一种基于自差相干的光纤光栅解调装置和方法，该装置包括不等臂长MZ干涉器、光电接收器、模数转换器和鉴频器，其中，光纤光栅产生的反射光进入所述不等臂长MZ干涉器，由所述不等臂长MZ干涉器分为两路光，所述两路光发生干涉后产生中频信号，所述中频信号反映了两路光的频率变化，所述中频信号由所述光电接收器件转化为电信号，所述电信号由所述模数转换器转化为数字信号，所述鉴频器根据所述数字信号鉴频以确定所述反射光的光频率变化速度，由所述光频率变化速度确定被采集信号的变化速度。应用本发明专利技术可以获得信号值的变化速度，更好地描述整个信号变化过程。
【技术实现步骤摘要】
基于自差相干的光纤光栅解调装置和方法
本专利技术涉及光纤传感器测量技术，特别是涉及基于自差相干的光纤光栅解调装置和方法。
技术介绍
光纤传感器因其敏感度高、抗干扰能力强、光纤纤细形状可变等优点普遍应用于温度传感、曲率传感等领域，其中光纤布拉格光栅因为制作工艺成熟、可以一条光纤上加工多个传感点等优点在光纤传感器中应用最为广泛。目前光纤布拉格光栅的技术较为成熟，光纤布拉格光栅是将传统通信光纤经过掺杂、载氢等处理后，利用光刻技术在光纤内沿光传播方向刻写折射率周期变化的光栅，每一个折射率变化的界面都会让光能量少部分反射，而当界面间隔(光栅周期)与某个光的波长相一致时，该波长的能量就强烈反射，其它波长正常通过不被反射。当光栅收到如弯曲、温度变化等影响导致光栅周期发生变化时，该光栅反射的波长就发生改变，解调仪通过测量反射光的波长变化可以测量某个光栅受到的弯曲或温度变化。光纤布拉格光栅非常灵敏，一般其光栅周期在微米以下(如1550nm波段其光栅周期大约在500纳米左右)，当光栅周期产生纳米级变化时，反射光在光谱上就会有纳米级偏移，而常用的光谱扫描式解调仪可以精确到皮米量级，因此即使非常微弱的形变，光纤光栅也能反馈较大的信号。由于其过于灵敏的特性，光纤光栅传感器通常用于环境检测、建筑物长期形变等缓变领域，而机器人/可穿戴等领域通常会出现关节曲率发生快速大角度的剧烈变化，解调仪往往无法捕捉或信号很快超出解调仪的范围。另一方面光纤布拉格光栅由于其测量精准、抗电磁干扰、光纤结构小巧易屈服、成本低廉等优点非常适合大规模应用于多自由度的机械结构或可穿戴设备中，但目前常用解调方案的测量精度与测量范围间的矛盾使其很难应用于快速动作的捕捉。光纤布拉格光栅的解调方法一般有两种，一种是通过光谱扫描或光谱仪等方式对光纤布拉格光栅的回波进行光谱分析，这种方法成本高且动态范围小，仅适合对缓变信号进行精确传感；另一种是通过构建边缘滤波器，将光波长信号转变为光强信号进行接收，这种方法仅能对一个光栅进行解调，并且精度较低。一、采用光谱扫描的解调方法光谱扫描一种是改变激光器腔长，激光器由谐振腔前后表面反射反复激发腔内介质产生激光，激光的波长由谐振腔的光学长度决定，当谐振腔的长度变化时发射的激光波长就发生改变，谐振腔长度周期性变化时发射的激光波长也在光谱范围内周期性扫描，由于可以将谐振腔扫描周期固定，因此发射激光波长变化的周期固定，当波长与光栅周期不一致时光能量不被反射，波长与光栅周期一致时光能量反射，由于多个光栅周期各不相同，反射光各不相同，这样就把光栅在光谱上的分布变为时间序列上的脉冲串。图1为光谱扫描解调示意图，当某个光栅产生弯曲时，该光栅所反射的脉冲在时间上发生变化，由此可得到弯曲的曲率。这种方案的缺点在于：(1)以角度变化为0.001秒钟角度从0度转到18度为例(该速度大致对应常用的2级电机转数3000r/m，并且18度在光纤光栅测量较为准确的范围内)，采用光谱扫描的解调仪中较快的一般不超过kHz，因此在整个动作变化中最多仅能采集1个数据点，因此虽然光栅对静态角度测量能精确到微弧度，但无法描述快速的运动变化过程，作为对比以编码器作为角度测量，常用编码器采样率一般在100KHz，对本例可产生一百个测点，完全可以拟合得到整个运动过程。综上，虽然光纤光栅测量非常精准，但由于其解调速度慢，快速变化的动作过程中只能采集少量测量点，无法应用于信号变动较快的机器人领域。(2)由于使用了可变的精密光学器件，这类解调仪成本高，不适合小型化且难以适合所有工况。二、构造边缘滤波器的方案所谓边缘滤波器是滤波器的某一个边缘斜率较低且线性度好，这样将光谱频域信号转换为光能量的强弱信号。一种构造边缘滤波器的方法是使用不等比长MZ干涉器，当同一光源的两束光分别经过两路再进行干涉时，其相干强度与臂长差满足其中P1和P2分别为两臂的光强，λ为光波长，L1和L2分别为双臂长，n为折射率，为相位噪声。能够看出当臂长差固定时，输出光强与波长的关系为余弦关系，将余弦的一条边中线性度较好的一部分作为边缘滤波器，波长变化时输出光强也随之变化，检测透过率即可获得波长变化信息。图2示出边缘滤波器解调(a)；以及MZ干涉器构造边缘滤波器(b)。这种方案的缺点在于：(1)边缘滤波器适合测量静态或缓变的信号，如本例中通过MZ干涉器构建边缘滤波器，其信号来源于时间无关量这是因为时间变量在干涉中抵消，在快速变化的信号中，时间变量无法抵消时，边缘滤波器的相位信号值将不可测；(2)边缘滤波器可能受到温度、形变等影响导致频域响应不稳定，在本例中会影响光程差n(L1-L2)；(3)利用相干构造的边缘滤波器容易受到相位噪声的影响(本例中的)，相位噪声可能来源于激光器本身，也可能来源于光路受外界的影响。(4)以强度作为测量值易受干扰，如激光器本身强度抖动、光电器件噪声或光路损坏等均会影响强度，并且无法与传感值区分，难以诊断。
技术实现思路
本专利技术的主要目的提供一种基于自差相干的光纤光栅解调装置和方法，以解决传统光纤光栅解调方法无法对快速变化的信号进行探测的问题。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于自差相干的光纤光栅解调装置，包括不等臂长MZ干涉器、光电接收器、模数转换器和鉴频器，其中，光纤光栅产生的反射光进入所述不等臂长MZ干涉器，由所述不等臂长MZ干涉器分为两路光，所述两路光发生干涉后产生中频信号，所述中频信号反映了两路光的频率变化，所述中频信号由所述光电接收器件转化为电信号，所述电信号由所述模数转换器转化为数字信号，所述鉴频器根据所述数字信号鉴频以确定所述反射光的光频率变化速度，由所述光频率变化速度确定被采集信号的变化速度。进一步地：还包括设置在所述光电接收器和所述模数转换器之间的滤波器，用于滤除高频突变，优选地，所述滤波器保持低频畅通，但滤除直流。还包括环形器，光源发射的宽谱光进入所述环形器的第一端口，从所述环形器的第二端口输出进入所述光纤光栅，所述光纤光栅产生的反射光进入所述环形器的所述第二端口，从所述环形器的第三端口输出并进入所述不等臂长MZ干涉器。所述光电接收器件是PIN或APD器件。所述电信号为时变的余弦射频信号。光从O点进入所述不等臂长MZ干涉器，分成两路，分别经过第1、2两条路径后到达I点再次合束，从I点干涉输出，从O点到I点经第1、2两条路径的全部长度分别为L1和L2；在O点处，光表达为复波函数表示为其中A为振幅，c为光速，n为介质折射率，λ为在O点的光波长，是初相；光束分为两路后，经第1路径传播到I点的光表达为复波函数表示为L1长度大于L2长度，当O点的光经第1路径到达I点时，经第2路径到达I点的光波长为λ'，光表达为复波函数表示为则I点处两路光相干涉，光强为所述中频信号经直流滤波和归一化后得到信号为...
【技术保护点】
1.一种基于自差相干的光纤光栅解调装置，其特征在于，包括不等臂长MZ干涉器、光电接收器、模数转换器和鉴频器，其中，光纤光栅产生的反射光进入所述不等臂长MZ干涉器，由所述不等臂长MZ干涉器分为两路光，所述两路光发生干涉后产生中频信号，所述中频信号反映了两路光的频率变化，所述中频信号由所述光电接收器件转化为电信号，所述电信号由所述模数转换器转化为数字信号，所述鉴频器根据所述数字信号鉴频以确定所述反射光的光频率变化速度，由所述光频率变化速度确定被采集信号的变化速度。/n
【技术特征摘要】
1.一种基于自差相干的光纤光栅解调装置，其特征在于，包括不等臂长MZ干涉器、光电接收器、模数转换器和鉴频器，其中，光纤光栅产生的反射光进入所述不等臂长MZ干涉器，由所述不等臂长MZ干涉器分为两路光，所述两路光发生干涉后产生中频信号，所述中频信号反映了两路光的频率变化，所述中频信号由所述光电接收器件转化为电信号，所述电信号由所述模数转换器转化为数字信号，所述鉴频器根据所述数字信号鉴频以确定所述反射光的光频率变化速度，由所述光频率变化速度确定被采集信号的变化速度。
2.如权利要求1所述的光纤光栅解调装置，其特征在于，还包括设置在所述光电接收器和所述模数转换器之间的滤波器，用于滤除高频突变，优选地，所述滤波器保持低频畅通，但滤除直流。
3.如权利要求1或2所述的光纤光栅解调装置，其特征在于，还包括环形器，光源发射的宽谱光进入所述环形器的第一端口，从所述环形器的第二端口输出进入所述光纤光栅，所述光纤光栅产生的反射光进入所述环形器的所述第二端口，从所述环形器的第三端口输出并进入所述不等臂长MZ干涉器。
4.如权利要求1至3任一项所述的光纤光栅解调装置，其特征在于，所述光电接收器件是PIN或APD器件。
5.如权利要求1至4任一项所述的光纤光栅解调装置，其特征在于，所述电信号为时变的余弦射频信号。
6.如权利要求1至5任一项所述的光纤光栅解调装置，其特征在于，光从O点进入所述不等臂长MZ干涉器，分成两路，分别经过第1、2两条路径后到达I点再次合束，从I点干涉输出，从O点...
【专利技术属性】
技术研发人员：尹向辉，梁斌，王学谦，朱晓俊，刘厚德，
申请(专利权)人：清华大学深圳国际研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44
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