光纖雷射傳感器動態信號解調方法

2023-08-01 02:49:31 3

專利名稱：光纖雷射傳感器動態信號解調方法
技術領域：
本發明屬於光纖傳感系統及信號解調技術領域。與光纖傳感器、光纖布拉格光柵、 雙波長光纖雷射器、偏振光纖雷射器、調頻解調技術等有關，涉及信號調理、信號處理等方 面，廣泛適用於對各類動態物理量的測量。光纖雷射傳感器的動態解調方法是對雙波長型、 多縱模型、偏振型等拍頻輸出型動態傳感器的傳感信息進行解調的一種新的技術。
背景技術：
光纖傳感器具有抗電磁幹擾、耐腐蝕、本質安全、體積小、重量輕、抗幹擾能力強、 波長編碼、易於復用組網等優點，它可以用來測量應變、溫度、振動等物理信息。光纖傳感 器近年來得到了迅速發展，它被廣泛的應用於大型建築物、工業監測、地震監測等領域，特 別是在各種大型機電、石油化工、礦井等強電磁幹擾和易燃易爆等惡劣環境中。光纖傳感器 的基本原理為外界信號按其變化規律使光纖中傳輸的光波物理特徵參量發生變化，測量激 光參量的變化就可以得到外界信號的變化。比如光纖光柵雷射器的中心波長隨著應變或者 溫度的變化發生漂移，通過測量它的中心波長的變化就可以對應變、溫度或者振動進行檢 測[1]。另外一種方法是通過測量分布反饋式雷射器兩個正交模雷射之間的拍頻來測量應 變或者溫度[2]。採用拍頻的方法使得解調的成本大大降低、系統的穩定性也得到了一定 的提高。在各種光纖傳感器裡面，光纖動態信號傳感器比光纖應變或者溫度傳感器都要復 雜。因為光纖動態信號監測傳感器不僅需要傳感器有很好的回覆性、非常高的靈敏度，更需 要複雜的解調技術。光纖傳感器和光纖傳感信號解調方法是密不可分、相輔相成的，一套優 秀的光纖動態傳感系統必須有著與之相匹配的解調方法。比如K. P. Koo等人利用幹涉解調 的方法實現了對動態信號的測量[3]。再如另外一種方法是利用瑞利背向散射來測量動態 信號[4]。近年來光纖傳感器及解調方法在中國也得到了快速的發展，一些新的技術逐步產 生。如中國專利申請CN200610156341公開了一種新型分布式光纖振動傳感系統，採用薩格 奈克/馬赫-澤德混合幹涉儀光路進行振動傳感，並且採用幅度對比進行振動定位。採用 消偏技術，在光源出射端和光纖環中加入洛埃特消偏器，穩定了薩格奈克幹涉儀光路中的 幹涉輸出，提高了傳感器輸出信息的檢測精度[5]。中國專利申請CN200910233914. 1公開 了 「光纖布拉格光柵雷射器的傳感方法」，利用頻譜儀來檢測一個雙波長雷射器之間的拍頻 實現對溫度和應變的監測；或者在一段光纖兩端接兩個光纖布拉格光柵作為反射鏡，這段 光纖裡面至少有一部分是摻鉺光纖，從而形成一個諧振腔，這樣就產生了很多模式的雷射。 通過頻譜儀測量任意兩個模式之間的拍頻來檢測應變和溫度的變化[6]。但是此系統中的 解調方法只能用來測量靜態的應變和緩變的溫度。本發明的主要思想是利用一種新的解調 方法對拍頻輸出型的光纖雷射傳感器進行信號解調，使其能實現對動態信號的檢測。[l]Alan D. Kersey, Michael A. Davis, Heather J. Patrick, et al, "Fiber Grating Sensors, "J. Lightwave Technol，VOL. 15，NO. 8，AUGUST 1997.[2]01iver Hadeler, Erland Rj0nnekleiv, Morten Ibsen, and Richard I. Laming,"Polarimetricdistributed feedback fiber laser sensorfor simultaneous strain and temperaturemeasurements, 」 APPLIED OPTICS, VOL. 38，NO. 10，1999.[3]K. P. Koo and A. D. Kersey, "Bragg Grating-Based Laser Sensors Systems withInterferometrie Interrogation and Wavelength Division Multiplexing," J. Lightwave Technol.，VOL. 13，NO. 7，1995.[4]Ziyi Zhang and Xiaoyi Bao,"Continuous and damped vibration detection based on fiberdiversity detection sensor by Rayleigh backscattering," J. Lightwave Technol.，VOL. 26，NO. 7,2007.[5]張春熹，藍天，李彥，李立京，徐宏傑，羅光明，「分布式光纖振動傳感器」，發明 專利(申請號/專利號:CN200610156341)[6]陳向飛，劉盛春，殷作為，張亮，高亮，「光纖布拉格光柵雷射器的傳感方法」，發 明專利(申請號:CN200910233914. 1)

發明內容
本發明要解決的問題是傳統的光纖幹涉型動態傳感信號解調系統易受外界幹 擾，測量精度不高，對波長的穩定性要求很高，不夠穩定，並且成本較高。目前雙波長和多縱 模光纖雷射傳感器目前只能測量靜態的應變。本發明的目的在於公開一種新的光纖雷射傳 感器動態信號解調方法。本發明的技術方案為光纖雷射傳感器動態信號解調方法，首先建立傳感系統， 傳感系統包括拍頻信號產生部分和信號解調部分，拍頻信號產生部分產生拍頻信號，並通 過傳感探頭接受動態信號，原始拍頻信號被動態信號調製得到調頻信號，調頻信號輸入信 號解調部分，信號解調部分完成濾波、混頻處理，並通過調頻解調器對調頻信號進行解調， 得到調製信號，即動態信號，將調製信號經AD數據採集卡模數轉換後，送入數字處理電路 處理得到動態信號的頻率、加速度參數，其中調頻解調器的輸出電壓至少在f。_Afmax至 f。+Afmax的範圍內與頻偏成線性關係，f。和Afmax分別為調頻解調器能解調的調頻信號的 載波頻率和最大頻偏。傳感探頭採用多縱模光纖雷射傳感器，它對應力的響應為
權利要求
1.光纖雷射傳感器動態信號解調方法，其特徵是首先建立傳感系統，傳感系統包括拍 頻信號產生部分和信號解調部分，拍頻信號產生部分產生拍頻信號，並通過傳感探頭(3) 接受動態信號，原始拍頻信號被動態信號調製得到調頻信號，調頻信號輸入信號解調部分， 信號解調部分完成濾波、混頻處理，並通過調頻解調器(9)對調頻信號進行解調，得到調製 信號，即動態信號，將調製信號經AD數據採集卡(10)模數轉換後，送入數字處理電路(11) 處理得到動態信號的頻率、加速度參數，其中調頻解調器(9)的輸出電壓至少在f。_ Afmax至 f。+Afmax的範圍內與頻偏成線性關係，f。和Afmax分別為調頻解調器(9)能解調的調頻信 號的載波頻率和最大頻偏。
2.根據權利要求1所述的光纖雷射傳感器動態信號解調方法，其特徵是傳感探頭(3) 採用多縱模光纖雷射傳感器，它對應力的響應為
3.根據權利要求1所述的光纖雷射傳感器動態信號解調方法，其特徵是傳感探頭(3) 採用雙波長光纖雷射器或者偏振光纖雷射器，拍頻信號產生部分只輸出一個拍頻信號，拍 頻信號隨應變的變化關係為
4.根據權利要求1或2或3所述的光纖雷射傳感器動態信號解調方法，其特徵是拍頻 信號產生部分包括泵浦光源(1)、波分復用器(2)、傳感探頭(3)、傳輸光纖(4)和光電探測 器(5)，信號解調部分包括射頻帶通濾波器(6)，混頻器(7)，本徵信號源(8)，調頻解調器 (9)，AD數據採集卡(10)和數字處理電路(11)，泵浦光源(1)發出的光經過波分復用器(2) 進入傳感探頭(3)，傳感探頭(3)產生的雷射經過傳輸光纖(4)輸入光電探測器(5)，任意 兩個模式或者波長或者偏振之間產生拍頻信號，動態信號作用在傳感探頭(3)上時，拍頻 信號被動態信號調製，光電探測器(5)的輸出作為拍頻信號產生部分的輸出，輸出被調製 的拍頻信號，為調頻信號，將調頻信號送入射頻帶通濾波器(6)，濾出一個合適的調頻信號， 所述合適的調頻信號需要有足夠的靈敏度和穩定性，對於多縱模光纖雷射器傳感探頭採用 1-2GHZ之間的一個信號，對於雙波長光纖雷射傳感探頭和偏振光纖雷射傳感探頭，只有一 個調頻信號，只要把噪聲濾去即可，然後將調頻信號送入混頻器(7)下變頻到一個合適的 頻率，所述合適的頻率與調頻解調器(9)能夠解調的調頻信號的載波頻率f。匹配，混頻器 (7)的本徵信號由本徵信號源(8)提供，調頻信號送入調頻解調器(9)進行解調，調頻解調 器(9)的輸出電壓至少在f。_Afmax至f。+Afmax的範圍內與頻偏成線性關係，f。和Afmax分 別為調頻解調器(9)能解調的調頻信號的載波頻率和最大頻偏且Afmax應不小於從拍頻信 號產生部分輸出的調頻信號的最大頻偏，調頻解調器的輸出信號送入AD數據採集卡(10) 對信號進行模數轉換，得到數位訊號，用數字處理電路(11)對數位訊號進行處理，得到動 態信號的各項具體參數。
5.根據權利要求4所述的光纖雷射傳感器動態信號解調方法，其特徵是傳感探頭(3) 為多縱模光纖雷射時，由兩個光纖布拉格光柵、摻鉺光纖和普通單模光纖構成，傳感探頭 (3)為雙波光纖雷射傳感探頭時由雙波長光纖雷射器構成，傳感探頭(3)為偏振光纖雷射 傳感探頭時由偏振光纖雷射器構成。
6.根據權利要求1或2或3所述的光纖雷射傳感器動態信號解調方法，其特徵是動態 信號包括振動信號、聲場信號。
7.根據權利要求4所述的光纖雷射傳感器動態信號解調方法，其特徵是動態信號包括 振動信號、聲場信號。
8.根據權利要求5所述的光纖雷射傳感器動態信號解調方法，其特徵是動態信號包括 振動信號、聲場信號。
全文摘要
光纖雷射傳感器動態信號解調方法，建立傳感系統，包括拍頻信號產生部分和信號解調部分，拍頻信號產生部分產生拍頻信號，並通過傳感探頭接受動態信號，原始拍頻信號被動態信號調製得到調頻信號，調頻信號輸入信號解調部分，通過調頻解調器對調頻信號進行解調，得到調製信號，即動態信號，將調製信號經AD數據採集卡模數轉換後，送入數字處理電路處理得到動態信號的頻率、加速度參數。本發明不受光強波動、電磁幹擾等的影響，與已知的光纖動態解調方法相比，該檢測方法易於實現，工作穩定可靠並且成本低廉。
文檔編號G01D3/028GK102003970SQ20101050586
公開日2011年4月6日 申請日期2010年10月14日 優先權日2010年10月14日
發明者劉盛春, 殷作為, 陳向飛, 高亮 申請人:南京大學