CN104764476B - 一种波长循环调谐补偿干涉型传感器工作点漂移的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种波长循环调谐补偿干涉型传感器工作点漂移的方法，属于光纤传感技术领域。其特征是利用有限带宽的波长可调谐激光器实现双光束干涉型传感器静态工作点稳定。该方法利用传感器反馈信号控制激光器循环调谐波长，进而实时跟踪补偿传感器静态工作点，实现传感器的长期稳定运行。本发明的效果和益处是采用分布反馈式半导体激光器作为光源，利用循环调谐补偿方法克服干涉型传感器工作点漂移问题，既解决了传感器在恶劣环境中工作点大范围漂移的补偿问题，对比其他方法又降低了***的成本。本发明适用于利用光纤传感技术检测复杂环境的振动和声波。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，是一种利用有限带宽的波长可调谐激光器实现双光束干涉型传感器静态工作点稳定的方法及***。该方法通过循环波长调谐实时跟踪补偿传感器静态工作点实现传感器的长期稳定运行。该方法特别涉及到基于干涉-强度调制的低细度F-P传感器的工作点补偿，利用传感器反馈信号控制可调谐激光器波长进而大范围跟踪静态工作点，能够实现对振动或声波信号的高灵敏度测量。本发明适用于利用光纤传感技术检测复杂环境的振动和声波。
背景技术
双光束干涉型光纤传感器对比电容式或者压电式的电子传感器，在声波与振动测量方面具有结构简单、灵敏度高、抗电磁干扰、体积小、安全、可形成光纤传感网络等诸多优点。因而在声波感测，地震监测，建筑结构健康监测，大型变压器局部放电监测等方面有着重要的应用。但是，限制此种调制方式的光纤干涉型传感器实际应用的最大障碍是环境因素变化下的传感器工作点漂移问题。对于双光束干涉调制型的传感器，其干涉谱为余弦函数(低细度的F-P传感器近似为双光束干涉)，我们通常利用余弦曲线中线性度最好的一段作为相位-强度转换曲线。在对声波一类的交流信号检测时静态工作点一般设置在曲线斜率最大的1/4π相位点(Q点)，(见Dae-Hyun Kim,Bon-Yong Koo,Chun-Gon Kim,Damagedetection of composite structuresusing a stabilized extrinsic Fabry–Perotinterferometric sensor system,SamrtMater.Struct.13(2004)593-598)。在Q点附近，小信号的响应是线性的，而且响应的灵敏度最大。但如果工作点因外界因素偏离Q点，传感器的灵敏度就会降低并出现非线性响应。
针对双光束干涉型传感器工作点漂移问题前期论文中已提出了多种解决方案。文献1[J.F.Dorighi,S.Krishnaswamy,J.D.Achenbach,Stabilization of anembeddedfiber optic Fabry–Perot sensor for ultrasound detection,IEEETrans.Ultrason.Ferroelectr.Freq.Control 37(1995)820–824]报道了使用外腔激光器通过调谐输出激光的波长对工作点漂移进行补偿。这种方法虽然能够在一定漂移量范围内控制工作点，但是这种大光谱范围外腔调谐式激光器的体积大，机械调谐机构结构复杂，价格昂贵，不适合作为一种简单的光纤传感器的光源。文献2[Bing.Yu,Anbo.Wang,Grating-assisted demodulation of interferometric optical sensors,Appl.Opt.42(2003)6824–6829]采用补偿工作点漂移的原理基本相同，都是采用宽谱光源+波长选择器件的方案，文献[2]的缺点是光路中也采用了光栅机械调节机构，使得整个调制解调***体积大，结构复杂，且激光输出耦合到光栅，经光栅衍射分光后再耦合回光纤将引入较大的***损耗。由于采用宽谱自发辐射光源，经窄带滤波后的光强弱，会直接影响***的检测灵敏度。专利号为ZL200710046651的“自动调谐F-P光纤传感器”中，使用具有温控***的分布反馈式激光器(简称DFB)，通过反馈控制温控***使激光器可以改变输出波长，从而补偿工作点漂移，这种方法的一个缺点是温度调谐DFB输出波长的响应速率较慢，另外，DFB激光器的光谱可调谐范围通常很窄，该方法在很窄的调谐或选频带宽内跟踪调谐，一旦环境因素所造成的工作点漂移超出了波长调谐补偿范围，则工作点跟踪补偿方案就会失效。
发明内容
本发明为了解决双光束干涉型光纤传感器工作点漂移问题，提出了基于电流循环调谐DFB激光器的工作波长来补偿工作点漂移的方法。此方法可以实现在工作点在较大范围漂移情况下，对Q点的连续实时跟踪，并且依据此方案所 设计的传感***结构简单、造价低廉、灵敏度高。
本发明设计的主要依据包括：
在光纤干涉型传感器中，传感光与参考光的相位差可以表示为式中，λ是激光光源的中心波长，OPD表示光程差。从式子中可以看出当环境参数变化引起OPD改变时，可以通过调节λ来补偿OPD的变化，保持相位差恒定。这个过程可以用公式表示为：
从(1)式可知，OPD改变引起的相位变化可以用波长的改变来抵消，通常用于传感测量的DFB激光器的波长调谐范围仅有几个纳米，当OPD连续的改变量超出了激光器的波长调谐范围，那么工作点漂移将不能得到有效的补偿。
为了解决这个问题，本发明提出了一种有限光源带宽下循环Q点跟踪的一种方法及***。首先根据激光器的波长调谐范围，选定干涉仪的初始光程差，以满足波长调谐所引起的相位改变大于π的条件，从而确保Q点出现在调谐范围内，即光程差要满足
OPD≥λ2/2Δλmax (2)
式中Δλmax为激光器最大波长调谐范围。满足上述条件情况下，根据附图1可知，当OPD变化引起的工作点漂移超出激光器调谐范围时，可以通过循环调谐激光输出波长的方式来实现Q点的连续跟踪。基于相位补偿原理，只要OPD满足式子(2)的条件，当OPD增大时，那么使用这种方法进行补偿将不受激光器的波长调谐范围限制。在实际应用时如果可能出现OPD减小的情况，由于OPD大幅度的减小会增加波长调谐补偿的范围，需要选择适当的初始光程差OPD，以使OPD有足够的调谐余量。
从该相位跟踪调谐的方法可知，π相位差的循环跳变会引起检测信号的反相，这个问题可以通过在信号预放大过程中根据跳变控制信号切换同相放大与反相放大器的方法来加以解决。
本发明的技术解决方案：
一种波长循环调谐补偿干涉型传感器工作点漂移的方法及***，利用窄带宽可调谐激光器作光源，使用激光波长循环调谐方法实现双光束干涉型传感器的工作点漂移补偿方法。
本方法所用***包括可调谐激光器、环形器、双光束干涉型光纤传感器、探测器模块、信号采集与控制电路、可调谐激光器驱动电路和计算机***。可调谐激光器经光纤与环形器的第一端口相连；环形器的第二端口经单模光纤与双光束干涉型光纤传感器连接；环形器的第三端口与探测器模块连接，探测器模块包含同相前置放大器和反相前置放大器；探测器模块接信号采集与控制电路；信号采集与控制电路将采集到的信息传输到计算机***；计算机***向信号采集与控制电路发出指令；信号采集与控制电路采集探测器模块的信号，控制可调谐激光器驱动电路与探测器模块中的同相前置放大器和反相前置放大器的切换；可调谐激光器驱动电路接收信号采集与控制电路产生的控制信号驱动可调谐激光器。
首先扫描可调谐激光器输出光谱，对得到的余弦干涉信号曲线求导，确定导数值最大的波长位置和该波长下的可调谐激光器驱动电流值，最大的波长位置即为Q点波长；然后记录该驱动电流下的干涉信号的直流量平均值，将该直流量平均值设为参考值。双光束干涉型光纤传感器实时获取信号的直流量，将直流量与参考值做比较，当出现偏差时，说明工作点发生了漂移，此时通过比例-积分-微分(PID)算法调节可调谐激光器的注入电流，通过微调激光波长跟踪 锁定Q点。当输出波长调谐到最大值或最小值时，为了锁定工作点继续增大波长或减小波长，***会自动将输出波长跳变回最小值或最大值进行下一个循环的Q点锁定。当波长从最大值到最小值或从最小值到最大值跳变时，信号采集与控制电路发出信号给探测器模块的前置放大器，使前置放大器中工作的同相放大器与反相放大器切换，克服了跳变后信号相位发生反相的现象。
所述可调谐激光器是电流调谐分布反馈式(DFB)半导体激光器，激光器工作温度是可控的，温度控制可以保证激光器输出波长的稳定。激光器输出波长可以通过注入电流大小进行一定范围的调谐，波长调谐的范围为一般在0.5nm以上。
所述双光束干涉型光纤传感器，其初始光程差设置一般≥2.4mm。
采用自带光强监控功能的可调谐激光器或者在可调谐激光器连接环形器前先连接光纤耦合器用以监控输出可调谐激光器的光强。
在可调谐激光器与环形器之间设置有隔离器。
所述的环形器分光比为50：50的耦合器代替。
本发明的效果和益处：
采用分布反馈式半导体激光器作为光源，利用循环调谐补偿方法克服干涉型传感器工作点漂移问题，既解决了传感器在恶劣环境中工作点大范围漂移的补偿问题，对比其他方法又降低了***的成本。DFB激光器作为光源，使用改变注入电流方式调谐激光波长比温度调谐激光器输出波长更加快速，可以补偿快速漂移的传感器工作点。激光器作为光源较宽谱光源+波长选择器件的方案，其光源线宽更窄，且功率更高,根据干涉测量原理，线宽窄、高功率的光源对于双光束干涉型传感器，可以获得高的灵敏度和信噪比。
附图说明
图1是本发明的***结构示意图。
图2是本发明的原理图。
图中：1可调谐激光器；2环形器；3双光束干涉型光纤传感器；
4探测器模块；5信号采集与控制电路；6可调谐激光器驱动电路；
7计算机***。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
一种波长循环调谐补偿干涉型传感器工作点漂移的***，主要包括可调谐激光器1、环形器2、双光束干涉型光纤传感器3、探测器模块4、信号采集与控制电路5、可调谐激光器驱动电路6、计算机***7。
计算机***7向信号采集与控制电路5控制发出指令；信号采集与控制电路5控制可调谐激光器驱动电路6和探测器模块3，并且采集探测器模块3的信号，采集到的信号传输给计算机***进行进一步的分析和处理。
其中可调谐激光器1是中心波长为1550nm的分布反馈半导体激光器，其波长调谐的范围为一般在0.5nm以上，此激光器自带温度控制及输出光强监控。探测器模块中由一个铟镓砷(InGaAs)探测器和前置放大电路；其中前置放大电路为两级放大，第一级为低噪声跨导放大电路，第二级由同相放大电路和反相放大电路组成；第二级中的放大电路受控制切换工作。信号采集与控制电路采用美国国家仪器(NI)有限公司的16未多功能数据采集卡NI PCI-6014。
双光束干涉型光纤传感器采用大连理工大学研制的光纤法布里-珀罗腔膜片式传感器,腔长为1210μm。
本发明实施例的具体实施过程如下：
计算机***7向信号采集与控制电路5发出指令，信号采集与控制电路5 控制可调谐激光器驱动电路6施加45mA到105mA扫描驱动电路；光纤法布里-珀罗腔膜片式传感器4返回的信号经探测器模块4后被信号采集与控制电路5采集，采集到的信号通过PCI总线传输给计算机***7；计算机***7对得到的信号曲线求导，导数最大值点即为Q点，找到Q点所对应的驱动电路值和信号强度，信号强度值记录在计算机***7内作为参考值，而Q点对应的电流值作为当前可调谐激光器1的注入电路值；计算机***7实时监控所采集信号的平均值，当平均值偏离参考值时，计算机***7通过PID算法通过信号采集与控制电路5主动控制可调谐激光器驱动电路6消除工作点漂移引起的信号平均值与参考值之间的偏离，从而保证可调谐激光器1中的激光波长始终使光纤法布里-珀罗腔膜片式传感器4工作点Q点附近；若需要输出的激光波长超出了可调谐激光器1的调谐范围，则调整可调谐激光器驱动电路6的注入电路，使可调谐激光器驱1输出波长跳变到最大或者最小波长，当发生跳变的同时，计算机***7通过信号采集与控制电路5发出指令，切换探测器模块4中前置放大器的第二级放大电路，用以消除跳变后信号相位发生反相的现象。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种波长循环调谐补偿干涉型传感器工作点漂移的方法，其特征在于，利用可调谐激光器作光源，使用激光波长循环调谐方法实现双光束干涉型光纤传感器的工作点漂移补偿方法；本方法所用***包括可调谐激光器、环形器、双光束干涉型光纤传感器、探测器模块、信号采集与控制电路、可调谐激光器驱动电路和计算机***；可调谐激光器经光纤与环形器的第一端口相连；环形器的第二端口经单模光纤与双光束干涉型光纤传感器连接；环形器的第三端口与探测器模块连接，探测器模块包含同相前置放大器和反相前置放大器；探测器模块接信号采集与控制电路；信号采集与控制电路将采集到的信息传输到计算机***；计算机***向信号采集与控制电路发出指令；信号采集与控制电路采集探测器模块的信号，控制可调谐激光器驱动电路与探测器模块中的同相前置放大器和反相前置放大器的切换；可调谐激光器驱动电路接收信号采集与控制电路产生的控制信号驱动可调谐激光器；具体步骤如下：
首先扫描可调谐激光器输出光谱，对得到的余弦干涉信号曲线求导，确定导数值最大的波长位置和该波长下的可调谐激光器驱动电流值，最大的波长位置即为Q点波长；然后记录该驱动电流下的干涉信号的直流量平均值，将该直流量平均值设为参考值；双光束干涉型光纤传感器实时获取信号的直流量，将直流量与参考值做比较，当出现偏差时，说明工作点发生了漂移，此时通过比例-积分-微分算法调节可调谐激光器的注入电流，通过微调激光波长跟踪锁定Q点；当输出波长调谐到最大值或最小值时，为了锁定工作点继续增大波长或减小波长，***会自动将输出波长跳变回最小值或最大值进行下一个循环的Q点锁定；当波长从最大值到最小值或从最小值到最大值跳变时，信号采集与控制电路发出信号给探测器模块的同相前置放大器和反相前置放大器，使同相前置放大器与反相前置放大器切换，克服了跳变后信号相位发生反相的现象。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的可调谐激光器是电流调谐分布反馈式半导体激光器，波长调谐在0.5nm以上。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的双光束干涉型光纤传感器的初始光程差≥2.4mm。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，采用自带光强监控功能的可调谐激光器或者在可调谐激光器连接环形器前先连接光纤耦合器用以监控输出可调谐激光器的光强。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，采用自带光强监控功能的可调谐激光器或者在可调谐激光器连接环形器前先连接光纤耦合器用以监控输出可调谐激光器的光强。
6.根据权利要求1、2或5所述的方法，其特征在于，在可调谐激光器与环形器之间设置有隔离器。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在可调谐激光器与环形器之间设置有隔离器。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在可调谐激光器与环形器之间设置有隔离器。
9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的方法，其特征在于，所述的环形器由分光比为50：50的耦合器代替。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的环形器由分光比为50：50的耦合器代替。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20170503 Termination date: 20210403 |