CN108489647B - 一种解调保偏光纤中动态应力频率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种解调保偏光纤中动态应力频率的方法，利用白光干涉偏振耦合测试***实现。步骤如下：利用迈克尔逊干涉仪扫描获得保偏光纤受动态应力时的干涉图；根据移动镜扫描时光电探测器采集的干涉图计算动态耦合点的位置；根据动态耦合点的位置调节迈克尔逊干涉仪中的移动镜，使迈克尔逊干涉仪刚好补偿保偏光纤中产生的光程差；采集迈克尔逊干涉仪补偿保偏光纤中的光程差时，光电探测器处干涉光强的变化；对光电探测器采集的干涉光强信号进行时频分析，根据时频分析结果获得动态应力的瞬时频率信息。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种保偏光纤中动态应力频率的测量与解调方法。
背景技术
近年来，分布式光纤振动传感技术取得了很大的进展，由于具有高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀、频带宽、动态范围大等优点，在长距离基础设施的健康监测；机场、居民小区等重要区域的入侵检测等领域取得了广泛的应用。
目前分布式光纤振动传感技术根据原理可以分为基于干涉原理的分布式光纤传感和基于后向散射原理的分布式光纤振动传感。基于干涉原理的分布式光纤传感技术有Sagnac干涉仪，Michelson干涉仪，Mach-Zehnder干涉仪，以及基于以上三种结构的复合型干涉结构。如申请公布号为CN102564564A的发明专利“一种基于非平衡迈克尔逊光纤干涉仪的非接触微振动测量***”中，采用Michelson光纤干涉仪与基于反正切计算的相位生成载波相位解调技术的结合，实现对非接触微振动的在线测量。基于后向散射原理的分布式光纤振动传感技术通常利用光纤中包括瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射在内的后向散射来测量沿传感光纤的环境变化。如申请公布号为CN106679790A的发明专利“一种提高分布式光纤振动传感灵敏度的互相关解调方法”中，采用基于相位敏感光时域反射仪的传感***，将高相干窄线宽光源分为两路，一路经脉冲调制器调制为光脉冲序列并放大后注入传感光纤，光纤中的后向瑞利散射光与另一路经移频器移频的本振光进行外差拍频获得拍频信号，并对拍频信号中的幅度和相位信息进行互相关运算，从而实现振动相关信息的准确提取。申请公布号为CN105651373A的发明专利“一种基于偏振光时域反射技术中测量两点同频振动的方法”中，将多个连续的光脉冲注入光纤中得到后向散射信号，对每个位置上后向散射信号光强做傅里叶变化，从频谱中可找到第一个振动点的位置和频率；然后根据傅里叶变化结果计算该频率信号在第一个振动点后的每个光纤位置的相位，通过对比相位的变化，可实现对第二个同频振动信号的定位。然而，这些基于后向散射原理的传感器中后向散射光的功率值极低，因此需要大量的波形平均来获得高信噪比，使***探测振动频率范围受到限制。
基于白光干涉的分布式偏振耦合测试***具有动态范围大，空间分辨率高，精度高等优点，被广泛应用在应力、温度、位置等物理参数测量。如申请公布号为CN104006948A的发明专利“基于多峰***周期解调保偏光纤偏振耦合点位置的方法”中利用分布式偏振耦合测试***中多峰***现象，对多峰***周期进行计算，实现了静态偏振耦合点相对位置的测量，但仅适用于静态应力情况。
发明内容
本发明提供一种能够实现保偏光纤中动态应力频率测量方法。技术方案如下：
一种解调保偏光纤中动态应力频率的方法，利用白光干涉偏振耦合测试***实现。步骤如下：
(1)利用迈克尔逊干涉仪扫描获得保偏光纤受动态应力时的干涉图；
(2)根据移动镜扫描时光电探测器采集的干涉图计算动态耦合点的位置：l＝ΔZ/Δn，其中l表示保偏光纤受力点距出射端距离，ΔZ表示迈克尔逊干涉仪两臂光程差，Δn为保偏光纤双折射大小；
(3)根据动态耦合点的位置调节迈克尔逊干涉仪中的移动镜，使迈克尔逊干涉仪刚好补偿保偏光纤中产生的光程差；
(4)采集迈克尔逊干涉仪补偿保偏光纤中的光程差时，光电探测器处干涉光强的变化；
(5)对光电探测器采集的干涉光强信号进行时频分析，根据时频分析结果获得动态应力的瞬时频率信息。
优选地，步骤(1)中，由超辐射发光二极管发出高斯光束，经起偏器后成为线偏振光进入保偏光纤，在保偏光纤某一位置处，由压电陶瓷对保偏光纤产生动态耦合点，从而线偏振光耦合至正交偏振态；在光纤出射端，扩束镜将光纤中的光变为平行光，可旋转半波片用来调整两正交偏振态的光与检偏器透光轴之间的夹角，使之成45°，检偏器将两偏振态的光投影至同一方向上；随后光进入迈克尔逊干涉仪，由分束器将光分为两束，一束反射至固定镜，一束透射至可移动反射镜，移动镜扫描使两束光产生光程差，两束光经固定镜和移动镜反射后再次经过分束器，经汇聚透镜在光电探测器处发生干涉，光电探测器接收信号经数据采集卡传输至计算机，得到保偏光纤受动态应力时的干涉图。
本发明利用白光干涉偏振耦合测试***实现对动态应力的频率测量，通过白光干涉偏振耦合测试***中迈克尔逊干涉仪移动镜扫描获得保偏光纤受动态应力时的干涉图，从干涉图中获取动态应力的位置信息。然后调节迈克尔逊干涉仪中移动镜，使迈克尔逊干涉仪产生的光程差刚好补偿保偏光纤中产生的光程差，光电探测器采集干涉光强。对光电探测器采集信号做傅里叶变换或小波变换，即可得到动态应力的频率或时频分布信息。该测量方法能够对光纤上任意一点的动态应力进行实时监测，并且能够实现kHz以上动态应力的频率测量。
附图说明
图1为利用保偏光纤白光干涉***解调动态应力流程图；
图2为白光干涉偏振耦合测试***装置示意图；
图3为迈克尔逊干涉仪移动镜扫描时获得的动态耦合点干涉图；
图4(a)为1.5Vpp,50Hz正弦信号测量结果，图4(b)为图4(a)的傅里叶变换频谱；图4(c)为500mVpp,1kHz正弦信号测量结果，图4(d)为图4(c)的傅里叶变换频谱；图4(e)为600mVpp,50Hz锯齿波信号测量结果，图4(f)为图4(e)的傅里叶变换频谱；图4(g)为500mVpp,50Hz方波信号测量结果，图4(h)为图4(g)的傅里叶变换频谱；
图5(a)为一个周期内的啁啾信号的实验测量结果，图5(b)为三个周期内光电探测器接收信号的小波时频分布图；
图6(a)为一个周期内频移键控信号的实验测量结果，图6(b)为两个周期内光电探测器接收信号的小波时频分布图。
具体实施方式
本发明的利用迈克尔逊白光干涉仪实现保偏光纤中动态应力频率解调的方法，具体操作流程如图1所示：
1)利用白光干涉偏振耦合测试***迈克尔逊干涉仪扫描获得保偏光纤受动态应力时的干涉图：由超辐射发光二极管发出高斯光束，经起偏器后成为线偏振光进入保偏光纤，在保偏光纤某一位置处，由一个压电陶瓷对保偏光纤产生动态耦合点，从而线偏振光耦合至正交偏振态；在光纤出射端，扩束镜将光纤中的光变为平行光，可旋转半波片用来调整两正交偏振态的光与检偏器透光轴之间的夹角，使之成45°，检偏器将两偏振态的光投影至同一方向上；随后光进入迈克尔逊干涉仪，由分束器将光分为两束，一束反射至固定镜，一束透射至可移动反射镜，移动镜扫描使两束光产生光程差，两束光经固定镜和移动镜反射后再次经过分束器，经汇聚透镜在光电探测器处发生干涉，光电探测器接收信号经数据采集卡传输至计算机；
2)根据移动镜扫描时光电探测器采集的干涉图计算动态耦合点的位置：l＝ΔZ/Δn，其中l表示保偏光纤受力点距出射端距离，ΔZ表示迈克尔逊干涉仪两臂光程差，Δn为保偏光纤双折射大小；
3)根据动态耦合点的位置调节迈克尔逊干涉仪中的移动镜，使迈克尔逊干涉仪刚好补偿保偏光纤中产生的光程差；
4)采集迈克尔逊干涉仪补偿保偏光纤中的光程差时，光电探测器处干涉光强的变化；
5)对光电探测器采集的干涉光强信号进行时频分析，根据时频分析结果可以获得动态应力的瞬时频率信息。
图2为白光干涉偏振耦合测试***装置图，由超辐射发光二极管发出中心波长为1310nm，光谱半高宽度为18.7nm的高斯光束，经过起偏器后耦合至保偏光纤慢轴。保偏光纤受到的动态应力由压电陶瓷产生，由一个信号发生器提供电压信号，并用一个压电控制器对信号发生器输出的电压信号进行放大。当动态应力作用于保偏光纤时，会有一部分光耦合至光纤快轴，快慢轴的光在光纤中以不同速度传输，产生光程差。光经过扩束镜后成为空间光，可旋转半波片用来调整两正交偏振态与检偏器之间的夹角，检偏器将两个偏振态的光调整至同一方向上。迈克尔逊干涉仪用来扫描保偏光纤中产生的光程差获得干涉图，并被光电探测器接收，经数据采集卡传输至计算机。
图3为迈克尔逊干涉仪扫描获得的白光干涉图。根据干涉图中次级大位置调节迈克尔逊干涉仪移动镜，使迈克尔逊干涉仪两臂光程差正好补偿保偏光纤中产生的光程差，光电探测器接收干涉次级大处的干涉光强。
图4为当保偏光纤受周期性动态应力时光电探测器的探测信号及信号的傅里叶变换频谱。图4(a),(c),(e),(g)分别为1.5Vpp,50Hz正弦信号，500mVpp,1kHz正弦信号，600mVpp,50Hz锯齿波信号，500mVpp,50Hz方波信号的测量结果，图4(b),(d),(f),(h)分别为图4(a),(c),(e),(g)的傅里叶变换频谱。图4(b)中的峰值频率为49.77Hz，与理论值49.9Hz之间的误差为0.13Hz。图4(d)中的最大峰值为999.1Hz，与理论值1000.2Hz之间的误差为1.1Hz；此外，图4(d)中还包含了一个幅值相对较小的1998Hz的二次谐波，这是由于在频率较高时压电陶瓷的迟滞现象导致的。图4(e)中包含一个49.77Hz的基频成分和多个基频整数倍的谐波成分，其中基频与理论值49.9Hz之间的误差为0.13Hz。图4(g)中含一个49.77Hz的基频成分和一个三次谐波成分，其中基频与理论值49.9Hz之间的误差为0.13Hz。
图5(a)为啁啾信号的实验测量结果，信号发生器输出电压峰峰值为600mVpp，频率从20Hz扫描至30Hz，扫描周期为1s的啁啾信号。图5(b)为三个周期内光电探测器接收信号的小波时频分布图，说明***中光电探测器接收信号与动态应力具有相同的频率分布。
图6(a)为频移键控(Frequency-shift keying，FSK)信号的实验测量结果，信号发生器输出电压峰峰值为1Vpp，频率在10Hz和20Hz之间变化，频率变化周期为2s。图6(b)为两个频率变化周期内光电探测器接收信号的小波时频分布图。从图中可以看出***成功实现了对动态应力频率的实时监测。
Claims (2)
1.一种解调保偏光纤中动态应力频率的方法，利用白光干涉偏振耦合测试***实现，步骤如下：
(1)利用迈克尔逊干涉仪扫描获得保偏光纤受动态应力时的干涉图；
(2)根据移动镜扫描时光电探测器采集的干涉图计算动态耦合点的位置：l＝ΔZ/Δn，其中l表示保偏光纤受力点距出射端距离，ΔZ表示迈克尔逊干涉仪两臂光程差，Δn为保偏光纤双折射大小；
(3)根据动态耦合点的位置调节迈克尔逊干涉仪中的移动镜，使迈克尔逊干涉仪刚好补偿保偏光纤中产生的光程差；
(4)采集迈克尔逊干涉仪补偿保偏光纤中的光程差时，光电探测器处干涉光强的变化；
(5)对光电探测器采集的干涉光强信号进行时频分析，获得动态应力的瞬时频率信息，根据动态应力的种类不同，采集到的干涉信号也不同，采用不同种类的时频转换方法：①对于频率恒定的动态应力，采集的干涉光强信号为周期信号，对周期信号直接进行傅里叶变换，在傅里叶频谱中，峰值所对应的横坐标频率即为动态应力频率；②对于频率随时间变换的信号，包括啁啾信号和频移键控信号，光电探测器监测到的干涉信号为非周期信号，需要对干涉信号进行连续小波变换来分析动态应力的频率，对干涉信号进行连续小波变换得到二维时频图，从中获取动态应力频率随时间变化的信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，由超辐射发光二极管发出高斯光束，经起偏器后成为线偏振光进入保偏光纤，在保偏光纤某一位置处，由压电陶瓷对保偏光纤产生动态耦合点，从而线偏振光耦合至正交偏振态；在光纤出射端，扩束镜将光纤中的光变为平行光，可旋转半波片用来调整两正交偏振态的光与检偏器透光轴之间的夹角，使之成45°，检偏器将两偏振态的光投影至同一方向上；随后光进入迈克尔逊干涉仪，由分束器将光分为两束，一束反射至固定镜，一束透射至可移动反射镜，移动镜扫描使两束光产生光程差，两束光经固定镜和移动镜反射后再次经过分束器，经汇聚透镜在光电探测器处发生干涉，光电探测器接收信号经数据采集卡传输至计算机，得到保偏光纤受动态应力时的干涉图。
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Family Cites Families (1)
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|---|---|---|---|---|
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN102095538A (zh) * | 2011-02-25 | 2011-06-15 | 天津大学 | 保偏光纤应力传感的数据解调方法 |
| CN103353389A (zh) * | 2013-06-21 | 2013-10-16 | 天津大学 | 一种频域干涉谱解调方法 |
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