CN113295258A - 一种光纤法布里-珀罗声波传感器信号解调系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤法布里‑珀罗声波传感器信号解调系统及方法，该方法首先利用一束激光加热法布里‑珀罗腔，使法布里‑珀罗腔的腔体受热形变，将传感器正交工作点(Q点)调至另一束信号检测激光中心波长处，然后由PID算法实时控制加热激光功率，保持传感器正交工作点位置不变，实现传感器高灵敏、高稳定的探测信号输出。本发明可满足不同应用场合对压力、声波、超声波等物理量的测量，在保证解调精度的同时，可有效减小温度、压力波动等环境因素变化对解调信号稳定性的影响，提高传感器件的抗干扰能力。

Description

一种光纤法布里-珀罗声波传感器信号解调系统及方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种光纤法布里-珀罗声波传感器信号解调系统及方法。
背景技术
法布里-珀罗干涉型光纤传感器在信号探测过程中，信号解调的质量是判断器件性能的标准，信号解调也是整个光纤传感系统的关键部分。
目前常采用的信号解调方法包括强度解调法、相位解调法和波长解调法。其中，强度解调法，是基于光谱边带滤波技术将干涉谱强度的变化转化为电压信号进行解调。针对温度、振动等低频信号的串扰，虽然与被测超声信号在频域上不重叠，但会引起工作波长漂移，导致超声信号失真甚至无法探测。
其中，常规的信号解调Q点稳定方法，主要是调节激光器的波长，需要可调谐窄带激光器，特别是针对干涉谱条纹间距较大时，需要较宽的波长调谐范围，对应的激光器价格昂贵，增加了解调系统的成本。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有光纤法布里-珀罗声波传感器信号解调方法中涉及的针对干涉谱条纹间距较大时，需要较宽的波长调谐范围的激光器价格昂贵，增加了解调系统的成本的问题，提供一种光纤法布里-珀罗声波传感器信号解调系统及方法。本发明利用激光器加热调节传感器腔长，而并非调节激光器波长，来实现稳定检测，仅需使用价格较低的连续激光器，降低了解调成本。
本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种光纤法布里-珀罗声波传感器信号解调系统，所述信号解调系统包括：检测光源1、加热光源2、法布里-珀罗声波传感器3，其中，所述检测光源1接入环形器4的第一端口，所述加热光源2与电子可调光学衰减器(EVOA)8相接，所述环形器4的第二端口与电子可调光学衰减器(EVOA)8耦合接入到波分复用器(WDM)9中，所述波分复用器(WDM)9与光纤法布里-珀罗声波传感器3连接，电子可调光学衰减器(EVOA)8、数据采集卡(DAQ)6和光电探测器(PD)5依次顺序相接，所述光电探测器(PD)5接入环形器4的第三端口，其中，所述法布里-珀罗声波传感器3采用光纤嵌入式结构或者端面膜片结构。
进一步地，所述法布里-珀罗声波传感器3采用光纤嵌入式结构时，包括单模光纤21、掺杂光纤22，掺杂光纤22位于两段单模光纤21之间，加热光被由掺杂光纤22组成的腔吸收后，产生热并引起腔体膨胀伸长，根据法布里-珀罗干涉原理，反射谱波长漂移量与腔长的关系式：
Figure BDA0003055909640000021
其中Δλ是相邻两个谐振峰对应的波长差，λk和λk+1为相邻的两个谐振峰分别对应的波长，n为法布里-珀罗腔的介质折射率，L为法布里-珀罗声波传感器3中法布里-珀罗腔的腔长；
调节加热光源2的功率控制法布里-珀罗声波传感器3的反射谱波长，直至其正交工作点与检测光源1输出的检测光波长重合。
进一步地，所述法布里-珀罗声波传感器3采用端面膜片结构时，包括单模光纤21、空心圆柱结构23和膜片24，空心圆柱结构23的一端与单模光纤21连接，空心圆柱结构23的另一端附着膜片24，空心圆柱结构23内部形成微气腔25，所述膜片24为金属薄膜或石墨烯膜，加热光被膜片24吸收，产生的热使膜片24沿光纤轴向发生凹凸形变，从而改变法布里-珀罗声波传感器3中法布里-珀罗腔的腔长，引起反射谱的漂移。
进一步地，所述加热光源2发出的加热光包括连续光和脉冲光，平均功率0-500mW。
进一步地，所述检测光源1发出的检测光为窄带连续光，所述检测光的波长与所述加热光的波长不同。
本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种光纤法布里-珀罗声波传感器信号解调方法，所述解调方法包括以下步骤：
加热光源2发出一束加热光与通过环形器4传输的一束来自检测光源1的检测光通用波分复用器9耦合至法布里-珀罗声波传感器3的端面；
在法布里-珀罗声波传感器3中法布里-珀罗腔的两个端面的反射光，经环形器4传输至光电探测器(PD)5，光电探测器(PD)5将传输的反射光信号转化成电信号；
将光电探测器(PD)5的直流分量输出作为反馈控制信号，用于解析法布里-珀罗声波传感器3中法布里-珀罗腔的腔长变化；
通过加热光源2发出的加热光加热法布里-珀罗声波传感器3中法布里-珀罗腔，法布里-珀罗腔的腔体受热形变，将法布里-珀罗声波传感器3的正交工作点(Q点)调至来自检测光源1的信号检测光中心波长处；
由PID算法实时控制加热激光功率，保持法布里-珀罗声波传感器3正交工作点位置不变，实现传感器高灵敏、高稳定的探测信号输出。
进一步地，所述光电探测器(PD)5获取法布里-珀罗声波传感器3反射回的检测光，经光电探测器(PD)5探测后输出电压信号，将输出电压信号的直流分量用作PID算法的反馈控制信号。
进一步地，所述法布里-珀罗声波传感器3正交工作点(Q点)在信号测量过程中维持在检测光波长处，反射回的检测光经光电探测器(PD)5探测后输出电压信号，将输出电压信号的交流分量用于还原待测声波信号。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
本发明中光纤法布里-珀罗声波传感器信号解调方法成本低，可满足不同应用场合对压力、声波、超声波等物理量的测量，在保证解调精度的同时，可有效减小温度、压力波动等环境因素变化对解调信号稳定性的影响，实现传感器高灵敏、高稳定的探测信号输出，提高传感器件的抗干扰能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明一实施例提供的一种光纤法布里-珀罗声波传感器信号解调系统及方法的系统装置图；
图2是本发明一实施例提供的两种光纤法布里-珀罗声波传感器结构图；其中，图2(a)是光纤嵌入式结构的光纤法布里-珀罗声波传感器的结构示意图，图2(b)是端面膜片结构的光纤法布里-珀罗声波传感器的结构示意图；
图3是本发明一实施例提供的一种光纤法布里-珀罗声波传感器信号解调系统及方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地描述，显然，所描述的实施例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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
图1是本实施例提供的一种光纤法布里-珀罗声波传感器信号解调方法的实施载体，即解调系统的结构组成图，如图1所示，该解调系统包括：
检测光源1、加热光源2、法布里-珀罗声波传感器3，检测光源1接入环形器4的第一端口，加热光源2与电子可调光学衰减器(EVOA)8相接，环形器4的第二端口与电子可调光学衰减器(EVOA)8耦合接入到波分复用器(WDM)9中，波分复用器(WDM)9与光纤法布里-珀罗声波传感器3连接，电子可调光学衰减器(EVOA)8、数据采集卡(DAQ)6和光电探测器(PD)5依次顺序相接，所述光电探测器(PD)5接入环形器4的第三端口，数据采集卡(DAQ)6外接显示器7，对采集数据进行显示。
本实施例中，加热光源2用于光热稳定技术，加热光源2的输出包括连续光和脉冲光，平均功率0-500mW。
本实施例中，检测光源1的输出为窄带连续光，检测光源1输出的窄带连续光的波长与加热光源2输出的连续光和脉冲光的波长不同。
本实施例中，通过加热光源2的加热使法布里-珀罗声波传感器3的腔体的腔长发生改变，法布里-珀罗声波传感器3的反射谱波长发生漂移，从而将法布里-珀罗声波传感器3的正交工作点调节至与检测光源1输出的连续光和脉冲光的波长一致。
本实施例中，加热光源2的功率由PID算法实时跟踪控制，保证在外界温度、压力等因素干扰下输出信号的稳定与最大输出。
本实施例中，光电探测器(PD)5获取法布里-珀罗声波传感器3反射回的检测光，经光电探测器(PD)5探测后，直流分量用于上述PID算法的反馈控制信号。
本实施例中，法布里-珀罗声波传感器3的正交工作点(Q点)在信号测量过程中维持在检测光源1输出的检测光波长处，反射回的检测光经光电探测器(PD)5探测后，输出电压信号的交流分量用于还原待测声波信号。
如图2所示。本实施例中，法布里-珀罗声波传感器3可以是光纤嵌入式结构或者端面膜片结构。对于图2(a)中的结构，法布里-珀罗声波传感器3采用光纤嵌入式结构时，包括单模光纤21、掺杂光纤22，掺杂光纤22位于两段单模光纤21之间，加热光被由掺杂光纤22组成的腔吸收后，产生热并引起腔体膨胀伸长，根据法布里-珀罗干涉原理，反射谱波长漂移量与腔长的关系式：
Figure BDA0003055909640000061
其中Δλ是相邻两个谐振峰对应的波长差，λk和λk+1为相邻的两个谐振峰分别对应的波长，n为法布里-珀罗腔的介质折射率，L为法布里-珀罗声波传感器3中法布里-珀罗腔的腔长。
调节加热光源2的功率控制法布里-珀罗声波传感器3的反射谱波长，直至其正交工作点与检测光源1输出的检测光波长重合。
对于图2(b)中的结构，法布里-珀罗声波传感器3采用端面膜片结构时，包括单模光纤21、空心圆柱结构23和膜片24，空心圆柱结构23的一端与单模光纤21连接，空心圆柱结构23的另一端附着膜片24，空心圆柱结构23内部形成微气腔25，膜片24为金属薄膜或石墨烯膜，加热光被膜片24吸收，产生的热使膜片24沿光纤轴向发生凹凸形变，从而改变法布里-珀罗声波传感器3中法布里-珀罗腔的腔长，引起反射谱的漂移。
实施例二
基于上述本实施例提供的光纤法布里-珀罗声波传感器信号解调系统，本实施例进一步公开一种光纤法布里-珀罗声波传感器信号解调方法：加热光源2发出一束加热光与通过环形器4传输的一束来自检测光源1的检测光通用波分复用器9耦合至法布里-珀罗声波传感器3的端面；在法布里-珀罗声波传感器3中法布里-珀罗腔的两个端面的反射光，经环形器4传输至光电探测器(PD)5，光电探测器将传输的反射光信号转化成电信号；将光电探测器(PD)5的直流分量输出作为反馈控制信号，用于解析法布里-珀罗声波传感器3中法布里-珀罗腔的腔长变化；通过加热光源2发出的加热光加热法布里-珀罗声波传感器3中法布里-珀罗腔，法布里-珀罗腔的腔体受热形变，将法布里-珀罗声波传感器3的正交工作点(Q点)调至来自检测光源1的信号检测光中心波长处；由PID算法实时控制加热激光功率，保持法布里-珀罗声波传感器3正交工作点位置不变，实现传感器高灵敏、高稳定的探测信号输出。
本发明实施例中，从加热光源2发出的波长为980nm的加热光经电子可调光学衰减器8后，与通过环形器4传输的检测光源1发出的检测光，通过波分复用器9耦合至法布里-珀罗声波传感器3的端面。被法布里-珀罗声波传感器3中法布里-珀罗腔的两个端面反射回的反射光(加热光、信号探测光)，通过波分复用器后，加热光被滤除，未被滤除的检测光经过环形器4传输到光电探测器5中，通过光电探测器5可将检测光的反射光强变化信息转化为电学信号。当声波或超声波作用于法布里-珀罗声波传感器3时，法布里-珀罗声波传感器3的法布里-珀罗腔会发生形变，进而会引起反射光强的动态变化，反射谱发生漂移，激光器输出的波长值不再对应工作点Q的位置，利用PID算法，根据漂移前后的电压差，以该电学信号为反馈，利用可调光学衰减器8伺服控制加热光源2的功率，使新的输出波长重新锁定在Q工作点，使法布里-珀罗声波传感器3的法布里-珀罗腔长到达稳定，而根据光电探测器5输出的电压信号的交流分量可用于还原待测声波信号。
图3为本发明实施例提供的一种光纤法布里-珀罗声波传感器信号解调系统及方法流程图，如图3所示，该方法包括：
步骤S1、加热光源2发出一束加热光与通过环形器4传输的一束来自检测光源1的检测光通用波分复用器9耦合至法布里-珀罗声波传感器3的端面。
本实施例中，检测光为窄带连续光，波长与加热光波长不同，作为一种可选方案，加热光的波长为980nm。
步骤S2、在法布里-珀罗声波传感器3中法布里-珀罗腔的两个端面的反射光，经环形器4传输至光电探测器(PD)5，光电探测器将传输反射光信号转化成电信号；
步骤S3、反射光经环形器4传输至光电探测器(PD)5后，输出的电压信号直流分量用于解析法布里-珀罗声波传感器3中法布里-珀罗腔腔长变化。
步骤S4、由PID算法实时控制加热光源2的功率，使加热光光强变化，保持法布里-珀罗声波传感器3中法布里-珀罗腔腔长稳定。
步骤S5、光电探测器(PD)5输出电压信号的交流分量用于还原待测声波信号。
本实施例中，由于不同的外界声压，对应传感器腔长的不同改变，因此用于维持传感器的腔长不变所需的加热光功率也不同。根据外界声压与加热光功率的对应关系，即可还原待测声波信号。
综上所述，本实施例公开的光纤法布里-珀罗声波传感器信号解调方法，首先利用一束激光加热法布里-珀罗腔，使腔体受热形变，将传感器正交工作点(Q点)调至另一束信号检测激光中心波长处，然后由PID算法实时控制加热激光功率，保持传感器正交工作点位置不变，实现传感器高灵敏、高稳定的探测信号输出。本发明可满足不同应用场合对压力、声波、超声波等物理量的测量，在保证解调精度的同时，可有效减小温度、压力波动等环境因素变化对解调信号稳定性的影响，提高传感器件的抗干扰能力。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光纤法布里-珀罗声波传感器信号解调系统，其特征在于，所述信号解调系统包括：检测光源(1)、加热光源(2)、法布里-珀罗声波传感器(3)，其中，所述检测光源(1)接入环形器(4)的第一端口，所述加热光源(2)与电子可调光学衰减器(8)相接，所述环形器(4)的第二端口与电子可调光学衰减器(8)耦合接入到波分复用器(9)中，所述波分复用器(9)与法布里-珀罗声波传感器(3)连接，电子可调光学衰减器(8)、数据采集卡(6)和光电探测器(5)依次顺序相接，所述光电探测器(5)接入环形器(4)的第三端口，其中，所述法布里-珀罗声波传感器(3)采用光纤嵌入式结构或者端面膜片结构。
2.根据权利要求1所述的一种光纤法布里-珀罗声波传感器信号解调系统，其特征在于，所述法布里-珀罗声波传感器(3)采用光纤嵌入式结构时，包括单模光纤(21)、掺杂光纤(22)，掺杂光纤(22)位于两段单模光纤(21)之间，加热光被由掺杂光纤(22)组成的腔吸收后，产生热并引起腔体膨胀伸长，根据法布里-珀罗干涉原理，反射谱波长漂移量与腔长的关系式：
Figure FDA0003055909630000011
其中Δλ是相邻两个谐振峰对应的波长差，λk和λk+1为相邻的两个谐振峰分别对应的波长，n为法布里-珀罗腔的介质折射率，L为法布里-珀罗声波传感器(3)中法布里-珀罗腔的腔长；
调节加热光源(2)的功率控制法布里-珀罗声波传感器(3)的反射谱波长，直至其正交工作点与检测光源(1)输出的检测光波长重合。
3.根据权利要求1所述的一种光纤法布里-珀罗声波传感器信号解调系统，其特征在于，所述法布里-珀罗声波传感器(3)采用端面膜片结构时，包括单模光纤(21)、空心圆柱结构(23)和膜片(24)，空心圆柱结构(23)的一端与单模光纤(21)连接，空心圆柱结构(23)的另一端附着膜片(24)，空心圆柱结构(23)内部形成微气腔(25)，所述膜片(24)为金属薄膜或石墨烯膜，加热光被膜片(24)吸收，产生的热使膜片(24)沿光纤轴向发生凹凸形变，从而改变法布里-珀罗声波传感器(3)中法布里-珀罗腔的腔长，引起反射谱的漂移。
4.根据权利要求1所述的一种光纤法布里-珀罗声波传感器信号解调系统，其特征在于，所述加热光源(2)发出的加热光包括连续光和脉冲光，平均功率0-500mW。
5.根据权利要求1所述的一种光纤法布里-珀罗声波传感器信号解调系统，其特征在于，所述检测光源(1)发出的检测光为窄带连续光，所述检测光的波长与所述加热光的波长不同。
6.一种根据权利要求1至5任一所述的光纤法布里-珀罗声波传感器信号解调系统的解调方法，其特征在于，所述解调方法包括以下步骤：
加热光源(2)发出一束加热光与通过环形器(4)传输的一束来自检测光源(1)的检测光通用波分复用器(9)耦合至法布里-珀罗声波传感器(3)的端面；
在法布里-珀罗声波传感器(3)中法布里-珀罗腔的两个端面的反射光，经环形器(4)传输至光电探测器(5)，光电探测器(5)将传输反射光信号转化成电信号；
将光电探测器(5)的直流分量输出作为反馈控制信号，用于解析法布里-珀罗声波传感器(3)中法布里-珀罗腔的腔长变化；
通过加热光源(2)发出的加热光加热法布里-珀罗声波传感器(3)中法布里-珀罗腔，法布里-珀罗腔的腔体受热形变，将法布里-珀罗声波传感器(3)的正交工作点调至来自检测光源(1)的信号检测光中心波长处；
由PID算法实时控制加热激光功率，保持法布里-珀罗声波传感器(3)正交工作点位置不变，实现传感器高灵敏、高稳定的探测信号输出。
7.根据权利要求6所述的一种光纤法布里-珀罗声波传感器信号解调方法，其特征在于，所述光电探测器(5)获取法布里-珀罗声波传感器(3)反射回的检测光，经光电探测器(5)探测后输出电压信号，将输出电压信号的直流分量用作PID算法的反馈控制信号。
8.根据权利要求6所述的一种光纤法布里-珀罗声波传感器信号解调方法，其特征在于，所述法布里-珀罗声波传感器(3)的正交工作点在信号测量过程中维持在检测光波长处，反射回的检测光经光电探测器(5)探测后输出电压信号，将输出电压信号的交流分量用于还原待测声波信号。
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