光纤Fabry-Perot位移传感器的双波长非线性位移解调方法及系统与流程

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及光纤fabry-perot位移传感器的位移解调技术。

背景技术：

随着科技的发展，对于复杂环境下的微小振动的监测与测量显得越来越重要，而常用的多普勒测振仪、应变仪、光纤位移传感器等这些仪器进行测量，测量方法存在无法适应复杂环境测量或者无法实现高精度的微振动测量或者无法满足大振动范围的测量等问题。瑞利积分作为一种声场计算方法，只要测得换能器表面振动速度分布即可计算出场点中任一点声压。在hifu声场高声压的测量环境中，光纤fabry-perot位移传感器可以测量出换能器表面振动位移，结合瑞利积分能够计算出hifu场的声压分布。光纤fabry-perot位移传感器测量振动位移时，主要面临三个问题：1)测量范围小，对于大位移测量容易超量程。2)系统输出电压与位移大小理论上不成正比关系。3)通过修改激光器工作波长进行非线性位移解调，如果波长设置靠近反射谱波谷，正向位移能很好的解调，但是负向位移解调误差大；如果波长设置靠近反射谱波峰，负向位移能很好的解调，但是正向位移解调误差大。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有的不足，提供一种光纤fabry-perot位移传感器的双波长非线性位移解调系统及方法，可以有效改善上述问题，提高传统光纤fabry-perot位移传感器的测量范围，提高解调精度，增加解调灵活性，克服相位模糊的问题，还能对解调结果的可靠性给予评价。

本发明解决上述技术问题的方案如下：

第一方面，本发明提供一种光纤fabry-perot位移传感器的双波长非线性位移解调方法，本方法利用波分复用，在光纤fabry-perot位移传感器内复用两路激光，两路激光分别受到正负向位移的调制，分析两路激光信号还原正负向位移信号。本方法包括以下步骤：

1.获取两路反射谱：保证被测对象的振动位移未作用到光纤fabry-perot位移传感器上；两路激光器工作，数据采集卡采集光电探测器的输出电压v随各自对应的波长可调谐激光器波长λ变化的离散点数据，即两路反射谱。

2.设置两路激光器工作波长，分别确定初始相位：对反射谱进行傅里叶变换，计算出fabry-perot腔腔长l，并分别设置两路激光器的工作波长，两个工作波长不能相同；然后根据光相位分别确定振动位移未作用到光纤fabry-perot位移传感器时的初相位φ10和φ20，其中ne为fabry-perot腔腔内空气折射率。

3.反射谱相位转换、曲线拟合及求解反函数：根据将反射谱转换为输出电压v与光相位φ的离散点数据，并进行拟合，建立输出电压v与光相位φ的函数关系v(φ)，拟合形式为：

式中y0，a，xc，w都为待拟合的参数，求式(1)的反函数v^-1(φ)得到光相位φ与输出电压v的函数关系：

式中k为整数。

4.分别计算光相位的改变量，确定腔长变化量：两路激光器仍然同时保持步骤2中设置的工作波长输出，然后使被测对象的振动位移作用到光纤fabry-perot位移传感器上。分别记录振动位移作用到光纤fabry-perot位移传感器后两路光电探测器的输出电压，根据步骤3中光相位φ与输出电压的函数关系分别计算振动位移作用后的终相位φ11和φ21，然后结合初相位φ01和φ02分别得到两路激光的相位变化量δφ1和δφ2，并根据fabry-perot腔腔长l和两路激光器的工作波长分别计算出振动位移引起的fabry-perot腔腔长变化量δl1和δl2，即被测对象两路激光下非线性振动位移就是δl1和δl2。

第二方面，本发明进一步提供一种光纤fabry-perot位移传感器的双波长非线性位移解调系统，所述系统包括：光纤fabry-perot位移传感器、波长可调谐激光器、光纤组件以及探测与反馈组件。所述波长可调谐激光器发出的光经过所述光纤组件到达所述光纤fabry-perot位移传感器后，被正负向位移调制的所述光纤fabry-perot位移传感器的两束反射光经过所述光纤组件被所述探测与反馈组件接收并处理，同时得到正负向位移。

进一步，所述光纤组件包括：第一光纤耦合器、光纤环形器、波分复用器、第二光纤耦合器。所述光纤耦合器用于将一束激光分解为两束或者将两束复合为一束，所述波分复用器只通过系统设置波长的激光。

进一步，所述探测与反馈组件包括：光电探测器和数据采集卡。所述光电探测器接收所述波分复用器输出的光信号，每个光电探测器都输出两路信号，一路输出位移信号，另一路接至数据采集卡，由数据采集卡根据该路信号对所述光源组件进行波长设置。

上述系统可以采用如下具体形式：所述波长可调谐激光器通过所述第一光纤耦合器进入光纤环形器一端的一臂，光纤环形器一端的另一臂与所述第二光纤耦合器连接，第二光纤耦合器的一端的一臂与所述波分复用器连接，第二光纤耦合器的一端的另一臂与所述光电探测器输入端连接，光纤环形器另一端与所述光纤fabry-perot位移传感器连接，所述波分复用器另一端与所述光电探测器输入端连接，所述光电探测器输出端一端连接所述数据采集卡，另一端连接输出端。

上述系统可以采用如下另一种具体形式：所述波长可调谐激光器通过所述第一光纤耦合器进入光纤环形器一端的一臂，光纤环形器一端的另一臂与所述波分复用器连接，光纤环形器另一端与所述光纤fabry-perot位移传感器连接，所述波分复用器另一端与所述光电探测器输入端连接，所述光电探测器输出端一端连接所述数据采集卡，另一端连接输出端。

本方法中两路激光器既协同工作，互相配合，又相互独立，互不干扰。本发明提供的解调方法是相互独立的同时进行正负向位移测量，能够真正意义上一次测量准确解调出正负向位移。相对于只用一路激光器进行正负向位移测量不能在同一时刻下进行正负向位移测量，需要进行两次测量才能解调出正负向位移，本方法能够测量同一时刻下的正负向位移，解调的准确性更高。

此外，本方法还可以对测量结果的可靠性给予评价。因为两路激光都应该受到正负向位移的调制，所以解调正向位移的一路信号也能提取出负向位移的信息，解调负向位移的一路信号也能提取出正向位移的信息。只有测量结果都符合上述描述，才能确定此次测量结果可靠，否则可能光纤fabry-perot位移传感器还没完成测量中即已损坏或者出现系统故障。

本发明具有的有益的效果是：

1.本发明方法及系统是利用波分复用，采用两路激光相互独立的同时进行正负向位移解调，解调的准确性更高，只需一次测量即可解调出正负向位移，是真正意义上的同时测量。而采用一路激光器进行正负向位移测量时有先后顺序，需要两次测量才能解调出正负向位移，并非真正意义的同时测量。

2.本发明方法及系统提供的光纤fabry-perot位移传感器的双波长非线性位移解调方法，由于两路激光器的工作波长不同，如果一路信号刚好处于方向模糊点附近，则另一路信号一定不会处在方向模糊点附近，保证了至少一路信号不受方向模糊的影响。

3.本发明方法及系统采用两路激光器协同工作，互相配合，能对测量结果的可靠性给予一定评价。本发明最终输出的两束信号都应该包含有正负向位移信息，如果一路信号输出正常，另一路输出异常，就可以确定光纤fabry-perot位移传感器在测量中已损坏或者有系统故障，可视为此次测量结果无效。这种评价能力能够极大地提高测量的可靠性和准确性，防止无效测量的干扰。而其他测量方法则不具备此类评价能力。

4.本发明的系统简单、结构紧凑。系统中采用波分复用器进行波长选择，系统灵活性大。同时，两路激光器既协同工作，互相配合，又相互独立，互不干扰。

因此，光纤fabry-perot位移传感器的双波长非线性位移解调系统及方法对准确测量振动位移具有独特的优势和潜在的实用价值。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明提供的光纤fabry-perot位移传感器的双波长非线性位移解调系统的实施例1的系统框图。

图2是本发明提供的光纤fabry-perot位移传感器的双波长非线性位移解调系统的实施例2的系统框图。

图3是本发明提供的光纤fabry-perot位移传感器的双波长非线性位移解调方法的解调流程图。

图4是本发明提供的光纤fabry-perot位移传感器的双波长非线性位移解调系统的实施例2的第一路反射谱曲线。

图5是本发明提供的光纤fabry-perot位移传感器的双波长非线性位移解调系统的实施例2的第二路反射谱曲线。

图6是光纤fabry-perot位移传感器的双波长非线性位移解调系统解调正向位移时系统输出信号曲线。

图7是光纤fabry-perot位移传感器的双波长非线性位移解调系统解调负向位移时系统输出信号曲线。

其中附图标记分别为：

001.反射光纤、002.石英毛细管、003.输入/输出单模光纤、101.pc机、102.第一波长可调谐激光器、103.第二波长可调谐激光器、104.第一光纤、105.第二光纤、106.第一光纤耦合器、107.第三光纤、108.光纤环形器、109.第四光纤、110.光纤fabry-perot水听器、111.被测对象、112.第五光纤、113.第二光纤耦合器、114.第六光纤、115.第七光纤、116.波分复用器、117.第八光纤、118.第九光纤、119.第一光电探测器、120.第二光电探测器、121.输出端、122.数据采集卡、201.pc机、202.第一波长可调谐激光器、203.第二波长可调谐激光器、204.第一光纤、205.第二光纤、206.光纤耦合器、207.第三光纤、208.光纤环形器、209.第四光纤、210.光纤fabry-perot水听器、211.被测对象、212.第五光纤、213.波分复用器、214.第六光纤、215.第七光纤、216.第一光电探测器、217.第二光电探测器、218.输出端、219.数据采集卡。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明做进一步说明：

实施例1：光纤fabry-perot位移传感器的双波长非线性位移解调系统

参见图1，该系统包括：pc机101、第一波长可调谐激光器102、第二波长可调谐激光器103、第一光纤耦合器106、光纤环形器108、光纤fabry-perot位移传感器110、第二光纤耦合器113、波分复用器116、第一光电探测器119、第二光电探测器120、输出端121、数据采集卡122等。

调节光纤fabry-perot位移传感器110使其出光面平行于被测对象111。被测对象111未振动时，获取两路反射谱信号。第一波长可调谐激光器102、第二光电探测器120以及数据采集卡先工作，得到光纤fabry-perot位移传感器的反射谱；第二波长可调谐激光器103、第二光电探测器120以及数据采集卡再工作，同样得到光纤fabry-perot位移传感器的反射谱。

pc机101根据两路反射谱信号分别设置第一波长可调谐激光器102输出波长λ1，第二波长可调谐激光器103输出波长λ2，两路波长不相同，同时设置波分复用器116只通过波长为λ1和λ2的激光。

波长为λ1、λ2的两路激光分别经过第一光纤104和第二光纤105传输进入第一光纤耦合器106耦合为一路混合激光后，经过光纤环形器108一端进入光纤fabry-perot位移传感器110。正负向振动位移调制后的混合激光反射回光纤环形器108的另一端，经过第二光纤耦合器113按比例分离成两束混合激光，其中一路混合激光再通过波分复用器116分离成λ1、λ2波长的激光。只有波长λ1能进入第一光电探测器119；同样只有波长λ2能进入第二光电探测器120；至此，两个光电探测器实现对两个波长的光分别同时进行光电转换，在转换后的电压信号一路接入数据采集卡122，另一路接输出端121。本实施例中第一光纤耦合器106和第二光纤耦合器113可采用1×2或者2×2光纤耦合器。光纤环形器108可以采用光隔离器和光纤耦合器代替，属于同等替代，同样能实现发明目的。

本实施例中波分复用器116可以采用光纤耦合器和可调谐fp滤波器或光纤光栅代替，同样能够实现发明目的。

本实施例中第二光电探测器120是二输入二输出光电探测器，也可以采用两个一输入一输出光电探测器代替，同样能够实现发明目的。

实施例2：光纤fabry-perot位移传感器的双波长非线性位移解调系统

参见图2，该系统包括：pc机201、第一波长可调谐激光器202、第二波长可调谐激光器203、光纤耦合器206、光纤环形器208、光纤fabry-perot位移传感器210、波分复用器213、第一光电探测器216、第二光电探测器217、输出端218、数据采集卡219等。

调节光纤fabry-perot位移传感器210使其出光面平行于被测对象211。被测对象211未振动时，获取两路反射谱信号。第一波长可调谐激光器202、第一光电探测器216、波分复用器213以及数据采集卡先工作，得到光纤fabry-perot位移传感器的反射谱；第二波长可调谐激光器203、第二光电探测器220、波分复用器213以及数据采集卡再工作，同样得到光纤fabry-perot位移传感器的反射谱。

pc机201根据两路反射谱信号分别设置第一波长可调谐激光器202输出波长λ1，第二波长可调谐激光器203输出波长λ2，同时设置波分复用器213只通过波长为λ1和λ2的激光。

波长为λ1、λ2的两路激光分别经过第一光纤204和第二光纤205传输进入光纤耦合器206耦合为一路混合激光后，经过光纤环形器208一端进入光纤fabry-perot位移传感器210。正负向振动位移调制后的混合激光反射回光纤环形器208的另一端，通过波分复用器213将λ1、λ2波长的激光进行分离。只有波长λ1能进入第一光电探测器216；同样只有波长λ2能进入第二光电探测器217；至此，两个光电探测器实现对两个波长的光分别同时进行光电转换，在转换后的电压信号一路接入数据采集卡、219，另一路接输出端218。

本实施例中光纤耦合器206可采用1×2或者2×2光纤耦合器。光纤环形器208可以采用光隔离器和光纤耦合器代替，属于同等替代，同样能实现发明目的。

本实施例中波分复用器213可以采用光纤耦合器和可调谐fp滤波器或光纤光栅代替，同样能够实现发明目的。

实施例3：光纤fabry-perot位移传感器的双波长非线性位移解调方法

本实施例是应用于上述的光纤fabry-perot位移传感器的双波长非线性位移解调系统的方法，下面结合附图3对本方法的步骤作进一步详细描述。

步骤1、获取两路反射谱信号：被测对象211未振动时，第一波长可调谐激光器202、第一光电探测器216以及数据采集卡219工作，获得的光纤fabry-perot位移传感器210的第一路反射谱曲线，如图4所示；然后第二波长可调谐激光器203、第二光电探测器217以及数据采集卡219工作，获得的光纤fabry-perot位移传感器210的第二路反射谱曲线，如图5所示。只要系统光路稳定，两路反射谱信号电压幅值可以不用完全一致。

步骤2、设置两路激光器工作波长，分别确定初始相位：对反射谱进行傅里叶变换，计算出fabry-perot腔腔长l，并分别设置两路激光器的工作波长。两路激光的波长满足：对应波分复用器两个不同通道，且两个波长对应反射谱上的电压不能相同。由于相同位移作用下，引起的腔长变化量相同，通过设置不同的激光器工作波长可以改变光相位的变化量不同，进而使得不同工作波长下的系统输出电压不同。

解调正向位移时，要求正向位移引起相同相位变化量，输出的电压信号变化足够大，根据图4所示反射谱，则可以将激光器工作波长设置在靠近波谷位置(a)，此时正向位移引起的相位变化量对应的输出电压变化大，负向位移引起的相位变化量对应的输出电压变化小，所以正向位移解调精确，负向位移解调误差大。同理，解调负向位移时，要求负向位移引起相同相位变化量，输出的电压信号变化足够大，根据图5所示反射谱，则可以将激光器工作波长设置在靠近波峰位置(b)，此时负向位移解调精确，正向位移解调误差大。完成工作波长设置后分别确定振动位移未作用到光纤fabry-perot位移传感器时的初相位φ10和φ20，光相位φ可表示为：

式中na为fabry-perot腔内空气折射率。

步骤3、反射谱相位转换、曲线拟合及求解反函数：光纤fabry-perot位移传感器210反射回光电探测器的光强ir可近似为：

ir＝2r(1-cosφ)ii(2)

式中ii为波长可调谐激光器的输出光强，r为fabry-perot腔内空气-光纤界面反射率。由式(2)可得，输出的反射光强是激光器波长λ和腔长l的双值函数，是相位φ的单值函数，改变波长和腔长都能引起反射光强的变化。由于光在从光纤fabry-perot位移传感器210反射回光电探测器的过程中会引入附加相位，并且获取的反射谱为离散点数据，如果需要建立任意相位与输出电压的关系就需要对反射谱信号进行曲线拟合。因此，根据式(1)将反射谱转换为输出电压v与光相位φ的离散点数据，并进行最小二乘拟合，建立输出电压v与光相位φ的函数关系v(φ)，拟合形式为：

式中y0，a，xc，w都为待拟合的参数，求式(3)的反函数v^-1(φ)得到光相位φ与输出电压v的函数关系为：

式中k为整数。

步骤4、分别计算光相位的改变量，确定腔长变化量：两路激光器仍然同时保持步骤2中设置的工作波长，然后使被测对象的振动位移作用到光纤fabry-perot位移传感器上。分别记录振动位移作用到光纤fabry-perot位移传感器后两路光电探测器的输出电压，解调正向位移的输出信号如图6所示，解调负向位移的输出信号如图7所示。根据步骤3)中光相位与输出电压的函数关系分别计算振动位移作用后的终相位φ11和φ21，然后结合初相位φ01和φ02分别得到两路激光的相位变化量δφ1和δφ2，并根据fabry-perot腔腔长l和两路激光器的工作波长分别计算出超声波引起的fabry-perot腔腔长变化量δl1和δl2，即被测对象两路激光下非线性振动位移就是δl1和δl2。

本实施例中，也可以将两激光器工作波长设置在靠近波峰位置(c)和波谷位置(d)，也能实现发明目的，但是系统输出电压信号相反，即正向位移时输出负电压。

本实施例中，也可以将两激光器工作波长设置在波峰和波谷位置，也能实现发明目的，但是系统输出信号会立即出现倍频现象，并不利于信号的解调。

本发明提供的解调方法是相互独立的同时进行位移测量。由于两路激光器的工作波长不同，如果一路信号刚好处于方向模糊点附近，则另一路信号一定不会处在方向模糊点附近，保证了至少一路信号不受方向模糊的影响。此外，由于两路激光同时受到声压的调制，而腔长变化是相同的，所以只有解调出的位移是相同的，才能确定此次测量结果可靠，否则可能光纤fabry-perot位移传感器还没完成测量即已损坏或者出现系统故障，能够避免粗大误差，防止无效测量的干扰，能够极大的提高位移解调的可靠性和准确性。

最后，需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。