CN114964326A - 可调谐激光器光纤光栅解调仪的时延误差补偿方法及系统 - Google Patents

可调谐激光器光纤光栅解调仪的时延误差补偿方法及系统 Download PDF

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唐才杰
何远清
卞贺明
梁宏光
崔留住
王甫
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杨勇
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Abstract

本申请涉及光纤传感技术领域，具体公开了可调谐激光器光纤光栅解调仪的时延误差补偿方法及系统，可调谐激光器的波长在工作波长范围内进行往复扫描，记录可调谐激光器波长由小增大正向扫描过程中的光纤光栅中心波长值测量值，记录可调谐激光器波长由大减小反向扫描过程中的光纤光栅中心波长测量值，利用激光器波长正向、反向扫描过程中的测量值差异实现光纤传输时延导致的波长测量误差的补偿，提高光纤光栅传感器的测量精度。

Description

可调谐激光器光纤光栅解调仪的时延误差补偿方法及系统
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及可调谐激光器光纤光栅解调仪的时延误差补偿方法。
背景技术
光纤光栅传感器具有本质安全、抗电磁干扰、体积小、重量轻、易于实现多点准分布式测量等优点，在航天器、飞机、基础设施等的结构健康监测中具有广泛的应用。
在动应变、振动监测应用中，需要对光纤光栅传感器中心波长的高速变化进行测量。其中基于可调谐激光器的光纤光栅高速解调方法，具有解调频率高(可达1kHz～100kHz及以上)、光信号功率大、可测传感器通道数目多、成本相对较低等优势，是光纤光栅传感器中心波长高速变化测量的重要方法。
基于可调谐激光器的光纤光栅高速解调方法，激光器发出的激光经过光器件和光纤输入到光纤光栅传感器中，光纤光栅传感器的反射光信号再经过光纤和光器件到达光纤光栅解调设备中的光电探测器，其中光纤光栅解调设备和光纤光栅传感器之间的光纤长度难以事先确定，该段光纤的传输时延会导致波长测量误差，且该误差随光纤光栅解调频率的增加以及光纤长度的增加而增大。在光纤光栅高速解调时，光纤传输时延导致的波长测量误差影响较大，需要进行补偿。
现有的补偿方法，采用不同解调频率的光纤光栅解调仪进行对比测试，该方法增加了光纤光栅解调设备和对比测试时间，成本高、效率低；或者实测光纤光栅解调仪和光纤光栅传感器之间的光纤长度，根据光纤长度和激光器波长扫描速度进行计算补偿，这种方法受光纤长度测量精度的限制，补偿精度较低，且增加了光纤长度测量设备和测量时间，成本高、效率低。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对可调谐激光器光纤光栅高速解调仪，光纤传输时延导致的波长测量误差较大，现有补偿方法成本高、效率低的问题，提供可调谐激光器光纤光栅解调仪的时延误差补偿方法，保证了可调谐激光器光纤光栅解调仪的测量精度。
本发明的技术解决方案是：
可调谐激光器光纤光栅解调仪的时延误差补偿方法，包括以下步骤，
(1)激光器的波长扫描包括波长由小增大的正向扫描和波长由大减小的反向扫描，记录正向扫描得到的光纤光栅中心波长值测量值
Figure BDA0003601649400000021
反向扫描得到的光纤光栅中心波长测量值
Figure BDA0003601649400000022
波长补偿量为
Figure BDA0003601649400000023
(2)对波长测量误差进行补偿，获得补偿后的光纤光栅中心波长为
Figure BDA0003601649400000024
Figure BDA0003601649400000025
所述步骤(1)之后，重复N次步骤(1)，N≥1，得到多个正向扫描得到的光纤光栅中心波长值测量值
Figure BDA0003601649400000026
多个反向扫描得到的光纤光栅中心波长测量值
Figure BDA0003601649400000027
波长补偿量为
Figure BDA0003601649400000028
所述第j(j>N)次激光器波长扫描时的误差补偿量，使用第(k-N+1)～k次波长扫描时的测量数据计算获得：
Figure BDA0003601649400000029
通过上述技术方案，重复多次步骤(1)得到多个
Figure BDA00036016494000000210
和
Figure BDA00036016494000000211
进一步计算波长补偿量使，有利于提高准确度。且在进一步计算波长补偿量时，根据选取的多个
Figure BDA00036016494000000212
和
Figure BDA00036016494000000213
的不同，上述两种方式均可。
所述正向扫描速度S+和反向扫描速度S-满足S+＝-S-。
激光器波长扫描速度S+、可调谐激光器光纤光栅解调仪和待测光纤光栅传感器之间的光纤长度L、光纤光栅传感器中心波长λB、可调谐激光器波长范围最小值λmin、可调谐激光器波长范围最大值λmax，满足S+(2nL/c)＜(λB-λmin)且S+(2nL/c)＜(λmax-λB)，其中n为光纤的折射率、c为真空中的光速。
通过上述技术方案，在该激光器波长扫描速度S+的限定下，获得的波长补偿量更为准确，提高了补偿后的光纤光栅中心波长测量的准确性。
所述激光器波长扫描速度S+，第m只光纤光栅传感器的中心波长λB，m、第m只光纤光栅传感器和可调谐激光器光纤光栅解调仪之间的光纤长度Lm、第n只光纤光栅传感器的中心波长λB，n、第n只光纤光栅传感器和解调仪之间的光纤长度Ln，满足|S+[2n(Ln-Lm)/c]|＜|λB，n-λB，m|，其中n为光纤的折射率、c为真空中的光速。
通过上述对不同待检测的光纤光栅传感器之间的限定，保证了解调仪从不同待检测的光纤光栅传感器获得的电信号的准确性和精确性，从而提高了光纤光栅中心波长检测值的准确性。
一种可调谐激光器光纤光栅高速解调仪的波长测量误差补偿系统，包括：激光器驱动电路，根据控制信号控制可调谐激光器输出波长变化的激光；
可调谐激光器，在激光器驱动电路的控制下输出波长由小增大的正向扫描激光和波长由大减小的反向扫描激光；
光纤耦合器I，将可调谐激光器输出的正向扫描激光和反向扫描激光分为两路，一路输入波长参考，另一路输入光分路器；
波长参考，测量光纤耦合器I输入的正向扫描激光和反向扫描激光的波长变化，将波长变化转化成强度变化，将带有强度变化信息的激光输入到光电探测器及放大电路；
光分路器，将光纤耦合器I输入的一路激光分成多路激光，并将多路激光输送到光纤耦合器II或环行器；
光纤耦合器II或环行器，用于连接待检测的光纤光栅传感器，光纤耦合器II或环行器将光分路器输入的多路激光输入到光纤光栅传感器，并将光分路器输入的激光反射得到的反射光输入到光电探测器及放大电路；
光电探测器及放大电路，将波长参考输出的带有强度变化信息的光转化为第一电信号，将光纤光栅传感器的反射光转化为第二电信号；
信号采集处理电路，对激光器驱动电路下发控制信号；采集光电探测器及放大电路输出的第一电信号和第二电信号，根据第一电信号计算波长变化，并根据波长变化和第二电信号，完成光纤光栅传感器中心波长的解调获得光纤光栅中心波长值测量值
Figure BDA0003601649400000041
反向扫描得到的光纤光栅中心波长测量值
Figure BDA0003601649400000042
并计算波长补偿值为
Figure BDA0003601649400000043
根据波长补偿值对光纤光栅中心波长的测量误差进行补偿，获得补偿后的光纤光栅中心波长为
Figure BDA0003601649400000044
10、根据权利要求9所述的一种可调谐激光器光纤光栅解调仪的波长测量误差补偿系统，其特征在于：所述可调谐激光器的扫描速度满足：S+(2nL/c)＜(λB-λmin)，S+(2nL/c)＜(λmax-λB)，
其中，L为可调谐激光器光纤光栅解调仪和待测光纤光栅传感器之间的光纤长度，λB为光纤光栅传感器中心波长，λmin为可调谐激光器波长范围最小值，λmax为可调谐激光器波长范围最大值，n为光纤的折射率，c为真空中的光速。
综上所述，本申请至少包括以下有益技术效果：
(1)本发明的可调谐激光器光纤光栅解调仪的时延误差补偿方法，显著补偿了光纤传输时延导致的测量误差，提高了测量精度；
(2)本发明的一种可调谐激光器光纤光栅解调的波长测量误差补偿方法，波长测量误差补偿功能直接集成在光纤光栅解调仪中，避免使用额外的仪器设备，降低了成本；
(3)本发明的一种可调谐激光器光纤光栅解调的波长测量误差补偿方法，不需要进行额外的光纤光栅低速解调、光纤长度测量等操作，使用简单、效率高。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中的可调谐激光器光纤光栅解调仪方案示意图；
图2为本发明的可调谐激光器光纤光栅解调的波长测量误差补偿方法流程图。
附图标记说明：
1、信号采集处理电路；2、激光器驱动电路；3、可调谐激光器；4、光纤耦合器；5、波长参考；6、光分路器；7、光纤耦合器或环行器；8、光纤光栅传感器；9、光电探测器及放大电路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细的描述：
本申请实施例公开可调谐激光器光纤光栅解调仪的时延误差补偿方法及系统。
结合说明书附图1，一种可调谐激光器光纤光栅解调仪的波长测量误差补偿系统，包括包括信号采集处理电路1，激光器驱动电路2，可调谐激光器3，光纤耦合器4，波长参考5，光分路器6，光纤耦合器或环行器7，光纤光栅传感器8，光电探测器及放大电路9。在信号采集处理电路1的指令下，激光器驱动电路2控制可调谐激光器3输出波长变化的激光；光纤耦合器4将激光分为两路，其中一路激光输入波长参考5，另一路激光通过光分路器6分成多路；光分路器6输出的激光，通过光纤耦合器或环行器7输入光纤光栅传感器8；波长参考5的输出光、光纤光栅传感器8的反射光输入光电探测器及放大电路9；信号采集处理电路1采集光电探测器及放大电路9输出的电信号，完成光纤光栅传感器中心波长的解调。
结合说明书附图2，对本发明公开的可调谐激光器光纤光栅解调仪的时延误差补偿方法进行说明。
某一具体实施例，光纤光栅解调仪的解调频率为10kHz，可调谐激光器的波长在40nm光谱范围(如1525nm～1565nm、1529nm～1569nm)内进行扫描，可调谐激光器的波长扫描包括波长由小增大的正向扫描和波长由大减小的反向扫描，波长正向扫描速度S+＝400000nm/s，波长反向扫描速度S-＝-400000nm/s，可调谐激光器波长正向扫描速度S+和反向扫描速度S-设计为满足S+＝-S-。
步骤(1)：记录正向扫描过程中的光纤光栅中心波长值测量值
Figure BDA0003601649400000061
记录反向扫描过程中的光纤光栅中心波长测量值
Figure BDA0003601649400000062
计算出光纤传输时延导致的波长测量误差补偿量
Figure BDA0003601649400000063
步骤(2)：重复N次步骤(1)，N≥1，计算出光纤传输时延导致的波长测量误差的平均值作为误差补偿量
Figure BDA0003601649400000064
对于第j(j>N)次激光器波长扫描时的误差补偿量，另一种具体计算方法是使用第(k-N+1)～k次波长扫描时的测量数据计算获得：
Figure BDA0003601649400000065
步骤(3)：对光纤传输时延导致的波长测量误差进行补偿，获得补偿后的光纤光栅中心波长测量值
Figure BDA0003601649400000066
光纤传输时延导致的波长测量误差为S+(2nL/c)、S-(2nL/c)，其中n为光纤的折射率、c为真空中的光速。对于波长正向扫描速度S+＝400000nm/s，光纤传输时延产生的波长测量误差约为4pm/m；对于波长反向扫描速度S-＝-400000nm/s，光纤传输时延产生的波长测量误差约为-4pm/m。当光纤光栅传感器和解调仪之间的光纤长度为100m时，光纤传输时延产生的波长测量误差达400pm。
采用本发明公开的一种光纤光栅中心波长的测量和补偿系统及补偿方法，将光纤传输时延导致的波长测量误差降低为[(S++S-)/2](L/2nc)。当可调谐激光器波长正向扫描速度和反向扫描速度满足S+＝-S-时，消除了光纤传输时延导致的波长测量误差。可调谐激光器波长正向扫描速度和反向扫描速的相对差异为a时，补偿后的光纤传输时延导致的波长测量误差降低为补偿前的a/2；如可调谐激光器波长正向扫描速度和反向扫描速的相对差异为1％，补偿前的光纤传输时延导致的波长测量误差为400pm，则补偿后的光纤传输时延导致的波长测量误差为2pm。
可调谐激光器波长扫描速度S+、可调谐激光器光纤光栅解调仪和待测光纤光栅传感器之间的光纤长度L、光纤光栅传感器中心波长λB、可调谐激光器波长范围最小值λmin、可调谐激光器波长范围最大值λmax，满足S+(2nL/c)＜(λB-λmin)且S+(2nL/c)＜(λmax-λB)，其中n为光纤的折射率、c为真空中的光速。
可调谐激光器波长扫描速度S+，第m只光纤光栅传感器的中心波长λB，m、第m只光纤光栅传感器和解调仪之间的光纤长度Lm、第n只光纤光栅传感器的中心波长λB，n、第n只光纤光栅传感器和解调仪之间的光纤长度Ln，满足|S+[(Ln-Lm)/2nc]|＜|λB，n-λB，m|，其中n为光纤的折射率、c为真空中的光速。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.可调谐激光器光纤光栅解调仪的时延误差补偿方法，其特征在于：包括以下步骤，
可调谐激光器的波长扫描包括波长由小增大的正向扫描和波长由大减小的反向扫描，记录正向扫描得到的光纤光栅中心波长值测量值
Figure FDA0003601649390000011
反向扫描得到的光纤光栅中心波长测量值
Figure FDA0003601649390000012
波长补偿值为
Figure FDA0003601649390000013
根据波长补偿值对正向扫描和反向扫描得到的光纤光栅中心波长值测量值的测量误差进行补偿。
2.据权利要求1所述的可调谐激光器光纤光栅解调仪的时延误差补偿方法，其特征在于：所述补偿后的光纤光栅中心波长为
Figure FDA0003601649390000014
Figure FDA0003601649390000015
3.据权利要求1所述的可调谐激光器光纤光栅解调仪的时延误差补偿方法，其特征在于：所述步骤(1)之后，重复N次步骤(1)，N≥1，得到多个正向扫描得到的光纤光栅中心波长值测量值
Figure FDA0003601649390000016
多个反向扫描得到的光纤光栅中心波长测量值
Figure FDA0003601649390000017
波长补偿量为
Figure FDA0003601649390000018
4.根据权利要求1所述的可调谐激光器光纤光栅解调仪的时延误差补偿方法，其特征在于：所述第j(j>N)次激光器波长扫描时的误差补偿量，使用第(k-N+1)～k次波长扫描时的测量数据计算获得：
Figure FDA0003601649390000019
5.根据权利要求1-4任一所述的可调谐激光器光纤光栅解调仪的时延误差补偿方法，其特征在于：所述可调谐激光器的正向扫描速度S+和反向扫描速度S-满足S+＝-S-。
6.根据权利要求5所述的可调谐激光器光纤光栅解调仪的时延误差补偿方法，其特征在于：满足：S+(2nL/c)＜(λB-λmin)，
其中，L为可调谐激光器光纤光栅解调仪和待测光纤光栅传感器之间的光纤长度，λB为光纤光栅传感器中心波长，λmin为可调谐激光器波长范围最小值，n为光纤的折射率，c为真空中的光速。
7.根据权利要求5所述的可调谐激光器光纤光栅解调仪的时延误差补偿方法，其特征在于：满足：S+(2L/c)＜λλmax-λB)，
其中，λmax为可调谐激光器波长范围最大值。
8.根据权利要求5所述的可调谐激光器光纤光栅解调仪的时延误差补偿方法，其特征在于：所述|S+[2n(Ln-Lm)/c]|＜|λB，n-λB，m|，
其中，λB，m为第m只光纤光栅传感器的中心波长，Lm为第m只光纤光栅传感器和可调谐激光器光纤光栅解调仪之间的光纤长度，λB，n为第n只光纤光栅传感器的中心波长，Ln为第n只光纤光栅传感器和可调谐激光器光纤光栅解调仪之间的光纤长度，n为光纤的折射率，c为真空中的光速。
9.一种可调谐激光器光纤光栅解调仪的波长测量误差补偿系统，其特征在于：包括
激光器驱动电路，根据控制信号控制可调谐激光器输出波长变化的激光；
可调谐激光器，在激光器驱动电路的控制下输出波长由小增大的正向扫描激光和波长由大减小的反向扫描激光；
光纤耦合器I，将可调谐激光器输出的正向扫描激光和反向扫描激光分为两路，一路输入波长参考，另一路输入光分路器；
波长参考，测量光纤耦合器I输入的正向扫描激光和反向扫描激光的波长变化，将波长变化转化成强度变化，将带有强度变化信息的激光输入到光电探测器及放大电路；
光分路器，将光纤耦合器I输入的一路激光分成多路激光，并将多路激光输送到光纤耦合器II或环行器；
光纤耦合器II或环行器，用于连接待检测的光纤光栅传感器，光纤耦合器II或环行器将光分路器输入的多路激光输入到光纤光栅传感器，并将光分路器输入的激光反射得到的反射光输入到光电探测器及放大电路；
光电探测器及放大电路，将波长参考输出的带有强度变化信息的光转化为第一电信号，将光纤光栅传感器的反射光转化为第二电信号；
信号采集处理电路，对激光器驱动电路下发控制信号；采集光电探测器及放大电路输出的第一电信号和第二电信号，根据第一电信号计算波长变化，并根据波长变化和第二电信号，完成光纤光栅传感器中心波长的解调获得光纤光栅中心波长值测量值
Figure FDA0003601649390000031
反向扫描得到的光纤光栅中心波长测量值
Figure FDA0003601649390000032
并计算波长补偿值为
Figure FDA0003601649390000033
根据波长补偿值对光纤光栅中心波长的测量误差进行补偿，获得补偿后的光纤光栅中心波长为
Figure FDA0003601649390000034
10.根据权利要求9所述的一种可调谐激光器光纤光栅解调仪的波长测量误差补偿系统，其特征在于：所述可调谐激光器的扫描速度满足：S+(2nL/x)＜(λB-λmin)，S+(2nL/c)＜(λmax-λB)，
其中，L为可调谐激光器光纤光栅解调仪和待测光纤光栅传感器之间的光纤长度，λB为光纤光栅传感器中心波长，λmin为可调谐激光器波长范围最小值，λmax为可调谐激光器波长范围最大值，n为光纤的折射率，c为真空中的光速。
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