消除偏振態影響的高精度光纖光柵傳感解調方法

2023-07-11 16:00:31 4

消除偏振態影響的高精度光纖光柵傳感解調方法
【專利摘要】本發明公開了一種消除偏振態影響的高精度光纖光柵傳感解調方法，包括下列步驟：求取光纖光柵反射譜S1的兩個偏振峰之間間隔的距離a；求取光纖光柵反射譜S2的兩個偏振峰之間間隔的距離b；分別求取兩路光纖光柵反射譜S1、S2的第K個測量周期和第K+1個測量周期的波長差λ1、λ2；利用得到的波長差λ1、λ2來確定波長差λ2相對于波長差λ1的變化量Δλ，再根據變化量Δλ與偏振態的間隔距離a、b的關係，來確定波長差λ2是否需要修正，若需要修正，則利用相應的修正公式進行修正，最後輸出修正後的波長差R。本發明的高精度光纖光柵傳感解調方法，能夠有效地解決單模光纖中偏振態不穩定造成解調結果出錯的問題。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明涉及光纖傳感【技術領域】，尤其涉及一種消除偏振態影響的高精度光纖光柵 傳感解調方法。 消除偏振態影響的高精度光纖光柵傳感解調方法

【背景技術】
[0002] 光纖傳感技術是20世紀70年代伴隨光纖通信技術的發展而迅速發展起來的。光 纖的工作頻帶寬，動態範圍大，適合遙測遙控，是一種優良的低損耗傳輸線。在一定條件下， 也是一種優良的敏感元件。鑑於此，各種類型的光纖傳感器孕育而生，並且在各個領域得到 了廣泛的應用。
[0003] 目前利用光纖光柵傳感器檢測地殼形變是一種很有前途的檢測技術。被觀測 的地殼應變量是準靜態的，屬於準靜態應變量測量的範圍，為了獲得這種靜態應變量的 測量，人們提出了利用參考光纖光柵的方法消除環境溫度和噪聲的影響，即在靜態應變 傳感測量系統中設置一個不受應變作用的光纖光柵對環境溫度和噪聲進行補償，同時通 過解調算法計算參考和應變光纖光柵傳感器的中心波長差來得到應變信息。如日本東京 大學提出的基於窄線寬雷射器和光纖光柵的超高解析度靜態應變測量方案（Q. W. Liu. An ultra-high-resolution FBG static-strain sensor for geophysis applications. Proc. of SPIE，Vol. 7653,76530W，2010)。為了進一步提高這個技術方案的應變測量解析度，要 求光纖光柵具有更窄的帶寬。為此，日本東京大學又提出了多種技術方案，採用光纖光柵 法-珀幹涉儀（比光纖光柵具有更窄的帶寬）來實現更高精度的靜態應變測量（Q. W. Liu. Ultra-high-resolution large-dynamic-range optical fiber static strain sensor using Pound-Drever-Hall technique. Optics letters，36 (20) ,4044-4046, 2011)。與此同時，劉 慶文在其專利號為CN 202853879U、CN 203100689U、CN 102818695A等專利中，也提出了利用 一個參考的光纖環形腔和一個傳感光纖光柵的方案來檢測應變，該方案也具有較大的應變 測量動態範圍和較高的應變測量解析度。
[0004] 但是，以上這種基於光纖光柵法-珀幹涉儀和/或光纖環行腔的高精度靜態應變 測量技術方案，都存在一個關鍵的技術問題：偏振態的不穩定會讓系統解調結果出錯。因為 單模光纖存在兩個正交的偏振態，每個偏振態對應於一個反射峰；實際傳感解調過程中，我 們只用到其中一個反射峰，即只需要其中一個偏振模式；而兩個偏振態在外界環境擾動下 的此長彼消，會讓解決結果出錯。因此，上述方案，都通過外接一個偏振控制器來控制這兩 個偏振態，通過消除其中一個偏振態來保證最終解調結果不受影響；而實際中，偏振態在外 界環境的擾動下會不斷發生變化。偏振控制器可以在短期保證想要的偏振輸出狀態，但是 長時間後整個解調系統還是會因為偏振態的不穩定出錯。雖然，商用的偏振分析儀可以輸 出穩定的偏振模式，但是這種儀器太昂貴。因此，我們需要研究一種解決方法，來解決這種 基於光纖光柵法-珀幹涉儀和/或光纖環行腔的高精度靜態應變解調系統中偏振態不穩定 對解調結果產生影響的問題。


【發明內容】

[0005] 有鑑於此，本發明的主要目的是提供一種消除偏振態影響的高精度光纖光柵傳感 解調方法，並重點解決單模光纖光柵、光纖光柵法-拍幹涉儀或相移光纖光柵偏振態的不 穩定造成解調結果出錯的問題。
[0006] 本發明的消除偏振態影響的高精度光纖光柵傳感解調方法，包括下列步驟：
[0007] 求取光纖光柵反射譜Si的兩個偏振峰之間間隔的距離a ;
[0008] 求取光纖光柵反射譜S2的兩個偏振峰之間間隔的距離b ;
[0009] 分別求取兩路光纖光柵反射譜Sp S2的第K個測量周期和第K+1個測量周期的波 長差λ i、λ 2 ;
[0010] 利用得到的波長差λ i、λ 2來確定波長差λ 2相對于波長差λ i的變化量Λ λ，再 根據變化量Λ λ與偏振態的間隔距離a、b的關係，來確定波長差λ 2是否需要修正，若需 要修正，則利用修正公式進行修正，最後輸出修正後的波長差R。
[0011] 其中：
[0012] 如果b_c < Λ λ < b+c， 則修正公式為R = λ 2+b ;
[0013] 如果-a_c < Δ λ <-a+c,則修正公式為 R = λ 2_a ;
[0014] 如果-a+b_c < Δ λ < -a+b+c,則修正公式為 R = λ 2+b_a ;
[0015] 其中，c為Λ λ的閾值範圍，根據經驗預先設定。
[0016] 其中，可調諧雷射器具有窄線寬和大可調諧範圍，光纖光柵也具有窄帶寬。
[0017] 其中，所述光纖光柵反射譜Sp S2通過光纖光柵法拍式幹涉儀或相移光纖光柵獲 得。
[0018] 其中，所述的光纖光柵反射譜Si、S2對應的兩個光纖光柵處於溫度相對恆定、噪聲 小的環境中。
[0019] 其中，對於光纖光柵反射譜Si的兩個偏振峰之間間隔的距離a、光纖光柵反射譜& 的兩個偏振峰之間間隔的距離b和兩路光纖光柵反射譜Sp S2的第K個測量周期和第K+1 個測量周期的波長差λρ λ 2，求取其數值的先後順序不予限定。
[0020] 從上述技術方案可以看出，本發明的消除偏振態影響的高精度光纖光柵傳感解調 方法，能夠通過修正公式的修正，有效地解決單模光纖中偏振態不穩定造成解調結果出錯 的問題，得到高精度的解調結果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1為本發明的一種消除偏振態影響的高精度光纖光柵傳感解調方法的流程圖；
[0022] 圖2為本發明的兩路光纖光柵反射譜的實測圖（每一路都含有兩個偏振峰）；
[0023] 圖3為本發明的第一種光纖光柵反射譜及消除偏振態變化的解調方法的示意圖；
[0024] 圖4為本發明的第二種光纖光柵反射譜及消除偏振態變化的解調方法的示意圖；
[0025] 圖5為本發明的第三種光纖光柵反射譜及消除偏振態變化的解調方法的示意圖。

【具體實施方式】
[0026] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照 附圖，對本發明作進一步的詳細說明。
[0027] 本發明提供一種消除偏振態影響的高精度光纖光柵低頻應變的傳感解調算法的 基本原理如下：
[0028] 假設參考和傳感光纖傳感器（以光纖光柵法-珀傳感器為例）的反射譜分別為 X (t)、y (t)，並且每個反射譜有兩個偏振峰。參考光纖傳感器反射譜Si的兩個偏振峰之間 的距離為a，傳感光纖傳感器反射譜S2的兩個偏振峰之間的距離為b，並且在整個檢測過程 中a、b的值是定值。
[0029] 首先根據通常的算法（以尋峰檢測算法為例）計算出第K個測量周期的兩路光纖 光柵反射譜Sp S2的波長差，此波長差即為是參考光纖光柵反射譜Si的最大峰值位置和傳 感光纖光柵反射譜S2的最大峰值位置的差值，記作λ lt)
[0030] 接著計算出第Κ+l個測量周期的兩路光纖光柵反射譜波長差，此波長差即 為是參考光纖光柵反射譜Si的最大峰值位置和傳感光纖光柵反射譜S 2的最大峰值位置的 差值，記作λ 2。此時，由於偏振態的變化會導致最大峰值的位置從一個偏振峰變到另一個 偏振峰的位置上，因此λ 2是否能正確的反映外界的應變量的大小不可知，因此需要一個判 斷標準，並作出相應的修正或不予以修正。
[0031] 根據所得到的波長差λ ρ λ 2，求解出相鄰兩個測量周期的波長差的變化量Λ λ， 則
[0032] Δ λ = λ「λ 2 (1)
[0033] 如果在偏振態沒有變化的情況下，最終得到的解調結果不需要修正就可以正確的 反映出外界應變量的大小，由於是檢測的靜態的地殼形變量，此時的△ λ值很小（與a、b、 a-b |和a+b相比是很小的）。然後根據該特性和所得到的兩個偏振態的間距a、b來判斷 Λ λ跟a和b之間的關係，從而可以得知第K+1個測量周期的波長差是否需要修正，若需要 修正根據相應的修正公式來進行修正，最後輸出正確的解調結果。進而可推導出光纖光柵 收到的外界的應變量的大小。
[0034] 下面通過結合附圖，對本發明的最佳實施例進行詳細描述，本發明的其他方面的 優點將會更容易理解和清晰。
[0035] 如圖1所示，該高精度光纖光柵低頻應變傳感解調方法包括：
[0036] 求取光纖光柵反射譜Si的兩個偏振態之間間隔的距離a。在整個檢測過程中只需 測量一次a的值即可，因為一般情況下可以認為a的值為定值。
[0037] 求取光纖光柵反射譜S2的兩個偏振態之間間隔的距離b。在整個檢測過程中只需 測量一次b的值即可，因為一般情況下可以認為b的值為定值。
[0038] 求取光纖光柵反射譜Sp S2的第K個測量周期的波長差λ i和第K+1個測量周期 的波長差λ 2。首先利用尋峰算法（可以是高斯擬合尋峰、二次擬合、數理統計等方法）分 別獲得兩路光纖光柵反射譜Sp S2的第Κ次測量周期的最大峰值位置Ρρ Ρ2，兩路光纖光柵 反射譜Sp S2的第Κ+1次測量周期的最大峰值位置Ρ3、Ρ4，然後根據最大峰值位置Ρρ Ρ2求 得兩路光纖光柵反射譜Sp S2的第Κ次測量周期的波長差λ i，根據最大峰值位置Ρ3、Ρ4求 得兩路光纖光柵反射譜Sp S2的第Κ+1個測量周期的波長差λ 2。
[0039] 修正兩路光纖光柵反射譜SpS2的第Κ+1次測量周期的波長差λ 2。首先利用得到 的波長差λ ρ λ 2來確定波長差λ 2相對于波長差λ 1的變化量Δ λ。如果在偏振態沒有 變化的情況下，最終得到的解調結果不需要修正就可以正確的反映出外界應變量的大小， 另外由於是檢測的靜態的地殼形變量，此時的Λ λ的值很小（與a、b、|a-b|和a+b相比 是很小的）。這裡設置一個Λ λ的閾值範圍：[-c，c]，例如[-0.001，0.001]。然後根據該 特性和所得到的兩個偏振態的間距a、b來判斷Λ λ跟a和b之間的關係，從而可以得知第 K+1個測量周期的波長差是否需要修正，若需要修正根據相應的修正公式來進行修正，最後 輸出正確的解調結果。進而可推導出光纖光柵收到的外界的應變量的大小。
[0040] 其中，參考光纖光柵反射譜Si和傳感光纖光柵反射譜s2，是通過窄線寬可調諧激 光器掃描獲得的，且每個反射譜存在兩個偏振峰，這兩個偏振峰的間距是固定不變的。這裡 要求可調諧雷射器具有窄線寬和大可調諧範圍，例如線寬小於1kHz、可調諧範圍大於4pm ; 為了提高應變測量精度，光纖光柵應該也具有窄帶寬，例如線寬小於2MHz。
[0041] 在本發明中，所述光纖光柵反射譜31、&，可以通過光纖光柵法-珀式幹涉儀、相移 光纖光柵獲得，還可以通過其他幹涉式光纖傳感器獲得；這兩個光纖光柵反射譜，一個作為 參考、一個作為傳感。
[0042] 在本發明中，所述的光纖光柵反射譜Sp S2對應的兩個光纖光柵，應該處於溫度相 對恆定、噪聲小的環境中，比如山洞、不鏽鋼密封管內，以保證解調結果的正確性。
[0043] 參照圖1，該高精度光纖光柵低頻應變的傳感解調方法的工作原理為：首先確定 光纖光柵反射譜Si的兩個偏振態之間間隔的距離a和光纖光柵反射譜S2的兩個偏振態之 間間隔的距離b，由於在整個系統工作的過程中，a和b的值是固定不變或者變化量相對於 所要檢測的應變量來說是極其微小、可以忽略不計的，因此a和b的值只需在整個算法中計 算一次即可，且計算兩者不分先後順序，先計算任意一個均可。然後計算光纖光柵反射譜 Sp S2的第K個測量周期的波長差λ i和第K+1個測量周期的波長差λ 2。首先利用尋峰算 法，例如可以是高斯擬合尋峰、二次擬合、數理統計等方法，分別獲得兩路光纖光柵反射譜 SpS 2的第Κ次測量周期的最大峰值位置ΡρΡ2，兩路光纖光柵反射譜SpS2的第Κ+1次測量 周期的最大峰值位置P 3、P4，然後根據最大峰值位置Pi、P2求得兩路光纖光柵反射譜Si、S 2的 第K次測量周期的波長差λ i，根據最大峰值位置p3、p4求得兩路光纖光柵反射譜Si、S2的 第K+1個測量周期的波長差λ 2。接著求得波長差λ 2相對于波長差λ i的變化量△ λ，最 後根據Λ λ的取值範圍確定波長差λ 2是否需要修正，若需要修正則根據相應的修正公式 進行修正，最終輸出正確的解調結果R。
[0044] 參照圖2,為了更清楚解釋一種消除偏振態影響的高精度光纖光柵低頻應變的傳 感解調方法，本發明提供了兩路光纖光柵反射譜的實測圖，圖中顯示了在一個測量周期內 的兩路光纖光柵反射譜的偏振峰的位置和狀態。
[0045] 參照圖3,本發明提供了第一種反射譜偏振態變換及解調結果修正示意圖。從圖中 可以看出，第Κ個和第Κ+1個測量周期的a和b是固定不變的，以第Κ個測量周期的波長差 為參考，在第K+1個測量周期時，所得到的波長差為λ 2，在圖中通過與第K個測量周期 得到的Ai相比較，得到的波長差λ2顯然是不正確，正確的結果因為圖中所標出的R。且R 與有微小的差別，這個微小的差別是有外界應變的變化量引起的。此時b_c< Λ λ < b+c，因此得到此時的修正公式為R = λ 2+b。此結果R便為修正後的正確的解調結果。
[0046] 參照圖4,本發明提供了第二種反射譜偏振態變換及解調結果修正示意圖。從圖中 可以看出，第K個和第K+1個測量周期的a和b是固定不變的，以第K個測量周期的波長差 為參考，在第K+1個測量周期時，所得到的波長差為λ 2，在圖中通過與第K個測量周期 得到的Ai相比較，得到的波長差λ2顯然是不正確，正確的結果應為圖中所標出的R。且R 與λ 有微小的差別，這個微小的差別是由外界應變的變化量引起的。此時-a_c< Λ λ < -a+c，因此得到此時的修正公式為R = λ 2-a。此結果R便為修正後的正確的解調結果。
[0047] 參照圖5,本發明提供了第三種反射譜偏振態變換及解調結果修正示意圖。從圖 中可以看出，第K個和第K+1個測量周期的a和b是固定不變的，以第K個測量周期的波 長差為Ai參考，在第K+1個測量周期時，所得到的波長差為λ2，在圖中通過與第K個測量 周期得到的λ i相比較，得到的波長差λ 2顯然是不正確，正確的結果因為圖中所標出的R。 且R與λ 有微小的差別，這個微小的差別是有外界應變的變化量引起的。此時-a+b-c < Λλ <-a+b+c，因此得到此時的修正公式為R= A2+b-a。此結果R便為修正後的正確 的解調結果。
[0048] 通過上述對本發明技術方案的具體描述可以發現，本發明的技術方案可以有效地 解決單模光纖中偏振態不穩定造成解調結果出錯的問題，得到高精度的解調結果。
[〇〇49] 以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在 本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護 範圍之內。
【權利要求】
1. 一種消除偏振態影響的高精度光纖光柵傳感解調方法，包括下列步驟： 求取光纖光柵反射譜Si的兩個偏振峰之間間隔的距離a ; 求取光纖光柵反射譜S2的兩個偏振峰之間間隔的距離b ; 分別求取兩路光纖光柵反射譜Sp S2的第K個測量周期和第K+1個測量周期的波長差 λ 1、 λ 2 ; 利用得到的波長差λ ρ λ 2來確定波長差λ 2相對于波長差λ i的變化量Λ λ，再根據 變化量Λ λ與偏振態的間隔距離a、b的關係，來確定波長差λ 2是否需要修正，若需要修 正，則利用修正公式進行修正，最後輸出修正後的波長差R。
2. 根據權利要求1所述的高精度光纖光柵傳感解調方法，其中： 如果b-c < Λ λ < b+c， 則修正公式為R = λ 2+b ; 如果-a_c < Δ λ < -a+c,則修正公式為R = λ 2_a ; 如果-a+b_c < Δ λ < -a+b+c,則修正公式為 R = λ 2+b_a ; 其中，c為Λ λ的閾值範圍，根據經驗預先設定。
3. 根據權利要求1所述的高精度光纖光柵傳感解調方法，其中可調諧雷射器具有窄線 寬和大可調諧範圍，光纖光柵也具有窄線寬。
4. 根據權利要求1所述的高精度光纖光柵傳感解調方法，其中所述光纖光柵反射譜 Sp s2通過光纖光柵法拍式幹涉儀或相移光纖光柵獲得。
5. 根據權利要求1所述的高精度光纖光柵傳感解調方法，其中所述的光纖光柵反射譜 Sp s2對應的兩個光纖光柵處於溫度相對恆定、噪聲小的環境中。
6. 根據權利要求1所述的高精度光纖光柵傳感解調方法，其中對於光纖光柵反射譜Si 的兩個偏振峰之間間隔的距離a、光纖光柵反射譜S 2的兩個偏振峰之間間隔的距離b和兩 路光纖光柵反射譜Sp S2的第K個測量周期和第K+1個測量周期的波長差λ ρ λ 2，求取其 數值的先後順序均不予限定。
【文檔編號】G01B11/16GK104061874SQ201410324658
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月9日 優先權日:2014年7月9日
【發明者】黃穩柱, 張文濤, 甄騰坤, 李芳
申請人:中國科學院半導體研究所