来自外部信号的控制，对输出激光的波长进行控制。
2.所述的相位调制模块(12)中的电信号发生器(122)产生固定频率的正弦波信号，用于驱动光相位调制器(121)，并与解调模块(14)进行连接。
3.所述的光纤光栅传感模块(13)的光纤环形器(131)通过单模光纤依次与第三偏振态控制器(132)和传感光纤光栅(133)连接，光纤环形器(131)另一端与光电探测器(103)相连，传感光纤光栅(133)为相移光纤光栅。
4.所述的解调模块(14)的正交解调模块(141)、数据采集卡(142)和控制计算机(143)依次连接，控制计算机(143)分别向射频信号发生器(115)和窄线宽激光器(101)发出控制信号，正交解调模块(141)采用正交解调方法对信号进行解调。
5.由窄线宽激光器发射的窄谱稳定激光经过第一偏振态控制器后经过循环移频模块中的2×2耦合器，送入单边带调制器上进行频移，单边带调制器的调制信号由射频信号发生器产生，再通过掺铒光纤放大器以及带通滤波器，由于不同偏振态的光会对单边带调制器产生影响，因此对循环移频模块中的光的偏振态进行控制，经过第二偏振态控制器的频移后的光经过2×2耦合器后分为两路，经过调制后的频率送入光纤光栅传感模块模块，激光通过光纤环形器后在进入光纤光栅之前，要经过第三偏振态控制器的调制，因为不同的偏振态会在光纤光栅内部产生多余无用的谐振峰，经过第三偏振态控制器的激光进入传感光纤光栅内部，反射信号再次经过第三偏振态控制器后进入光纤环形器，被送往后部的解调装置中；反射信号由光电探测器转换为电信号后送入解调模块进行解调，经过正交解调模块后得到对应的PDH误差信号，处理后的PDH误差信号经过数据采集卡进行采集，交由控制计算机进行后续的控制和运算，计算后的误差信号用来调整激光器频率，通过对激光器调制频率的控制量大小得到光纤光栅中心频率的偏移量大小，解算出外界物理量变化的大小，当达到光源频率调制最大值时，控制计算机向射频信号发生器发出控制信号，调整射频信号发生器的输出信号频率，继续进行跟踪探测，实现应变测量范围的扩大。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明使用单个激光器实现频率间隔稳定的光频梳输出，取代了现有技术中的波长扫描过程，频率稳定，可控性强，避免了激光器波长调谐中的非线性影响，提高了测量精度与速度；本发明利用光源调制的多个梳齿对传感光纤光栅谐振峰进行连续锁定，应变测量量程不受限于激光频率调制范围的影响，大大提高了系统的测量范围；本发明同时实现了超大应变测量范围和超高精度应变传感，采用全光纤光路，易于实现，设计灵活，简化了高精度大量程光纤光栅应变传感系统的复杂程度。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图；
图2是本发明生成的光频梳频谱示意图；
图3是本发明连续锁定原理示意图，其中相位调制边带省略未画出；
图4是解调信号曲线。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1至图4，一种基于超大测量范围PDH传感的应变测量装置，包含相位调制模块12、光纤光栅传感模块13和解调模块14，还包含循环移频模块11，窄线宽激光器101通过第一偏振态控制器102依次与循环移频模块11、相位调制模块12、光纤光栅传感模块13连接，光纤光栅传感模块13通过光电探测器103与解调模块14连接，解调模块14中的控制计算机143和正交解调模块141分别与循环移频模块11和相位调制模块12连接；循环移频模块11中，2×2光耦合器111的一输出光纤与单边带调制器116、掺铒光纤放大器114、光带通滤波器113和第二偏振态控制器112依次连接，第二偏振态控制器112另一端与2×2光耦合器111的一输入光纤相连接，射频信号发生器115产生射频信号，产生射频信号的频率范围为10GHz～30GHz，用于对单边带调制器116进行调制，同时射频信号频率受控于解调模块14中的控制计算机143；
所述的窄线宽激光器101，线宽小于1MHz，同时可以在一定范围内接受来自外部信号的控制，对输出激光的波长进行控制；
所述的相位调制模块12，电信号发生器122产生固定频率的正弦波信号，用于驱动光相位调制器121，并与解调模块14进行连接；
所述的光纤光栅传感模块13，光纤环形器131通过单模光纤依次与第三偏振态控制器132和传感光纤光栅133连接，光纤环形器131另一端与光电探测器103相连，传感光纤光栅133为相移光纤光栅；
所述的解调模块14，正交解调模块141、数据采集卡142和控制计算机143依次连接，控制计算机143分别向射频信号发生器115和窄线宽激光器101发出控制信号，正交解调模块141采用正交解调方法对信号进行解调。
相关理论推导如下：
经过循环移频器模块后光信号输出为：
Figure BDA0002917054890000041
其中：ω0为激光器中心频率为，Eq是第q条梳齿的幅度，ωm是相邻梳齿间的频率间隔即射频信号发生器111的输出信号频率，M为总的子载波的数量。
经过相位调制后，激光满足关系：
Figure BDA0002917054890000042
其中，β为调制深度，Ω为电信号发生器112产生的调制频率。
经过调制后的光源具有一系列固定频率间隔的梳齿，其频谱如图2所示。首先将激光器中心频率调至相移光纤光栅的谐振频率附近，激光被相位调制器调制后输入到相移光纤光栅中探测，反射信号由光电探测器转换为强度信号后，通过解调模块解调输出反馈信号，调整激光器中心频率，使其锁定在光纤光栅的谐振频率上，如附图3(a)所示。当光纤光栅受到应变的影响时，它的谐振频率发生偏移，对于施加的任意应变所导致的谐振频率的偏移，都有与其频率相邻近的梳齿作为探测光，用其频率作为比较的对象，则经过传感光纤光栅123反射后，得到
Eref(t)＝F(ωeff)ENexp(j(ω0+Nωm)t+jβsin(Ωt)) (3)
其中，EN和ω0+Nωm为离光纤光栅谐振频率最近的第N条梳齿幅度和频率，F(ωeff)为光纤光栅的反射特性函数，ωeff为等效瞬时频率。
送入光电探测器13进行光电转换后，探测到的信号在调制频率较低和较高时分别满足如下关系式：
Figure BDA0002917054890000051
Pout＝PDC-P0Im{F(ω)}sin(Ωt) (5)
得到的信号经过解调可以得到与谐振峰有关的信号。
以低频调制为例，如附图4所示，当激光器为扫频光源时，通过解调得到的信号具有如图的形状特征，在一定频率范围内，解调信号是激光频率与光纤光栅谐振频率差的线性函数，并且当频差为0时，输出信号幅值也为0。利用该解调信号，即可将第N条梳齿锁定到光纤光栅的谐振频率上。
如果光纤光栅受待测应变ε的影响，△ω为解调出第N根梳齿与相移光纤光栅谐振频率的差值，以初始激光器频率ω0为基准，即不施加应变时相移光纤光栅的谐振频率，待测应变可表示为：
ε＝k(Nωm+△ω) (6)
其中，k是相移光纤光栅的应变——频率常数。
当跟踪至光纤光栅谐振频率与第N条梳齿之间频率偏移差为光源频率调制最大值△ωmax时，如附图3(b)所示，记此时射频信号发生器发出信号频率即梳齿间频率间隔为
Figure BDA0002917054890000052
第N条梳齿频率为
Figure BDA0002917054890000053
如果谐振频率继续增加向右偏移，则无法再使用第N条梳齿进行跟踪探测，需调整射频信号发生器的信号频率为
Figure BDA0002917054890000054
使第N+1条梳齿频率与谐振峰频率锁定如附图3(c)，继续进行跟踪探测，实现了应变测量范围的扩大。
结合具体参数给出本发明的实施例：
一种基于超大测量范围PDH传感的应变测量装置，如附图1所示，其结构包括循环移频模块11、相位调制模块12、光纤光栅传感模块13和解调模块14四个主要部分。
由窄线宽激光器101发射的窄谱稳定激光经过第一偏振态控制器102后经过循环移频模块11中的2×2耦合器111，送入单边带调制器116上进行频移，单边带调制器116的调制信号由射频信号发生器115产生，再通过掺铒光纤放大器114以及带通滤波器113，由于不同偏振态的光会对单边带调制器116产生影响，因此要对循环移频模块11中的光的偏振态进行控制，经过第二偏振态控制器112的频移后的光经过2×2耦合器111后分为两路，其中一路进入环路进行下一次频移，多次循环后不断产生新的子载波，生成频率间隔稳定的光频梳，然后送入光相位调制器121进行相位调制，相位调制器的调制信号由电信号发生器122产生。
经过调制后的频率送入光纤光栅传感模块13模块，激光通过光纤环形器131后在进入光纤光栅之前，要经过第三偏振态控制器132的调制，因为不同的偏振态会在光纤光栅内部产生多余无用的谐振峰，影响对信号的判别。经过第三偏振态控制器132的激光进入传感光纤光栅133内部，反射信号再次经过第三偏振态控制器132后进入光纤环形器131，被送往后部的解调装置中。
反射信号由光电探测器103转换为电信号后送入解调模块14进行解调，经过正交解调模块141后得到对应的PDH误差信号，处理后的PDH误差信号经过数据采集卡142进行采集，交由控制计算机143进行后续的控制和运算，计算后的误差信号用来调整激光器频率，通过对激光器调制频率的控制量大小可以得到光纤光栅中心频率的偏移量大小，进而解算出外界物理量变化的大小，当达到光源频率调制最大值时，控制计算机143向射频信号发生器115发出控制信号，调整射频信号发生器115的输出信号频率，继续进行跟踪探测，实现应变测量范围的扩大。
该发明装置选用的光纤器件的详细性能参数如下所述：
1.传感器所使用的相移光纤光栅工作中心波长为1550nm，使用的光纤光栅腔长5cm，刻写于125μm单模光纤上；
2.使用的激光器为1550nm的窄线宽激光器，具有扫频功能，可以通过外部信号进行控制，激光器的线宽<10kHz；
3.输入光相位调制器的调制信号频率为20MHz标准正弦波；
4.光带通滤波器带宽为200GHz，射频信号发生器产生的初始信号频率为10GHz；
5.单边带调制器使用双平行马赫曾德调制器。
从上述技术方案可以看出，本发明提供了一种基于超大测量范围PDH传感的应变测量装置，采用了循环移频模块来产生频率间隔稳定可调的光频梳，对于任意的光纤光栅的谐振频率，总有频率相近的梳齿作为比较的基准，如果偏移频率大于光源调制的最大频率范围，则可以通过调整射频信号发生器输出信号的频率进行进一步接续，从而同时实现了超大应变测量范围和超高精度应变传感。
综上，本发明提供了一种基于超大测量范围PDH传感的应变测量装置，该装置包括循环移频模块、相位调制模块、光纤光栅传感模块和解调模块四部分。本发明采用循环移频模块，使光经过单边带调制进行多次循环后不断产生新的子载波，生成频率间隔稳定的光频梳，对于施加任意应变后的光纤光栅的谐振频率，总有频率相近的梳齿作为比较的基准，当偏移频率大于光源调制的最大频率范围，则可以通过调整射频信号发生器输出信号的频率使谐振频率与下一梳齿对准，实现连续锁定。由此提高了系统的应变测量范围，并且避免了波长扫描中的非线性影响，保持了测量的精度，可灵活应用于基于PDH技术的光纤光栅应变等物理量的观测设备中。

Claims (6)

1.一种基于超大测量范围PDH传感的应变测量装置，其特征在于：包含相位调制模块(12)、光纤光栅传感模块(13)和解调模块(14)，还包含循环移频模块(11)，窄线宽激光器(101)通过第一偏振态控制器(102)依次与循环移频模块(11)、相位调制模块(12)、光纤光栅传感模块(13)连接，光纤光栅传感模块(13)通过光电探测器(103)与解调模块(14)连接，解调模块(14)中的控制计算机(143)和正交解调模块(141)分别与循环移频模块(11)和相位调制模块(12)连接；循环移频模块(11)中，2×2光耦合器(111)的一输出光纤与单边带调制器(116)、掺铒光纤放大器(114)、光带通滤波器(113)和第二偏振态控制器(112)依次连接，第二偏振态控制器(112)另一端与2×2光耦合器(111)的一输入光纤相连接，射频信号发生器(115)产生射频信号，产生射频信号用于对单边带调制器(116)进行调制，同时射频信号频率受控于解调模块(14)中的控制计算机(143)；在一定频率范围内，解调信号是激光频率与光纤光栅谐振频率差的线性函数，并且当频差为0时，输出信号幅值也为0；
如果光纤光栅受待测应变ε的影响，Δω为解调出第N根梳齿与相移光纤光栅谐振频率的差值，以初始激光器频率ω0为基准，即不施加应变时相移光纤光栅的谐振频率，待测应变表示为：
ε＝k(Nωm+Δω)
其中，k是相移光纤光栅的应变——频率常数；
当跟踪至光纤光栅谐振频率与第N条梳齿之间频率偏移差为光源频率调制最大值Δωmax时，记此时射频信号发生器发出信号频率即梳齿间频率间隔为
Figure FDA0003636011040000011
第N条梳齿频率为
Figure FDA0003636011040000012
如果谐振频率继续增加向右偏移，则无法再使用第N条梳齿进行跟踪探测，需调整射频信号发生器的信号频率为：
Figure FDA0003636011040000013
2.根据权利要求1所述的一种基于超大测量范围PDH传感的应变测量装置，其特征在于：所述的窄线宽激光器(101)线宽小于1MHz，同时在一定范围内接受来自外部信号的控制，对输出激光的波长进行控制。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于超大测量范围PDH传感的应变测量装置，其特征在于：所述的相位调制模块(12)中的电信号发生器(122)产生固定频率的正弦波信号，用于驱动光相位调制器(121)，并与解调模块(14)进行连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于超大测量范围PDH传感的应变测量装置，其特征在于：所述的光纤光栅传感模块(13)的光纤环形器(131)通过单模光纤依次与第三偏振态控制器(132)和传感光纤光栅(133)连接，光纤环形器(131)另一端与光电探测器(103)相连，传感光纤光栅(133)为相移光纤光栅。
5.根据权利要求4所述的一种基于超大测量范围PDH传感的应变测量装置，其特征在于：所述的解调模块(14)的正交解调模块(141)、数据采集卡(142)和控制计算机(143)依次连接，控制计算机(143)分别向射频信号发生器(115)和窄线宽激光器(101)发出控制信号，正交解调模块(141)采用正交解调方法对信号进行解调。
6.根据权利要求5所述的一种基于超大测量范围PDH传感的应变测量装置，其特征在于：由窄线宽激光器发射的窄谱稳定激光经过第一偏振态控制器后经过循环移频模块中的2×2耦合器，送入单边带调制器上进行频移，单边带调制器的调制信号由射频信号发生器产生，再通过掺铒光纤放大器以及带通滤波器，由于不同偏振态的光会对单边带调制器产生影响，因此对循环移频模块中的光的偏振态进行控制，经过第二偏振态控制器的频移后的光经过2×2耦合器后分为两路，经过调制后的频率送入光纤光栅传感模块，激光通过光纤环形器后在进入光纤光栅之前，要经过第三偏振态控制器的调制，因为不同的偏振态会在光纤光栅内部产生多余无用的谐振峰，经过第三偏振态控制器的激光进入传感光纤光栅内部，反射信号再次经过第三偏振态控制器后进入光纤环形器，被送往后部的解调装置中；反射信号由光电探测器转换为电信号后送入解调模块进行解调，经过正交解调模块后得到对应的PDH误差信号，处理后的PDH误差信号经过数据采集卡进行采集，交由控制计算机进行后续的控制和运算，计算后的误差信号用来调整激光器频率，通过对激光器调制频率的控制量大小得到光纤光栅中心频率的偏移量大小，解算出外界物理量变化的大小，当达到光源频率调制最大值时，控制计算机向射频信号发生器发出控制信号，调整射频信号发生器的输出信号频率，继续进行跟踪探测，实现应变测量范围的扩大。
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