CN108120525B - 光纤光栅温度/应变传感***及其解调方法 - Google Patents
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Abstract
一种光纤光栅温度/应变传感***及其解调方法，通过窄线宽激光光源模块产生的种子激光通过相位调制模块产生边带后，经环形器以及有源光纤光栅模块中的波分复用器注入受到泵浦光激发的有源光纤光栅；返回光与环形器相连的光电探测器进行光电转换得到拍频信号，由锁相放大器提取出相位调制频率处的分量，即反映窄线宽激光器与有源光纤光栅的中心频率偏差的误差信号，反馈控制模块籍由误差信号产生反馈电压信号以控制窄线宽激光器的中心频率，实现窄线宽激光器与有源光纤光栅之间的注入锁定。本发明能够达到pε的准静态精度；且具有应变灵敏度可调的特性；可以有效解决光纤激光传感器中的模式跳变、豫弛震荡和低频相位噪声的问题。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种光纤传感领域的技术，具体是一种高分辨率光纤光栅温度/应变传感***及其解调方法。
背景技术
应变传感技术被广泛地应用于工程领域，比如水下声场监测、结构健康监测、石油管道安全监测、地震波监测等。传统的应变传感器一般是机械式或者电磁式的，存在很多问题，比如：在强电场环境中，传统应变传感器易受电磁干扰，无法正常工作；在易燃易爆环境中，会产生电火花，引发事故；在水下或者地下环境中，电器件会发生腐蚀；在要求阵列化的应用场合，传统应变传感器难以连成大规模阵列。这些缺陷严重地限制了传统应变传感器的实际应用。
自从20世纪70年代光纤被发明以来，光纤传感技术也随之蓬勃发展。近年来由于光刻技术的发展，在光纤上刻制光栅技术的成熟，光纤光栅传感技术一直是光纤传感领域的热点。光纤光栅传感器以其小尺寸、低成本、复用能力强、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点，为解决超细线阵和大规模传感阵列应用工程问题提供了新的解决方法。光纤光栅按照有无掺杂增益介质可以分为无源光纤光栅与有源光纤光栅。
无源光纤光栅传感器较早得到研究，当受外界应变作用时，光纤光栅长度发生变化，导致反射谱发生漂移。反射谱的漂移量与应变大小成正比。第一种解调方案，也是最常用的干涉仪解调法，采用宽谱光源入射光纤布拉格光栅(FBG)，频率满足Bragg条件的光将被FBG反射，不满足的则透射。再利用臂长差很小的MZ干涉仪解调窄带反射光波长变化，从而得到外界应变信息。此种方案虽然具有成本低，易于复用的特点，但是由于FBG反射带宽很宽，因而在灵敏度性能上难以提高。第二种，是近年来出现的PDH解调技术，采用单频激光器锁定在FBG的反射峰边缘、PSFBG(π相移FBG)或者FFPI(光纤FP腔)的谐振峰，应变分辨率甚至可以达到几百fε，然而，PDH解调方案存在一些不足之处：a、这种方案的应变精度直接受到单频激光器的频率稳定度影响，这对于激光器的稳频性能提出了很高的要求；b、在长距离、大规模复用传感应用场合，信号光的功率衰减使得***应变精度降低。
有源光纤光栅传感器也称为光纤激光传感器，主要分为分布布拉格反射式光纤激光(DBR-FL)传感器以及分布反馈式光纤激光(DFB-FL)传感器。DBR-FL与DFB-FL的输出波长与其谐振腔的谐振频率保持一致，因而光纤激光器在外界应变信号作用下，激光器的输出激光中心波长也随之发生漂移。由于激光谐振腔对于外界信号非常敏感，并且DBR-FL与DFB-FL的输出光的线宽很窄，可以达到几kHz，远远小于FBG的带宽。再利用干涉仪解调技术，可以实现很高精度的应变传感，这种方案的应变精度可达7fε@7kHz，迄今为止一直保持着高精度光纤应变传感领域的世界纪录。
尽管光纤激光传感器具有很多的优越特性以及诱人前景，但是这种技术还远没有成熟，还有许多理论和工程上的问题需要解决。光纤激光传感器中存在的一些主要问题如下：a、激光器模式控制问题，在微弱信号的检测中，要求谐振腔尽可能长以减低最小可测信号强度，同时谐振腔也要求一定的长度来保证输出功率。然而谐振腔变长将会产生多模激发；b、光纤激光传感器依赖于干涉仪解调，而干涉仪会受到外界低频噪声(如温度、振动)影响，因而降低了低频段的应变精度；c、光纤激光器的噪声问题，任何自由运转的激光器不可避免的存在一定的强度与相位噪声，从而影响光纤激光传感器的精度。
发明内容
本发明针对现有光纤光栅传感技术存在的不足，提出一种光纤光栅温度/应变传感***及其解调方法，利用注入锁定与PDH锁频技术来解调有源光纤光栅输出激光的中心频率漂移，即使在探测光功率低至nW的情况下，仍然能够实现高精度传感。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种光纤光栅温度/应变传感***，包括：依次相连的窄线宽激光光源模块、相位调制模块、环形器和有源光纤光栅模块，其中：环形器的输出端依次设有光电转换模块、锁相放大器和反馈控制模块，反馈控制模块的输出端与窄线宽激光光源模块的控制端相连，窄线宽激光光源模块产生的种子激光通过相位调制模块产生边带后，经环形器以及有源光纤光栅模块中的波分复用器注入受到泵浦光激发的有源光纤光栅；返回光与环形器相连的光电探测器进行光电转换得到拍频信号，由锁相放大器提取出相位调制频率处的分量，即反映窄线宽激光器与有源光纤光栅的中心频率偏差的误差信号，反馈控制模块籍由误差信号产生反馈电压信号以控制窄线宽激光器的中心频率，实现窄线宽激光器与有源光纤光栅之间的注入锁定。
所述的反馈控制模块包括：依次连接的数据采集卡、用于输出反馈电压信号的任意波形发生器、用于解析采集到的数据并生成反馈指令以控制数据采集卡和任意波形发生器的计算单元和压电控制器，其中：数据采集卡对输入的电信号进行采样，压电控制器实现对反馈电压信号的线性放大。
所述的反馈电压信号，优选进一步包括有源光纤光栅的中心频率漂移信息，即包含了作用于有源光纤光栅上的温度/应变信号。
所述的窄线宽激光光源模块优选采用：带有可调光衰减器的窄线宽光纤激光器。
所述的相位调制模块优选采用：带有信号发生器的相位调制器。
所述的有源光纤光栅模块包括：波分复用器和分别与之相连的有源光纤光栅。
所述的有源光纤光栅模块中可以选择性进一步设置泵浦激光器。
所述的有源光纤光栅作为***中的传感器件，优选为具有相移光纤光栅的掺饵光纤。
所述的光电转换模块优选采用：雪崩光电探测器。
本发明涉及一种基于上述***的相位调制光外差稳频(PDH)方法，通过对单频激光进行相位调制，将得到的载波和两个一阶边带注入光学谐振腔；籍由光学谐振腔的传输特性对载波光与边带光产生不同的调制；然后从光学谐振腔的返回光的拍频信号中提取在相位调制频率处的分量作为纵坐标，以频率偏差为横坐标得到鉴频曲线；最后通过闭环反馈控制单频激光或者光学谐振腔的中心频率，使得两者保持对准和锁定。
所述的调制包括：改变相位与强度，改变量是频率的函数。
所述的光学谐振腔为有源光纤光栅。
所述的传输特性是指有源光纤光栅的反射强度谱与相位谱。
所述的鉴频曲线是指：误差信号与频率偏差的关系曲线，通过控制窄线宽单频激光器进行线性扫频，采集到的拍频信号中提取在相位调制频率处的分量与时间作图，即可得到鉴频曲线。
本发明涉及一种基于上述方法的注入锁定应用，将主激光器发出的激光注入到从激光器中，当主从激光器频率差在注入锁定范围内，则从激光器的中心波长将与主激光器保持锁定且锁定后，主从激光器之间的相位差取决于两者之间的中心频率偏差。
所述的主激光器功率小于从激光器功率，优选主激光器采用窄线宽单频激光器，优选从激光器采用具有泵浦激光器并激活增益的有源光纤光栅，进一步优选采用DFB型的有源光纤光栅，即DFB光纤激光器。
所述的注入锁定应用，在锁定范围内，相位差与中心频率偏差具有近似线性的关系。
所述的注入锁定范围是指：主从激光器能发生注入锁定所允许的最小频率差，即
其中：τp为光子在腔中的寿命、Pin是指主激光器注入到从激光器的光功率、P是在有外部光注入下，从激光器输出的光功率。
技术效果
本发明与现有PDH解调技术相比，具有以下几种优势：
a、低功率要求；对窄线宽单频激光器的功率要求很低，甚至低至pW级；相对于无源光纤光栅传感***的PDH解调技术，对探测光的功率要求降低了40dB。有效解决了长距离与大规模复用传感应用中光功率衰减导致的应变精度恶化的问题。
b、应变灵敏度可调；鉴频曲线中心工作区宽度等于注入锁定的锁定带宽：
通过控制注入比率可以控制中心工作区宽度；对于本***中所用的DFB型有源光纤光栅，可控范围从100kHz～25MHz；窄的中心线性区意味着更高的应变灵敏度，宽的中心工作区意味着更大的动态范围；因而可以根据特定的应用场合选择合适的鉴频曲线。图2(a)展示了施加泵浦之后得到的PDH信号，即使在0.1nW的探测光功率下，PDH信号的信噪比仍然很良好，并且PDH工作区宽度仅有0.33MHz；与之相比，图2(b)展示了不加泵浦光下的PDH信号，明显PDH工作区宽度展宽了，并且信噪比恶化。图3展示了不同注入比率下的得到的PDH工作区宽度。在本发明之前，还未有能实现中心工作区宽度可调的PDH鉴频曲线。
本发明与现有光纤激光传感器的干涉仪解调技术相比，具有以下几种优势：
a、克服了光纤激光器传感器的模式跳变问题；在微弱信号的检测中，要求谐振腔尽可能长以减低最小可测信号强度，同时谐振腔也要求一定的长度来保证输出功率。然而谐振腔变长将会产生模式跳变。然而在本发明中，利用注入锁定技术，注入种子光到从激光器腔中，消除了模式跳变。
b、提升光纤激光器传感***在低频段的应变精度；自由运转的激光器存在很大的低频噪声，然而在注入锁定***中，主从激光器的相位保持锁定，因而从激光器的低频相位噪声取决于主激光器；现有的光纤激光传感***绝大多数采用干涉仪解调，然而非平衡干涉仪不可避免会受到外界低频的温度、应变噪声；从而影响传感***在低频段的传感精度。本发明中基于注入锁定与PDH锁频技术的解调方案可以改善光纤激光器传感***在低频段的传感精度。
c、减低了解调***的空间复杂性与体积；在光纤激光传感***的干涉仪解调方案中，要想提高传感精度，非平衡干涉仪的臂长差必须足够的长；尤其在大规模复用的应用场合，解调***会变得非常复杂，体积也很大。本发明中基于注入锁定与PDH锁频技术的解调方案有利于实现解调***的集成化。
附图说明
图1为有源光纤光栅传感***示意图；
图中：1为窄线宽激光器，2为可调光衰减器，3为相位调制器，4为信号发生器，5为环形器，6为980nm泵浦激光器，7为980nm/1550nm波分复用器，8为有源光纤光栅，9为光电探测器，10为锁相放大器，11为数据采集卡，12为计算单元，13为任意波形发生器，14为压电控制器；
图2(a)是打开泵浦光后得到的PDH信号，图2(b)是关闭泵浦光后得到的PDH信号；
图3展示了不同的注入比率下的PDH中心工作区宽度。；
图4中为在主从激光器功率比为
下，得到的应变信号的功率谱密度示意图；
图5为在不同的探测光功率Pin下，得到的应变传感精度(@150Hz)；
图5中：圆形标记线代表未加泵浦的情况下，应变精度与主激光器注入功率Pin的关系；正方形标记线代表在施加泵浦，保持从激光器输出功率为100nW的情况下，应变精度与主激光器注入功率Pin的关系；
图6为DFB型有源光纤光栅的注入锁定峰与相位谱示意图；在相位谱中，由于在注入锁定范围之外，主从激光器的之间不存在恒定的相位差，难以表示其相位关系，故用虚线表示；
具体实施方式
如图1所示，本实施例包括：窄线宽激光光源模块、相位调制器模块、环形器5、有源光纤光栅模块、光电转换模块、锁相放大器和反馈控制模块，其中：窄线宽激光光源模块产生一定光功率的单频种子激光，相位调制器模块对种子光进行相位调制，产生载波与边带，并从环形器1和2端口进入有源光纤光栅模块；进入有源光纤光栅的种子激光将控制有源光纤光栅输出的激光的频率和相位，有源光纤光栅输出的激光经环形器2和3端口进入光电转换模块，实现光信号与电信号的转换得到拍频信号；锁相放大器从拍频信号中提取特定频率(相位调制频率)的分量，得到误差信号，并放大后输出；反馈控制模块中，数据采集卡对锁相放大器输出的误差信号进行采集，计算单元进行信号处理得到反馈电压信号，并通过任意波形发生器输出，反馈电压经压电控制器放大后以控制窄线宽激光器的中心频率。
所述的窄线宽激光光源模块包括：依次相连的窄线宽光纤激光器1和可调光衰减器2，通过调整可调光衰减器的衰减系数，从而改变注入锁定***中主激光器的注入功率Pin。
所述的相位调制模块包括：相位调制器3以及信号发生器4，信号发生器4用于产生相位调制信号，相位调制波形为正弦波形，相位调制频率1MHz，相位调制电压2V。
所述的有源光纤光栅模块包括：980nm的泵浦激光器6、980nm/1550nm波分复用器7、有源光纤光栅8，其中：有源光纤光栅使用铒离子作为增益介质，光栅结构为π相移光纤光栅，栅区长度40mm，谐振峰线宽25MHz；可以通过调整泵浦光功率，改变从激光器的输出功率P。
所述的光电探测器9为雪崩光电探测器FPD，最大输入功率10mW，带宽0～200MHz。
所述的锁相放大器10，时间常数设置为10us。
所述的反馈控制模块包括：数据采集卡11、计算单元12、任意波形发生器13、压电控制器14。
所述的数据采集卡11精度为18bit；任意波形发生器13精度为18bit。
所述的压电控制器输入电压范围0～10V，输出电压范围0～75V，电压放大系数7.5。
所述的计算单元12在本实施中，用于实验仪器控制与信号处理。
本实施例涉及上述***的工作过程，具体包括以下步骤：
步骤1、首先进行扫频操作，以确定窄线宽激光器1与有源光纤光栅8的输出激光中心波长的相对位置。首先通过控制激光器温度使激光的波长进行大范围扫频；计算单元12控制任意波形发生器13产生三角波信号，以控制窄线宽激光器1反复小范围扫频；大范围扫频与小范围扫频同时进行。计算单元12控制数据采集卡11对误差信号进行采集；扫频三角波信号幅度2V，电压偏置2V，频率20Hz，扫频频率与扫频电压比值为73MHz/V；数据采集卡采样率200kHz，采样点10000。
步骤2、观察采集到的误差电压信号，如果能够观察到PDH鉴频曲线，说明窄线宽激光器1与有源光纤光栅8的输出激光中心波长足够接近；此时暂停大范围扫频。
步骤3、对采集到的扫频信号与PDH鉴频曲线进行计算，得到PDH曲线过零点处所对应的扫频电压值，记为V(1)；此时暂停小范围扫频。
步骤4、下面开始进行锁频操作，控制任意波形发生器输出电压值V(1)，以进行首次锁频操作。
步骤5、重新设置数据采集卡采样率50kHz，采样点数10，记为e(1),e(2)......e(10)。对这10个点做平均，并计算
其中ρ为反馈系数，反馈系数的大小根据PDH曲线中心线性区斜率而定。
步骤6、再控制任意波形发生器输出电压值V(2)，进行第二次锁频，同时按照步骤5得到e(11),e(12)......e(20)，以及V(3)，一次锁频操作用时0.2ms，反馈频率为5kHz。
步骤7、一直重复步骤6；
步骤8、在锁频稳定后采集数据，采集500k个反馈电压V(n)的值，对应采样时间100s。
步骤9、改变主激光器注入功率Pin，重复上述过程，得到不同探测光功率下的传感数据。
在步骤4到步骤7中的操作即是PDH锁频的过程，反馈控制模块通过输出反馈电压值V(n)，反馈给激光器的Piezo控制端，来实现窄线宽单频激光器与有源光纤光栅之间的注入锁定。反馈信号V(n)即代表了有源光纤光栅谐振频率的漂移，也即外界加在有源光纤光栅上的应变/温度信号。
锁定状态特点与判定方法：如果***处于锁定状态下，误差信号e将是零均值的，且波动值较小；判定方法：改变窄线宽单频激光器的中心波长，如果反馈电压信号V呈现剧烈的单调增加或者减小，则***处于锁定状态；反之则失锁。
在本实施例中，有源光纤光栅处于松弛状态，至于恒温环境中，并使用喇叭施加150Hz的声音信号。并根据测得的扫频系数73MHz/V与光纤应变系数135kHz/nε，可以将反馈电压信号转换成应变信号。图4展示了测得的应变功率谱密度；整体来看，应变噪底从1Hz到1kHz都在
以下，在150Hz处，应变精度在
测得所施加的声音导致的应变大小为80pε。
在本实施例中，我们在不同的主激光器注入功率Pin下，得到多组传感数据；图5展示了在不同的主激光器注入功率下，在150Hz处的应变精度。圆形标记线代表未加泵浦的情况下，应变精度与主激光器注入功率Pin的关系；未加泵浦的情况下，这也是经典的PDH解调方案，可以看到当光功率低于-25dBm(3uW)时，应变精度开始随着功率的衰减而恶化。正方形标记线代表在施加泵浦，保持从激光器输出功率为100nW的情况下，应变精度与主激光器注入功率的关系，我们可以看到，即使主激光器的注入功率衰减到-65dBm(0.3nw)，也没有任何的应变精度的恶化。图5中的结果很好的证明了本发明在超低光功率下的仍然具有很高的应变传感精度。对于图5中的圆形标记线，当增大光功率时，应变噪低最终稳定在
左右，这证实了应变噪低主要来源于主激光器的频率噪声，而不是强度噪声。
本实施例基于PDH与注入锁定技术对有源光纤光栅传感***进行解调，在探测光功率低至-65dBm的情况下，成功的解调出了施加的150Hz的声音信号，应变精度在1Hz到1kHz的频率范围内都优于
本实施例在不同的光功率下，测得了多组传感数据，证实了本发明在超低光功率的情况下仍然具有很高的应变精度；并且PDH中心工作区宽度可调的特性使得***具有应变灵敏度可调。并且由于采用注入锁定技术，有源光纤光栅的输出激光处于受控状态，可以有效的抑制有源光纤光栅中的低频相位噪声、豫弛震荡、模式跳变等问题。因此本发明相对于其他的解调方案，具有无可比拟的优势。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (13)
1.一种光纤光栅温度/应变传感***，其特征在于，包括：依次相连的窄线宽激光光源模块、相位调制模块、环形器和作为光学谐振腔的有源光纤光栅模块，其中：环形器的输岀端依次设有光电转换模块、锁相放大器和反馈控制模块，反馈控制模块的输岀端与窄线宽激光光源模块的控制端相连，窄线宽激光光源模块产生的种子激光通过相位调制模块产生边带后，经环形器以及有源光纤光栅模块中的波分复用器注入受到泵浦光激发的有源光纤光栅；返回光与环形器相连的光电转换模块进行光电转换得到拍频信号，由锁相放大器提取出相位调制频率处的分量，即反映窄线宽激光与有源光纤光栅的中心频率偏差的误差信号，反馈控制模块籍由误差信号产生反馈电压信号以控制窄线宽激光的中心频率，实现窄线宽激光与有源光纤光栅之间的注入锁定。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅温度/应变传感***，其特征是，所述的反馈控制模块包括：依次连接的数据采集卡、用于输出反馈电压信号的任意波形发生器、用于解析采集到的数据并生成反馈指令以控制数据采集卡和任意波形发生器的计算单元和压电控制器，其中：数据采集卡对输入的电信号进行采样，压电控制器实现对反馈电压信号的线性放大。
3.根据权利要求2所述的光纤光栅温度/应变传感***，其特征是，所述的反馈电压信号，进一步包括有源光纤光栅的中心频率漂移信息，即包含了作用于有源光纤光栅上的温度/应变信号。
4.根据权利要求1所述的光纤光栅温度/应变传感***，其特征是，所述的窄线宽溦光光源模块采用：带有可调光衰减器的窄线宽光纤激光器。
5.根据权利要求1所述的光纤光栅温度/应变传感***，其特征是，所述的有源光纤光栅模块包括：波分复用器和与之相连的有源光纤光栅。
6.根据权利要求5所述的光纤光栅温度/应变传感***，其特征是，所述的有源光纤光栅模块中进一步设有泵浦激光器，该泵浦激光器经波分复用器与有源光纤光栅相连。
7.一种基于权利要求6所述***的相位调制光外差稳频方法，其特征在于，通过对单频激光进行相位调制，将得到的载波和两个一阶边带注入光学谐振腔；籍由光学谐振腔的传输特性对载波光与边带光产生不同的调制；然后从光学谐振腔的返回光的拍频信号中提取在相位调制频率处的分量作为纵坐标，以频率偏差为横坐标得到鉴频曲线；最后通过闭环反馈控制单频激光或者光学谐振腔的中心频率，使得两者保持对准和锁定。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征是，所述的调制包括：改变相位与强度，改变量是频率的函数。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征是，所述的传输特性是指有源光纤光栅的反射强度谱与相位谱。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征是，所述的鉴频曲线是指：误差信号与频率偏差的关系曲线，通过控制窄线宽激光光源模块进行线性扫频，采集到的拍频信号中提取在相位调制频率处的分量与时间作图，即鉴频曲线。
11.一种基于权利要求7～10中任一所述方法的注入锁定应用，其特征在于，将窄线宽激光光源模块发出的激光注入到光纤光栅温度/应变传感***的泵浦激光器中用于锁定泵浦激光器的中心频率，当窄线宽溦光光源模块与泵浦激光器频率差在注入锁定范围内，则泵浦激光器的中心波长将与窄线宽激光光源模块保持锁定，且锁定后窄线宽溦光光源模块与泵浦激光器之间的相位差取决于两者之间的中心频率偏差。
12.根据权利要求11所述的应用，其特征是，所述的窄线宽激光光源模块采用窄线宽单频激光器，泵浦激光器采用具有泵浦激光器并激活增益的有源光纤光栅。
13.根据权利要求11所述的应用，其特征是，所述的注入锁定应用，在锁定范围内，相位差与中心频率偏差具有近似线性的关系；窄线宽溦光光源模块与泵浦激光器之间的注入锁定范围，即
其中：τp为光子在腔中的寿命、Pin是指窄线宽激光光源模块注入到泵浦激光器的光功率，P是在有外部光注入下，泵浦激光器输出的光功率。
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Denomination of invention: Fiber Bragg Grating Temperature/Strain Sensing System and Its Demodulation Method Effective date of registration: 20230612 Granted publication date: 20200811 Pledgee: Zhejiang Tailong Commercial Bank Co.,Ltd. Ningbo Fenghua sub branch Pledgor: Ningbo Lianhe Photonics Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2023980043565 |