基于锁频技术和拍频原理的光纤激光静态应变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，尤其涉及一种基于锁频技术和拍频原理的光纤激光静态应变解调系统。
【背景技术】
[0002]应变测量可以分为静态应变(如频带为DC-0.0lHz)测量、准静态/动态(如频率在0.1Hz以上)应变测量。近年来，光纤传感器(尤其是光纤光栅)由于具有适合长距离传输与传感、不受电磁干扰、灵敏度高等优势，在工程应变测量领域得到了广泛的应用。
[0003]目前，市场上广泛使用的光纤光栅(FBG)应变解调仪的应变测量精度一般为1μ ε，这在高精度的应变/形变(如地壳形变)监测领域是难以满足实际应用需求的。其实，已经有很多技术可以提高FBG的准静态/动态应变测量精度(如激光锁频传感技术等)。比如2005年澳大利亚国立大学的Jong H.Chow等人将PDH激光锁频技术用于光纤光栅(FBG)FFP的应力应变测量，可以将应变测量分辨率提高到P ε / V Hz(10Hz-1OOkHz)(J.H.Chow, et al.，“Demonstrat1n of a passive subpicostrain fiber strainsensor，” Optics letters，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,，，Opt.Express, 2008)。
[0004]对于高精度的静态应变测量，人们也提出了基于可调谐激光器和参考光栅的方案来提高FBG/或者FBG-FP (基于FBG的干涉仪)的静态应变测量精度，2011年日本东京大学的Qinwen Liu等人最早实现了 5.8η ε / V Hz的超低频/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-rangeoptical fiber static strain sensor using Pound-Drever-HalI technique，，，Opticsletters, 2011) o 2014年中国科学院半导体研究所的黄稳柱等人提出了使用π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.，“ τι -phase-shifted FBG for high-resolut1n static-strain measurement based onwavelet threshold denoising algorithm，，，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)。
[0005]但是以上的高精度静态应变测量方法，都是基于光纤光栅、光纤光栅法珀干涉仪或相移光栅等无源光栅器件实现的。这些无源光栅器件，其反射谱的线宽一般最小最可以做到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 laser sensing technologyand 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 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。
【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锁频技术和拍频原理的光纤激光静态应变解调系统，以提高现有光纤光栅的静态应变解调精度，解决现有无源光纤光栅高精度静态应变解调技术中可调谐激光器扫描线性度不佳导致应变测量精度受限、激光光源频率波动对解调精度的影响、解调算法较为复杂等问题，同时解决现有有源光纤光栅不能实现高精度的静态应变解调问题。
[0008]( 二)技术方案
[0009]为达到上述目的，本发明提供了一种基于锁频技术和拍频原理的光纤激光静态应变解调系统，该光纤激光静态应变解调系统包括栗浦源1、波分复用器2、传感用光纤激光器3、第一隔离器61、合束器7、第一探测器81、数据采集器9、控制处理器10、窄线宽可调谐激光器11、耦合器12、第二隔离器62、相位调制器13、环行器15、光纤光栅谐振腔4、第二探测器82和信号发生器14，其中:
[0010]栗浦源I通过波分复用器2，使得传感用光纤激光器3激射产生波长为1550nm的反射激光，该反射激光经过第一隔离器61进入到合束器7中；
[0011]在传感用光纤激光器3激射产生的反射激光进入到合束器7中的同时，窄线宽激光器11发出的激光被耦合器12 —分为二，其中一束激光进入合束器7中与传感用光纤激光器3的反射激光汇合，汇合后的两束激光一起进入第一探测器81进行拍频，并通过数据采集器9和控制处理器10实现两束激光的拍频频率差的测量；
[0012]窄线宽激光器11的另一束激光依次经过一个第二隔离器62、相位调制器13、环行器15、光纤光栅谐振腔4和第二探测器82实现窄线宽激光器11的频率锁定。
[0013]上述方案中，所述传感用光纤激光器3是一种有源光纤光栅，用于感受外界应变作用，应变信号的大小直接反映了传感用光纤激光器3反射激光波长的变化量。所述传感用光纤激光器3采用分布反馈式(DFB)有源光纤光栅或分布反射式(DBR)有源光纤光栅。
[0014]上述方案中，所述窄线宽可调谐激光器11用于产生窄线宽可调谐激光，并与传感用光纤激光器3进行拍频，用于实际的应变传感解调。
[0015]上述方案中，所述光纤光栅谐振腔4是一种无源光纤光栅，一方面用于实现传感用光纤激光器3的温度补偿，另一方面用于窄线宽可调谐激光器11的频率锁定。所述光纤光栅谐振腔4作为参考用光纤光栅，采用光纤光栅法珀干涉仪或者相移光栅。
[0016]上述方案中，所述信号发生器14给相位调制器13提供调制信号源，控制处理器10通过计算光纤光栅谐振腔4返回到第二探测器82的信号来对窄线宽可调谐激光器11的波长进行反馈控制。所述控制处理器10，一方面用于控制器窄线宽可调谐激光器11波长锁定反馈控制，另一方面实现解调结果的显示和存储。
[0017]