CN113108710A - 基于椭圆拟合的光学低频应变检测系统与检测方法 - Google Patents

基于椭圆拟合的光学低频应变检测系统与检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于椭圆拟合的光学低频应变检测系统与检测方法，该系统包括激光器、两个干涉仪、相位调制器、信号发生器、双路光电探测器及数据处理模块；两个干涉仪共用一个干涉臂，该共用干涉臂为参考臂；所述相位调制器设置在两个干涉仪的参考臂上；两个干涉仪由其中一个传感臂感知外部应变，而参考臂与另一传感臂用于隔绝外界干扰；本发明所述基于双干涉仪和椭圆拟合算法的光学低频应变检测方法通过在相位解调技术中引入椭圆拟合算法，以处理直流分量的偏置和通道间干涉信号的条纹可见度，可以直接计算出干涉信号的相位差，根据椭圆拟合算法计算出的相位差来计算光纤长度的变化，从而实现对低频应变的检测。

Description

基于椭圆拟合的光学低频应变检测系统与检测方法
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体的，涉及一种基于椭圆拟合的光学低频应变检测系统与检测方法。
背景技术
光纤传感器以其高灵敏度、宽动态范围、抗电磁干扰性等优点在许多领域得到了广泛的应用。传感领域包括温度，折射率，磁场，应变等；光纤应变传感器，特别是对于低频波段，在许多应用中发挥了更重要的作用，如桥梁和建筑物健康检查、地层移动、地震监测等。在光纤应变传感器方面，提出了许多传感器结构，如光纤布拉格光栅、法布里-珀罗干涉仪、萨格纳克干涉仪、马赫-曾德干涉仪、光纤激光等，同时在应变传感领域也有一些应用技术，如弱值放大、相敏光时域反射测量等。
光纤应变传感器的常见结构是传感光纤感知外力，从而导致光纤的横向或轴向应变。这反过来又改变了在光纤芯中传输的光的一个或多个物理特性，如相位、波长、偏振或强度。这些应变传感器可分为两大类：一是基于光学干涉测量，通过解调相位变化可以恢复有用的信号；二是基于频移，包括大多数基于光纤光栅和光纤激光的传感器。其中，干涉传感技术应用最广泛，最可靠，为了消除相位衰落的影响，提出并演示了各种相应的相位解调技术。典型的解调算法主要包括一般外差法，相位生成载波(PGC)，白光干涉测量(WLI)无源相移解调。
PGC具有线性度好，灵敏度高，相位测量精度高，传感器复用等优点。因此，PGC已成为最广泛使用的解调方法。然而，PGC解调方案在动态范围和频率范围上都有局限性。无源相移解调包括双腔干涉仪相移解调技术，多波长相移解调技术，3×3耦合器算法等。无源相移解调技术具有频率响应宽、灵敏度高、动态范围大等特点，被认为是最实用的解调方法。然而，它必须克服两个问题。首先，初始相位差必须精确地固定在π/2或2π/3，然而，精确的固定相位差是不方便和不切实际的。第二，要执行差分交叉乘法(DCM)算法或Arctangent算法(ATAN)，必须排除或归一化非本征法布里-珀罗干涉仪的直流量和条纹可见度，这取决于传感器的反射器和光纤配置的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于椭圆拟合的光学低频应变检测系统与检测方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
基于椭圆拟合的光学低频应变检测系统，包括激光器、两个干涉仪、相位调制器、信号发生器、双路光电探测器及数据处理模块；
两个干涉仪共用一个干涉臂，该共用干涉臂为参考臂；
所述相位调制器设置在两个干涉仪的参考臂上；
两个干涉仪由其中一个传感臂感知外部应变，而参考臂与另一传感臂用于隔绝外界干扰；
所述信号发生器和相位调制器在两个干涉仪中引入相位调制信号；
所述的双路光电探测器与两个干涉仪连接，双路光电探测器用于将双路干涉信号转换为双路电信号；
所述数据处理模块与双路光电探测器连接，数据处理模块对双路电信号做基于椭圆拟合算法的相位解调，计算得出双干涉仪相位差变化，进而得出光纤长度变化。
作为本发明的进一步方案，所述干涉仪为光纤干涉仪或空间光干涉仪。
作为本发明的进一步方案，光纤干涉仪包括迈克尔逊干涉仪、马赫-曾德干涉仪与法布里－珀罗干涉仪。
作为本发明的进一步方案，上述地基于椭圆拟合的光学低频应变检测系统的检测方法，包括以下步骤：
步骤一，信号发生器对相位调制器进行激励，在两个干涉仪中引入相位调制信号；
步骤二，激光信号通过两个干涉仪生成双路干涉信号；
步骤三，通过双路光电探测器将所述的双路干涉信号转换为双路电信号；
步骤四，通过数据处理模块对所述的双路电信号做基于椭圆拟合算法的相位解调，计算得出双干涉仪相位差变化，进而得出光纤长度变化。
作为本发明的进一步方案，步骤一中在干涉仪中引入相位调制信号的方法为：
信号发生器对双干涉仪的参考臂中的相位调制器进行激励，生成调制信号。
作为本发明的进一步方案，所述调制信号的相位幅值变化不小于π/2。
本发明的有益效果：
本发明所述基于双干涉仪和椭圆拟合算法的光学低频应变检测方法通过在相位解调技术中引入椭圆拟合算法，以处理直流分量的偏置和通道间干涉信号的条纹可见度，可以直接计算出干涉信号的相位差，根据椭圆拟合算法计算出的相位差来计算光纤长度的变化，从而实现对低频应变的检测。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
图1是具体实施例中基于椭圆拟合的光学低频应变检测系统的结构示意图；
图2是当β为1°(0.0174rad)的两路初始信号V1和V2；
图3是V1和V2对应β为1°、179°(3.1225rad)、90°(1.57rad)和134°(2.337rad)时的Lissajous图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于椭圆拟合的光学低频应变检测系统，包括激光器、两个干涉仪、相位调制器、信号发生器、双路光电探测器及数据处理模块。
两个干涉仪共用一个干涉臂，称为参考臂；
所述干涉仪为光纤干涉仪或空间光干涉仪，光纤干涉仪包括迈克尔逊干涉仪、马赫-曾德干涉仪与法布里－珀罗干涉仪；
两个干涉仪由其中一个传感臂感知外部应变，而参考臂与另一传感臂用于隔绝外界干扰；
所述信号发生器和相位调制器在两个干涉仪中引入相位调制信号；相位调制器设置在两个干涉仪的参考臂上；
所述的双路光电探测器与两个干涉仪连接，双路光电探测器用于将双路干涉信号转换为双路电信号；
所述数据处理模块与双路光电探测器连接，数据处理模块对双路电信号做基于椭圆拟合算法的相位解调，计算得出双干涉仪相位差变化，进而得出光纤长度变化；
上述的基于椭圆拟合算法的光学低频应变检测系统的检测方法，包括以下步骤：
步骤一，信号发生器对相位调制器进行激励，在两个干涉仪中引入相位调制信号；
在干涉仪中引入相位调制信号的方法为：
信号发生器对双干涉仪的共用参考臂中的相位调制器进行激励，生成调制信号；
所述的调制信号的相位幅值变化不小于π/2；
步骤二，激光信号通过两个干涉仪生成双路干涉信号；
步骤三，通过双路光电探测器将所述的双路干涉信号转换为双路电信号；
步骤四，通过数据处理模块对所述的双路电信号做基于椭圆拟合算法的相位解调，计算得出双干涉仪相位差变化，进而得出光纤长度变化。
实施例：
如图1所示，一种基于椭圆拟合的光学低频应变检测系统，包括激光器、双路光电探测器、数据处理模块、三个保偏反射镜、四个耦合器及隔离器；
数据处理模块包括数据采集卡和计算机；
下面结合图1、图2及图3对本发明一种基于椭圆拟合的光学低频应变检测方法进行详细说明，该检测方法包括如下步骤：
第一步，所述激光器经耦合器1后分为两路光束信号，第一光束信号经耦合器2、保偏反射镜1、耦合器4、相位调制器与保偏反射镜2后在耦合器2处形成一路干涉信号；第二光束信号经耦合器3、保偏反射镜3后与经隔离器反射回的光信号在耦合器3处形成另外一路干涉信号；
第二步，所述信号发生器对相位调制器进行激励，在双干涉仪中引入相位调制信号；
其中两路干涉信号的初始强度可以表示为：
Figure BDA0003020915580000061
其中，a1和a2为初始信号的直流值，b1和b2为条纹可见度，n为光纤的有效折射率(对于SM光纤，n＝1.46)，λ为激光器的波长，L1和L2分别为干涉仪1和干涉仪2的传感臂长度，
Figure BDA0003020915580000062
和
Figure BDA0003020915580000063
分别为干涉仪1和干涉仪2的初始相位差，为便于分析，设
Figure BDA0003020915580000064
等于
Figure BDA0003020915580000065
β为
Figure BDA0003020915580000066
和
Figure BDA0003020915580000067
之差，同时也是双干涉仪的相位差，由传感臂1和传感臂2的光纤长度差引起，θs为参考臂的光纤长度变化St引起的相位变化
第三步，通过双路光电探测器将所述的双路干涉信号转换为双路电信号；
第四步，通过数据处理模块中的数据采集卡将所述的双路电信号转换为双路数字信号；
第五步，通过数据处理模块中的计算机对所述的双路数字信号做基于椭圆拟合算法的数字化解调，计算得到双干涉仪的相位差变化，再进一步计算得出光纤长度变化；
具体的，将椭圆拟合算法引入到相位解调技术中，可以使用椭圆拟合算法实时计算出双干涉仪的相位差β，在椭圆方程的一般形式下，式(1)可表示为：
V1 2+AV2V1+BV2 2+CV1+DV2+E＝0,
Figure BDA0003020915580000071
设两个常数V1和V2，用最小二乘拟合法计算出椭圆函数的系数A、B、C、D、E，然后计算出椭圆修正参数β；
Figure BDA0003020915580000072
根据得到的相位差的变化，可以直接计算传感臂1的光纤长度差ΔL，ΔL可以表示为
ΔL＝(Δβ×λ)/(180×4×n)，
其中Δβ是相位差β的变化值。
以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.基于椭圆拟合的光学低频应变检测系统，包括激光器、两个干涉仪、相位调制器、信号发生器、双路光电探测器及数据处理模块，其特征在于：
两个干涉仪共用一个干涉臂，该干涉臂为参考臂；
所述相位调制器设置在两个干涉仪的参考臂上；
两个干涉仪由其中一个干涉仪的传感臂感知外部应变，而参考臂与另一干涉仪的传感臂用于隔绝外界干扰；
所述信号发生器和相位调制器在两个干涉仪中引入相位调制信号；
所述的双路光电探测器与两个干涉仪连接，双路光电探测器用于将双路干涉信号转换为双路电信号；
所述数据处理模块与双路光电探测器连接，数据处理模块对双路电信号做基于椭圆拟合算法的相位解调，计算得出双干涉仪相位差变化，进而得出光纤长度变化。
2.根据权利要求1所述的基于椭圆拟合的光学低频应变检测系统，其特征在于：所述干涉仪为光纤干涉仪或空间光干涉仪。
3.根据权利要求2所述的基于椭圆拟合的光学低频应变检测系统，其特征在于：光纤干涉仪包括迈克尔逊干涉仪、马赫-曾德干涉仪与法布里-珀罗干涉仪。
4.根据权利要求1所述的基于椭圆拟合的光学低频应变检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，信号发生器对相位调制器进行激励，在两个干涉仪中引入相位调制信号；
步骤二，激光信号通过两个干涉仪生成双路干涉信号；
步骤三，通过双路光电探测器将所述的双路干涉信号转换为双路电信号；
步骤四，通过数据处理模块对所述的双路电信号做基于椭圆拟合算法的相位解调，计算得出双干涉仪相位差变化，进而得出光纤长度变化。
5.根据权利要求4所述的基于椭圆拟合的光学低频应变检测系统的检测方法，其特征在于，步骤一中在干涉仪中引入相位调制信号的方法为：
信号发生器对双干涉仪的参考臂中的相位调制器进行激励，生成调制信号。
6.根据权利要求5所述的基于椭圆拟合的光学低频应变检测系统的检测方法，其特征在于，所述调制信号的相位幅值变化不小于π/2。
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