基於雙雷射光源鎖頻與拍頻測量的光纖光柵信號解調系統的製作方法

2023-10-24 04:13:32

本發明涉及光纖光柵傳感技術領域，尤其涉及一種基於雙雷射光源鎖頻與拍頻測量的光纖光柵信號解調系統。

背景技術：

在過去的三十年中，快速發展的光纖光柵傳感技術由於具有全光傳感與傳輸、抗電磁幹擾、耐高溫高壓、易於組建大規模傳感網絡等優勢，在土木工程、石油勘探、慣性導航、交通運輸等眾多領域具有重要的應用。近年來，國外諸多研究機構開始開展高精度的光纖光柵波長/應變測量方法與核心技術研究。

在2010年以前，國際上主要採用雷射鎖頻傳感技術和光頻梳技術來提高光纖光柵信號測量精度，但只能實現動態/準靜態的光纖光柵波長/應變測量，而不能實現真正意義上的靜態信號測量。例如，澳大利亞國立大學基於雷射鎖頻傳感技術實現了100hz-100khz頻帶範圍內10-12量級的應變測量(j.h.chow，etal.，j.lightwavetechnol，，vol.23，pp.1881-1889，2005.)、在0.05hz頻點上的應變測量精度達到10-9(t.t.y.lam，etal.，journal，vol.9，983-986，2009.)。特別是在2010年，義大利國家光學研究所採用光學頻率梳技術方案，將光纖光柵的應變測量精度提高到10-13量級，在低頻段(0.01hz)也具有較高的測量精度(g.gagliardi，etal.，science，vol.330，1081，2010)。上述方法均不能用於測量靜態信號，主要是因為兩個方面：一方面是因為光纖光柵對應變和溫度交叉敏感，在低頻段光纖光柵的溫度響應與應變響應將相互響應，必須要進行溫度補償；另一方面是因為雷射光源自身的頻率噪聲在低頻段較大，也必須要抑制或者補償。

2010年以來，日本東京大學/上海交通大學、中國科學院半導體研究所均提出了多種基於參考補償方法的高精度光纖光柵靜態信號測量技術方案。例如，日本東京大學採用窄線寬可調諧雷射器和兩個光纖光柵在dc-幾十秒頻帶範圍內實現了10-8量級的靜態應變測量(qingwenliu，zuyuanhe，etal.，spiefoureuropeanworkshoponopticalfibresensors，vol.7653，76530w，2010.)、採用雷射鎖頻傳感和兩個光纖光柵諧振腔在dc-7hz頻帶範圍內實現10-9量級的寬頻帶應變信號測量(qingwenliu，zuyuanhe，etal.，opticsletters，vol.37(3)，434-436，2012.)。上海交通大學採用雙雷射鎖頻傳感環路以及兩個光纖光柵諧振腔實現了高精度的寬頻帶(dc-250hz)應變信號測量，在大於10hz的頻率範圍內應變測量精度優於10-10(jiagengchen，vol.41(5)，1066-1069，2016)。中國科學院半導體研究所採用窄線寬可調諧雷射器、兩個光纖光柵諧振腔和小波域互相關的波長差解調算法在dc-10hz頻帶範圍內實現了10-9量級的靜態應變測量(wenzhuhuang，et.al.，photonicstechnilogyletters，vol.13，pp.14041-14054，2014)、採用了雷射邊帶掃頻調製技術和兩個光纖光柵諧振腔在dc-10hz頻帶範圍內實現了10-10量級的靜態應變測量(wenzhuhuang，et.al.，opticsletters，vol.40(7)，229133，2015)。

可見，為了實現高精度的寬頻帶(低頻可測dc信號、高頻至少到10hz量級)光纖光柵信號測量，一般我們需要採用兩個光纖光柵(或者光纖光柵諧振腔)，一個作為傳感、一個作為補償(溫度和雷射光源頻率波動補償)。目前日本東京大學/上海交通大學、中國科學院半導體研究所的高精度光纖光柵寬頻帶信號解調技術可以歸結為兩類，一類是通過掃頻雷射獲取兩個光纖光柵的波長差實現寬頻帶信號測量，另一類是採用雙雷射鎖頻傳感技術和雙光纖光柵寬頻帶信號測量方案。受限於掃頻雷射的波長掃描線性度以及掃描速度，前一種方法的寬頻帶信號測量精度一般要低於後一種方法。但是現有的雙雷射鎖頻傳感技術和雙光纖光柵寬頻帶信號測量方案，一方面除了採用典型的相位調製pdh雷射鎖頻光路以外，均還需要採用另一路強度調製pdh雷射鎖頻光路，這大大增加了反饋控制系統的複雜度；另一方面，該方案反饋控制的精度限制了最終的寬頻帶信號測量精度。本申請提出一種新的基於雙雷射光源鎖頻傳感(兩個典型的pdh鎖頻傳感光路)和兩個光纖光柵、以及拍頻解調原理的超高精度光纖光柵寬頻帶信號解調系統，進一步提高現有的光纖光柵寬頻帶信號測量系統的解調精度。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明的目的在於，提出一種基於雙雷射光源鎖頻與拍頻測量的光纖光柵信號解調系統，通過兩個典型的pdh鎖頻傳感光路以及兩個雷射光源的拍頻信號來實現高精度的寬頻帶光纖光柵信號解調，可以大大簡化現有的雙雷射鎖頻傳感技術和雙光纖光柵寬頻帶信號測量方案中雷射調製光路、以及反饋控制的複雜性，還由於拍頻信號的精準測量可以實現超高精度的溫度、雷射光源頻率波動補償，進而進一步提高光纖光柵寬頻帶信號的測量精度。

本發明提供一種基於雙雷射光源鎖頻與拍頻測量的光纖光柵信號解調系統，包括：

一第一雷射鎖頻傳感光路和一併聯的一第二雷射鎖頻傳感光路；

一第一探測器，其輸入端與第一雷射鎖頻傳感光路連接；

一第二探測器，其輸入端與第二雷射鎖頻傳感光路連接；

一數據採集器，其兩個輸入端分別與第一探測器、第二探測器的輸出端連接；

一第三耦合器，其輸入端分別與第一雷射鎖頻傳感光路和第二雷射鎖頻傳感光路的輸出端連接；

一第三探測器，其輸入端與第三耦合器的輸出端連接；

一函數信號發生器，其兩個輸出端分別與第一雷射鎖頻傳感光路和第二雷射鎖頻傳感光路的輸入端連接；

一數據處理器，其兩個輸入端分別與數據採集器的兩個輸出端連接，另兩個輸入端與函數信號發生器的兩個輸出端連接；

一信號處理器，其兩個輸入端與數據處理器的兩個輸出端連接，該信號處理器的兩個輸出端分別與第一雷射鎖頻傳感光路和第二雷射鎖頻傳感光路的輸入端連接，該信號處理器的一輸入埠與第三探測器的輸出端連接。

從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果：

1、本發明提供的基於雙雷射光源鎖頻與拍頻測量的光纖光柵信號解調系統，首次將雙雷射鎖頻與拍頻測量技術結合起來獲取寬頻帶光纖光柵波長信息，由於拍頻信號的精準測量並可以實現超高精度的溫度、雷射光源頻率波動補償，因而可以大大提高光纖光柵寬頻帶信號的測量精度。

2、本發明提供的基於雙雷射光源鎖頻與拍頻測量的光纖光柵信號解調系統，通過兩個典型的pdh鎖頻傳感光路以及兩個雷射光源的拍頻信號來實現高精度的寬頻帶光纖光柵信號解調，可以大大簡化現有的雙雷射鎖頻傳感技術和雙光纖光柵寬頻帶信號測量方案中雷射調製光路、以及反饋控制的複雜性。

附圖說明

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如後，其中：

圖1為本發明的系統原理示意圖。

具體實施方式

請參閱圖1，本發明提供一種基於雙雷射光源鎖頻與拍頻測量的光纖光柵信號解調系統，包括：

一第一雷射鎖頻傳感光路a和一併聯的一第二雷射鎖頻傳感光路b。其中第一雷射鎖頻傳感光路a包括：依次串聯的一第一窄線寬可調諧雷射器10、一第一耦合器20、一第一隔離器30、一第一相位調製器40、一第一環形器50和一傳感光纖光柵60；第二雷射鎖頻傳感光路b包括：依次串聯的一第二窄線寬可調諧雷射器11、一第二耦合器21、一第二隔離器31、一第二相位調製器41、一第一環形器51和一參考光纖光柵61；

一第一探測器70，其輸入端與第一雷射鎖頻傳感光路a連接，所述的第一探測器70的輸入端是與第一雷射鎖頻傳感光路a的第一環形器50的埠3連接；

一第二探測器71，其輸入端與第二雷射鎖頻傳感光路b連接，所述的第二探測器71的輸入端是與第二雷射鎖頻傳感光路b的第二環形器51的埠3連接；

一數據採集器80，其兩個輸入端分別與第一探測器70、第二探測器71的輸出端連接；

一第三耦合器22，其輸入端分別與第一雷射鎖頻傳感光路a和第二雷射鎖頻傳感光路b的輸出端連接，所述的第三耦合器22的輸入端是分別與第一雷射鎖頻傳感光路a和第二雷射鎖頻傳感光路b的第一耦合器20和第二耦合器21的輸出端連接；

一第三探測器72，其輸入端與第三耦合器22的輸出端連接，所述的第三探測器72的帶寬寬於第一窄線寬可調諧雷射器10和第二窄線寬可調諧雷射器11的波長差；

一函數信號發生器90，其兩個輸出端分別與第一雷射鎖頻傳感光路a和第二雷射鎖頻傳感光路b的輸入端連接，所述的函數信號發生器90，其兩個輸出端分別與第一雷射鎖頻傳感光路a和第二雷射鎖頻傳感光路b的第一相位調製器40和第二相位調製器41輸入端連接；

一數據處理器91，其兩個輸入端分別與數據採集器80的兩個輸出端連接，另兩個輸入端與函數信號發生器90的兩個輸出端連接；

一信號處理器92，其兩個輸入端與數據處理器91的兩個輸出端連接，該信號處理器92的兩個輸出端分別與第一雷射鎖頻傳感光路a和第二雷射鎖頻傳感光路b的輸入端連接，該信號處理器92的一輸入埠與第三探測器72的輸出端連接。

其中所述的第一雷射鎖頻傳感光路a和第二雷射鎖頻傳感光路b的鎖頻過程是同步進行，並且每完成一次鎖頻後進行一次拍頻信號測量。

其中所述的傳感光纖光柵60和參考光纖光柵61、以及第一窄線寬可調諧雷射器10和第二窄線寬可調諧雷射器11均應具有相近的中心波長。

本發明的工作過程為：首先，通過兩路典型的pdh雷射鎖頻傳感光路(第一雷射鎖頻傳感光路a和第二雷射鎖頻傳感光路b)，將第一窄線寬可調諧雷射器10和第二窄線寬可調諧雷射器11分別快速反饋鎖定在傳感光纖光柵60和參考光纖光柵61的反射峰上，根據pdh鎖頻原理，此時第一窄線寬可調諧雷射器10和第二窄線寬可調諧雷射器11的波長可長期分別與傳感光纖光柵60和參考光纖光柵61的反射峰波長保持一致；其中，參考光纖光柵元件60作為外界信號的傳感元件，參考光纖光柵61一個作為系統溫度響應以及雷射光源頻率波動的補償元件。然後，我們通過測量這兩個光纖光柵的諧振峰波長差就可以得到外界的寬頻帶信號(如靜態應變)。在這裡，我們通過巧妙的光路設計，通過高精度拍頻信號測量原理實現第一窄線寬可調諧雷射器10和第二窄線寬可調諧雷射器11的拍頻信號測量(即實現了第一窄線寬可調諧雷射器10和第二窄線寬可調諧雷射器11的波長差測量)，由於第一窄線寬可調諧雷射器10和第二窄線寬可調諧雷射器11的波長值正好分別等於傳感光纖光柵60和參考光纖光柵61的波長值，因而我們可以得到傳感光纖光柵60和參考光纖光柵61的波長差，即實現了系統溫度響應以及雷射光源頻率波動的補償、達到了寬頻帶信號測量的目的。

在本發明中，第一窄線寬可調諧雷射器10和第二窄線寬可調諧雷射器11分別為傳感光纖光柵60和參考光纖光柵61提供雷射鎖頻光源；第一耦合器20和第二耦合器21分別將第一窄線寬可調諧雷射器10和第二窄線寬可調諧雷射器11輸出雷射一分為二，一路用於第一雷射鎖頻傳感光路，另一路用於後續拍頻測量；第一隔離器30和第二隔離器31分別用於阻止傳感光纖光柵60和參考光纖光柵61反射光進入到第一窄線寬可調諧雷射器10和第二窄線寬可調諧雷射器11中；第一相位調製器40和第二相位調製器41分別用於對第一窄線寬可調諧雷射器10和第二窄線寬可調諧雷射器11進行相位調製；第一環形器50和第二環行器51分別用於向傳感光纖光柵60和參考光纖光柵61輸入雷射、並將傳感光纖光柵60和參考光纖光柵61反射回來的光輸入到第一探測器70和第二探測器71中；第一探測器70和第二探測器71用於將傳感光纖光柵60和參考光纖光柵61的反射光信號轉換為電壓信號，第一探測器70和第二探測器71的帶寬應高於信號發生器90驅動頻率。對於每個pdh雷射鎖頻傳感光路，都具有高頻調製(相位調製器的驅動頻率大於光纖光柵元件的反射峰帶)和低頻調製(相位調製器的驅動頻率小於光纖光柵元件的反射峰帶)兩種模式，我們可以根據所採用的光纖光柵元件的反射峰帶寬決定相位調製器的驅動頻率(即信號發生器的頻率)，以便確定調製模式；兩個雷射鎖頻傳感光路最好採用同一種調製模式。

在本發明中，函數信號發生器90作為第一相位調製器40、第二相位調製器41的相位調製驅動，其輸出也需要被數據處理器91接收並用於pdh信號解算；數據採集器80，用於採集第一探測器70、第二探測器71的電壓信號，應該具有較高的採樣帶寬(其採樣帶寬至少要高於信號發生器的輸出頻率的兩倍)；數據處理器91用於對數據採集器80採集的信號進行鎖頻傳感信號處理，以得到反饋控制參數，並輸出給信號處理器92。

在本發明中，第三耦合器22用於將第一耦合器20和第二耦合器21各自一端的出射光進行合束，即將第一窄線寬可調諧雷射器10與第二窄線寬可調諧雷射器11的兩束雷射進行混頻；第三探測器72用於探測第三耦合器22輸出的混頻雷射的拍頻信號，其帶寬應高於拍頻信號的頻率；信號處理器92，一方面通過反饋控制實現第一窄線寬可調諧雷射器10和第二窄線寬可調諧雷射器11的鎖頻；另一方面用於測量第三探測器72探測的拍頻信號的頻率值(信號處理器的採樣頻率至少要高於第三探測器72的兩倍帶寬)，直接作為最終的寬頻帶信號值。

在本發明中，為了讓這兩個雷射器輸出的雷射拍頻射頻信號的頻率可被商用高速探測器探測到，第一窄線寬可調諧雷射器10和第二窄線寬可調諧雷射器11應具有相近的中心波長(一般不超過10ghz)。在本發明中，第三探測器72的帶寬要寬於第一窄線寬可調諧雷射器10和第二窄線寬可調諧雷射器11的波長差。

在本發明中，為了實現高精度的信號測量，通常要求光纖光柵應具有較窄的線寬。例如，我們可以採用光纖光柵諧振腔結構作為傳感和參考元件，線寬(反射峰帶寬)可以做到mhz量級。同時，為了分別鎖定在這兩個光纖光柵諧振腔諧振峰上的兩個雷射器的輸出雷射拍頻射頻信號頻率(即兩個雷射器的輸出雷射波長差)可被商用高速探測器探測到(此時，兩個雷射器的輸出波長分別由兩個光纖光柵諧振腔的諧振峰波長決定)，兩個光纖光柵諧振腔的諧振峰波長應相近(如差值小於10ghz)，在設計光纖光柵諧振腔時應使其具有較小的自由譜範圍(小於8pm，約等於10ghz)。

在本發明中，為了保證雷射鎖頻與溫度、頻率波動補償以及最終的信號解算順利完成，第一雷射鎖頻傳感光路、第二雷射鎖頻傳感光路的鎖頻過程必須保證同步進行，並且每完成一次鎖頻後進行一次拍頻信號測量和溫度、應變信號解算；之後重複此過程。由於所有解算算法以及反饋控制均可在fpga中進行，因為這個鎖頻、解算過程具有很快的速度，因此我們不但可以通過溫度、頻率波動補償實現靜態信號處理，而且還具有很高的信號測量速率，因此可以實現非常寬頻帶的信號測量。

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。