CN112994796A - 基于正交补偿调制的光纤干涉型传感器静态工作点优化方法 - Google Patents

基于正交补偿调制的光纤干涉型传感器静态工作点优化方法 Download PDF

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Abstract

本案公开了一种基于正交补偿调制的光纤干涉型传感器静态工作点优化方法，包括：控制调节所述激光器使其发出的光信号的波长在两个不同大小的恒定值之间进行高速、循环切换；两种波长大小不同的光信号循环射入光纤干涉型传感器内进行传输和干涉，在所述光纤干涉型传感器的输出端接入一个光电探测器，所述光电探测器接收两路输出光信号；对两路输出光信号进行处理以得到两路光信号的平均灵敏度；比较两路光信号的平均灵敏度，选取平均灵敏度较高的一路光信号进行分析处理以得到传感器所需检测的对象。本发明通过正交补偿调制的方式，实现了光纤干涉型传感器静态工作点的自适应控制，保证了传感器长期稳定运行和高效检测。

Description

基于正交补偿调制的光纤干涉型传感器静态工作点优化方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体的，本发明涉及一种基于正交补偿调制的光纤干涉型传感器静态工作点优化方法。
背景技术
近年来，光纤传感器凭借其体积小、结构紧凑、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、生物相容性高、非侵入性等独特优势被广泛应用于各个领域中。光纤传感器是将被测对象转换成可测的光信号的传感器；因受各类外界因素的影响，光的光学性质，如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等会发生相应的变化；再对被调制的光信号进行解调后可获得外界被测信号的相关信息。光纤传感器种类繁多，主要被分为传感型(功能型)和传光型(非功能型)，而光纤干涉型传感器就属于传感型传感器。光纤干涉型传感器主要特点是：光纤干涉型传感器是双光束干涉，被测对象作用到传感器的传感部位会使干涉信号的相位或偏振态发生变化，光强也会随之改变，故可通过检测光强来获取被测对象的相关信息。
光纤干涉型传感器凭借其较高的灵敏度被广泛应用于各工业生产领域之中，但是除了待测对象对干涉信号相位的改变外，一些不确定的外界因素如温度、机械抖动等，也会使干涉信号发生变化，使传感器的输出信号发生随机相位漂移，信号的整体波形会呈现出余弦曲线的形态并发生振荡。当信号处于余弦包络的波峰或波谷时即余弦信号的相位处于π或2π时，称信号削顶或削底，此时信号的工作区间处于低灵敏度的非线性工作区域；这种信号不能完整地反应外界被测信号的相关信息，对后续的信号处理与分析几乎没有参考价值，测量出的结果通常也不准确，故需选取静态工作点处于高灵敏度的工作区间的信号进行后续分析。通常来说，静态工作点处于余弦曲线斜率最大的位置处即中间位置，信号灵敏度最大。但是现有的光纤干涉型传感器静态工作点调节装置结构复杂，且调节方法复杂难操作。
在公开号为CN104764476A的中国发明中，公开了一种波长循环调谐补偿干涉型传感器工作点漂移的方法，该方法利用传感器反馈信号控制激光器循环调谐波长，进而实时跟踪补偿传感器静态工作点，实现传感器的长期稳定运行。在该方法中需要实时获取信号的直流量，而后将直流量与参考值进行比较来判断工作点是否漂移，而后再进行波长调整，整个调节过程比较滞后，而且调节过程复杂。
发明内容
针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种基于正交补偿调制的光纤干涉型传感器静态工作点优化方法，通过正交补偿调制的方式，高速、循环切换激光器发出的光信号的波长，实现光纤干涉型传感器静态工作点的自适应控制，保证了传感器的长期稳定运行和高效检测，方法简单且成本低、不受制于人为因素。
本发明披露了一种基于正交补偿调制的光纤干涉型传感器静态工作点优化方法，包括：
步骤S1：利用激光器作为光源，激光器发出光信号，控制调节所述激光器使其发出的光信号的波长在两个大小不同的恒定值之间进行高速、循环切换；
步骤S2：两种波长大小不同的光信号循环射入光纤干涉型传感器内进行传输和干涉，在所述光纤干涉型传感器的输出端接入一个光电探测器，所述光电探测器接收两路输出光信号；其中，两路输出光信号之间的相位差为
Figure BDA0002595045520000021
步骤S3：对两路输出光信号进行分析处理以得到两路输出光信号的平均灵敏度；
步骤S4：比较两路输出光信号的平均灵敏度，选取平均灵敏度较高的一路输出光信号进行分析处理以得到光纤干涉型传感器所检测的对象。
优选地，在步骤S1中，通过调节所述激光器的电压大小以控制其发出两种波长大小不同的光信号。
优选地，所述光电探测器接收光纤干涉型传感器输出的两路波长大小不同的光信号的光强。
优选地，两路输出光信号的光强分别为：
Figure BDA0002595045520000031
其中，I1为光电探测器接收的一路输出光信号的光强，I2为光电探测器接收的另一路输出光信号的光强，
Figure BDA0002595045520000032
为光电探测器接收到的一路输出光信号的相位，
Figure BDA0002595045520000033
为光电探测器接收的另一路输出光信号的相位，λ1和λ2为激光器所发出的光信号的两种大小不同的波长，A和B是与光信号的输入光强有关的常数，s为光纤干涉型传感器中的光程差。
优选地，所述激光器发出的光信号的两种大小不同的波长满足：
Figure BDA0002595045520000034
其中，λ1和λ2为激光器发出光信号的两种大小不同的波长，n为光纤干涉型传感器中的光纤的折射率，s为光纤干涉型传感器中的光程差。
优选地，所述步骤S3具体包括如下步骤：
根据一个光电探测器检测到的两路输出光信号，针对每一路输出光信号，提取出光纤干涉型传感器在检测期间内输出的一段输出光信号；
在该段输出光信号内，对由外界干扰引起的每一次波动进行特征峰提取，并计算出每一次波动时波峰和波谷之间的纵向距离，其中，所述纵向距离越大，表示信号的灵敏度越大；
根据每一次波动对应的纵向距离，计算全部纵向距离的平均值，并将所述平均值作为此路输出光信号的平均灵敏度。
优选地，所述激光器为中心波长可调谐的单色或准单色激光器。
另一方面，本发明还要求保护应用于上述方法的光纤干涉型传感器，所述光纤干涉型传感器包括：马赫-曾德尔干涉仪、迈克尔逊干涉仪、萨格纳克干涉仪或法布里-珀罗干涉仪。
本发明的有益效果是：
1)在本发明中，通过正交补偿调制的方式，高速、循环切换激光器发出的光信号的波长以保证其中一路信号的静态工作点处于高灵敏度工作区间，从而实现了光纤干涉型传感器静态工作点的自适应控制，保证了传感器的长期稳定运行和高效检测，方法简单且成本低、不受制于人为因素。
2)在本发明中，通过控制激光器的电压使其发出两种波长大小不同的光信号，并且两种大小不同的波长的光信号之间存在
Figure BDA0002595045520000041
的相位差，从而始终保证了其中一路信号处于高灵敏度工作区间，无需根据输出光信号进行反馈调节，无调节滞后，实时性好，且调节方法简单易操作。
上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
根据下文结合附图对本申请具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述及其他目的、优点和特征。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本公开一实施例提供的一种基于正交补偿调制的光纤干涉型传感器静态工作点优化方法流程图；
图2为本公开一实施例提供的在测试过程中获得的两路输出光信号的原始信号图；
图3为本公开一实施例提供的在测试过程中获得的其中一路原始信号图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特定细节仅仅是为了帮助全面理解本申请的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本申请的范围和精神。另外，为了清除和简洁，实施例中省略了对已知功能和构造的描述。
应该理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“本实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“一个实施例”或“本实施例”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作(或步骤)描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。
此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身并不指示所讨论各种实施例或设置之间的关系。还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含。
本发明公开了一种基于正交补偿调制的光纤干涉型传感器静态工作点优化方法，如图1所示，所述方法包括了如下步骤：
步骤S1：利用激光器作为光源，激光器发出光信号，控制调节所述激光器使其发出的光信号的波长在两个大小不同的恒定值之间进行高速、循环切换。
其中，所述激光器为中心波长可调谐的单色或准单色激光器，所述激光器包括但不限于DFB激光器、VCSEL激光器。通过改变激光器的电压可以控制激光器发出波长大小不同的光信号，在本实施例中，在两档电压下激光器可以发出两种不同波长的光信号，控制两档电压高速不停的切换变化，使得光信号的波长在两个不同大小的恒定值之间进行高速、循环切换。
步骤S2：两种波长大小不同的光信号循环射入光纤干涉型传感器内进行传输和干涉，在所述光纤干涉型传感器的输出端接入一个光电探测器，所述光电探测器接收两路输出光信号；其中，两路输出光信号之间的相位差为
Figure BDA0002595045520000061
在此步骤中，两种波长大小不同的光信号循环射入光纤干涉型传感器内，且两种光信号射入光纤干涉型传感器内的时间间隔极短，从而在光纤干涉型传感器检测外部对象时，外部对象作用到光纤干涉型传感器的传感部位会使两种波长大小不同的光信号的光强同时发生改变，在所述光纤干涉型传感器的输出端接入的一个光电探测器接收光纤干涉型传感器输出的两路具有不同大小波长的光信号的光强。并且，在两档电压下两路信号的波长保证了两路输出光信号之间的相位差为
Figure BDA0002595045520000062
其中，所述光纤干涉型传感器包括但不限于：马赫-曾德尔干涉仪、迈克尔逊干涉仪、萨格纳克干涉仪、法布里-珀罗干涉仪。在不考虑光纤干涉型传感器内的光纤损耗，光电探测器接收到的两路输出信号的光强分别满足：
Figure BDA0002595045520000063
Figure BDA0002595045520000064
其中，I1为光电探测器接收的一路输出光信号的光强，I2为为光电探测器接收的另一路输出光信号的光强，
Figure BDA0002595045520000065
为光电探测器接收到的一路输出光信号的相位，
Figure BDA0002595045520000066
为光电探测器接收的另一路输出光信号的相位，λ1和λ2为激光器所发出的光信号的两种大小不同的波长，A和B是与光信号的输入光强有关的常数，s为光纤干涉型传感器中的光程差。
从上述公式中可以看出，I1、I2的表达式分别为余弦函数和正弦函数，故两路输出光信号不可能同时处于信号包络的波峰或波谷，即两路光信号不可能同时削顶/底；削顶/底信号处于低灵敏度的非线性工作区域，无法完整反映信号的原始信息，而位于包络中间位置即线性工作区域的信号则具有高灵敏度。为了保证两路输出信号中必有一路信号处于高灵敏度工作区间，两路输出信号的相位差必须保持为
Figure BDA0002595045520000071
从而使得两路输出信号中必有一路信号处于高灵敏度工作区间，即激光器发出的光信号的两种波长需满足：
Figure BDA0002595045520000072
通过控制激光器的电压可使得激光器发出的光信号的波长满足上述公式。
步骤S3：对两路输出光信号进行分析处理以得到两路输出光信号的平均灵敏度。
具体的，该步骤包括有如下子步骤：根据一个光电探测器检测到的两路输出光信号，针对每一路输出光信号，提取出光纤干涉型传感器在检测期间内输出的一段光信号；在该段光信号内，对由外界干扰引起的每一次波动进行特征峰提取，并计算出每一次波动时波峰和波谷之间的纵向距离，其中，所述纵向距离越大，表示信号的灵敏度越大；根据得到的每一次波动对应的纵向距离，计算全部纵向距离的平均值，并将所述平均值作为此路输出光信号的平均灵敏度。
如图3所示，是本发明一实施例提供的测试过程中获得的其中一路原始信号图。其中，I、J、K是由外界干扰引起的一次信号起伏的三个特征峰，从图中可以看出JK波比IJ波更陡峭，波峰波谷的确定需使得二者之间的纵向距离最大，故选取J为波峰，K为波谷，J、K间的纵向距离约为300，若在光纤干涉型传感器检测时间段内只有一次外部干扰，此时该路输出光信号的灵敏度就为300。
步骤S4：比较两路输出光信号的平均灵敏度，选取平均灵敏度较高的一路输出光信号进行分析处理以得到光纤干涉型传感器所检测的对象。
具体的，在步骤S3中，可以获得两路输出光信号的平均灵敏度，从中选取出平均灵敏度较高的一路输出光信号，平均灵敏度越大的输出光信号表明该路输出光信号的静态工作点处于高灵敏度的线性工作区域，故可利用此路输出的光信号进行后续的信号处理分析以得到光纤干涉型传感器检测的对象，光纤干涉型传感器检测的对象可以为温度、机械振动等，后续信号处理采用常规的处理手段，此处不进行详细叙述。
参考图2，为本发明一实施例提供的在测试过程中获得的两路信号的原始信号图。其中，曲线210为在测试过程中光电探测器检测到的一路信号图，曲线220为光电探测器检测到的另一路信号图，左边的纵坐标表示灵敏度大小，曲线210所示信号的平均灵敏度约为300，曲线220所示信号的平均灵敏度约为80，且部分信号削底，由此可见，在该实施例中光电探测器检测到的曲线210所示的输出光信号处于光纤干涉型传感器的高灵敏度工作区间，因此，需选择光电探测器检测到的曲线210所示的输出光信号进行后续的分析处理得到光纤干涉型传感器所需检测的对象。
在本发明中，通过正交补偿调制的方式，高速、循环切换激光器发出的光信号的波长以保证其中一路信号的静态工作点处于传感器的高灵敏度工作区间，从而实现了光纤干涉型传感器静态工作点的自适应控制，无需根据输出信号进行反馈调节，无调节滞后，实时性好，保证了传感器的长期稳定运行和高效检测，方法简单且成本低、不受制于人为因素。
对所有公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种基于正交补偿调制的光纤干涉型传感器静态工作点优化方法，其特征在于，包括：
步骤S1：利用激光器作为光源，激光器发出光信号，控制调节所述激光器使其发出的光信号的波长在两个大小不同的恒定值之间进行高速、循环切换；
步骤S2：两种波长大小不同的光信号循环射入光纤干涉型传感器内进行传输和干涉，在所述光纤干涉型传感器的输出端接入一个光电探测器，所述光电探测器接收两路输出光信号；其中，两路输出光信号之间的相位差为
Figure FDA0002595045510000011
步骤S3：对两路输出光信号进行分析处理以得到两路输出光信号的平均灵敏度；
步骤S4：比较两路输出光信号的平均灵敏度，选取平均灵敏度较高的一路输出光信号进行分析处理以得到光纤干涉型传感器所检测的对象。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S1中，通过调节所述激光器的电压大小以控制其发出两种波长大小不同的光信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光电探测器接收光纤干涉型传感器输出的两路波长大小不同的光信号的光强。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，两路输出光信号的光强分别为：
Figure FDA0002595045510000012
Figure FDA0002595045510000013
其中，I1为光电探测器接收的一路输出光信号的光强，I2为光电探测器接收的另一路输出光信号的光强，
Figure FDA0002595045510000014
为光电探测器接收到的一路输出光信号的相位，
Figure FDA0002595045510000015
为光电探测器接收的另一路输出光信号的相位，λ1和λ2为激光器所发出的光信号的两种大小不同的波长，A和B是与光信号的输入光强有关的常数，s为光纤干涉型传感器中的光程差。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述激光器发出的光信号的两种大小不同的波长满足：
Figure FDA0002595045510000021
其中，λ1和λ2为激光器发出光信号的两种大小不同的波长，s为光纤干涉型传感器中的光程差。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括如下步骤：
根据一个光电探测器检测到的两路输出光信号，针对每一路输出光信号，提取出光纤干涉型传感器在检测期间内输出的一段输出光信号；
在该段输出光信号内，对由外界干扰引起的每一次波动进行特征峰提取，并计算出每一次波动时波峰和波谷之间的纵向距离，其中，所述纵向距离越大，表示信号的灵敏度越大；
根据每一次波动对应的纵向距离，计算全部纵向距离的平均值，并将所述平均值作为此路输出光信号的平均灵敏度。
7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，所述激光器为中心波长可调谐的单色或准单色激光器。
8.一种应用于权利要求1-7任一项所述方法的光纤干涉型传感器，所述光纤干涉型传感器包括：马赫-曾德尔干涉仪、迈克尔逊干涉仪、萨格纳克干涉仪或法布里-珀罗干涉仪。
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