CN102735181B - 基于激光自混合干涉效应的光纤光栅信号解调***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于激光自混合干涉效应的光纤光栅信号解调***及方法，可用于光纤光栅动态应变的测量。由于采用激光自混合干涉测量方式，因此本发明与现有方法相比，不但具有干涉测量方法精度高的优点，同时还因为只有一个测量通道使得***具有结构简单、尺寸小的优点；采用激光器端电压测量干涉信号的方法，使得测量带宽不再受光电探测器带宽的限制，可以实现高速的动态测量，而且因减少了光电探测器降低了***成本，同时也提高了***的可靠性；同时由于激光自混合干涉信号独特的特点，该方法还具有动态应变变化方向辨识的功能。

Description

基于激光自混合干涉效应的光纤光栅信号解调***及方法

技术领域

本发明涉及应变的测量的技术领域，具体涉及一种基于激光自混合干涉效应的光纤光栅的信号解调***及方法，可用于光纤光栅动态应变的测量。

背景技术

光纤光栅传感器只有一根光纤，敏感元件(光栅)制作在纤芯中，从尺寸小和重量轻的优点来讲，几乎没有其他传感器可以与之相比；同时，作为在光纤光栅的基础上发展起来的一种波长调制型光学传感器，光纤光栅传感器不仅继承了普通光纤传感器的许多优点：如不受电磁干扰、灵敏度高、响应速度快、动态范围宽、重量轻、结构紧凑、使用灵活、成本低、抗腐蚀、耐高温等；此外，光纤光栅传感器还有一些明显优于普通光纤传感器的特点：如波长编码、便于复用，且便于组建传感器网络，易于引入综合处理器对信号进行集中处理等。正是由于具有这么多的优点，近年来，光纤光栅传感器在航空航天、船舶、战场监控、大型土木工程结构领域的健康监测以及能源化工等领域得到了广泛的应用。

光纤光栅传感的关键技术是如何精确地解调出由于被测量的变化引起的波长位移，因此，研制性能好、价格低、实用性强的解调技术是当前光纤光栅传感器能够得到更广泛应用的突破口，传统的解调方法主要采用单色仪-光谱仪和波长计来进行解调，但是这些方案的解调设备都有体积大-价格昂贵等缺点，因此新型解调技术的研究得到了国内外研究机构的极大关注，并提出了许多新的解调方法，适合静态的解调方法包括匹配光栅滤波器法和法布里一珀罗(Fabry—Perot，F-P)可调谐滤波器法，适合动态的解调方法包括干涉法、边缘滤波法、电可调谐半导体激光器法、可调谐光放大激光器法、MEMS可调谐滤波器法等。目前，用于低速缓变信号的光纤光栅解调技术已经成熟，并已经用于工程。而越来越多的应用对实现高速动态测量提出了需求，例如对于航空飞行器这类复杂***而言，由于现代航空飞行器对机动性要求越来越高，相应的动力也越来越强大，于是飞行器的各个***的振动更加强烈，振动频率更高，这使得在飞行器这类复杂的***中，不但有众多的静态或缓变信号（如温度、压力等），还存在着大量的动态参数测试，因此寻求灵敏度高、测量频带宽、性价比高和结构简单的高速解调方法成为亟待解决的问题。

激光自混合干涉测量方法为解决这一问题提供了一个很好的选择。所谓激光自混合干涉，是指激光自混合干涉是指激光器的输出光被外部物体反射或散射后，其中一部分光又反馈回激光器谐振腔，反馈光携带外部物体信息，与谐振腔内光模式相混合后，调制激光器的输出功率和频率，形成外光反馈效应。因输出信号与传统的双光束干涉信号有相似之处，故被称为激光自混合干涉，也被称为激光反馈干涉。其基本原理如图1所示，图中M1和M2组成了激光器谐振腔；M3是位于谐振腔外的反射表面，称为反馈镜，它与M2一起构成回馈外腔；D为光电探测器。反射镜的纵向运动或由腔内媒介折射率系数的变化引起外腔光路长度的变化，可通过监控并用于光传感方面，例如位移、速度测量、测距等等。

与有着“计量之王”美誉的传统激光干涉仪相比，基于激光反馈的自混合干涉法具有相同的相位灵敏度,而且其具有自身独特的特点，首先，自混合干涉法只有一个干涉通道，结构简单、紧凑，而传统的激光干涉仪需要参考臂和测量臂两个干涉通道，结构复杂；其次，自混合干涉法不依赖于光源的相干长度，像普通的二氧化碳激光器和半导体激光器也可以作为自混合干涉的光源，而传统的激光干涉仪则要求为相干光源；再次，自混合干涉法准直容易，操作简单，价格便宜，而传统的激光干涉仪准直困难，价格昂贵。这些优点决定了自混合干涉法比传统的激光干涉仪具有更高的性价比，同时也是实现大量程、无导轨、非接触干涉测量的最佳方案。正是由于这些独特的优点，自混合干涉测量技术越来越得到国内外学者的关注，使自混合干涉测量***得到迅速应用，在很多应用场合取代了传统的、复杂的干涉***而逐渐形成一个崭新的有深远应用前景的研究领域。

综上，基于自混合干涉效应的光纤光栅传感技术结合了激光自混合干涉技术精度高、结构简单、要求低等优点与光纤光栅固有的柔性、敏感性、复用性等优点，有利于实现小型化的传感***。这为光纤光栅传感器的发展提供一种全新的思路。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于激光自混合干涉效应的光纤光栅信号解调***及方法，可实现动态应变的高速测量。

本发明采用的技术方案为：一种基于激光自混合干涉效应的光纤光栅信号解调***，该解调***分为光路部分和电路部分，光路部分实现信号检测功能，包括半导体激光器、单模光纤及光纤光栅；电路部分完成信号采集与处理功能，包括半导体激光器的驱动电路、激光器端电压测量电路、数据采集卡和计算机；其中，半导体激光器与刻有光纤光栅的单模光纤熔接在一起，由半导体激光器驱动电路为半导体激光器提供电流驱动和温度控制，而作为被测信号的激光器端电压信号可通过激光器端电压测量电路得到，得到的测量信号经数据采集卡实时采集送入计算机进行处理，从而计算得到被测信号的大小。具体如图2所示。

其中，所述的光纤光栅是布拉格光纤光栅。

其中，激光器为一般商用的带尾纤单模半导体激光器，如FP型半导体激光器或DFB半导体激光器。

其中，数据采集卡选择一般商用的单通道16位数据采集卡，采样频率大于500kHz。

本发明另外提供一种基于激光自混合干涉效应的光纤光栅信号解调方法，当光纤光栅受到外界应力作用时，引起光纤光栅的反射或透射峰波长的变化，这导致光纤光栅的反射中心波长与半导体激光器中心波长的匹配程度发生变化，这会引起反馈光的大小发生变化，而反馈光与谐振腔内的光模式相混合后，形成外光反馈效应，对激光器端电压也产生调制，激光器端电压调制信号通过测量电路处理后，由数据采集卡采集并发送至计算机，利用Labview或VC软件编制计算机程序提取条纹数并计算被测应变，显示相应曲线，具体步骤参见图5，具体如下：

步骤（1）、由半导体激光器驱动电路中提供固定的驱动电流和控制温度，利用端电压测量电路单元实现对端电压信号的放大处理，即得到调制的被测量信息。

步骤（2）、由高速数据采集卡实时采集端电压信号，采集的数据作为计算机的输入。

步骤（3）、在计算机里，利用Labview或VC软件编制计算机程序提取条纹个数，并计算得到被测应变大小。

步骤（4）、实时显示计算结果或曲线。

本发明的原理在于：

本发明提出一种光纤光栅传感器信号的高速解调方法，其工作原理如图2所示。当半导体激光器的输出光进入到具有一定反射率的光纤光栅后，反射光作为反馈重新进入激光器谐振腔，产生激光自混合干涉效应，而反馈光的大小一方面与光纤光栅的反射率大小有关，另一个方面与光纤光栅的反射中心波长与半导体激光器中心波长的匹配程度相关，当其反射中心波长与半导体激光器中心波长匹配时，反馈光输出最大。

当光纤光栅受到应力作用时，产生的应变最终会影响光纤光栅的折射率调制周期以及纤芯折射率，从而引起光纤光栅的反射或透射峰波长的变化。如图3所示，当光纤光栅收到轴向拉力时，中心反射波长由λ1增加λ2，而且中心反射波长的变化与应变成线性关系。当中心反射波长发生变化时，这导致光纤光栅的反射中心波长与半导体激光器中心波长的匹配程度发生变化，这会引起反馈光发生变化，从而使得自混合干涉的反馈条纹发生变化，因此利用激光自混合效应，根据反馈条纹的变化，就可以解调出应变的大小。

与一般的干涉测量技术一样，在自混合干涉测量中，测量信号的带宽同样主要受限于光电探测器的带宽。在自混合干涉测量中，为简化***，一般采用半导体激光器内置的光电探测器，由于该探测器主要是作为监测直流光功率的变化用，因此其信号带宽更低。考虑到由于反馈光与激光腔内的光场发生自混合干涉效应时，不但对功率、频率调制，而且对激光器的端电压同样产生调制，因此本发明通过测量激光器端电压来得到干涉测量信号，这使得带宽主要受限于处理电路，而处理电路通过合理设计可以得到很高的带宽。

本发明的基于激光自混合干涉效应的光纤光栅高速解调方法的优点在于：

（1）、由于采用激光自混合干涉测量方式，因此本发明与现有方法相比，不但具有干涉测量方法精度高的优点，同时还因为只有一个测量通道使得***具有结构简单、尺寸小的优点；

（2）、在本发明中采用了激光器端电压测量干涉信号的方法，使得测量带宽不再受光电探测器带宽的限制，可以实现高速的动态测量，而且因减少了光电探测器降低了***成本，同时也提高了***的可靠性；

（3）、由于激光自混合干涉信号独特的特点，使得该方法具有动态应变变化方向辨识的功能，这是本发明一个独特的优点。

附图说明

图1是激光混合干涉测量原理的示意图。

图2是本发明采用的技术方案示意图。

图3是本发明的解调方法的原理示意图。

图4是本发明的解调***构成图。

图5是本发明的解调方法的流程图。

图6是本发明的计算机软件部分的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明进一步说明。

基于本发明的方法，构建的解调***如图4所示。主要可分为光路部分和电路部分。光路部分实现信号检测功能，主要包括半导体激光器、单模光纤及光纤光栅；电路部分完成信号采集与处理功能，主要包括半导体激光器的驱动电路、激光器端电压测量电路、数据采集卡和计算机等。

***的工作原理是当光纤光栅受到外界应力作用时，引起光纤光栅的反射或透射峰波长的变化，这导致光纤光栅的反射中心波长与半导体激光器中心波长的匹配程度发生变化，这会引起反馈光的大小发生变化，而反馈光与谐振腔内的光模式相混合后，形成外光反馈效应，对激光器端电压也产生调制，调制信号通过测量电路处理后，由数据采集卡采集并发送至计算机，利用VC或Labview编制计算机程序提取并计算被测应变，显示相应曲线。对于信号的解调，采用常用的条纹计数法，该方法简单，容易实现。如欲实现高精度的测量，可以采用相位解调技术，如主动相位归零技术、相位调制技术等。

下面结合附图4，对本发明中的各部分作一下具体的介绍。

半导体激光器与刻有光纤光栅的单模光纤熔接在一起，半导体激光器发出的光经光纤传送至光纤光栅，经光纤光栅反射后的干涉光经光纤返回半导体激光器，这部分反馈光与谐振腔内的光模式相混合后，形成外光反馈效应，当应力场作用在光纤光栅上时，引起光纤光栅的反射波长的变化，这导致光纤光栅的反射中心波长与半导体激光器中心波长的匹配程度发生变化，这会引起反馈光发生变化，从而对激光器端电压产生调制，该调制信号携带被测应变信息，其中半导体激光器驱动电路为半导体激光器提供恒定的电流驱动和温度控制，而端电压调制信号则经过激光器端电压测量电路处理后，该输出信号经数据采集卡实时采集送入计算机进行处理，利用VC或Labview编制计算机程序提取条纹个数并计算被测应变大小，显示相应曲线。

（一）光纤及光纤光栅

在本发明中，光纤选择普通的单模光纤，光纤长度根据实际需要而定。光纤光栅是布拉格光纤光栅，反射率根据实际设计可以调整。

（二）半导体激光器

在本发明中，激光器选择一般商用的带尾纤单模半导体激光器，可以是FP型半导体激光器或DFB半导体激光器。

（三）激光器驱动电路

半导体激光器作为光源，需要使用激光驱动器为半导体激光器提供恒定的注入电流和工作温度，激光驱动器可以使用商用的驱动仪，也可以自行开发电路，但需要注意的是，由于半导体激光器为易损器件，为了保护半导体激光器，在驱动***中需要具有保护功能，需要加入限幅电路、慢启动电路、静电保护电路。

（四）端电压测量电路

在本发明中，端电压测量电路实现对干涉信号的测量，一般可以选择仪表放大器作为测量电路的主要器件。

（五）数据采集卡

在本发明中，数据采集卡实现对电流/电压转换电路输出信号的高速实时采集，选择一般商用的单通道16位数据采集卡（采样频率大于500kHz）即可满足要求。

（六）计算机及数据解调

在本发明中，计算机是整个***的核心，主要完成信号的解调，计算被测运动信息，显示运动参数曲线，选择一般的pc机即可满足要求。而采集及处理软件可以采用VC或Labview来开发实现，主要包括数据采集模块、数据解调模块、显示模块，处理流程为：首先由数据采集模块从数据采集卡读取被测数据，然后利用数据解调模块实现干涉条纹数的计算和应变大小计算，最后通过显示模块显示被测量曲线及大小，具体处理流程如图6所示。

本发明未详细阐述的技术内容属于本领域技术人员的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种基于激光自混合干涉效应的光纤光栅信号解调方法，该解调方法基于激光自混合干涉效应的光纤光栅信号解调***，其特征在于：该解调***分为光路部分和电路部分，光路部分实现信号检测功能，包括半导体激光器、单模光纤及光纤光栅；电路部分完成信号采集与处理功能，包括半导体激光器的驱动电路、激光器端电压测量电路、数据采集卡和计算机；其中，半导体激光器与刻有光纤光栅的单模光纤熔接在一起，由半导体激光器驱动电路为半导体激光器提供电流驱动和温度控制，而作为被测信号的激光器端电压信号可通过激光器端电压测量电路得到，得到的测量信号经数据采集卡实时采集送入计算机进行处理，从而计算得到被测信号的大小；

所述的光纤光栅是布拉格光纤光栅；

激光器为一般商用的带尾纤单模半导体激光器，具体为FP型半导体激光器或DFB半导体激光器；

数据采集卡选择一般商用的单通道16位数据采集卡，采样频率大于500kHz；

当光纤光栅受到外界应力作用时，引起光纤光栅的反射或透射峰波长的变化，这导致光纤光栅的反射中心波长与半导体激光器中心波长的匹配程度发生变化，这会引起反馈光发生变化，而反馈光与谐振腔内的光模式相混合后，形成外光反馈效应，对激光器端电压也产生调制，激光器端电压调制信号通过测量电路处理后，由数据采集卡采集并发送至计算机，利用Labview或VC软件编制计算机程序提取条纹数并计算被测应变，显示相应曲线，具体步骤如下：

步骤(1)、由半导体激光器驱动电路中提供固定的驱动电流和控制温度，利用端电压测量电路单元实现对端电压信号的放大处理，即得到调制的被测量信息；

步骤(2)、由高速数据采集卡实时采集端电压信号，采集的数据作为计算机的输入；

步骤(3)、在计算机里，利用Labview或VC软件编制计算机程序提取条纹个数，计算得到被测应变大小；

步骤(4)、实时显示计算结果或曲线；

其中，当半导体激光器的输出光进入到具有一定反射率的光纤光栅后，反射光作为反馈重新进入激光器谐振腔，产生激光自混合干涉效应，而反馈光的大小一方面与光纤光栅的反射率大小有关，另一个方面与光纤光栅的反射中心波长与半导体激光器中心波长的匹配程度相关，当其反射中心波长与半导体激光器中心波长匹配时，反馈光输出最大；

当光纤光栅受到应力作用时，产生的应变最终会影响光纤光栅的折射率调制周期以及纤芯折射率，从而引起光纤光栅的反射或透射峰波长的变化，当光纤光栅收到轴向拉力时，中心反射波长由λ1增加λ2，而且中心反射波长的变化与应变成线性关系，当中心反射波长发生变化时，这导致光纤光栅的反射中心波长与半导体激光器中心波长的匹配程度发生变化，这会引起反馈光发生变化，从而使得自混合干涉的反馈条纹发生变化，因此利用激光自混合效应，根据反馈条纹的变化，就可以解调出应变的大小。