基于单边带扫频调制的光纤激光静态应变拍频解调系统的制作方法

文档序号:9371737阅读:855来源:国知局
基于单边带扫频调制的光纤激光静态应变拍频解调系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光纤传感技术领域,尤其涉及一种基于单边带扫频调制的光纤激光静态应变拍频解调系统。
【背景技术】
[0002]伴随着光电子技术的不断发展,上个世纪90年代末以来,出现了以分布反馈光纤激光器(DFB-FL)和分布反射光纤激光器(DBR-FL)作为传感元件的新一代传感器,它是光纤传感领域近年来的一个研究热点。除了具有普通FBG传感器结构简单、抗电磁干扰、尺寸小和易于通过波分复用组建传感网络等优点之外,还具有单频、窄线宽、高功率、超低噪声等独特优势。结合高分辨率波长解调技术,它能够实现超高灵敏度的信号探测,在微弱信号探测方面有着不可比拟的优势。
[0003]有源光纤光栅器件(例如分布反馈光纤激光器、分布反射光纤激光器),具有极窄的线宽(kHz量级),比传统的无源光栅器件(例如光纤光栅、光纤光栅法珀干涉仪、相移光栅)要窄3个量级以上,越窄的线宽意味着更高精度的波长/应变测试。
[0004]虽然早就有研究把分布反馈光纤激光器、分布反射光纤激光器用于高精度的应变测量,比如干涉式相位解调技术(F.Li,et al.,“Fiber laser sensing technology andits applicat1ns,” Infrared and Laser Engineering,2009)、偏振激光拍频解调技术(B.0.Guan, et al.,‘‘Dual polarizat1n fiber grating laser hydrophone,,,OpticsExpress,2009)、3 X 3 f禹合器解调技术等(Y.Liu,et al.,“Fiber laser sensing systemand its applicat1ns”,Photonic Sensors,2011)。但这些技术都只能实现动态应变解调,低频段很难降到IHz以下,还没有见到将有源光纤光栅用于超高精度的静态/超低频应变测量的报道。
[0005]鉴于此,本发明提出一种基于单边带扫频调制的光纤激光静态应变拍频解调系统,首先采用PDH稳频技术将窄线宽激光光源锁定在一个稳频源上,然后通过一个抑制载波单边带调制器实现窄线宽激光的调谐,并且把这个可调谐的激光与两个光纤激光器同时进行拍频(两个光纤激光器,其中一个为传感用光纤激光器、一个为温度补偿用光纤激光器);并且通过数据采集和处理系统测量这两组拍频信号频率变化值的延时、或者拍频频率差来实现传感用光纤激光器的应变解调。这项技术可以实现光纤激光器的高精度静态应变解调,重点解决现有光纤激光器解调技术不能实现高精度静态应变测量、可调谐激光扫频非线性对解调精度的影响等问题,同时可以解决窄线宽激光光源波长或频率漂移对解调精度的影响问题。

【发明内容】

[0006](一 )要解决的技术问题
[0007]有鉴于此,本发明的主要目的是提供一种基于单边带扫频调制的光纤激光静态应变拍频解调系统,以实现光纤激光器的高精度静态应变测量,解决现有光纤激光器解调技术不能实现高精度静态应变测量、可调谐激光扫频非线性对解调精度的影响等问题,同时解决窄线宽激光光源波长或频率漂移对解调精度的影响问题。
[0008]( 二)技术方案
[0009]为达到上述目的,本发明提供了一种基于单边带扫频调制的光纤激光静态应变拍频解调系统,该系统包括栗浦源1、耦合器2、第一波分复用器31、第二波分复用器32、第一偏振控制器41、第二偏振控制器42、传感用光纤激光器5、参考用光纤激光器6、第一隔离器71、第二隔离器72、第一合束器81、第二合束器82、第一宽频带光电探测器91、第二宽频带光电探测器92、控制处理器17、窄线宽激光光源15、第三隔离器73、第三偏振控制器43、第三合束器83、抑制载波单边带调制器10、第四合束器84、扫频信号发生器11、相位调制器13、射频信号发生器12、稳频源14和光电探测器16,其中:栗浦源I发出的光通过耦合器2被一分为二,其中一束光依次通过第一波分复用器31和第一偏振控制器41进入传感用光纤激光器5,使得传感用光纤激光器5激射出一束1550nm窄线宽激光,该窄线宽激光反射进入第一隔离器71,再进入第一合束器81中;另一束光依次通过第二波分复用器32和第二偏振控制器42进入参考用光纤激光器6,使得参考用光纤激光器6激射出一束1550nm窄线宽激光,该窄线宽激光反射进入第二隔离器72,再进入第二合束器82中;同时,窄线宽激光光源15发出的光,依次通过第三隔离器73和第三偏振控制器43进入第三合束器83被一分为二,其中一束光依次通过相位调制器13、稳频源14、光电探测器16进入用于信号采集处理的控制处理器17实现窄线宽激光光源的频率锁定;另一束光通过一个抑制载波单边带调制器10进入第四合束器84再次被一分为二,分别进入第一合束器81和第二合束器82中,进入第一合束器81的光与传感用光纤激光器5激射出的窄线宽激光汇合,进入到第一宽频带光电探测器91中进行拍频,进入第二合束器82的光与参考用光纤激光器6激射出的窄线宽激光汇合,进入到第二宽频带光电探测器92中进行拍频。
[0010]上述方案中,所述传感用光纤激光器5是一种有源光纤光栅,用于感受外界应变作用,传感用光纤激光器5反射激光波长的变化量直接反映了应变信号的大小。
[0011]上述方案中,所述参考用光纤激光器6是一种有源光纤光栅,用于实现传感用光纤激光器5的温度补偿。
[0012]上述方案中,所述窄线宽激光光源15,用于产生窄线宽激光,并通过第三合束器83将窄线宽激光一分为二,其中一束激光用于窄线宽激光光源15频率锁定,另一束激光与传感用光纤激光器5、参考用光纤激光器6分别进行拍频,用于实际的应变传感解调。所述窄线宽激光光源15通过PDH锁频技术将其中心波长锁定在稳频源14的色散光谱上,实现窄线宽激光光源14的频率稳定。
[0013]上述方案中,所述窄线宽激光光源15的输出激光,与传感用光纤激光器5、参考用光纤激光器6的反射激光具有相近的线宽,并且窄线宽激光光源15输出激光的中心波长与传感用光纤激光器5、参考用光纤激光器6反射激光的中心波长也相近。所述传感用光纤激光器、参考用光纤激光器是分布反馈式(DFB)有源光纤光栅或分布反射式(DBR)有源光纤光栅;所述窄线宽激光光源为商用的半导体激光器或者商用的光纤激光器。
[0014]上述方案中,所述抑制载波单边带调制器10由所述扫频信号发生器11来驱动,用于实现窄线宽激光的波长或频率的可调谐。所述抑制载波单边带调制器10是抑制载波单边带铌酸铝调制器,其带宽大于传感用光纤激光器5、参考用光纤激光器6的中心波长差,以利于拍频解调。
[0015]上述方案中,所述相位调制器13,通过一个射频信号发生器12,结合一个稳频源14和一个光电探测器16组成一个典型的PDH锁频光路,用于实现窄线宽激光光源15的频率或波长的锁定。
[0016]上述方案中,所述第一隔离器71用于隔离1550nm激光返回到传感用光纤激光器
5中,以免对传感用光纤激光器5的信号产生干扰;所述第二隔离器72用于隔离1550nm激光返回到参考光纤激光器6中,以免对参考光纤激光器的信号产生干扰。
[0017]上述方案中,所述第一宽频带光电探测器91和第二宽频带光电探测器92,用于实现传感用光纤激光器5、参考用光纤激光器6与窄线宽激光光源光学频率差的测量,并将其转换为电学的拍频信号,通过控制处理器17实现拍频电压信号的数据采集和处理;拍频电压信号的频谱信息反映了窄线宽可调谐激光器15与传感用光纤激光器5、参考用光纤激光器6的光学波长或频率差信息。所述探测器9和控制处理器17的带宽大于窄线宽可调谐激光光源15与传感用光纤激光器5、或参考用光纤激光器6的波长差或频率差。
[0018]上述方案中,所述控制处理器17,用于扫频信号发生器11、射频信号发生器1
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