CN108593089A - 一种基于双折射谐振效应的光学振动传感器及感应方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双折射谐振效应的光学振动传感器及感应方法。光学振动传感器包括依次连接的激光发射单元、振动感应放大单元、激光接收单元和标准波形单元。激光发射单元将光源发出的光进行调制；振动感应放大单元将调制后的光信号导入保偏环形腔，光信号谐振得到两个本征偏振态；激光接收单元将光信号转化为电信号，并得到两个本征偏振态ESOPs的谐振解调曲线和斜率特征，利用两个偏振态之间的相位差实现振动的感应；标准波形单元对传输信号进行统一调制解调。本发明利用双折射谐振效应放大了光对振动的敏感度，从而实现灵敏度高、测量空间范围大的振动感应。

Description

一种基于双折射谐振效应的光学振动传感器及感应方法

技术领域

本发明涉及一种振动传感器，具体的说是一种基于双折射谐振效应的光学振动传感器及感应方法。

背景技术

过去几十年，光学振动传感器因高灵敏度、大的测量空间范围、电磁不敏感等特征而快速发展。现有的光学振动传感器主要包括分布式振动传感器和点式振动传感器。分布式振动传感器基于光纤中的瑞利散射效应，在一根光纤上实现连续的振动场测量，具备大的空间范围测量的优势，但是灵敏度较差，不适用于高灵敏以及极限环境下的振动测量。点式振动传感器虽然测量的空间范围小，但是具备优秀的振动测量能力。两种传统的光学振动传感器均难以实现灵敏度和测量空间范围之间的平衡。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种基于双折射谐振效应的光学振动传感器，利用双折射谐振效应放大了光对振动的敏感度，从而实现灵敏度高、测量空间范围大的振动感应。

为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：

一种基于双折射谐振效应的光学振动传感器，一种基于双折射谐振效应的光学振动传感器，包括依次连接的激光发射单元、振动感应放大单元、激光接收单元和标准波形单元；所述激光发射单元包括相互连接的激光器和相位调制器；所述振动感应放大单元包括保偏环形腔，保偏环形腔的输入端通过保偏光纤与所述相位调制器的输出端相连接，并且连接点采用45°方向旋转熔接；所述激光接收单元包括依次连接的光电探测器、锁相放大器和信号处理器，其中光电探测器与所述保偏环形腔的输出端相连接，信号发生器与所述激光器相连接；所述标准波形单元包括信号发生器，信号发生器与所述相位调制器和所述锁相放大器相连接。

作为一种优选方案，所述激光器通过隔离器与所述相位调制器相连接。

作为一种优选方案，所述保偏环形腔具有第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口和第二输出端口，其中第二输入端口和第二输出端口通过0°熔接反射成环。

作为一种优选方案，所述相位调制器的输出端与所述第一输入端口相连接。

作为一种优选方案，所述信号发生器输出正弦波或者方波。

作为一种优选方案，所述激光器设置为窄线宽高相干激光器。

一种基于双折射谐振效应的光学振动传感器的感应方法，包括如下步骤：

S1、所述激光器输出一次激光并传输给所述相位调制器，同时所述信号发生器发出调制波形和解调波形并传输给相位调制器；

S2、所述相位调制器根据调制波形对一次激光的相位进行调制，调制后的激光输出给所述保偏环形腔；

S3、一次激光在所述保偏环形腔内激励起两个具有本征偏振态的ESOPs谐振；

S4、外部振动作用于所述保偏环形腔上对两个ESOPs谐振的谐振点之间的相差产生影响，得到二次激光；

S5、所述保偏环形腔将二次激光依次传输给所述光电探测器和所述锁相放大器，同时所述信号发生器将解调波形传输给锁相放大器；

S6、所述光电探测器将二次激光解调得到电信号并通过锁相放大器进行放大，电信号中包括两个ESOPs谐振的斜率特征；

S7、所述锁相放大器将放大后的电信号传输给所述信号处理器，信号处理器输出两个ESOPs谐振之间的相差，即可根据相差获得振动信息。

作为一种优选方案，所述S7中，所述信号处理器得到两个ESOPs谐振之间的相差的方法为：

S7.1、所述信号处理器输出锯齿波扫描所述激光器；

S7.2、所述信号处理器就从所述锁相放大器得到两个ESOPs谐振的斜率特征；

S7.3、所述信号处理器根据两个谐振的斜率特征计算两个ESOPs谐振之间的相差。

作为一种优选方案，S7中，振动信息的计算方法为其中，ΔA是振动信息，k₀是真空下的波数，l是传输波导的长度，是双折射差的振动系数，φ为谐振点的相差。

有益效果：本发明采用光在保偏环形腔中多圈传输的谐振效应来放大并检测双折射振动，从而极大地提高了对振动的灵敏度。两个正交的偏振模式在同一波导中传输，许多噪声因互易(共模)被消除，从而实现极高灵敏度的振动探测。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明保偏环形腔的结构示意图；

图3是本发明中两个ESOPs的谐振解调曲线；

图4是两个ESOPs的谐振特性与腔内传输一周双折射相差的关系示意图，双折射相差为0；

图5是两个ESOPs的谐振特性与腔内传输一周双折射相差的关系示意图，双折射相差为0.5π；

图6是两个ESOPs的谐振特性与腔内传输一周双折射相差的关系示意图，双折射相差为π；

图7是两个ESOPs的谐振特性与腔内传输一周双折射相差的关系示意图，双折射相差为1.5π；

图8是两个谐振点之间的相差与腔内传输一周双折射相差的关系示意图，双折射相差的范围是0～2π；

图9是两个谐振点之间的相差与腔内传输一周双折射相差的关系示意图，双折射相差的范围是0～0.07π。

附图标记：1、第一输入端口，2、第二输入端口，3、第一输出端口，4、第二输出端口，5、耦合器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至9，图1是本发明的整体结构示意图，图2是本发明保偏环形腔的结构示意图，图3是本发明中两个ESOPs的谐振解调曲线，图4是两个ESOPs的谐振特性与腔内传输一周双折射相差的关系示意图，双折射相差为0，图5是两个ESOPs的谐振特性与腔内传输一周双折射相差的关系示意图，双折射相差为0.5π，图6是两个ESOPs的谐振特性与腔内传输一周双折射相差的关系示意图，双折射相差为π，图7是两个ESOPs的谐振特性与腔内传输一周双折射相差的关系示意图，双折射相差为1.5π，图8是两个谐振点之间的相差与腔内传输一周双折射相差的关系示意图，双折射相差的范围是0～2π，图9是两个谐振点之间的相差与腔内传输一周双折射相差的关系示意图，双折射相差的范围是0～0.07π。

一种基于双折射谐振效应的光学振动传感器，包括依次连接的激光发射单元、振动感应放大单元、激光接收单元和标准波形单元。

激光发射单元依次连接的激光器、隔离器和相位调制器，激光器设置为窄线宽的高相干激光器，具体可以是YAG激光器、气体激光器、半导体激光器或者光纤激光器，激光器通过隔离器与相位调制器相连接。

振动感应放大单元包括保偏环形腔，保偏环形腔具有第一输入端口1、第二输入端口2、第一输出端口3和第二输出端口4，其中第二输入端口2和第二输出端口4通过0°熔接反射成环。保偏环形腔的第一输入端口1通过保偏光纤与相位调制器的输出端相连接，并且连接点采用45°方向旋转熔接。

激光接收单元包括依次连接的光电探测器、光电探测器和信号处理器，其中光电探测器与保偏环形腔的输出端相连接，信号发生器与激光器相连接。

标准波形单元包括信号发生器，信号发生器与相位调制器和光电探测器相连接，信号发生器输出的标准波形为正弦波或者方波。

所有的装置可以在半导体上集成实现，也可以通过分立元器件组合实现。

基于上述光学振动传感器，本发明还提供一种基于双折射谐振效应的光学振动传感器的感应方法，包括S1～S7。

S1、激光器输出一次激光并传输给相位调制器，同时信号发生器发出调制波形和解调波形并传输给相位调制器。

S2、相位调制器根据调制波形对一次激光的相位进行调制，调制后的激光输出给保偏环形腔。

S3、一次激光在保偏环形腔内激励起两个具有本征偏振态的谐振。

S4、外部振动作用于保偏环形腔上对两个ESOPs谐振的谐振点之间的相差产生影响，得到二次激光。

S5、保偏环形腔将二次激光依次传输给光电探测器和锁相放大器，同时信号发生器将解调波形传输给锁相放大器。

S6、光电探测器将二次激光解调得到电信号并通过锁相放大器进行放大，电信号中包括两个ESOPs谐振的斜率特征。

S7、锁相放大器将放大后的电信号传输给信号处理器，信号处理器输出两个ESOPs之间的相差，即可根据相差获得振动信息。振动信息的计算方法为其中，ΔA是振动信息，k₀是真空下的波数，l是传输波导的长度，是双折射差的振动系数，φ为谐振点的相差。

具体的信号处理器得到两个ESOPs谐振的谐振点之间相差的方法包括S7.1～S7.3。

S7.1、信号处理器输出锯齿波扫描激光器。

S7.2、信号处理器就从锁相放大器得到两个ESOPs的斜率特征。

S7.3、信号处理器根据两个谐振的斜率特征计算两个ESOPs之间的相差。

本发明的工作原理如下。

首先，一次激光从第一输入端口1输入到保偏环形腔中，然后通过耦合器5后从第二输出端口4进入到保偏环形腔中，在保偏环形腔内传输一周的矩阵为：

其中，α是光在腔内传输一周的损耗，它主要包括了光波导的传输损耗以及耦合器的***损耗；k为耦合系数；β和Δβ分别是平均的传播常数和双折射引入的传播常数差；θ_t表示等效的角度对准误差，用来描述耦合器直通端的偏振串扰；l是波导环形谐振腔的长度。

本征值λ_m和本征矢量v_m是矩阵S的2个关键参数，他们满足

Sv_m＝λ_mv_m(m＝1,2)； (2)

其中，本征矢量v_m表示了这样的偏振态：光从耦合器5的第二输出端口4开始，在腔内传输一周后，偏振态恢复到出发的状态，这就是我们常说的本征偏振态ESOPs；而本征值λ_m表示了ESOPs谐振在腔内传输一周的传输系数，本征值λ_m是一个复数，而非矩阵，这样就大大降低了偏振分析的难度。

由公式(1)和公式(2)可得本征值λ_m的计算方法：

其中，ξ满足：

一般来讲，波导耦合器的偏振消光比较高，即θ_t较小，因此当Δβ_l＜θ_t时，上式(4)可简化为：

假设一次激光的光场为E1，其从耦合器5的第一输入端口1射入，然后耦合到第二输出端口4，出射的光场为E4，分别投影到两个ESOPs上：

其中，a、b分别是本征偏振态v1和v2的幅度；V是ESOPs的组合矩阵，V＝(ν1,ν2)；C_k是耦合矩阵：

其中，θ_k用来描述耦合器交叉端的等效角度对准误差。

入射光在腔内多圈传输，2个ESOPs的累加光场分别为：

由公式(8)和公式(3)可知，腔内将激励起两个谐振态，且谐振点的相差为：

φ＝2ξ。(9)

由公式(5)可知，当Δβ_l＞＞θ_t时，

φ＝Δβl。(10)

由公式(10)可知，两个谐振点的相差就是保偏环形腔传输一周的双折射相差。

当振动变化时，保偏光波导的双折射振动效应如下：

其中，ΔA是振动信息，k₀是真空下的波数，l是传输波导的长度，是双折射差的振动系数。因此，通过探测两个谐振点的相差(双折射相差)，就能检测振动：

根据上述的理论分析，仿真得到谐振特性与腔内传输一周双折射相差的关系如图4至7所示。为了在腔内同时激励起2个ESOPs的谐振，线偏振光与慢轴成45°方向入射到保偏环形腔。当腔内传输一周的双折射相差为零时，两个ESOPs的谐振靠得很近，随着相差的增大，两个谐振点之间的距离也随之增大。

两个谐振点之间的相差与腔内传输一周双折射相差的关系如图8和9所示。当双折射相差较大(>0.1πrad)时，两者近似成线性关系，此区域可用来测量振动的变化；但是当双折射相差较小时，两者并不成线性关系，两个谐振点之间的相差随着双折射相差的降低而趋向于2θ_t，此区域无法测量振动的变化。

本发明采用光在环形的保偏环形腔中多圈传输的谐振效应来放大并检测双折射振动，从而极大地提高了振动的灵敏度，而且在一根光纤上实现连续的振动场测量，测量空间范围大。两个正交的偏振模式在同一波导中传输，许多噪声因互易(共模)被消除，从而实现极高灵敏度的振动探测。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种基于双折射谐振效应的光学振动传感器，其特征在于：包括依次连接的激光发射单元、振动感应放大单元、激光接收单元和标准波形单元；

所述激光发射单元包括相互连接的激光器和相位调制器；

所述振动感应放大单元包括保偏环形腔，保偏环形腔的输入端通过保偏光纤与所述相位调制器的输出端相连接，并且连接点采用45°方向旋转熔接；

所述激光接收单元包括依次连接的光电探测器、锁相放大器和信号处理器，其中光电探测器与所述保偏环形腔的输出端相连接，信号发生器与所述激光器相连接；

所述标准波形单元包括信号发生器，信号发生器与所述相位调制器和所述锁相放大器相连接。

2.如权利要求1所述的一种基于双折射谐振效应的光学振动传感器，其特征在于：所述激光器通过隔离器与所述相位调制器相连接。

3.如权利要求1所述的一种基于双折射谐振效应的光学振动传感器，其特征在于：所述保偏环形腔具有第一输入端口(1)、第二输入端口(2)、第一输出端口(3)和第二输出端口(4)，其中第二输入端口(2)和第二输出端口(4)通过0°熔接反射成环。

4.如权利要求3所述的一种基于双折射谐振效应的光学振动传感器，其特征在于：所述相位调制器的输出端与所述第一输入端口(1)相连接。

5.如权利要求1所述的一种基于双折射谐振效应的光学振动传感器，其特征在于：所述信号发生器输出正弦波或者方波。

6.如权利要求1所述的一种基于双折射谐振效应的光学振动传感器，其特征在于：所述激光器设置为窄线宽的高相干激光器。

7.如权利要求1所述的一种基于双折射谐振效应的光学振动传感器的感应方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、所述激光器输出一次激光并传输给所述相位调制器，同时所述信号发生器发出调制波形和解调波形并传输给相位调制器；

S2、所述相位调制器根据调制波形对一次激光的相位进行调制，调制后的激光输出给所述保偏环形腔；

S3、一次激光在所述保偏环形腔内激励起两个具有本征偏振态的ESOPs谐振；

S4、外部振动作用于所述保偏环形腔上对两个ESOPs谐振的谐振点之间的相差产生影响，得到二次激光；

S5、所述保偏环形腔将二次激光依次传输给所述光电探测器和所述锁相放大器，同时所述信号发生器将解调波形传输给锁相放大器；

S6、所述光电探测器将二次激光解调得到电信号并通过锁相放大器进行放大，电信号中包括两个ESOPs谐振的斜率特征；

S7、所述锁相放大器将放大后的电信号传输给所述信号处理器，信号处理器输出两个ESOPs谐振之间的相差，即可根据相差获得振动信息。

8.如权利要求6所述的感应方法，其特征在于：所述S7中，所述信号处理器得到两个ESOPs谐振之间的相差的方法为：

S7.1、所述信号处理器输出锯齿波扫描所述激光器；

S7.2、所述信号处理器就从所述锁相放大器得到两个ESOPs谐振的斜率特征；

S7.3、所述信号处理器根据两个谐振的斜率特征计算两个ESOPs谐振之间的相差。

9.如权利要求6所述的感应方法，其特征在于：S7中，振动信息的计算方法为其中，ΔA是振动信息，k₀是真空下的波数，l是传输波导的长度，是双折射差的振动系数，φ为谐振点的相差。