基于可调谐激光器的光纤F-P压力传感器解调系统

基于可调谐激光器的光纤f-p压力传感器解调系统
技术领域
1.本发明属于光纤传感技术领域。


背景技术：

2.光纤f-p压力传感器具有结构简单、稳定性好的传感器，具有体积小、重量轻、灵敏度高、抗电磁干扰、固有频率高等优点，广泛应用于工业过程测控、兵器特种测试、建筑结构健康监测、航空航天等领域，近年来由于其优异的抗电磁干扰能力，在爆炸冲击波测试领域中受到高度关注。目前常用的高速动态光纤f-p压力传感器解调系统结构复杂，其主要使用由三台激光器构成的三波长解调系统，该系统要保证输出激光波长与腔长匹配，保证三束光满足正交条件，当腔长大幅度变化时，原有初始的正交相位条件将无法满足，此时解调结果会存在不可忽略的误差，实际工程中，传感器要进行长期监测，故腔长有很大可能出现大幅度腔长变化，这些都给三波长正交解调方式带来了很大的挑战。


技术实现要素：

3.本发明目的是为了解决现有的三波长解调系统结构复杂，且当被测腔长大幅度变化时，原有的三束光正交相位条件将无法满足，给解调结果带来误差的问题，本发明提供了一种基于可调谐激光器的光纤f-p压力传感器解调系统。
4.基于可调谐激光器的光纤f-p压力传感器解调系统，包括可调谐激光器、第一波分复用器、3段长度不同的光程延长光纤、第二波分复用器、光环形器、第三波分复用器、光电探测器、采集装置和计算机；
5.可调谐激光器包括两种扫描模式，分别为静态波长扫描模式和动态波长扫描模式；
6.利用解调系统进行动态解调，获得光纤f-p压力传感器的实时腔长l，具体过程为：
7.计算机控制可调谐激光器处于动态波长扫描模式下，同时，还对可调谐激光器的波长切换时间进行控制，使可调谐激光器分时出射3束波长不同的激光经第一波分复用器进行波长分离后，进入3段长度不同的光程延长光纤进行空间延时，经3段长度不同的光程延长光纤进行空间延时后的3束激光同时到达第二波分复用器合成一束激光，再经光环形器传输至待测光纤f-p压力传感器；
8.经待测光纤f-p压力传感器反射的激光通过光环形器进入第三波分复用器进行波长分离后，分离出的3束波长不同的激光分别经过对应的一个光电探测器进行光电探测后，形成的电信号通过采集装置送入计算机；
9.计算机用于对接收的3个电信号进行处理，获得腔长的变化量δl，并结合初始腔长l0，最后获得待测光纤f-p压力传感器的实时腔长l；
10.所述可调谐激光器分时出射的3束波长不同的激光的相位正交。
11.优选的是，可调谐激光器分时出射的3束波长不同的激光的相位差与波长间隔δλ需要满足：
[0012][0013]
其中，k为整数；为可调谐激光器出射的第一束激光的相位，为可调谐激光器出射的第二束激光的相位，为可调谐激光器出射的第三束激光的相位，λ1为可调谐激光器出射的第一束激光的波长，λ2为可调谐激光器出射的第二束激光的波长，λ3为可调谐激光器出射的第三束激光的波长。
[0014]
优选的是，3段长度不同的光程延长光纤内的激光的延时关系满足：
[0015][0016]
其中，l1、l2、l3分别为3段光程延长光纤的长度，c为光在光纤中的传播速度，t为可调谐激光器的波长切换时间。
[0017]
优选的是，计算机用于对接收的3个电信号进行处理，获得腔长的变化量δl，并结合初始腔长l0，最后获得待测光纤f-p压力传感器的实时腔长l的实现方式为：
[0018]
s1、对接收的3个电信号进行解析，获得每个电信号所对应光束的光强，并根据各光束的光强代入下述公式1中，获得
[0019][0020]
其中，i1为第一个电信号所对应光束的光强，i2为第二个电信号所对应光束的光强，i3为第三个电信号所对应光束的光强，m为整数；
[0021]
s2、根据和λ2，获得腔长的变化量δl；
[0022][0023]
其中，n为空气折射率；
[0024]
s3、根据腔长的变化量δl和初始腔长l0，获得实时腔长l；
[0025]
l＝l0+δl公式5。
[0026]
优选的是，计算机接收的每个电信号所对应光束的光强满足：
[0027][0028]
其中，i为整数，a为干涉光谱的直流分量，v为干涉光谱的对比度。
[0029]
优选的是，可调谐激光器为集成可调谐激光器、可调谐垂直腔面发射激光器或可调谐法布里-珀罗光纤激光器，且可调谐激光器的中心波长为1550nm。
[0030]
优选的是，光电探测器为由光电二极管构成的探测阵列。
[0031]
优选的是，第一波分复用器、第二波分复用器和第三波分复用器均为1540nm至1560nm连续型波分复用器。
[0032]
优选的是，波长切换频率范围为1mhz至20mhz。
[0033]
优选的是，利用解调系统进行静态解调，获得待测光纤f-p压力传感器的初始腔长l0，具体过程为：
[0034]
计算机控制可调谐激光器处于静态波长扫描模式下，使可调谐激光器输出的一束激光经第一波分复用器进行波长分离后，根据激光的波长选择相应光程延长光纤入射至第二波分复用器进行耦合后，再通过光环形器入射至待测光纤f-p压力传感器；
[0035]
经待测光纤f-p压力传感器反射的激光通过光环形器进入第三波分复用器进行波长分离后，根据该激光的波长所在波段选择相应的光电探测器进行光电探测，光电探测器输出的电信号通过采集装置送至计算机；
[0036]
计算机根据接收电信号获得干涉光谱，并对干涉光谱进行归一化处理及运算后，得出待测光纤f-p压力传感器的初始腔长
[0037]
其中，λ
′
和λ
″
分别为干涉光谱中任意相邻两个峰值或谷值所对应的波长，n为空气折射率。
[0038]
本发明带来的有益效果是：
[0039]
1、本发明提出的基于可调谐激光器的光纤f-p压力传感器解调系统针对通过连续波长线性扫描得到的干涉光谱并计算初始腔长，确定三波长解调法的三个正交波长。与传统三波长解调系统相比灵活度更高，能够自由匹配正交波长，以及根据需要调整解调模式，进行静态波长扫描或动态波长扫描，从而实现静态或动态解调，根据用户指令选择静态波长扫描模式或动态波长扫描模式。
[0040]
2、本发明解决了在恶劣工况和长期监测过程中，由其他因素导致的腔长大幅度变化，使现有的三波长正交解调系统误差增大的问题。
[0041]
3、本发明提出的基于可调谐激光器的光纤f-p压力传感器解调系统，与使用三台激光器快速切换波长固定的三波长解调系统相比结果更准确，本发明首次提出使用空间延时的方式实现正交相位保持的共光路三波长解调方案。可调谐激光器进行波长切换时，需要一定时间间隔，导致动态解调过程中存在系统误差，本发明通过采用空间延时的方式消除这种误差，避免了瞬态过程中相位的微小跳变使解调结果更准确。
[0042]
使用不同长度光纤对光信号进行空间延时，保证三束测量光同时耦合进光纤f-p压力传感器，避免了在瞬态测量中相位变化带来的误差。本发明解调系统应用范围广泛，结构紧凑，灵活性高，可解调不同初始腔长的光纤f-p压力传感器，具有极大的应用价值。
[0043]
相对于现有的解调系统，本发明提供的基于可调谐激光器的光纤f-p压力传感器解调系统，根据初始腔长选择匹配三个正交波长，实现三个波长正交相位锁定；与现有三波长解调技术相比，解调系统灵活性高，并解决了现有三波长解调技术三束激光波长固定问题，以及使用可调谐激光器作为光源时波长切换时延带来的误差问题，实现静态标定测试、动态采集、大动态范围、高分辨率、高灵活性和高稳定性解调。
附图说明
[0044]
图1是本发明所述基于可调谐激光器的光纤f-p压力传感器解调系统的结构示意图；
[0045]
图2为解调系统进行静态解调的原理框图；
[0046]
图3为解调系统进行动态解调的原理框图；
[0047]
图4为初始腔长为383μm时，解调系统进行静态解调得到的仿真光谱图；
[0048]
图5为模拟加载到待测光纤f-p压力传感器10上的正弦波压力信号曲线图；其中，t表示压力加载的时间，p表示加载的正弦压力信号幅值；
[0049]
图6为施加图5所述正弦波压力信号时，经待测光纤f-p压力传感器10反射的三路相位正交的光信号的强度变化曲线图；i1至i3分别是经待测光纤f-p压力传感器10反射的第一至第三束光信号的强度变化曲线图。
具体实施方式
[0050]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0051]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0052]
参见图1和图3说明本实施例，本实施例所述的基于可调谐激光器的光纤f-p压力传感器解调系统，包括可调谐激光器1、第一波分复用器2、3段长度不同的光程延长光纤3、第二波分复用器4、光环形器5、第三波分复用器6、光电探测器7、采集装置8和计算机9；
[0053]
可调谐激光器1包括两种扫描模式，分别为静态波长扫描模式和动态波长扫描模式；
[0054]
利用解调系统进行动态解调，获得光纤f-p压力传感器10的实时腔长l，具体过程为：
[0055]
计算机9控制可调谐激光器1处于动态波长扫描模式下，同时，还对可调谐激光器1的波长切换时间进行控制，使可调谐激光器1分时出射3束波长不同的激光经第一波分复用器2进行波长分离后，进入3段长度不同的光程延长光纤3进行空间延时，经3段长度不同的光程延长光纤3进行空间延时后的3束激光同时到达第二波分复用器4合成一束激光，再经光环形器5传输至待测光纤f-p压力传感器10；
[0056]
经待测光纤f-p压力传感器10反射的激光通过光环形器5进入第三波分复用器6进行波长分离后，分离出的3束波长不同的激光分别经过对应的一个光电探测器7进行光电探测后，形成的电信号通过采集装置8送入计算机9；
[0057]
计算机9用于对接收的3个电信号进行处理，获得腔长的变化量δl，并结合初始腔长l0，最后获得待测光纤f-p压力传感器10的实时腔长l；
[0058]
所述可调谐激光器1分时出射的3束波长不同的激光的相位正交。
[0059]
具体应用时，可调谐激光器1进行波长切换时，需要一定时间间隔，导致动态解调过程中存在系统误差，本发明通过采用空间延时的方式消除这种误差，避免了瞬态过程中相位的微小跳变使解调结果更准确。
[0060]
通过3段长度不同的光程延长光纤3进行空间延时，解决可调谐激光器1切换时延的问题，使得3束波长不同的激光同时到达第二波分复用器4进行耦合后，同时达到待测光纤f-p压力传感器10。
[0061]
本实施方式所述的基于可调谐激光器的光纤f-p压力传感器解调系统，灵活度更高、可灵活调节可调谐激光器1的扫描模式，进行静态波长扫描模式或动态波长扫描模式，从而实现静动态解调，根据用户指令选择静态波长扫描模式或动态波长扫描模式；结果更准确，当可调谐激光器1处于静态波长扫描模式时，解调系统进行静态解调；当可调谐激光器1处于动态波长扫描模式时，解调系统进行动态解调。
[0062]
初始腔长l0为在待测光纤f-p压力传感器10腔长不发生变化的条件下，通过扫描激光器进行波长扫描获得的腔长。
[0063]
光环形器5，用于光信号的传输，来自可调谐激光器1的光信号经过光环形器5后引入待测光纤f-p压力传感器10，经待测光纤f-p压力传感器10反射后的光再次经过光环形器5后，又经第三波分复用器6后被光电探测器7探测。
[0064]
进一步的，可调谐激光器1分时出射的3束波长不同的激光的相位差与波长间隔δλ需要满足：
[0065][0066]
其中，k为整数；为可调谐激光器1出射的第一束激光的相位，为可调谐激光器1出射的第二束激光的相位，为可调谐激光器1出射的第三束激光的相位，λ1为可调谐激光器1出射的第一束激光的波长，λ2为可调谐激光器1出射的第二束激光的波长，λ3为可调谐激光器1出射的第三束激光的波长。
[0067]
本优选实施方式中，三个波长可分别为1549.2163nm、1550.000nm和1550.7837nm。
[0068]
更进一步的，3段长度不同的光程延长光纤3内的激光的延时关系满足：
[0069][0070]
其中，l1、l2、l3分别为3段光程延长光纤的长度，c为光在光纤中的传播速度，t为可调谐激光器的波长切换时间。
[0071]
更进一步的，计算机9用于对接收的3个电信号进行处理，获得腔长的变化量δl，并结合初始腔长l0，最后获得待测光纤f-p压力传感器的实时腔长l的实现方式为：
[0072]
s1、对接收的3个电信号进行解析，获得每个电信号所对应光束的光强，并根据各光束的光强代入下述公式1中，获得
[0073][0074]
其中，i1为第一个电信号所对应光束的光强，i2为第二个电信号所对应光束的光强，i3为第三个电信号所对应光束的光强，m为整数，用以补偿相位跳变；
[0075]
s2、根据和λ2，获得腔长的变化量δl；
[0076][0077]
其中，n为空气折射率；
[0078]
s3、根据腔长的变化量δl和初始腔长l0，获得实时腔长l；
[0079]
l＝l0+δl公式5。
[0080]
更进一步的，计算机9接收的每个电信号所对应光束的光强满足：
[0081][0082]
其中，i为整数，a为干涉光谱的直流分量，v为干涉光谱的对比度。
[0083]
更进一步的，可调谐激光器1为集成可调谐激光器、可调谐垂直腔面发射激光器或可调谐法布里-珀罗光纤激光器，且可调谐激光器1的中心波长为1550nm。
[0084]
更进一步的，光电探测器7为由光电二极管构成的探测阵列。
[0085]
更进一步的，第一波分复用器2、第二波分复用器4和第三波分复用器6均为1540nm至1560nm连续型波分复用器。
[0086]
应用时，波分复用器可将入射光分为三束，波分复用器的三个波段均包含1540nm至1560nm全波段范围。
[0087]
更进一步的，波长切换频率范围为1mhz至20mhz。
[0088]
本优选实施方式中，考虑延迟时间较长，用于空间延时的光纤长度会比较大，故为了缩小设备体积，将波长切换频率范围设置为1mhz至20mhz，更加适合工程应用。
[0089]
进一步的，具体参见图2，利用解调系统进行静态解调，获得待测光纤f-p压力传感器10的初始腔长l0，具体过程为：
[0090]
计算机9控制可调谐激光器1处于静态波长扫描模式下，使可调谐激光器1输出的一束激光经第一波分复用器2进行波长分离后，根据激光的波长选择相应光程延长光纤3入射至第二波分复用器4进行耦合后，再通过光环形器5入射至待测光纤f-p压力传感器10；
[0091]
经待测光纤f-p压力传感器10反射的激光通过光环形器5进入第三波分复用器6进行波长分离后，根据该激光的波长所在波段选择相应的光电探测器7进行光电探测，光电探测器7输出的电信号通过采集装置8送至计算机9；
[0092]
计算机9根据接收电信号获得干涉光谱，并对干涉光谱进行归一化处理及运算后，得出待测光纤f-p压力传感器10的初始腔长
[0093]
其中，λ
′
和λ
″
分别为干涉光谱中任意相邻两个峰值或谷值所对应的波长，n为空气折射率。
[0094]
更进一步的，具体应用时公式一中，其具体推导过程如下：
[0095]
由于
[0096]
在初始情况下，待测光纤f-p压力传感器10的腔长l＝l0，则有
[0097]
对于λ1：
[0098]
对于λ2：
[0099]
并对其进行整理，获得：
[0100][0101]
上式等式两边同乘2，并同除π，得到：
[0102][0103]
上式整理得到：也即：
[0104]
又由于λ2和λ1的数值比较接近，故λ1≈λ2，因此，则有：
[0105]
故具体应用时，取
[0106]
图4为初始腔长为383μm时，解调系统进行静态解调得到的仿真光谱图；应用时可根据光谱计算静态解调出待测光纤f-p压力传感器10的初始腔长l0。
[0107]
图5为模拟加载到待测光纤f-p压力传感器10上的正弦波压力信号曲线图；从图5中可以看出在该正弦波压力信号下，待测光纤f-p压力传感器10的腔长发生形变。
[0108]
图6是施加正弦波压力信号时，经待测光纤f-p压力传感器10反射的三路相位正交的光信号的强度变化曲线图；从图6可看出传感器反射的三路相位正交光强变化趋势，能反映经传感器反射信号的基本特征。
[0109]
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。