基于参考光纤激光器的高精度静态应变拍频解调系统

摘要

本发明公开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，包括窄线宽可调谐激光器、第一隔离器、1550nm光纤耦合器、第一合束器、第二合束器、980nm泵浦源、980nm光纤耦合器、第一波分复用器、第二波分复用器、第二隔离器、第三隔离器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第一探测器、第二探测器、采集卡、解调算法单元和控制处理器。本发明提高了光纤光栅静态应变的解调精度，解决了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，同时还解决了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。

说明书

技术领域

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

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。

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)。

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1με，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JongH.Chow等人 (J.H.Chow，etal.，“Demonstrationofapassivesubpicostrainfiberstrain sensor，”Opticsletters，2005)，理论上分析了应变测量分辨率能小于pε/√Hz (100Hz-100kHz)。同时，意大利的G.Gagliardi等人也做了这方面的研 究，并且与JongH.Chow进行了合作，获得了150pε/√Hz(680Hz)、20 pε/√Hz(13kHz)应变分辨率(G.Gagliardi，etal.，“FiberBragg-gratingstrain sensorinterrogationusinglaserradio-frequencymodulation，”OpticsExpress， 2005)。2008年D.Gatti首次将π相移光纤光栅和PDH技术结合，在高频 段实现了分辨率5pε/√Hz的应变测量(D.Gatti，etal.，“Fiberstrainsensor basedonapi-phase-shiftedBragggratingandthePound-Drever-Hall technique，”Opt.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。

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5.8nε/√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，etal.， “Ultra-high-resolutionlarge-dynamic-rangeopticalfiberstaticstrainsensor usingPound-Drever-Halltechnique，”Opticsletters，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(WenzhuHuang，etal.，“π-phase-shifted FBGforhigh-resolutionstatic-strainmeasurementbasedonwavelet thresholddenoisingalgorithm”，et.al.，JournalofLightwaveTechnology， 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)。

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.，“Fiberlasersensingtechnologyanditsapplications，”InfraredandLaser Engineering，2009)、偏振激光拍频解调技术(B.O.Guan，etal.，“Dual polarizationfibergratinglaserhydrophone，”OpticsExpress，2009)、3×3耦合 器解调技术等(Y.Liu，etal.，“Fiberlasersensingsystemanditsapplications”， PhotonicSensors，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1Hz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。

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

(一)要解决的技术问题

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。

(二)技术方案

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泵浦源 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：

窄线宽可调谐激光器1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：

同时，980nm泵浦光源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；

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1 的激光与传感光纤激光器7激射的激光在第一光纤合束器41中汇合，并 进入第一探测器111进行拍频，并转换成拍频电压信号；

参考光纤激光器8激射出来的1550nm的激光依次通过第三隔离器23、 第二偏振控制器52进入第二光纤合束器42，这样，窄线宽可调谐激光器 1的激光与参考光纤激光器8激射的激光在第二光纤合束器42中汇合，并 进入第二探测器112进行拍频，并转换成拍频电压信号；

采集卡12采集这两组光的拍频信号，实现两组拍频电压信号的数据 采集；拍频电压信号再通过解调算法单元13实现传感器光纤激光器7的 应变传感和温度补偿。

上述方案中，所述窄线宽可调谐激光器1用于产生窄线宽可调谐激光， 并同时与传感用光纤激光器7、参考用光纤激光器8进行拍频，用于实际 的应变传感解调。所述窄线宽可调谐激光器1的输出激光，与传感用光纤 激光器7、参考用光纤激光器8的反射激光具有相近的线宽。

上述方案中，所述传感用光纤激光器7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7反射激光波长的变化量；所述 参考用光纤激光器8，用于实现温度、以及窄线宽激光光源频率漂移的补 偿。所述传感用光纤激光器7、参考用光纤激光器8均是分布反馈式(DFB) 有源光纤光栅或分布反射式(DBR)有源光纤光栅。

上述方案中，所述窄线宽可调谐激光器1的中心波长通过控制处理器 14实现按照特定的规律变化，该特定的规律是三角波规律、锯齿波规律或 正弦波规律，进而能够通过解调算法单元13计算两组拍频信号的延时、 均值差或峰值差实现应变解调。

上述方案中，所述第一探测器111、第二探测器112和采集卡12的带 宽大于窄线宽可调谐激光器1与传感用光纤激光器7、参考用光纤激光器 8的波长差或频率差。

上述方案中，所述解调算法单元13通过对比窄线宽可调谐激光器1 与传感用光纤激光器7、参考用光纤激光器8的拍频频率变化规律来实现 外界应变信号的解调。所述解调算法单元13根据具体采用的所述窄线宽 可调谐激光器1中心波长的调谐方式来定，当所述窄线宽可调谐激光器1 的中心波长调谐范围同时包含了传感用光纤激光器7和参考用光纤激光器 8的中心波长，所述解调算法单元13用以计算两组拍频信号的延时差。

上述方案中，所述控制处理器14，一方面用于控制器窄线宽可调谐激 光器1波长调谐的规律和周期，另一方面实现解调结果的显示和存储。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的基于参考光纤激光器的高精度静态应变拍频解调系 统，采用窄线宽的有源光纤光栅作为传感元件；相比普通光纤光栅，有源 光纤光栅的线宽要窄3个数量级，能够实现更高的静态应变解调。

2、本发明提供的基于参考光纤激光器的高精度静态应变拍频解调系 统，采用拍频解调原理，通过测量激光光源与有源光纤光栅之间的拍频频 率就可以实现有源光纤激光器的相对频率(波长)漂移的测量，只需要通 过射频信号分析仪就可以实现波长解调，故可以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、解调算法较为复杂等问题。

3、本发明提供的基于参考光纤激光器的高精度静态应变拍频解调系 统，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充、以及 光源频率波动补充，并实现传感光纤激光器的超高精度应变解调，故可以 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。

附图说明

图1为本发明提供的基于参考光纤激光器的高精度静态应变拍频解调 系统的原理框图；

图2A为本发明提供的基于参考光纤激光器的高精度静态应变拍频解 调系统的激光光源与传感有源光纤光栅(传感光纤激光器)的拍频信号频 谱图实测结果；

图2B为本发明提供的基于参考光纤激光器的高精度静态应变拍频解 调系统的激光光源与参考有源光纤光栅(参考光纤激光器)的拍频信号频 谱图实测结果；

图3为本发明提供的基于参考光纤激光器的高精度静态应变拍频解调 系统的应变解调实测结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，该基于参考光纤激光器的高精度静态应变拍频解调系统 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泵浦源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：

窄线宽可调谐激光器1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；与此同时，980nm泵浦光源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；

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1 的激光与传感光纤激光器7激射的激光在第一光纤合束器41中汇合，并 进入第一探测器111进行拍频，并转换成拍频电压信号。参考光纤激光器 8激射出来的1550nm的激光依次通过第三隔离器23、第二偏振控制器52 进入第二光纤合束器42，这样，窄线宽可调谐激光器1的激光与参考光纤 激光器8激射的激光在第二光纤合束器42中汇合，并进入第二探测器112 进行拍频，并转换成拍频电压信号。通过采集卡12采集这两组光的拍频 信号，实现两组拍频电压信号的数据采集；拍频电压信号反映了窄线宽可 调谐激光器1与传感用光纤激光器7、参考用光纤激光器8的光学波长差 信息。拍频电压信号再通过解调算法单元13实现传感器光纤激光器7的 应变传感和温度补偿；控制处理器14用于实现窄线宽可调谐激光器1的 波长调谐。

窄线宽可调谐激光器1的输出激光，与传感用光纤激光器7、参考用 光纤激光器8的反射激光具有相近的线宽；传感用光纤激光器7、参考用 光纤激光器8均是一种有源光纤光栅，可以为分布反馈式(DFB)有源光 纤光栅，也可以是分布反射式(DBR)有源光纤光栅。窄线宽可调谐激光 器1的输出激光的线宽，以及传感用光纤激光器7、参考用光纤激光器8 的反射激光的线宽，是解调系统最终的精度的主要影响因素之一，这里我 们可以控制其线宽在1kHz左右。

窄线宽可调谐激光器1通过一个1550nm光纤耦合器3将其输出激光 一分为二，分别用于与传感光纤激光器7、参考光纤激光器8进行拍频。

在本实施案例中，窄线宽可调谐激光器1的中心波长可以通过控制处 理器14实现按照特定的规律变化，如按照三角波、锯齿波、正弦波等规 律变化，进而可以通过解调算法单元13计算两组拍频信号的延时、均值 差、峰值差等方法实现应变解调。

第一探测器111、第二探测器112和采集卡12的带宽要足够大，要大 于窄线宽可调谐激光器1与传感用光纤激光器7、参考用光纤激光器8的 波长差(频率差)。

在本发明中，解调算法单元13要根据具体采用的窄线宽可调谐激光 器1中心波长的调谐方式来定。解调算法单元13通常可以是计算拍频信 号的频率均值差；当窄线宽可调谐激光器1的中心波长调谐范围同时包含 了传感用光纤激光器7和参考用光纤激光器8的中心波长，解调算法单元 13可以是计算两组拍频信号的延时差。

请参照图1，该基于参考光纤激光器的高精度静态应变拍频解调系统 的工作原理为：980nm泵浦光源10通过一个980nm的耦合器9，以及第 一波分复用器(WDM)61、第二波分复用器62，使得两个光纤激光器(一 个传感用光纤激光器7、一个参考用光纤激光器8)分别激射一束窄线宽 的激光，并且这两束激光分别经过一个隔离器(第二隔离器22、第三隔离 器23)和一个偏振控制器(第一偏振控制器51、第二偏振控制器52)进 入到两个合束器4(第一光纤合束器41和第二光纤合束器42)中。同时， 一个窄线宽可调谐激光器1产生一束可调谐(波长可调)的窄线宽激光， 通过第一隔离器21和一个1550nm耦合器3将这束激光一分为二，也分 别进入到第一光纤合束器41和第二光纤合束器42中。这样窄线宽可调谐 激光器1的一束激光将与传感用光纤激光器7激射的的激光通过第一光纤 合束器41一起进入到第一探测器111中，并在第一探测器111中进行拍 频(即这两束激光通过拍频作用在探测器中形成能够反映这两束激光波长 /频率差的电流/电压信号)，所以我们只需要通过数据采集卡12采集第一 探测器111的电压变化情况，并进行傅立叶变换(频谱分析)就可以知道 窄线宽激光器1与传感用光纤激光器7的拍频波长差/频率差(波长和频率 是一一对应的关系，对于1550nm波段，1pm的波长对应125MHz的频 率)；而外界应变、温度的作用会使得传感用光纤激光器7的波长/频率发 生变化，因此这个拍频频率差(记为f1)信号包含了传感光纤激光器7的 应变、温度信号。同理，对于参考用光纤激光器8，我们也可以通过其与 窄线宽激光器1的拍频频率差(记为f2)来获得其感受的温度信号(参考 光纤激光器不受到应变作用)。最后，通过解调算法单元13来对比f1与 f2(如做差)，就可以实现传感光纤激光器7的温度补偿，同时也可以补偿 掉窄线宽激光器1自身的频率漂移，进而实现传感光纤激光器7的应变解 调。

请参照图2，在本发明中，为了进一步验证基于参考光纤激光器的高 精度静态应变拍频解调系统的可行性，本发明对窄线宽激光器1与传感用 光纤激光器7的拍频信号、以及窄线宽激光器1与参考用光纤激光器8的 拍频信号分别进行数据采集和傅立叶变换，可以看出该解调系统可以获得 两组信噪比非常高的拍频频谱。

请参照图3，为了进一步验证基于参考光纤激光器的高精度静态应变 拍频解调系统的解调能力，本发明对在图2的两组拍频频谱的基础，通过 解调算法单元13实现最终的传感用光纤激光器的应变解调，最终的解调 精度优于(0.25MHz，约等于0.002pm)，根据光纤激光器波长与应变的 关系(1pm对应于1.2με)，可以得到最终的应变解调精度到达了1.6nε。 特别需要说明的是，该系统的静态应变解调精度具有很大的提升空间，比 如一个好的实验环境(安静、温度波动小)就可以明显提高该系统的静态 应变解调精度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。