基于偏振切换的光纤f-p传感器振动解调系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种基于偏振切换的光纤F-P传感器振动信号解调系统和解调方法， 属于光纤传感及信号解调领域。
【背景技术】
[0002] 当外界物理量(如位移、应力与溫度等)施加在一个光纤化bry-化rot (F-P)传感器 上时，该传感器的腔长会发生变化，进而导致输出的干设相位信号发生变化。因此，干设相 位信号容易受到外界物理参数作用的影响，相位信号解调是目前解调技术的一大技术核 屯、。干设型传感器的解调也是基于相位的求解进行的。目前，相关领域研究学者已经提出两 种方法对相位信号进行解调：一种方法是基于白光干设理论，但是该方法检测的原始干设 信号需要通过多级干设仪实现传感参数求解，运无疑增加了解调系统的复杂度和成本;另 一种方法是基于双波长原理（如文献化Lu,Zengling Ran,Fei Peng,et al.Demodulation of micro fiber-optic Fabry-Perot interferometer using subcarrier and dual- wavelength method[J]. Optics Communications,2012,285(6):1087-1090和Wang T.Dual-Wavelength Demodulation and Wavelength Optimization for Optical Fiber Fabir-Perot SensorU].Acta Optica Sinica,2005.)，使用两束互相垂直的相移信号光 的干设实现相位信号解调。电子科技大学饶云江的科研团队设计了一种双波长强度解调光 路系统，该系统使用两个不同工作波长的单色光源，通过对波长和传感器腔长进行设计，使 得两路信号光的相移输出相差V2,该系统基于载波技术和双波长原理消除了光源波动、光 路扰动和系统电参数的干扰。然而，运类传统的双波长解调系统一般使用两个不同的光源 或光电探测器，给系统带来光路的不平衡问题。光路不平衡是由外界环境干扰、光源波动、 探测器响应速度和灵敏度W及系统噪声等导致的信号光光程不一致形成的，最终导致干设 信号相位解调的不准确和解调系统的不稳定。
[0003] 由于低精细度短F-P传感器构成的光纤F-P传感器是一种高性能的点检测传感器， 可应用于位移、应力与溫度等多种物理量的检测，为获取高灵敏度，传感器工作点必须保持 在正交状态。在实际应用中，由于加工误差与环境干扰的影响，传感器工作点很容易偏离正 交点而进入饱和区，造成输出信号衰减与失真。针对运一问题，相关领域提出了传感器工作 点稳定技术，其中可调谐激光源技术(如文献MURP肌K A，GUNT皿R Μ F，VENGSA服AR A M， et 曰1.Quadrature phase-shifted extrinsic F曰bry-Perot optical fiber sensors [J]. Opt Lett. ,1991，16(4): 273-275)与双波长稳定技术（如文献 O.Frazao，S.H.Aref， J.M.Baptista,J.L.Santos,H.Latifi,F.Farahi,J.KobeIke,and K. Schuster.Fabry- Perot cavity based on 曰 suspended-core fiber for strain and temperature measurement. I邸E F*hoton.Technol 丄ett. ,2009,21(9): 1229-1231)是光纤F-P传感器常 用的两种工作点稳定方法:可调谐激光源技术通过监测外界干扰信号的变化，用闭环控制 来实现传感器工作点的正交状态，对干扰敏感、系统构成复杂与成本高是该方法的主要缺 点；双波长稳定技术是通过合理设计及选择两路输出信号光波长，使得两路输出信号处于 正交状态，运样当一路信号处于饱和，另一路则处于线性区，从而提高了传感器的灵敏度。 双波长稳定技术系统中的两路工作波长设定后，对F-P传感器的腔长制作工艺的精度要求 就大大提高，否则，将给该基于双波长原理的信号解调结果带来一定的误差，运是传统双波 长法的一大不足之处。
[0004] 本发明设计了一种偏振切换的F-P传感器振动信号解调系统，克服了传统双波长 解调系统中的光路不平衡问题，实现了在同一光源、光电探测器和相同光路上的两路干设 信号解调；同时，本发明提出了一种楠圆拟合法和微分交叉相乘算法相结合的两路信号解 调方法，该方法可W有效地避免F-P传感器腔长制作工艺误差给解调系统带来的不准确性。
【发明内容】
[0005] 本发明针对现有技术存在的缺点，提出一种基于偏振切换的光纤F-P传感器振动 信号解调系统，该系统具有实用可靠、设计巧妙、解调稳定等优点。
[0006] 本发明采用的技术方案为:一种基于偏振切换的光纤F-P传感器振动解调系统，由 宽谱光源1，保偏光纤光栅2,保偏环形器3,保偏渗巧光纤放大器4,电光调制器5,信号发生 器6,检偏器7,环形器8,电光调制器9,高速数据采集卡10,计算机11，功率放大器12,振动台 13和光纤F-P传感器14组成；由宽谱光源1发出的宽带光经单模光纤进入保偏环形器3的301 端口，再从保偏环形器3的302端口输出进入保偏光纤光栅2，在保偏光纤光栅2处发生反射， 形成波长不同、偏振态相互垂直的反射光，所述反射光再次从保偏环形器3的302端口进入 保偏环形器3并从保偏环形器3的303端口出射，出射的反射光经由保偏光纤进入保偏渗巧 光纤放大器4进行光强放大，放大后的反射光通过电光调制器5实现偏振态方向旋转;所述 电光调制器5的参考电压由信号发生器6的601通道输出方波信号控制，可W在一个方波信 号的高、低电平状态下对反射光中的两个偏振态方向实现旋转，旋转后的线偏振光经保偏 光纤进入检偏器7, W保证仅有一个线偏光通过，进而实现两个不同波长、偏振态互相垂直 的线偏光的切换;切换后的线偏光再通过环形器8的801端口传输至802端口，并经过单模光 纤进入光纤F-P传感器14,在光纤F-P传感器14内发生干设W后携带着相位信息返回至环形 器8的802端口，再从环形器8的803端口输出后，被光电探测器9探测后进行光电转换，光电 转换后的信号被高速数据采集卡10采集后进入计算机11进行解调求解。
[0007] 所述的宽谱光源1工作于C波段，输出的光波长为（1528.77~1563.86)nm，功率为 42.5mW；
[0008] 所述的保偏光纤光栅2通过相位掩膜法刻写在载氨处理后的熊猫型保偏光纤上， 光栅类型为切趾型光栅，光栅的峰值反射率为94%，反射后产生两个具有不同中屯、波长的 反射峰（图2中的反射光是保偏光纤快、慢轴上的反射峰的叠加形成的光谱）分别为 1534.6皿(慢轴)和1535.1皿(快轴），二者的3地带宽约为0.2皿，切换后，它们作为该双波长 解调系统的两路信号光；
[0009] 所述的保偏渗巧光纤放大器4可W将从保偏环形器3的303端口出射的信号光功率 14.75yW放大至14.76mW，W保证该信号光强度可W满足后续系统传感要求；
[0010] 所述的电光调制器5采用法国Photline公司研制的PS-LN妮酸裡(Li师〇3)偏振旋 转器，工作频带为1310/1550nm，最大偏振态切换频率可达150MHz，当方波调制信号通过射 频电极施加到LiNb化光波导时，原有相互垂直的快、慢轴偏振光的偏振态传输相位特性产 生了差异，从而导致输出偏振态方向随方波调制电压的变化而发生旋转，通过检偏器7后实 现两个不同中屯、波长的快、慢轴线偏光信号的时域上的切换；
[0011] 所述的光纤F-P传感器14是由两个单模光纤的纤忍端面(直径为125皿)插入一个 内径为128μπι的毛细玻璃套管中，在显微镜下制作的F-P传感器，所述传感器的腔长为500μπι (腔长误差在1%W内），两端分别用胶水密封固定，传感器的光路连接端被粘贴在振动台13 上用于对振动信号传感。
[0012] 本发明还提供一种基于上述系统的解调方法，该方法的步骤如下：
[0013] 第一步，按如上所述连接好系统的各组成部件，并依次打开宽谱光源1、信号发生 器6、保偏渗巧光纤放大器4、电光调制器5、功率放大器12、光电探测器9和高速数据采集卡 10W及计算机11;
[0014] 第二步，利用所述信号发生器6的601通道输出方波信号，所述方波信号的参数设 置为:高电平Uup = 3.0V，低电平Ui?=-2.7V，调制频率为1 OkHz，用于实现反射光中两个垂直 偏振态旋转后通过检偏器7的切换输出：当信号发生器6的601通道输出的方波信号为高电 平时，所述反射光通过检偏器7输出一个偏振态的信号光；当信号发生器6的601通道输出的 方波信号为低电平时，所述反射光通过检偏器7输出另外一个偏振态的信号光；
[0015] 第Ξ步，将所述光纤F-P传感器14的光路连接端固定在振动台13的上表面，用于实 现对振动信号的传感:光纤F-P传感器14的发射端固定在振动台13的上表面后在振动信号 的作用下，传感器的腔长会随着振动信号发生相应的变化，腔长的