基于偏振切换的光纤F-P传感器振动解调系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于偏振切换的光纤F-P传感器振动信号解调系统和解调方法，属于光纤传感及信号解调领域。所述装置由宽谱光源，保偏光纤光栅，保偏环形器，保偏掺铒光纤放大器，电光调制器，信号发生器，检偏器，环形器，电光调制器，高速数据采集卡，计算机，功率放大器，振动台和光纤F-P传感器组成；本发明专利技术克服了传统双波长解调系统中的光路不平衡问题，实现了在同一光源、光电探测器和相同光路上的两路干涉信号解调；同时，本发明专利技术提出了一种椭圆拟合法和微分交叉相乘算法相结合的两路信号解调方法，该方法可以有效地避免F-P传感器腔长制作工艺误差给解调系统带来的不准确性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于偏振切换的光纤F-P传感器振动信号解调系统和解调方法，属于光纤传感及信号解调领域。
技术介绍
当外界物理量(如位移、应力与温度等)施加在一个光纤Fabry-Perot(F-P)传感器上时，该传感器的腔长会发生变化，进而导致输出的干涉相位信号发生变化。因此，干涉相位信号容易受到外界物理参数作用的影响，相位信号解调是目前解调技术的一大技术核心。干涉型传感器的解调也是基于相位的求解进行的。目前，相关领域研究学者已经提出两种方法对相位信号进行解调：一种方法是基于白光干涉理论，但是该方法检测的原始干涉信号需要通过多级干涉仪实现传感参数求解，这无疑增加了解调系统的复杂度和成本；另一种方法是基于双波长原理(如文献EnLu,ZenglingRan,FeiPeng,etal.Demodulationofmicrofiber-opticFabry-Perotinterferometerusingsubcarrieranddual-wavelengthmethod[J].OpticsCommunications,2012,285(6):1087-1090和WangT.Dual-WavelengthDemodulationandWavelengthOptimizationforOpticalFiberFabry-PerotSensor[J].ActaOpticaSinica,2005.)，使用两束互相垂直的相移信号光的干涉实现相位信号解调。电子科技大学饶云江的科研团队设计了一种双波长强度解调光路系统，该系统使用两个不同工作波长的单色光源，通过对波长和传感器腔长进行设计，使得两路信号光的相移输出相差π/2，该系统基于载波技术和双波长原理消除了光源波动、光路扰动和系统电参数的干扰。然而，这类传统的双波长解调系统一般使用两个不同的光源或光电探测器，给系统带来光路的不平衡问题。光路不平衡是由外界环境干扰、光源波动、探测器响应速度和灵敏度以及系统噪声等导致的信号光光程不一致形成的，最终导致干涉信号相位解调的不准确和解调系统的不稳定。由于低精细度短F-P传感器构成的光纤F-P传感器是一种高性能的点检测传感器，可应用于位移、应力与温度等多种物理量的检测，为获取高灵敏度，传感器工作点必须保持在正交状态。在实际应用中，由于加工误差与环境干扰的影响，传感器工作点很容易偏离正交点而进入饱和区，造成输出信号衰减与失真。针对这一问题，相关领域提出了传感器工作点稳定技术，其中可调谐激光源技术(如文献MURPHYKA,GUNTHERMF,VENGSARKARAM,etal.Quadraturephase-shiftedextrinsicFabry-Perotopticalfibersensors[J].OptLett.,1991,16(4):273-275)与双波长稳定技术(如文献O.Frazao,S.H.Aref,J.M.Baptista,J.L.Santos,H.Latifi,F.Farahi,J.Kobelke,andK.Schuster.Fabry-Perotcavitybasedonasuspended-corefiberforstrainandtemperaturemeasurement.IEEEPhoton.Technol.Lett.,2009,21(9):1229-1231)是光纤F-P传感器常用的两种工作点稳定方法：可调谐激光源技术通过监测外界干扰信号的变化，用闭环控制来实现传感器工作点的正交状态，对干扰敏感、系统构成复杂与成本高是该方法的主要缺点；双波长稳定技术是通过合理设计及选择两路输出信号光波长，使得两路输出信号处于正交状态，这样当一路信号处于饱和，另一路则处于线性区，从而提高了传感器的灵敏度。双波长稳定技术系统中的两路工作波长设定后，对F-P传感器的腔长制作工艺的精度要求就大大提高，否则，将给该基于双波长原理的信号解调结果带来一定的误差，这是传统双波长法的一大不足之处。本专利技术设计了一种偏振切换的F-P传感器振动信号解调系统，克服了传统双波长解调系统中的光路不平衡问题，实现了在同一光源、光电探测器和相同光路上的两路干涉信号解调；同时，本专利技术提出了一种椭圆拟合法和微分交叉相乘算法相结合的两路信号解调方法，该方法可以有效地避免F-P传感器腔长制作工艺误差给解调系统带来的不准确性。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的缺点，提出一种基于偏振切换的光纤F-P传感器振动信号解调系统，该系统具有实用可靠、设计巧妙、解调稳定等优点。本专利技术采用的技术方案为：一种基于偏振切换的光纤F-P传感器振动解调系统，由宽谱光源1，保偏光纤光栅2，保偏环形器3，保偏掺铒光纤放大器4，电光调制器5，信号发生器6，检偏器7，环形器8，电光调制器9，高速数据采集卡10，计算机11，功率放大器12，振动台13和光纤F-P传感器14组成；由宽谱光源1发出的宽带光经单模光纤进入保偏环形器3的301端口，再从保偏环形器3的302端口输出进入保偏光纤光栅2，在保偏光纤光栅2处发生反射，形成波长不同、偏振态相互垂直的反射光，所述反射光再次从保偏环形器3的302端口进入保偏环形器3并从保偏环形器3的303端口出射，出射的反射光经由保偏光纤进入保偏掺铒光纤放大器4进行光强放大，放大后的反射光通过电光调制器5实现偏振态方向旋转；所述电光调制器5的参考电压由信号发生器6的601通道输出方波信号控制，可以在一个方波信号的高、低电平状态下对反射光中的两个偏振态方向实现旋转，旋转后的线偏振光经保偏光纤进入检偏器7，以保证仅有一个线偏光通过，进而实现两个不同波长、偏振态互相垂直的线偏光的切换；切换后的线偏光再通过环形器8的801端口传输至802端口，并经过单模光纤进入光纤F-P传感器14，在光纤F-P传感器14内发生干涉以后携带着相位信息返回至环形器8的802端口，再从环形器8的803端口输出后，被光电探测器9探测后进行光电转换，光电转换后的信号被高速数据采集卡10采集后进入计算机11进行解调求解。所述的宽谱光源1工作于C波段，输出的光波长为(1528.77～1563.86)nm，功率为42.5mW；所述的保偏光纤光栅2通过相位掩膜法刻写在载氢处理后的熊猫型保偏光纤上，光栅类型为切趾型光栅，光栅的峰值反射率为94％，反射后产生两个具有不同中心波长的反射峰(图2中的反射光是保偏光纤快、慢轴上的反射峰的叠加形成的光谱)分别为1534.6nm(慢轴)和1535.1nm(快轴)，二者的3dB带宽约为0.2nm，切换后，它们作为该双波长解调系统的两路信号光；<本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于偏振切换的光纤F‑P传感器振动解调系统，其特征在于：该系统由宽谱光源(1)，保偏光纤光栅(2)，保偏环形器(3)，保偏掺铒光纤放大器(4)，电光调制器(5)，信号发生器(6)，检偏器(7)，环形器(8)，电光调制器(9)，高速数据采集卡(10)，计算机(11)，功率放大器(12)，振动台(13)和光纤F‑P传感器(14)组成；由宽谱光源(1)发出的宽带光经单模光纤进入保偏环形器(3)的(301)端口，再从保偏环形器(3)的(302)端口输出进入保偏光纤光栅(2)，在保偏光纤光栅(2)处发生反射，形成波长不同、偏振态相互垂直的反射光，所述反射光再次从保偏环形器(3)的(302)端口进入保偏环形器(3)并从保偏环形器(3)的(303)端口出射，出射的反射光经由保偏光纤进入保偏掺铒光纤放大器(4)进行光强放大，放大后的反射光通过电光调制器(5)实现偏振态方向的旋转；所述电光调制器(5)的参考电压由信号发生器(6)的(601)通道输出方波信号控制，可以在一个方波信号的高、低电平状态下对反射光中的两个偏振态的方向实现旋转，旋转后的线偏振光经保偏光纤进入检偏器(7)，以保证仅有一个线偏光通过，进而实现两个不同波长、偏振态互相垂直的线偏光的切换；切换后的线偏光，再通过环形器(8)的(801)端口传输至(802)端口，并经过单模光纤进入光纤F‑P传感器(14)，在光纤F‑P传感器(14)内发生干涉以后携带着相位信息返回至环形器(8)的(802)端口，再从环形器(8)的(803)端口输出后，被光电探测器(9)探测后进行光电转换，光电转换后的信号被高速数据采集卡(10)采集后进入计算机(11)进行解调求解。...

【技术特征摘要】
1.一种基于偏振切换的光纤F-P传感器振动解调系统，其特征在于：该系统由宽谱光源(1)，保偏光纤光栅(2)，保偏环形器(3)，保偏掺铒光纤放大器(4)，电光调制器(5)，信号发生器(6)，检偏器(7)，环形器(8)，电光调制器(9)，高速数据采集卡(10)，计算机(11)，功率放大器(12)，振动台(13)和光纤F-P传感器(14)组成；由宽谱光源(1)发出的宽带光经单模光纤进入保偏环形器(3)的(301)端口，再从保偏环形器(3)的(302)端口输出进入保偏光纤光栅(2)，在保偏光纤光栅(2)处发生反射，形成波长不同、偏振态相互垂直的反射光，所述反射光再次从保偏环形器(3)的(302)端口进入保偏环形器(3)并从保偏环形器(3)的(303)端口出射，出射的反射光经由保偏光纤进入保偏掺铒光纤放大器(4)进行光强放大，放大后的反射光通过电光调制器(5)实现偏振态方向的旋转；所述电光调制器(5)的参考电压由信号发生器(6)的(601)通道输出方波信号控制，可以在一个方波信号的高、低电平状态下对反射光中的两个偏振态的方向实现旋转，旋转后的线偏振光经保偏光纤进入检偏器(7)，以保证仅有一个线偏光通过，进而实现两个不同波长、偏振态互相垂直的线偏光的切换；切换后的线偏光，再通过环形器(8)的(801)端口传输至(802)端口，并经过单模光纤进入光纤F-P传感器(14)，在光纤F-P传感器(14)内发生干涉以后携带着相位信息返回至环形器(8)的(802)端口，再从环形器(8)的(803)端口输出后，被光电探测器(9)探测后进行光电转换，光电转换后的信号被高速数据采集卡(10)采集后进入计算机(11)进行解调求解。
2.根据权利要求1所述基于偏振切换的光纤F-P传感器振动解调系统，其特征在于：所述的宽谱光源(1)工作于C波段，输出的光波长为(1528.77～1563.86)nm，功率为42.5mW。
3.根据权利要求1所述基于偏振切换的光纤F-P传感器振动解调系统，其特征在于：所述的保偏光纤光栅(2)通过相位掩膜法刻写在载氢处理后的熊猫型保偏光纤上，光栅类型为切趾型光栅，光栅的峰值反射率为94％。
4.根据权利要求1所述基于偏振切换的光纤F-P传感器振动解调系统，其特征在于：所述的保偏掺铒光纤放大器(4)可以将从保偏环形器(3)的(303)端口出射的信号光功率14.75μW放大至14.76mW，以保证该信号光强度可以满足后续系统传感要求。
5.根据权利要求1所述基于偏振切换的光纤F-P传感器振动解调系统，其特征在于：所述的电光调制器(5)采用法国Photline公司研制的PS-LN铌酸锂偏振旋转器，工作频带为1310/1550nm，最大偏振态切换频率可达150MHz。
6.根据权利要求1所述基于偏振切换的光纤F-P传感器振动解调系统，其特征在于：所述的光纤F-P传感器(14)是由两个直径均为125μm的单模光纤的纤芯端面插入一个内径为128μm的毛细玻璃套管中，在显微镜下制作的F-P传感器，所述传感器的腔长为500μm，腔长误差在1％以内，两端分别用胶水密封固定，传感器的光路连接端被粘贴在振动台(13)上用于对振动信号传感。
7.一种采用权利要求1所述系统的振动信号解调...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗洪，夏霁，王付印，熊水东，张振慧，曹春燕，王建飞，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43