消除偏振态影响的高精度光纤光栅传感解调方法

消除偏振态影响的高精度光纤光栅传感解调方法
【专利摘要】本发明公开了一种消除偏振态影响的高精度光纤光栅传感解调方法，包括下列步骤：求取光纤光栅反射谱S1的两个偏振峰之间间隔的距离a；求取光纤光栅反射谱S2的两个偏振峰之间间隔的距离b；分别求取两路光纤光栅反射谱S1、S2的第K个测量周期和第K+1个测量周期的波长差λ1、λ2；利用得到的波长差λ1、λ2来确定波长差λ2相对于波长差λ1的变化量Δλ，再根据变化量Δλ与偏振态的间隔距离a、b的关系，来确定波长差λ2是否需要修正，若需要修正，则利用相应的修正公式进行修正，最后输出修正后的波长差R。本发明的高精度光纤光栅传感解调方法，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。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光纤传感【技术领域】，尤其涉及一种消除偏振态影响的高精度光纤光栅 传感解调方法。 消除偏振态影响的高精度光纤光栅传感解调方法

【背景技术】
[0002] 光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的。光 纤的工作频带宽，动态范围大，适合遥测遥控，是一种优良的低损耗传输线。在一定条件下， 也是一种优良的敏感元件。鉴于此，各种类型的光纤传感器孕育而生，并且在各个领域得到 了广泛的应用。
[0003] 目前利用光纤光栅传感器检测地壳形变是一种很有前途的检测技术。被观测 的地壳应变量是准静态的，属于准静态应变量测量的范围，为了获得这种静态应变量的 测量，人们提出了利用参考光纤光栅的方法消除环境温度和噪声的影响，即在静态应变 传感测量系统中设置一个不受应变作用的光纤光栅对环境温度和噪声进行补偿，同时通 过解调算法计算参考和应变光纤光栅传感器的中心波长差来得到应变信息。如日本东京 大学提出的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（Q. W. Liu. An ultra-high-resolution FBG static-strain sensor for geophysis applications. Proc. of SPIE，Vol. 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，日本东京大学又提出了多种技术方案，采用光纤光栅 法-珀干涉仪（比光纤光栅具有更窄的带宽）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CN 202853879U、CN 203100689U、CN 102818695A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。
[0004] 但是，以上这种基于光纤光栅法-珀干涉仪和/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。因为 单模光纤存在两个正交的偏振态，每个偏振态对应于一个反射峰；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，会让解决结果出错。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，通过消除其中一个偏振态来保证最终解调结果不受影响；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，我们需要研究一种解决方法，来解决这种 基于光纤光栅法-珀干涉仪和/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 对解调结果产生影响的问题。


【发明内容】

[0005] 有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种消除偏振态影响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的不 稳定造成解调结果出错的问题。
[0006] 本发明的消除偏振态影响的高精度光纤光栅传感解调方法，包括下列步骤：
[0007] 求取光纤光栅反射谱Si的两个偏振峰之间间隔的距离a ;
[0008] 求取光纤光栅反射谱S2的两个偏振峰之间间隔的距离b ;
[0009] 分别求取两路光纤光栅反射谱Sp S2的第K个测量周期和第K+1个测量周期的波 长差λ i、λ 2 ;
[0010] 利用得到的波长差λ i、λ 2来确定波长差λ 2相对于波长差λ i的变化量Λ λ，再 根据变化量Λ λ与偏振态的间隔距离a、b的关系，来确定波长差λ 2是否需要修正，若需 要修正，则利用修正公式进行修正，最后输出修正后的波长差R。
[0011] 其中：
[0012] 如果b_c < Λ λ < b+c， 则修正公式为R = λ 2+b ;
[0013] 如果-a_c < Δ λ <-a+c,则修正公式为 R = λ 2_a ;
[0014] 如果-a+b_c < Δ λ < -a+b+c,则修正公式为 R = λ 2+b_a ;
[0015] 其中，c为Λ λ的阈值范围，根据经验预先设定。
[0016] 其中，可调谐激光器具有窄线宽和大可调谐范围，光纤光栅也具有窄带宽。
[0017] 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。
[0018] 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。
[0019] 其中，对于光纤光栅反射谱Si的两个偏振峰之间间隔的距离a、光纤光栅反射谱& 的两个偏振峰之间间隔的距离b和两路光纤光栅反射谱Sp S2的第K个测量周期和第K+1 个测量周期的波长差λρ λ 2，求取其数值的先后顺序不予限定。
[0020] 从上述技术方案可以看出，本发明的消除偏振态影响的高精度光纤光栅传感解调 方法，能够通过修正公式的修正，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，得到高精度的解调结果。

【专利附图】

【附图说明】
[0021] 图1为本发明的一种消除偏振态影响的高精度光纤光栅传感解调方法的流程图；
[0022] 图2为本发明的两路光纤光栅反射谱的实测图（每一路都含有两个偏振峰）；
[0023] 图3为本发明的第一种光纤光栅反射谱及消除偏振态变化的解调方法的示意图；
[0024] 图4为本发明的第二种光纤光栅反射谱及消除偏振态变化的解调方法的示意图；
[0025] 图5为本发明的第三种光纤光栅反射谱及消除偏振态变化的解调方法的示意图。

【具体实施方式】
[0026] 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。
[0027] 本发明提供一种消除偏振态影响的高精度光纤光栅低频应变的传感解调算法的 基本原理如下：
[0028] 假设参考和传感光纤传感器（以光纤光栅法-珀传感器为例）的反射谱分别为 X (t)、y (t)，并且每个反射谱有两个偏振峰。参考光纤传感器反射谱Si的两个偏振峰之间 的距离为a，传感光纤传感器反射谱S2的两个偏振峰之间的距离为b，并且在整个检测过程 中a、b的值是定值。
[0029] 首先根据通常的算法（以寻峰检测算法为例）计算出第K个测量周期的两路光纤 光栅反射谱Sp S2的波长差，此波长差即为是参考光纤光栅反射谱Si的最大峰值位置和传 感光纤光栅反射谱S2的最大峰值位置的差值，记作λ lt)
[0030] 接着计算出第Κ+l个测量周期的两路光纤光栅反射谱波长差，此波长差即 为是参考光纤光栅反射谱Si的最大峰值位置和传感光纤光栅反射谱S 2的最大峰值位置的 差值，记作λ 2。此时，由于偏振态的变化会导致最大峰值的位置从一个偏振峰变到另一个 偏振峰的位置上，因此λ 2是否能正确的反映外界的应变量的大小不可知，因此需要一个判 断标准，并作出相应的修正或不予以修正。
[0031] 根据所得到的波长差λ ρ λ 2，求解出相邻两个测量周期的波长差的变化量Λ λ， 则
[0032] Δ λ = λ「λ 2 (1)
[0033] 如果在偏振态没有变化的情况下，最终得到的解调结果不需要修正就可以正确的 反映出外界应变量的大小，由于是检测的静态的地壳形变量，此时的△ λ值很小（与a、b、 a-b |和a+b相比是很小的）。然后根据该特性和所得到的两个偏振态的间距a、b来判断 Λ λ跟a和b之间的关系，从而可以得知第K+1个测量周期的波长差是否需要修正，若需要 修正根据相应的修正公式来进行修正，最后输出正确的解调结果。进而可推导出光纤光栅 收到的外界的应变量的大小。
[0034] 下面通过结合附图，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。
[0035] 如图1所示，该高精度光纤光栅低频应变传感解调方法包括：
[0036] 求取光纤光栅反射谱Si的两个偏振态之间间隔的距离a。在整个检测过程中只需 测量一次a的值即可，因为一般情况下可以认为a的值为定值。
[0037] 求取光纤光栅反射谱S2的两个偏振态之间间隔的距离b。在整个检测过程中只需 测量一次b的值即可，因为一般情况下可以认为b的值为定值。
[0038] 求取光纤光栅反射谱Sp S2的第K个测量周期的波长差λ i和第K+1个测量周期 的波长差λ 2。首先利用寻峰算法（可以是高斯拟合寻峰、二次拟合、数理统计等方法）分 别获得两路光纤光栅反射谱Sp S2的第Κ次测量周期的最大峰值位置Ρρ Ρ2，两路光纤光栅 反射谱Sp S2的第Κ+1次测量周期的最大峰值位置Ρ3、Ρ4，然后根据最大峰值位置Ρρ Ρ2求 得两路光纤光栅反射谱Sp S2的第Κ次测量周期的波长差λ i，根据最大峰值位置Ρ3、Ρ4求 得两路光纤光栅反射谱Sp S2的第Κ+1个测量周期的波长差λ 2。
[0039] 修正两路光纤光栅反射谱SpS2的第Κ+1次测量周期的波长差λ 2。首先利用得到 的波长差λ ρ λ 2来确定波长差λ 2相对于波长差λ 1的变化量Δ λ。如果在偏振态没有 变化的情况下，最终得到的解调结果不需要修正就可以正确的反映出外界应变量的大小， 另外由于是检测的静态的地壳形变量，此时的Λ λ的值很小（与a、b、|a-b|和a+b相比 是很小的）。这里设置一个Λ λ的阈值范围：[-c，c]，例如[-0.001，0.001]。然后根据该 特性和所得到的两个偏振态的间距a、b来判断Λ λ跟a和b之间的关系，从而可以得知第 K+1个测量周期的波长差是否需要修正，若需要修正根据相应的修正公式来进行修正，最后 输出正确的解调结果。进而可推导出光纤光栅收到的外界的应变量的大小。
[0040] 其中，参考光纤光栅反射谱Si和传感光纤光栅反射谱s2，是通过窄线宽可调谐激 光器扫描获得的，且每个反射谱存在两个偏振峰，这两个偏振峰的间距是固定不变的。这里 要求可调谐激光器具有窄线宽和大可调谐范围，例如线宽小于1kHz、可调谐范围大于4pm ; 为了提高应变测量精度，光纤光栅应该也具有窄带宽，例如线宽小于2MHz。
[0041] 在本发明中，所述光纤光栅反射谱31、&，可以通过光纤光栅法-珀式干涉仪、相移 光纤光栅获得，还可以通过其他干涉式光纤传感器获得；这两个光纤光栅反射谱，一个作为 参考、一个作为传感。
[0042] 在本发明中，所述的光纤光栅反射谱Sp S2对应的两个光纤光栅，应该处于温度相 对恒定、噪声小的环境中，比如山洞、不锈钢密封管内，以保证解调结果的正确性。
[0043] 参照图1，该高精度光纤光栅低频应变的传感解调方法的工作原理为：首先确定 光纤光栅反射谱Si的两个偏振态之间间隔的距离a和光纤光栅反射谱S2的两个偏振态之 间间隔的距离b，由于在整个系统工作的过程中，a和b的值是固定不变或者变化量相对于 所要检测的应变量来说是极其微小、可以忽略不计的，因此a和b的值只需在整个算法中计 算一次即可，且计算两者不分先后顺序，先计算任意一个均可。然后计算光纤光栅反射谱 Sp S2的第K个测量周期的波长差λ i和第K+1个测量周期的波长差λ 2。首先利用寻峰算 法，例如可以是高斯拟合寻峰、二次拟合、数理统计等方法，分别获得两路光纤光栅反射谱 SpS 2的第Κ次测量周期的最大峰值位置ΡρΡ2，两路光纤光栅反射谱SpS2的第Κ+1次测量 周期的最大峰值位置P 3、P4，然后根据最大峰值位置Pi、P2求得两路光纤光栅反射谱Si、S 2的 第K次测量周期的波长差λ i，根据最大峰值位置p3、p4求得两路光纤光栅反射谱Si、S2的 第K+1个测量周期的波长差λ 2。接着求得波长差λ 2相对于波长差λ i的变化量△ λ，最 后根据Λ λ的取值范围确定波长差λ 2是否需要修正，若需要修正则根据相应的修正公式 进行修正，最终输出正确的解调结果R。
[0044] 参照图2,为了更清楚解释一种消除偏振态影响的高精度光纤光栅低频应变的传 感解调方法，本发明提供了两路光纤光栅反射谱的实测图，图中显示了在一个测量周期内 的两路光纤光栅反射谱的偏振峰的位置和状态。
[0045] 参照图3,本发明提供了第一种反射谱偏振态变换及解调结果修正示意图。从图中 可以看出，第Κ个和第Κ+1个测量周期的a和b是固定不变的，以第Κ个测量周期的波长差 为参考，在第K+1个测量周期时，所得到的波长差为λ 2，在图中通过与第K个测量周期 得到的Ai相比较，得到的波长差λ2显然是不正确，正确的结果因为图中所标出的R。且R 与有微小的差别，这个微小的差别是有外界应变的变化量引起的。此时b_c< Λ λ < b+c，因此得到此时的修正公式为R = λ 2+b。此结果R便为修正后的正确的解调结果。
[0046] 参照图4,本发明提供了第二种反射谱偏振态变换及解调结果修正示意图。从图中 可以看出，第K个和第K+1个测量周期的a和b是固定不变的，以第K个测量周期的波长差 为参考，在第K+1个测量周期时，所得到的波长差为λ 2，在图中通过与第K个测量周期 得到的Ai相比较，得到的波长差λ2显然是不正确，正确的结果应为图中所标出的R。且R 与λ 有微小的差别，这个微小的差别是由外界应变的变化量引起的。此时-a_c< Λ λ < -a+c，因此得到此时的修正公式为R = λ 2-a。此结果R便为修正后的正确的解调结果。
[0047] 参照图5,本发明提供了第三种反射谱偏振态变换及解调结果修正示意图。从图 中可以看出，第K个和第K+1个测量周期的a和b是固定不变的，以第K个测量周期的波 长差为Ai参考，在第K+1个测量周期时，所得到的波长差为λ2，在图中通过与第K个测量 周期得到的λ i相比较，得到的波长差λ 2显然是不正确，正确的结果因为图中所标出的R。 且R与λ 有微小的差别，这个微小的差别是有外界应变的变化量引起的。此时-a+b-c < Λλ <-a+b+c，因此得到此时的修正公式为R= A2+b-a。此结果R便为修正后的正确 的解调结果。
[0048] 通过上述对本发明技术方案的具体描述可以发现，本发明的技术方案可以有效地 解决单模光纤中偏振态不稳定造成解调结果出错的问题，得到高精度的解调结果。
[〇〇49] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在 本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护 范围之内。
【权利要求】
1. 一种消除偏振态影响的高精度光纤光栅传感解调方法，包括下列步骤： 求取光纤光栅反射谱Si的两个偏振峰之间间隔的距离a ; 求取光纤光栅反射谱S2的两个偏振峰之间间隔的距离b ; 分别求取两路光纤光栅反射谱Sp S2的第K个测量周期和第K+1个测量周期的波长差 λ 1、 λ 2 ; 利用得到的波长差λ ρ λ 2来确定波长差λ 2相对于波长差λ i的变化量Λ λ，再根据 变化量Λ λ与偏振态的间隔距离a、b的关系，来确定波长差λ 2是否需要修正，若需要修 正，则利用修正公式进行修正，最后输出修正后的波长差R。
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： 如果b-c < Λ λ < b+c， 则修正公式为R = λ 2+b ; 如果-a_c < Δ λ < -a+c,则修正公式为R = λ 2_a ; 如果-a+b_c < Δ λ < -a+b+c,则修正公式为 R = λ 2+b_a ; 其中，c为Λ λ的阈值范围，根据经验预先设定。
3. 根据权利要求1所述的高精度光纤光栅传感解调方法，其中可调谐激光器具有窄线 宽和大可调谐范围，光纤光栅也具有窄线宽。
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。
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。
6. 根据权利要求1所述的高精度光纤光栅传感解调方法，其中对于光纤光栅反射谱Si 的两个偏振峰之间间隔的距离a、光纤光栅反射谱S 2的两个偏振峰之间间隔的距离b和两 路光纤光栅反射谱Sp S2的第K个测量周期和第K+1个测量周期的波长差λ ρ λ 2，求取其 数值的先后顺序均不予限定。
【文档编号】G01B11/16GK104061874SQ201410324658
【公开日】2014年9月24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