一种连续波空间域光纤光栅腔衰荡传感器系统解调方法技术方案

本发明专利技术公开了一种连续波空间域光纤光栅腔衰荡传感器系统解调方法，包括：步骤一，使宽带光源发射的连续光在光纤光栅衰荡腔内来回振荡，在光电平衡探测器处获得频移干涉差分电信号；步骤二，利用数据采集处理单元对电信号进行采集，经过快速傅里叶变换、峰值提取和指数拟合处理，获得系统的本征衰荡距离；步骤三，将待测参量作用于任一光纤光栅上，依次改变其大小，重复步骤二，获取对应的一系列衰荡距离；步骤四，计算衰荡距离倒数相对于本征衰荡距离倒数的变化量，绘制其随待测参量变化的曲线，由曲线斜率求出待测参量。本发明专利技术采用两个同波长同带宽的光纤光栅形成光纤光栅衰荡腔，不仅能降低成本、获得高灵敏度，而且能实现对温度的自动补偿。

【技术实现步骤摘要】
一种连续波空间域光纤光栅腔衰荡传感器系统解调方法
本专利技术涉及光纤光栅传感器
，特别涉及一种连续波空间域光纤光栅腔衰荡传感器系统解调方法。
技术介绍
光纤光栅是一种以光纤为媒质、光信号为载体的传感器，具有尺寸小，电绝缘、抗电磁干扰，响应快，易组网和可远程监测等优点，在结构健康监测、航空航天、船舶航运和石油化工等领域获得了广泛的应用。传统的光纤光栅传感器主要基于波长解调法，需要采用昂贵的光谱分析仪或复杂的波长解调设备。由于光谱分析设备的分辨率有限，光纤光栅传感器的测量精度和灵敏度都比较低。为了解决这个问题，近年来已经出现了一些采用传统的光纤腔衰荡光谱技术实现光纤光栅传感解调的报道，提高了测量精度和灵敏度。例如，ChuijiWang等人提出了一种基于传统光纤腔衰荡技术的光纤光栅温度传感器。这种传感器利用光纤腔的循环衰减大大延长了信号光与外界相互作用的时间，提高了测量灵敏度，同时将探测光栅中心波长的移动转化为探测脉冲光在衰荡腔内的衰减速度即衰荡时间的变化，提高了测量精度提高了测量精度，也避免了光谱分析仪的使用。随后DaqingTang等人[1]采用这种技术实现了气体压力的监测，获得的灵敏度为-0.384ms/MPa，比光谱分析仪的解调结果提高了79倍。AtsushiYarai等人[2]提出基于光纤腔衰荡技术的光纤温度传感器，在温度20.0℃时获得了0.02℃的探测极限，相比以往技术至少提高了5倍。虽然这类技术在一定程度提高了测量精度和灵敏度，但是测量的都是脉冲光在衰荡腔内的衰减速率(即衰荡时间常数)，需要采用脉冲激光器或电光调制器、高速光电探测器和高速数据采集仪，结构复杂，成本难以进一步降低，在实际应用中受到很大限制。此外，以上解调技术均无法克服外界环境温度对光纤光栅传感器系统的影响。光纤光栅不仅对应力、应变和压强等敏感，对温度也特别敏感，温度的变化会引起光纤光栅中心波长的漂移。因此为了能更准确地测得作用在光纤光栅上的应力、应变和压强等参量，必须消除外界温度的交叉干扰，从而提高系统的测试精度。文中涉及如下参考文献：[1]DaqingTang,DexingYang,YajunJiang,etal.Fiberloopring-downopticalfibergratinggaspressuresensor.OpticsandLasersinEngineering,2010,48(12):1262-1265.[2]AtsushiYarai,KatsuyukiHara.ResolutionenhancementoffiberBragggratingtemperaturesensorusingacavityring-downtechnique.JapaneseJournalofAppliedPhysics,2018,57(2):028002.
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种灵敏度高、成本低、精度高的连续波空间域光纤光栅腔衰荡传感器系统解调方法。本专利技术连续波空间域光纤光栅腔衰荡传感器系统解调方法，所使用的传感器系统包括宽带光源、光纤环形器、分光比为50：50的光纤耦合器、第一偏振控制器、光纤光栅衰荡腔、不对称插入的声光调制器、声光调制器驱动源、光电平衡探测器以及数据采集处理单元；其中，光纤光栅衰荡腔由第一光纤光栅、延迟光纤、第二偏振控制器、第二光纤光栅顺次连接构成；第一光纤光栅和第二光纤光栅的中心波长和带宽均一致，第一光纤光栅和第二光纤光栅的反射率相同或不同，但均大于95％；光纤光栅衰荡腔的腔长(此处腔长即第一光纤光栅和第二光纤光栅之间距离的两倍)大于宽带光源的相干长度；宽带光源的输出端连接光纤环形器的第一端，光纤环形器的第二端连接光纤耦合器的第一输入端，其第三端连接光电平衡探测器；光纤耦合器的第二输入端也连接光电平衡探测器；光纤耦合器的第一输出端连接第一偏振控制器一端，第一偏振控制器的另一端连接第一光纤光栅；光纤耦合器的第二输出端连接声光调制器的一端，声光调制器的另一端连接第二光纤光栅；光电平衡探测器的输出端连接数据采集处理单元；声光调制器、声光调制器驱动源、数据采集处理单元顺次连接；所述解调方法包括以下步骤：步骤一，宽带光源发射的连续光依次经光纤环形器、光纤耦合器，进入光纤光栅衰荡腔内来回振荡，在光电平衡探测器处获得频移干涉差分电信号；步骤二，利用数据采集处理单元对电信号进行采集，作快速傅里叶变换获得连续波空间域衰荡信号，对连续波空间域衰荡信号进行峰值提取和指数拟合，得到指数衰减曲线，从而获得本征衰荡距离Λ0；衰荡距离的定义为：峰值幅度降低到初始峰值幅度的1/e时所经历的距离；步骤三，将待测参量作用于第一光纤光栅或第二光纤光栅上，依次改变其大小，重复步骤二，获取对应的一系列衰荡距离；步骤四，计算衰荡距离倒数相对于本征衰荡距离倒数的变化量，绘制其随待测参量变化的关系曲线，根据曲线斜率k和当前衰荡距离Λ，利用公式计算当前待测参量X。进一步地，数据采集处理单元包括相连接的数据采集单元和计算机。数据采集单元用来采集光电平衡探测器输出的频移干涉差分电信号，具体可采用数字示波器、数据采集卡等。进一步地，宽带光源可采用自发辐射源、发光二极管或超辐射发光二极管。本专利技术中，光纤光栅衰荡腔由同波长、同带宽、高反射率的第一光纤光栅和第二光纤光栅构成，其中任意一个光纤光栅可用作传感元件。相反方向传播的两束连续光在两个光纤光栅之间来回反射衰减，经过频移干涉和傅里叶变换之后形成连续波空间域衰荡信号。当环境温度变化时，由于传感光纤光栅和另外一个光纤光栅的温度特性一致，两者的透射光谱同步移动，宽带光源的谱宽足够宽，能够保证透射谱漂移前后光纤光栅衰荡腔内的总损耗相等，从而保证衰荡距离相同。因此，温度变化不会改变光纤光栅衰荡腔的衰荡距离。衰荡距离的变化仅仅由加载在传感光纤光栅上的待测参量引起。因此这种传感器系统能自动进行温度补偿，通过监测衰荡距离的变化即可实现对待测参量的精确测量。和现有技术相比，本专利技术具有如下优点和有益效果：(1)本专利技术摆脱了光谱分析仪及其分辨率的限制，相比于传统的光纤腔衰荡技术，不需要脉冲调制，也不需要快速探测与高速采集设备，采用连续光源、慢速探测器和低速采集设备即可，在获得高灵敏度的同时，还简化了系统结构，降低了系统成本。(2)与基于频移干涉光纤腔衰荡技术的传统光纤传感系统相比，本专利技术利用两个同波长、同带宽的光纤光栅构成光纤光栅衰荡腔，利用其中一个光纤光栅感知待测参量，另一个光纤光栅作为温度补偿，不但无需使用两个高耦合比的光纤耦合器和额外的传感元件，结构更简单，而且可以自动补偿外界温度的交叉影响，实现对待测参量更精确的测量。附图说明图1是本专利技术解调方法所采用传感器系统的结构框图，图中，1-宽带光源，2-光纤环形器，3-光纤耦合器，4-第一偏振控制器，5-第一光纤光栅，6-延迟光纤，7-第二偏振控制器，8-第二光纤光栅，9-声光调制器，10-光电平衡探测器，11-声光调制器驱动源，1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种连续波空间域光纤光栅腔衰荡传感器系统解调方法，其特征是：/n所使用的传感器系统包括宽带光源(1)、光纤环形器(2)、分光比为50：50的光纤耦合器(3)、第一偏振控制器(4)、光纤光栅衰荡腔、不对称插入的声光调制器(9)、光电平衡探测器(10)、声光调制器驱动源(11)以及数据采集处理单元(12)；其中，光纤光栅衰荡腔由第一光纤光栅(5)、延迟光纤(6)、第二偏振控制器(7)、第二光纤光栅(8)顺次连接构成；第一光纤光栅(5)和第二光纤光栅(8)的中心波长和带宽均一致，第一光纤光栅(5)和第二光纤光栅(8)的反射率相同或不同，但均大于95％；光纤光栅衰荡腔的腔长大于宽带光源的相干长度；宽带光源(1)的输出端连接光纤环形器(2)的第一端，光纤环形器(2)的第二端连接光纤耦合器(3)的第一输入端，其第三端连接光电平衡探测器(10)；光纤耦合器(3)的第二输入端也连接光电平衡探测器(10)；光纤耦合器(3)的第一输出端连接第一偏振控制器一端(4)，第一偏振控制器(4)的另一端连接第一光纤光栅(5)；光纤耦合器(3)的第二输出端连接声光调制器(9)的一端，声光调制器(9)的另一端连接第二光纤光栅(8)；光电平衡探测器(10)的输出端、数据采集处理单元(12)、声光调制器驱动源(11)、声光调制器(9)顺次连接；/n所述解调方法包括以下步骤：/n步骤一，宽带光源(1)发射的连续光依次经光纤环形器(2)、光纤耦合器(3)，进入光纤光栅衰荡腔内来回振荡，在光电平衡探测器(10)处获得频移干涉差分电信号；/n步骤二，利用数据采集处理单元(12)对电信号进行采集，作快速傅里叶变换获得连续波空间域衰荡信号，对连续波空间域衰荡信号进行峰值提取和指数拟合，得到指数衰减曲线，从而获得本征衰荡距离Λ...

【技术特征摘要】
1.一种连续波空间域光纤光栅腔衰荡传感器系统解调方法，其特征是：
所使用的传感器系统包括宽带光源(1)、光纤环形器(2)、分光比为50：50的光纤耦合器(3)、第一偏振控制器(4)、光纤光栅衰荡腔、不对称插入的声光调制器(9)、光电平衡探测器(10)、声光调制器驱动源(11)以及数据采集处理单元(12)；其中，光纤光栅衰荡腔由第一光纤光栅(5)、延迟光纤(6)、第二偏振控制器(7)、第二光纤光栅(8)顺次连接构成；第一光纤光栅(5)和第二光纤光栅(8)的中心波长和带宽均一致，第一光纤光栅(5)和第二光纤光栅(8)的反射率相同或不同，但均大于95％；光纤光栅衰荡腔的腔长大于宽带光源的相干长度；宽带光源(1)的输出端连接光纤环形器(2)的第一端，光纤环形器(2)的第二端连接光纤耦合器(3)的第一输入端，其第三端连接光电平衡探测器(10)；光纤耦合器(3)的第二输入端也连接光电平衡探测器(10)；光纤耦合器(3)的第一输出端连接第一偏振控制器一端(4)，第一偏振控制器(4)的另一端连接第一光纤光栅(5)；光纤耦合器(3)的第二输出端连接声光调制器(9)的一端，声光调制器(9)的另一端连接第二光纤光栅(8)...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧艺文，成纯富，陈嘉轩，陈文嘉，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42