基于参考光纤激光器的高精度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，尤其涉及一种基于参考光纤激光器的高精度静态应变拍频解调系统。
【背景技术】
[0002]目前，地壳形变观测是地震前兆观测和预报的主要手段之一。实现地壳形变观测的仪器有洞体应变仪(伸缩仪)和钻孔应变仪等，这些仪器的精度一般都优于10-9，可以清晰的观测到固体潮现象。但是现有的形变观测仪器都是基于电学原理实现的，比如洞体应变仪使用的电涡流位移传感器、钻孔应变仪使用的高精度电感传感器等。这些电学传感器普遍存在怕雷击、抗电磁干扰能力弱、不能在深井高温环境中使用等缺点。
[0003]光纤传感器具有光学传感与传输一体、抗电磁干扰、适合长距离传输、可以组建区域性观测网络等本质性的特征和优势，可以解决电学量应力应变地震前兆观测系统存在的固有问题.如果能够将光纤传感器经过改进引入到地震前兆观测系统，并在主要技术指标上达到地震前兆观测规范要求，将使地震前兆观测数据质量产生质的飞跃(周振安，光纤光栅传感器用于高精度应变测量研究，地球物理学进展，2005)。
[0004]光纤光栅(FBG)传感器作为光纤传感器家族中的一种主流传感元件，已经在智能材料与结构的应变测量中的获得广泛的应用。但是，市场上广泛使用的FBG应变解调仪的应变测量精度一般为I μ ε，如果要将其应用于地形变观测中，其应变观测精度远远到不到要求。虽然，目前有很多技术可以提高FBG的高频段应变测量精度(如光频梳技术、激光反馈锁频技术、光纤环技术等)。比如最早将PDH激光锁频技术用于光纤光栅(FBG)FFP的应力应变测量，是2005年澳大利亚国立大学的Jong H.Chow等人(J.H.Chow,et al.，“Demonstrat1n of a passive subpicostrain fiber strain sensor，，，Opticsletters，2005)，理论上分析了应变测量分辨率能小于ρε/ V Hz (10Hz-1OOkHz) 0同时，意大利的G.Gagliardi等人也做了这方面的研究，并且与Jong H.Chow进行了合作，获得了 150ρ ε / V Ηζ(680Ηζ)、20ρ ε / V Hz (13kHz)应变分辨率(G.Gagliardi, et al.，“Fiber Bragg-grating strain sensor interrogat1n using laser rad1-frequencymodulat1n，’’Optics Express，2005)。2008 年 D.Gatti 首次将 n 相移光纤光棚■和 PDH 技术结合，在高频段实现了分辨率5ρ ε / V Hz的应变测量(D.Gatti, et al.，“Fiber strainsensor based on a p1-phase-shifted Bragg grating and the Pound-Drever-HalItechnique，”0pt.Express，2008)。而实现光纤光栅的高精度静态/超低频应变(地壳形变是一种非常低频、周期为12小时的应变/应力信号)测量却十分困难。
[0005]自2011年以来，人们也提出了基于可调谐激光器和参考光栅提高FBG/或者FBG-FP (基于FBG的干涉仪)的静态应变测量精度的方法，比如日本东京大学的QinwenLiu等人实现了 5.8ηε / V Hz的超低频准静态应变测量，并将该项技术引入了地壳形变观测中(Q.Liu, et al.，“Ultra-high-resolut1n large-dynamic-range optical fiberstatic strain sensor using Pound-Drever-HalI technique，，，Optics letters，2011)。2014年中国科学院半导体研究所的黄稳柱等人提出了使用相移光栅和小波降噪算法来进一步提高FBG 的静态应变测量精度(Wenzhu Huang, et al.，“ π-phase-shifted FBG forhigh—resolut1n static—strain measurement based on wavelet threshold denoisingalgorithm，，，et.al.，Journal of Lightwave Technology，2014)。同年，黄稳柱等人也申请了基于光纤光栅的高精度静态应变解调技术的相关专利(比如，黄稳柱等，一种高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，201410181113.6，国家发明专利)。
[0006]但是，以上实现高精度光纤静态应变测量的方法，都是基于光纤光栅或者光纤光栅法珀干涉仪、相移光栅等无源的光栅器件实现的。这些无源光栅器件，其反射谱的线宽一般最小可以做到MHz量级，很难再做得更高；而越小的线宽意味着更高的解调精度。有源光纤光栅器件，比如分布反馈光纤激光器(DFB-FL)、分布反射光纤激光器(DBR-FL)，具有极窄的线宽(kHz量级)，比无源光栅器件要窄3个量级。虽然早就有研究把有源光纤光栅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 lasersensing technology and its 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 laserhydrophone，” Optics Express，2009)、3X 3 f禹合器解调技术等(Y.Liu, et al./‘Fiberlaser sensing system and its applicat1ns，，，Photonic Sensors，2011)。但是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。
[0007]鉴于此，本发明提出一种基于参考光纤激光器(有源光纤光栅)和拍频检测原理的高精度静态应变解调技术，采用一个窄线宽激光光源分别与一个传感光纤激光器和一个参考光纤激光器进行拍频，通过比较两个拍频信号的频率差来实现温度补偿、以及光源频率波动补偿，并实现传感光纤激光器的超高精度应变解调。这项技术可以进一步提高光纤光栅的静态应变解调精度，解决现有光纤光栅高精度静态应变解调技术中光纤光栅线宽过大而导致静态应变解调精度受限的问题，同时还可以解决可调谐激光器扫描线性度不佳导致应变测量精度受限、解调算法较为复杂等问题。
【发明内容】
[0008](一 )要解决的技术问题
[0009]有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种基于参考光纤激光器的高精度静态应变拍频解调系统，以提高光纤光栅静态应变的解调精度，解决现有无源光纤光栅高精度静态应变解调技术中光纤光栅线宽过大而导致静态应变解调精度受限的问题，同时还可以解决可调谐激光器扫描线性度不佳导致应变测量精度受限、解调算法较为复杂等问题。
[0010](二)技术方案
[0011]为达到上述目的，本发明提供了一种基于参考光纤激光器的高精度静态应变拍频解调系统，该系统包括窄线宽可调谐激光器1、第一隔离器21、1550nm光纤耦合器3、第一合束器41、第二合束器42、980nm栗浦源10、980nm光纤耦合器9、第一波分复用器61、第二波分复用器62、传感光纤激光器7、参考光纤激光器8、第二隔离器22、第三隔离器23、第一偏振控制器51、第二偏振控制器52、第一探测器111、第二探测器112、采集卡12、解调算法单元13和控制处理器14，其中:
[0012]窄线宽可调谐激光器I发出的激光依次通过第一隔离器21、1550nm光纤耦合器3被一分为二，分别进入第一光纤合束器41、第二光纤合束器42:
[0013]同时，980nm栗浦光源10发出的激光通过一个980nm耦合器被一分为二，分别进入第一波分复用器61、第二波分复用器62，进入第一波分复用器61的光再进入传感光纤激光器7，进入第二波分复用器62的光再进入参考光纤激光器8，使得传感光纤激光器7和参考光纤激光器8分别激射出1550nm的激光；
[0014]传感光纤激光器7激射出1550nm的激光依次通过第二隔离器22、第一偏振控制器51进入第一光纤合束器41，这样，窄线宽可调谐激光器I的激光与传感光纤激