CN108106645A - 基于氰化氢吸收波长参考的光纤光栅传感解调装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于氰化氢吸收波长参考的光纤光栅传感解调装置与方法，该装置包括宽带光源(1)、可调谐F‑P滤波器(2)、光纤一级分束器(3)、光纤环形器(4)、光纤光栅传感阵列(5)、光纤二级分束器(6)、光纤氰化氢气室(7)、法拉第旋转反射镜(8)、光电探测器阵列(9)、数据采集卡(10)、处理单元(11)；利用氰化氢吸收光谱特点，通过提取吸收光谱的吸收峰得到温度稳定的绝对参考波长，有效提高波长解调稳定性。与现有技术相比，本发明实现了温度稳定的光纤光栅解调；无需增加其他硬件即可提取得到绝对参考波长，结构简单且成本低；降低了绝对参考波长的提取难度；提高解调精度，恒定环境温度下的解调精度在2pm内。
Description
技术领域
本发明属于光纤光栅传感技术领域，特别是涉及一种光纤光栅传感高稳定解调装置与解调方法。
背景技术
光纤光栅传感***是以光为载体、光纤为媒介、使用具有质轻径细、耐腐蚀、复用能力强、抗电磁干扰等优点的光纤光栅传感器实现传感测量的***。光纤光栅传感器的反射波长与传感器上作用的应力应变、振动、温度和压力等物理参量有关，通过测量传感器的反射波长即可对传感器上作用的物理参量进行测量。相比传统传感技术，光纤光栅传感技术具有测量范围宽、高精度和高分辨率的特点，在强电磁干扰、易燃易爆或热真空等严酷环境下更具优势。
光纤光栅传感解调方法主要有干涉解调、线性边沿滤波、匹配滤波解调、可调谐F-P滤波器解调、扫描激光器解调等技术。可调谐F-P滤波器解调能够在宽光谱范围内实现高速、高精度解调，是常用的光纤光栅传感解调方法，其通过PZT的逆压电效应实现宽范围内的波长扫描，而PZT迟滞、蠕变和非线性等特性使透射波长与驱动电压不能保持很好的线性度和重复性，因而会影响解调精度。为了校正该非线性效应，需要对F-P可调谐滤波器的真实中心波长进行动态标定。目前常用的标定工具有光纤光栅、标准具等，然而这些标定工具在变温环境下，由于光纤光栅和标准具提供的参考波长会随着环境温度改变而变化导致解调误差较大。因此F-P可调谐滤波器不适用于环境温度变化的测试场合。
光纤气室可以提供不随环境温度变化的绝对参考波长，因此可以利用气室吸收波长对标准具标定的F-P可调谐滤波器中心波长进行二次校正，如专利《基于复合波长参考的光纤光栅传感解调装置及方法》(申请号：2015103149934)所披露的复合波长参考。综上所述，可调谐F-P滤波器解调方法解调精度较差，同时硬件成本较高，难以应用于实际测试当中。
发明内容
为了克服现有技术中环境变温引起的可调谐F-P滤波器透射波长与驱动电压非线性恶化对光纤光栅传感器波长解调稳定性的影响，本发明提出一种基于氰化氢吸收波长参考的光纤光栅传感解调装置与方法，利用氰化氢吸收光谱特点，通过提取吸收光谱的吸收峰得到温度稳定的绝对参考波长，有效提高波长解调稳定性，实现了一种温度稳定且结构简单的光纤光栅解调装置及其解调方法。
本发明的一种基于氰化氢吸收波长参考的光纤光栅传感解调装置，该装置包括宽带光源1、可调谐F-P滤波器2、光纤一级分束器3、光纤环形器4、光纤光栅传感阵列5、光纤二级分束器6、光纤氰化氢气室7、法拉第旋转反射镜8、光电探测器阵列9、数据采集卡10、处理单元11；其中：
宽带光源1发出的光通过一个由电压控制扫描的可调谐F-P滤波器2输出扫频激光，所输出的扫频激光经过光纤一级分束器3按70:30分成两部分光，其中70％的光到达传感链路，30％的光到达波长参考链路；到达传感链路的光进入光纤二级分束器6分成8束，每束光均通过一个光纤环形器4将扫频激光送至光纤光栅传感器阵列5，传感器感知外界待测参量并将其编码到光纤光栅反射光的中心波长上，反射光信号再通过光纤环形器4送至光电探测器9；到达波长参考链路的光经过光纤环形器4进入光纤氰化氢气室7，光纤氰化氢气室7另一侧连接法拉第旋转反射镜8，在法拉第旋转反射镜8反射作用下，光两次穿过光纤氰化氢气室7，然后通过再通过光纤环形器4送至光电探测器阵列9，光电探测器阵列9将所有的光信号转变成电信号经数据采集卡10送至处理单元11进行解调。
本发明的基于氰化氢吸收波长参考的光纤光栅传感解调方法，该方法的具体过程如下：
第1、宽带光源1发出的光通过一个由电压控制扫描的可调谐F-P滤波器2，在三角波或锯齿波电压驱动下输出窄带扫频激光，经过光纤一级分束器3按分成两部分光，其中一部分光到达传感链路，另一部分光到达波长参考链路；
第2步、到达传感链路的光进入光纤二级分束器6分成N束，每束光均通过一个光纤环形器4将窄带扫频激光送至光纤光栅传感器5，传感器感知外界待测量并将其编码到光纤光栅反射光的中心波长上，反射光信号再通过光纤环形器4送至光电探测器阵列9；
第3步、到达波长参考链路的光通过光纤环形器进入光纤氰化氢气室7，光纤氰化氢气室7另一侧连接法拉第旋转反射镜8，光纤氰化氢气室7的透射光经过法拉第旋转反射镜8反射后再次进入光纤氰化氢气室7进行二次吸收，二次吸收后的透射光再通过光纤环形器4送至光电探测器阵列9，光电探测器阵列9将所有的光信号转变成电信号经数据采集卡10送至处理单元11进行解调；
第4步、扫描光源不平坦造成氰化氢吸收光谱中存在基线，去除基线成分后得到最终的氰化氢吸收谱线；
第5步、对去除基线成分的气体吸收峰进行寻峰，然后对峰值位置进行一阶差分，差分结果最大的位置即R0和P1吸收线，将氰化氢气体的R0和P1吸收线作为波长标记，据此自动识别波长标记位置作为波长计算的标记零点，以此作为起始位置向两侧分别提供参考波长；对采集到的光纤光栅传感信号进行寻峰，并根据光纤氰化氢气室提供的采样点-波长关系得到光纤光栅传感信号的中心波长值。
与现有技术相比，本发明具有如下积极效果：
1、本发明提出的基于氰化氢吸收波长参考的光纤光栅解调装置利用光纤氰化氢气室提供绝对参考波长，凭借着氰化氢气室吸收谱线不受温度、冲击等环境因素影响的优点，使得解调装置能够应用于变温、高低温等恶劣操作环境中。基于氰化氢吸收波长参考的光纤光栅解调装置在快速变温过程(2.4℃/min)中，解调出的波长稳定性均在±2.5pm以内，实现了温度稳定的光纤光栅解调。
2、本发明通过利用氰化氢气体吸收光谱吸收间隔不等的特点来提取特征波长，无需增加其他硬件即可提取得到绝对参考波长，结构简单且成本低。在去基线后直接提取光纤氰化氢气室吸收峰，降低了绝对参考波长的提取难度；采用三次样条插值法对可调谐滤波器非线性标定可以提高解调精度，恒定环境温度下的解调精度在2pm内
附图说明
图1为本发明的基于氰化氢吸收波长参考的光纤光栅解调装置结构示意图；
图2为氰化氢气室吸收光谱去基线前后的谱线图；
图3为氰化氢气室吸收光谱波长标记示意图；
图4为氰化氢气室吸收峰峰值提取示意图；
附图标记：1、宽带光源，2、可调谐F-P滤波器，3、光纤一级分束器，4、环形器，5、光纤光栅传感阵列，6、光纤二级分束器，7、氰化氢气室，8、法拉第旋转反射镜，9、光电探测器，10、数据采集卡，11、计算机处理单元。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步的详细描述。
本发明提供的基于氰化氢吸收波长参考的光纤光栅解调装置包括11个部分，其中：
宽带光源1，用于为***提供宽谱光，包括C波段ASE光源、C+L波段ASE光源和SLD光源，功率在0.1mW～40mW；
可调谐F-P滤波器2，用于通过对其驱动电压的调节从宽带光源中滤出波长变化的窄光谱信号，从而形成高稳定度的可调谐激光输出，可调谐F-P滤波器的谱宽在10pm～400pm，自由谱范围为90nm～200nm；
光纤一级分束器3，用于将输入光按照一定的比例分光，包括平面波导型光纤分束器、熔融拉锥式光纤分束器；
光纤环行器4，用于将光纤二级分束器出来的光发送至传感器链路并收集反射信号光，当光源功率大于1mW时，采用光纤耦合器替代以降低***成本；
光纤光栅传感阵列5，用于感知外界待测参量变化，并将其编码到光纤光栅反射波长上；
光纤二级分束器6，用于将输出的可调谐激光分成N束光强和谱形相同的扫描激光，N取值选自2，4，8，16，32，64，128中的一个；
氰化氢气室7，用于提供绝对波长参考，内部填充有氰化氢气体；
法拉第旋转反射镜8，用于通过连接到氰化氢气室一侧，用来将氰化氢气室的透射光进行反射，使得有效吸收光程增加一倍；
光电探测器阵列9，用于将传感通道和参考通道的光信号转化为电压模拟信号；
数据采集卡10，用于采集由光电探测器阵列得到的电压模拟信号；
计算机处理单元11，采用计算机或嵌入式计算***，用于对被测传感光纤光栅的波长进行解调。
本发明同时提供了一种基于氰化氢吸收波长参考的光纤光栅解调方法，该方法的具体过程如下：
第1、宽带光源发出的光通过一个由电压驱动扫描的可调谐F-P滤波器，在三角波或锯齿波电压驱动下周期性的输出扫频激光，经过光纤一级分束器分成两部分光，其中一部分光到达传感链路，另一部分光到达波长参考链路；
第2、到达传感链路的光进入光纤二级分束器分成N束，每束光均通过一个光纤环形器将扫频激光送至光纤光栅传感器，传感器感知外界待测参量并将其编码到光纤光栅反射光的中心波长上，反射光信号再通过光纤环形器送至光电探测器；
第3、到达波长参考链路的光通过光纤环形器将扫频激光送至光纤氰化氢气室，氰化氢气室另一侧连接法拉第旋转反射镜，氰化氢气室的透射光经过法拉第旋转反射镜反射后再次进入氰化氢气室进行第二次吸收，二次吸收后的透射光通过光纤环形器送至光电探测器，光电探测器阵列将所有的光信号转变成电信号经数据采集卡送至处理单元进行解调；
第4、宽带光源经过可调谐F-P滤波器高速扫描后导致扫描光源出现不平坦现象，进而造成氰化氢吸收谱线中存在基线，通过去除基线成分后得到最终的氰化氢吸收谱线。去基线的方法包括滤波法、经验模态分解法等；
第5、氰化氢气体在1525-1565nm范围内存在一系列明显的吸收谱线，其中R0吸收线波长为1541.7528nm，P1吸收线吸收波长为1543.1142nm，其间隔为1.3614nm，而其余吸收波长间隔都小于0.9nm，显著小于R0和P1吸收线之间的间隔，因此将R0和P1吸收线作为波长标记。
第6、对去除基线成分的氰化氢吸收光谱进行寻峰，然后对峰值位置进行一阶差分，差分结果最大的位置即R0和P1吸收线，据此可自动识别波长标记位置作为波长计算的标记零点，以此作为起始位置向两侧分别提供参考波长；对采集到的光纤光栅传感信号进行寻峰，并根据光纤氰化氢气室提供的采样点-波长关系解调得到光纤光栅传感信号的中心波长值。
实施例1：基于氰化氢吸收波长参考的光纤光栅传感解调装置
如图1所示，宽带光源1发出的光通过一个由电压控制扫描的可调谐F-P滤波器2，在三角波或锯齿波电压驱动下输出扫频激光，经过光纤一级分束器3按70:30分成两部分光，其中70％的光到达传感链路，30％的光到达波长参考链路；到达传感链路的光进入光纤二级分束器6分成8束，每束光均通过一个光纤环形器4将扫频激光送至光纤光栅传感器5，传感器感知外界待测参量并将其编码到光纤光栅反射光的中心波长上，反射光信号再通过光纤环形器送至光电探测器9；到达波长参考链路的光经过光纤环形器进入光纤氰化氢气室7，光纤氰化氢气室另一侧连接法拉第旋转反射镜8，在法拉第旋转反射镜反射作用下，光两次穿过光纤氰化氢气室，然后通过再通过光纤环形器送至光电探测器9，光电探测器阵列将所有的光信号转变成电信号经数据采集卡10送至处理单元11进行解调。
实施例2：基于氰化氢吸收波长参考的光纤光栅传感解调方法
上述基于氰化氢吸收波长参考的光纤光栅传感解调装置的解调过程如下：
图1中的宽带光源通过一个由电压控制扫描的可调谐F-P滤波器，在三角波或锯齿波电压驱动下输出扫频激光，经过光纤一级分束器按70:30分成两部分光，其中70％的光到达传感链路，30％的光到达波长参考链路；到达传感链路的光进入光纤二级分束器分成N束，每束光均通过一个光纤环形器将扫频激光送至光纤光栅传感器，传感器感知外界待测参量并将其编码到光纤光栅反射光的中心波长上，反射光信号再通过光纤环形器送至光电探测器；到达波长参考链路的光经过光纤环形器进入光纤氰化氢气室，经过氰化氢气体吸收之后的透射光进入气室另一侧连接的法拉第旋转反射镜，光在法拉第旋转反射镜进行反射后再次进入光纤氰化氢气室进行二次吸收，然后再通过光纤环形器送至光电探测器，光电探测器阵列将所有的光信号转变成电信号经数据采集卡送至处理单元进行解调。
光纤氰化氢气室作为波长参考的方法分为两步：第一，宽带光源经过可调谐F-P滤波器高速扫描后导致扫描光源出现不平坦现象，进而造成氰化氢吸收谱线中存在基线，因此通过去除基线成分后得到最终的氰化氢吸收谱线，氰化氢吸收光谱去基线前后的示意图如图2所示。去基线的方法包括滤波法、经验模态分解法等；第二，对去基线后的氰化氢吸收谱线进行寻峰，然后对峰值位置进行一阶差分。R0吸收线波长为1541.7528nm，P1吸收线吸收波长为1543.1142nm，R0和P1吸收线之间间隔为1.3614nm，其余吸收波长间隔都小于0.9nm，因此将R0和P1吸收线作为波长标记，理想的氰化氢吸收谱线及波长标记示意图如图3所示。在此处的差分结果明显大于其他吸收谱线，据此可自动识别波长标记位置，以此作为起始位置向两侧分别提供参考波长。对采集到的光纤光栅传感信号进行寻峰，并根据光纤氰化氢气室提供的采样点-波长关系解调得到光纤光栅传感信号的中心波长值。
图4是气体吸收峰峰值提取示意图，低于常压时采用高斯拟合，高于等于常压时采用洛伦兹拟合。
Claims (2)
1.一种基于氰化氢吸收波长参考的光纤光栅传感解调装置，其特征在于，该装置包括宽带光源(1)、可调谐F-P滤波器(2)、光纤一级分束器(3)、光纤环形器(4)、光纤光栅传感阵列(5)、光纤二级分束器(6)、光纤氰化氢气室(7)、法拉第旋转反射镜(8)、光电探测器阵列(9)、数据采集卡(10)、处理单元(11)；其中：
宽带光源(1)发出的光通过一个由电压控制扫描的可调谐F-P滤波器(2)输出扫频激光，所输出的扫频激光经过光纤一级分束器(3)按70:30分成两部分光，其中70％的光到达传感链路，30％的光到达波长参考链路；到达传感链路的光进入光纤二级分束器(6)分成8束，每束光均通过一个光纤环形器(4)将扫频激光送至光纤光栅传感器阵列(5)，传感器感知外界待测参量并将其编码到光纤光栅反射光的中心波长上，反射光信号再通过光纤环形器(4)送至光电探测器(9)；到达波长参考链路的光经过光纤环形器(4)进入光纤氰化氢气室(7)，光纤氰化氢气室(7)另一侧连接法拉第旋转反射镜(8)，在法拉第旋转反射镜(8)反射作用下，光两次穿过光纤氰化氢气室(7)，然后通过再通过光纤环形器(4)送至光电探测器阵列(9)，光电探测器阵列(9)将所有的光信号转变成电信号经数据采集卡(10)送至处理单元(11)进行解调。
2.一种依据权利要求1所述装置的基于氰化氢吸收波长参考的光纤光栅传感解调方法，其特征在于该方法的具体过程如下：
第(1)步、宽带光源(1)发出的光通过一个由电压控制扫描的可调谐F-P滤波器(2)，在三角波或锯齿波电压驱动下输出窄带扫频激光，经过光纤一级分束器(3)按分成两部分光，其中一部分光到达传感链路，另一部分光到达波长参考链路；
第(2)步、到达传感链路的光进入光纤二级分束器(6)分成N束，每束光均通过一个光纤环形器(4)将窄带扫频激光送至光纤光栅传感器(5)，传感器感知外界待测量并将其编码到光纤光栅反射光的中心波长上，反射光信号再通过光纤环形器(4)送至光电探测器阵列(9)；
第(3)步、到达波长参考链路的光通过光纤环形器进入光纤氰化氢气室(7)，光纤氰化氢气室(7)另一侧连接法拉第旋转反射镜(8)，光纤氰化氢气室(7)的透射光经过法拉第旋转反射镜(8)反射后再次进入光纤氰化氢气室(7)进行二次吸收，二次吸收后的透射光再通过光纤环形器(4)送至光电探测器阵列(9)，光电探测器阵列(9)将所有的光信号转变成电信号经数据采集卡(10)送至处理单元(11)进行解调；
第(4)步、扫描光源不平坦造成氰化氢吸收光谱中存在基线，去除基线成分后得到最终的氰化氢吸收谱线；
第(5)步、对去除基线成分的气体吸收峰进行寻峰，然后对峰值位置进行一阶差分，差分结果最大的位置即R0和P1吸收线，将氰化氢气体的R0和P1吸收线作为波长标记，据此自动识别波长标记位置作为波长计算的标记零点，以此作为起始位置向两侧分别提供参考波长；对采集到的光纤光栅传感信号进行寻峰，并根据光纤氰化氢气室提供的采样点-波长关系得到光纤光栅传感信号的中心波长值。
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