对偏振态变化不敏感的高精度光纤光栅传感解调方法
【专利摘要】本发明公开了一种对偏振态变化不敏感的高精度光纤光栅传感解调方法，包括：将两路光纤光栅反射谱S1、S2分别进行小波变换，得小波变换的结果WT1和WT2，再由此计算S1、S2的时间-小波能量谱H1和H2；检测H1、H2的峰值位置，再根据检测出的峰值位置，将H1、H2分别进行能量融合得到新的时间-小波能量谱E1、E2；检测E1、E2的峰值位置，得到峰值位置P1和P2，再将其相减得到两个峰值位置的差值，即两路光纤光栅反射谱的波长差。本发明的解调方法能够有效地解决单模光纤中偏振态不稳定造成解调结果出错的问题，通过小波时频能量谱代替光纤光栅的反射谱实现光纤光栅的反射峰的探测，可以对传感信号进行降噪处理，进一步提高解调系统的应变测量精度。
【专利说明】对偏振态变化不敏感的高精度光纤光栅传感解调方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光纤传感【技术领域】，尤其涉及一种对偏振态变化不敏感的高精度光纤 光栅传感解调方法。
【背景技术】
[0002] 伴随着窄线宽激光器和光纤光栅传感解调技术的长足发展，基于窄线宽激光器和 光纤光栅的超高分辨率静态应变测量方案受到光纤传感领域科研工作者的重视（Q. w. Liu. An ultra-high-resolution FBG static-strain sensor for geophysis applications. PiOc.of SPIE，V〇1.7653,76530W，2010)。为了进一步提高这个技术方案的应变测量分辨 率，要求光纤光栅具有更窄的带宽。为此，日本东京大学提出了多种技术方案，采用比光纤 光栅具有更窄的带宽的光纤光栅法-珀干涉仪来实现更高精度的静态应变测量（Q. W. Liu. Ultra-high-resolution large-dynamic-range optical fiber static strain sensor using Pound-Drever-Hall technique. Optics letters，36 (20) ,4044-4046, 2011)。与此同时，刘 庆文在其专利号为CN202853879U、CN203100689U、CN102818695A等专利中，也提出了利用 一个参考的光纤环形腔和一个传感光纤光栅的方案来检测应变，该方案也具有较大的应变 测量动态范围和较高的应变测量分辨率。
[0003] 但是，以上几种基于光纤光栅法-珀干涉仪或光纤环行腔的高精度静态应变测量 技术方案，都存在一个关键的技术问题：偏振态的不稳定会让系统解调结果出错。这是因为 单模光纤存在两个正交的偏振态，每个偏振态对于一个反射峰；实际传感解调过程中，我们 只用到其中一个反射峰，即只需要其中一个偏振模式；而两个偏振态在外界环境扰动下的 此长彼消，会让解调结果出错。因此，上述方案，都通过外接一个偏振控制器来控制这两个 偏振态（消除其中一个偏振态）以保证最终解调结果不受偏振态的影响；而实际中，偏振态 在外界环境的扰动下会不断发生变化。偏振控制器可以在短期保证想要的偏振输出状态， 但是长时间后整个解调系统还是会因为偏振态的不稳定出错。虽然，商用的偏振分析仪可 以输出稳定的偏振模式，但是这种仪器太昂贵。因此，需要研究一种方法，来解决这种基于 光纤光栅法-珀干涉仪或光纤环行腔的高精度静态应变解调系统中偏振态不稳定对解调 结果造成影响的问题。
[0004] 小波分析是一种处理非平稳信号的有力工具，并且通过小波变换可以获得时域信 号的时间-小波能量谱。这里我们首次利用基于小波变换的能量谱分析（时间-小波能量 谱）来消除单模光纤光栅的偏振态不稳定造成解调结果出错的问题，并且同时可消除反射 谱中的非平稳的噪声信号。目前，还没有见到将基于小波变换的能量谱分析（时间-小波 能量谱）用于消除光纤光栅反射谱偏振态对解调精度产生的影响或者计算两路光纤传感 器反射谱的波长差实现高精度应变解调的报道。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种对偏振态变化不敏感的高精度光纤光栅 传感解调方法，并重点解决单模光纤光栅、光纤光栅法-拍干涉仪或相移光纤光栅偏振态 不稳定造成解调结果出错的问题。另外，该方法采用了小波时频能量谱反映光纤光栅的反 射谱，可以对传感信号进行降噪处理，进一步提高解调系统的应变测量精度。
[0006] 本发明的对偏振态变化不敏感的高精度光纤光栅传感解调方法，包括下列步骤：
[0007] 步骤1 :将两路光纤光栅反射谱SpS2分别进行小波变换，得到小波变换的结果WI\ 和WT2，再利用得到的小波变换结果WI\和WT 2计算两路光纤光栅反射谱Si、S2的时间-小波 能量谱，得到光纤光栅反射谱Si的时间-小波能量谱氏和光纤光栅反射谱Si的时间-小 波能量谱H 2 ;
[0008] 步骤2 :检测时间-小波能量谱Hi、H2的峰值位置，再根据检测出的峰值位置，将时 间-小波能量谱氏进行能量融合得到新的时间-小波能量谱Ei，将时间-小波能量谱H 2进 行能量融合得到新的时间-小波能量谱E2 ;
[0009] 步骤3 :检测时间-小波能谱Ei、E2的峰值位置，得到时间-小波能谱Ei的峰值位 置Pi和时间-小波能谱E 2的峰值位置P2，再将得到的两个峰值位置Pi、P2相减，得到两个 峰值位置的差值，即两路光纤光栅反射谱的波长差。
[0010] 其中，所述步骤1中所述两路光纤光栅反射谱31、&是通过窄线宽可调谐激光器扫 描来获得的。
[0011] 其中，所述窄线宽可调谐激光器具有小于1kHz的窄线宽和大于4pm的大可调谐范 围，所述光纤光栅具有小于2MHz的窄带宽。
[0012] 其中，所述步骤1中对两路光纤光栅反射谱Si、S2进行小波能量谱计算是通过选取 Morlet函数作为小波基函数来实现的。
[0013] 其中，所述步骤2中所述对时间-小波能量谱Hi、H2进行能量融合的步骤是通过将 时间-小波能量谱氏、H 2中较小的一个偏振能量峰处的3dB带宽内的能量直接加到另一个 较大的偏振能量峰处，并将该处的能量清零，从而得到新的时间-小波能量谱Ερ E2来实现 的。
[0014] 其中，所述光纤光栅反射谱Si、S2通过光纤光栅法-拍式干涉仪或相移光纤光栅获 得。
[0015] 其中，所述光纤光栅反射谱Si、S2，一个作为参考、一个作为传感，且两者对应的光 纤传感具有相同的技术指标。
[0016] 其中，所述的光纤光栅反射谱Si、S2对应的两个光纤光栅，处于温度相对恒定、噪 声小的环境中。
[0017] 其中，根据所述步骤3中得到的时间-小波能谱E1的峰值位置Pi和时间-小波能 谱&的峰值位置P 2的差值，进一步计算得到所述光纤光栅受到外界应变量的大小。
[0018] 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
[0019] 1、本发明的传感解调方法能够有效地解决单模光纤中偏振态不稳定造成解调结 果出错的问题；
[0020] 2、本发明的传感解调方法，通过小波时频能量谱代替光纤光栅的反射谱实现光纤 光栅的反射峰的探测，可以对传感信号进行降噪处理，进一步提高解调系统的应变测量精 度。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1为本发明的对偏振态变化不敏感的高精度光纤光栅传感解调方法的流程图；
[0022] 图2a为本发明的参考光纤光栅反射谱的实测图；
[0023] 图2b为本发明的参考光纤光栅反射谱能量融合前的时间-小波能量谱图；
[0024] 图3a为本发明的传感光纤光栅反射谱的实测图；
[0025] 图3b为本发明的传感光纤光栅反射谱能量融合前的时间-小波能量谱图；
[0026] 图4为本发明的对偏振态变化不敏感的高精度光纤光栅传感解调方法的应变测 试结果图。
【具体实施方式】
[0027] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明作进一步的详细说明。通过结合附图，对本发明的最佳实施例进行详细描 述，本发明的其他方面的优点将会更容易理解和清晰。
[0028] 本发明的对偏振态变化不敏感的高精度光纤光栅低频应变的传感解调方法的基 本原理如下：
[0029] 参照图1，首先通过窄线宽可调谐激光器扫描两路光纤光栅传感器获得两路光纤 光栅反射谱Si、S 2，然后以Morlet函数作为小波基函数对光纤光栅反射谱Si进行小波变换 处理得到小波变换的结果WI\，以Morlet函数作为小波基函数对光纤光栅反射谱S 2进行小 波变换处理得到小波变换的结果WT2。经过小波变换后，两路光纤光栅反射谱Sp S2中的由 光强、外界环境等因素引起的各种噪声得到了有效抑制。接着根据小波能量变换的能量守 恒性质计算出光纤光栅反射谱&的时间-小波能量谱氏、光纤光栅反射谱S 2的时间-小 波能量谱4。此时，光纤光栅反射谱的两个偏振峰就变换成了时间-小波能量谱上的两个 能量峰，并且这两个能量峰在时间轴上的分布与光纤光栅反射谱偏振峰在时间轴上的分布 是一致的。然后将时间-小波能量谱比进行能量融合得到新的时间-小波能量谱Ei，将时 间-小波能量谱H 2进行能量融合得到新的时间-小波能量谱E2。经过能量融合，时间-小 波能量谱上氏的两个能量峰融合成了时间-小波能量谱Ei的一个能量峰；时间-小波能量 谱上H 2的两个能量峰融合成了时间-小波能量谱E2的一个能量峰。此时，消除了偏振态不 稳定对系统的影响。最后，检测时间-小波能谱Ερ E2的峰值位置，得到时间-小波能谱Ei 的峰值位置Pi和时间-小波能谱E2的峰值位置P2，再将得到的两个峰值位置Pp P2相减， 得到两个峰值位置的差值，即两路光纤光栅反射谱的波长差。
[0030] 下面通过实例对本发明所述的对偏振态变化不敏感的高精度光纤光栅低频应变 的传感解调方法的具体步骤进行详细阐述。
[0031] 假设参考和传感光纤传感器（以光纤光栅为例）的反射谱分别为x(t)、y(t)，并 且x(t)、y(t)是能量有限的信号。那么可以得到x(t)、y(t)的小波变换分别为WT x(a，τ)、 WTy(a，τ )，表达式如下：
[0032]
【权利要求】
1. 一种对偏振态变化不敏感的高精度光纤光栅传感解调方法，包括下列步骤： 步骤1 :将两路光纤光栅反射谱Si、S2分别进行小波变换，得到小波变换的结果WI\和 WT2，再利用得到的小波变换结果WI\和WT2计算两路光纤光栅反射谱Si、S2的时间-小波能 量谱，得到光纤光栅反射谱Si的时间-小波能量谱Hi和光纤光栅反射谱Si的时间-小波 能量谱H 2 ; 步骤2 :检测时间-小波能量谱Hi、H2的峰值位置，再根据检测出的峰值位置，将时 间-小波能量谱氏进行能量融合得到新的时间-小波能量谱Ei，将时间-小波能量谱H2进 行能量融合得到新的时间-小波能量谱E 2 ; 步骤3 :检测时间-小波能谱EpE2的峰值位置，得到时间-小波能谱Ei的峰值位置Pi 和时间-小波能谱E2的峰值位置P2，再将得到的两个峰值位置PpP2相减，得到两个峰值位 置的差值，即两路光纤光栅反射谱的波长差。
2. 根据权利要求1所述的高精度光纤光栅传感解调方法，其中所述步骤1中所述两路 光纤光栅反射谱Sp S2是通过窄线宽可调谐激光器扫描来获得的。
3. 根据权利要求2所述的高精度光纤光栅传感解调方法，其中所述窄线宽可调谐激光 器具有小于1kHz的窄线宽和大于4pm的大可调谐范围，所述光纤光栅具有小于2MHz的窄 带宽。
4. 根据权利要求1所述的高精度光纤光栅传感解调方法，其中所述步骤1中对两路光 纤光栅反射谱Sp S2进行小波能量谱计算是通过选取Morlet函数作为小波基函数来实现 的。
5. 根据权利要求1所述的高精度光纤光栅传感解调方法，其中所述步骤2中所述对时 间-小波能量谱氏、H2进行能量融合的步骤是通过将时间-小波能量谱氏、H 2中较小的一 个偏振能量峰处的3dB带宽内的能量直接加到另一个较大的偏振能量峰处，并将该处的能 量清零，从而得到新的时间-小波能量谱民、E 2来实现的。
6. 根据权利要求1所述的高精度光纤光栅传感解调方法，其中所述光纤光栅反射谱 Sp s2通过光纤光栅法-拍式干涉仪或相移光纤光栅获得。
7. 根据权利要求1所述的高精度光纤光栅传感解调方法，其中所述光纤光栅反射谱 Si、s2，一个作为参考、一个作为传感，且两者对应的光纤传感具有相同的技术指标。
8. 根据权利要求6所述的高精度光纤光栅传感解调方法，其中所述的光纤光栅反射谱 Sp s2对应的两个光纤光栅，处于温度相对恒定、噪声小的环境中。
9. 根据权利要求1所述的高精度光纤光栅传感解调方法，其中根据所述步骤3中得到 的时间-小波能谱Ei的峰值位置Pi和时间-小波能谱E 2的峰值位置P2的差值，进一步计 算得到所述光纤光栅受到外界应变量的大小。
【文档编号】G01B11/16GK104048617SQ201410324053
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年7月9日 优先权日:2014年7月9日
【发明者】黄稳柱, 张文涛, 甄腾坤, 李芳
申请人:中国科学院半导体研究所