基于双激光光源锁频与拍频测量的光纤光栅信号解调系统

摘要

一种基于双激光光源锁频与拍频测量的光纤光栅信号解调系统，包括：一第一、第二激光锁频传感光路；一第一探测器与第一激光锁频传感光路连接；一第二探测器与第二激光锁频传感光路连接；一数据采集器与第一、第二探测器连接；一第三耦合器与第一、第二激光锁频传感光路连接；一第三探测器与第三耦合器连接；一函数信号发生器与第一、第二激光锁频传感光路连接；一数据处理器与数据采集器连接；一信号处理器与数据处理器连接，该信号处理器分别与第一、第二激光锁频传感光路连接，该信号处理器还与第三探测器连接。本发明可进一步提高光纤光栅宽频带信号的测量精度。

权利要求

1.一种基于双激光光源锁频与拍频测量的光纤光栅信号解调系统，包括：

一第一激光锁频传感光路和一并联的一第二激光锁频传感光路，该第一激光锁频传感光路包括：依次串联的一第一窄线宽可调谐激光器、一第一耦合器、一第一隔离器、一第一相位调制器、一第一环形器和一传感光纤光栅，该第二激光锁频传感光路包括：依次串联的一第二窄线宽可调谐激光器、一第二耦合器、一第二隔离器、一第二相位调制器、一第二环形器和一参考光纤光栅；

一第一探测器，其输入端与第一激光锁频传感光路连接，该第一探测器的输入端与第一激光锁频传感光路的第一环形器的端口3连接；

一第二探测器，其输入端与第二激光锁频传感光路连接，该第二探测器的输入端与第二激光锁频传感光路的第二环形器的端口3连接；

一数据采集器，其两个输入端分别与第一探测器、第二探测器的输出端连接；

一第三耦合器，其输入端分别与第一激光锁频传感光路和第二激光锁频传感光路的输出端连接，该第三耦合器的输入端是分别与第一激光锁频传感光路和第二激光锁频传感光路的第一耦合器和第二耦合器的输出端连接；

一第三探测器，其输入端与第三耦合器的输出端连接；

一函数信号发生器，其两个输出端分别与第一激光锁频传感光路和第二激光锁频传感光路的输入端连接，该函数信号发生器，其两个输出端分别与第一激光锁频传感光路和第二激光锁频传感光路的第一相位调制器和第二相位调制器输入端连接；

一数据处理器，其两个输入端分别与数据采集器的两个输出端连接，另两个输入端与函数信号发生器的另两个输出端连接；

一信号处理器，其两个输入端与数据处理器的两个输出端连接，该信号处理器的两个输出端分别与第一激光锁频传感光路的激光器和第二激光锁频传感光路的激光器的输入端连接，该信号处理器的另一输入端口与第三探测器的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的基于双激光光源锁频与拍频测量的光纤光栅信号解调系统，其中所述的第一激光锁频传感光路和第二激光锁频传感光路的锁频过程是同步进行，并且每完成一次锁频后进行一次拍频信号测量。

3.根据权利要求1所述的基于双激光光源锁频与拍频测量的光纤光栅信号解调系统，其中所述的传感光纤光栅和参考光纤光栅、以及第一窄线宽可调谐激光器和第二窄线宽可调谐激光器均应具有相近的中心波长。

4.根据权利要求1所述的基于双激光光源锁频与拍频测量的光纤光栅信号解调系统，其中所述的第三探测器的带宽宽于第一窄线宽可调谐激光器和第二窄线宽可调谐激光器的波长差。

说明书

基于双激光光源锁频与拍频测量的光纤光栅信号解调系统

技术领域

[0001] 本发明涉及光纤光栅传感技术领域，尤其涉及一种基于双激光光源锁频与拍频测量的光纤光栅信号解调系统。

背景技术

[0002] 在过去的三十年中，快速发展的光纤光栅传感技术由于具有全光传感与传输、抗电磁干扰、耐高温高压、易于组建大规模传感网络等优势，在土木工程、石油勘探、惯性导航、交通运输等众多领域具有重要的应用。近年来，国外诸多研究机构开始开展高精度的光纤光栅波长/应变测量方法与核心技术研究。

[0003] 在2010年以前，国际上主要采用激光锁频传感技术和光频梳技术来提高光纤光栅信号测量精度，但只能实现动态/准静态的光纤光栅波长/应变测量，而不能实现真正意义上的静态信号测量。例如，澳大利亚国立大学基于激光锁频传感技术实现了100Hz-100kHz频带范围内10-12量级的应变测量(J.H.Chow，et al.，J.Lightwave Technol，，vol.23，pp.1881-1889，2005.)、在0.05Hz频点上的应变测量精度达到10-9(T.T.Y.Lam，et al.，Journal，vol.9，983-986，2009.)。特别是在2010年，意大利国家光学研究所采用光学频率梳技术方案，将光纤光栅的应变测量精度提高到10-13量级，在低频段(0.01Hz)也具有较高的测量精度(G.Gagliardi，et al.，Science，vol.330，1081，2010)。上述方法均不能用于测量静态信号，主要是因为两个方面：一方面是因为光纤光栅对应变和温度交叉敏感，在低频段光纤光栅的温度响应与应变响应将相互响应，必须要进行温度补偿；另一方面是因为激光光源自身的频率噪声在低频段较大，也必须要抑制或者补偿。

[0004] 2010年以来，日本东京大学/上海交通大学、中国科学院半导体研究所均提出了多种基于参考补偿方法的高精度光纤光栅静态信号测量技术方案。例如，日本东京大学采用窄线宽可调谐激光器和两个光纤光栅在DC-几十秒频带范围内实现了10-8量级的静态应变测量(Qingwen Liu，Zuyuan He，et al.，SPIE Four European Workshop on Optical Fibre Sensors，vol.7653，76530W，2010.)、采用激光锁频传感和两个光纤光栅谐振腔在DC-7Hz频带范围内实现10-9量级的宽频带应变信号测量(Qingwen Liu，Zuyuan He，et al.，Optics Letters，vol.37(3)，434-436，2012.)。上海交通大学采用双激光锁频传感环路以及两个光纤光栅谐振腔实现了高精度的宽频带(DC-250Hz)应变信号测量，在大于10Hz的频率范围内应变测量精度优于10-10(Jiageng Chen，vol.41(5)，1066-1069，2016)。中国科学院半导体研究所采用窄线宽可调谐激光器、两个光纤光栅谐振腔和小波域互相关的波长差解调算法在DC-10Hz频带范围内实现了10-9量级的静态应变测量(Wenzhu Huang，et.al.，Photonics Technilogy Letters，vol.13，pp.14041-14054，2014)、采用了激光边带扫频调制技术和两个光纤光栅谐振腔在DC-10Hz频带范围内实现了10-10量级的静态应变测量(Wenzhu Huang，et.al.，Optics Letters，vol.40(7)，229133，2015)。

[0005] 可见，为了实现高精度的宽频带(低频可测DC信号、高频至少到10Hz量级)光纤光栅信号测量，一般我们需要采用两个光纤光栅(或者光纤光栅谐振腔)，一个作为传感、一个作为补偿(温度和激光光源频率波动补偿)。目前日本东京大学/上海交通大学、中国科学院半导体研究所的高精度光纤光栅宽频带信号解调技术可以归结为两类，一类是通过扫频激光获取两个光纤光栅的波长差实现宽频带信号测量，另一类是采用双激光锁频传感技术和双光纤光栅宽频带信号测量方案。受限于扫频激光的波长扫描线性度以及扫描速度，前一种方法的宽频带信号测量精度一般要低于后一种方法。但是现有的双激光锁频传感技术和双光纤光栅宽频带信号测量方案，一方面除了采用典型的相位调制PDH激光锁频光路以外，均还需要采用另一路强度调制PDH激光锁频光路，这大大增加了反馈控制系统的复杂度；另一方面，该方案反馈控制的精度限制了最终的宽频带信号测量精度。本申请提出一种新的基于双激光光源锁频传感(两个典型的PDH锁频传感光路)和两个光纤光栅、以及拍频解调原理的超高精度光纤光栅宽频带信号解调系统，进一步提高现有的光纤光栅宽频带信号测量系统的解调精度。

发明内容

[0006] 有鉴于此，本发明的目的在于，提出一种基于双激光光源锁频与拍频测量的光纤光栅信号解调系统，通过两个典型的PDH锁频传感光路以及两个激光光源的拍频信号来实现高精度的宽频带光纤光栅信号解调，可以大大简化现有的双激光锁频传感技术和双光纤光栅宽频带信号测量方案中激光调制光路、以及反馈控制的复杂性，还由于拍频信号的精准测量可以实现超高精度的温度、激光光源频率波动补偿，进而进一步提高光纤光栅宽频带信号的测量精度。

[0007] 本发明提供一种基于双激光光源锁频与拍频测量的光纤光栅信号解调系统，包括：

[0008] 一第一激光锁频传感光路和一并联的一第二激光锁频传感光路；

[0009] 一第一探测器，其输入端与第一激光锁频传感光路连接；

[0010] 一第二探测器，其输入端与第二激光锁频传感光路连接；

[0011] 一数据采集器，其两个输入端分别与第一探测器、第二探测器的输出端连接；

[0012] 一第三耦合器，其输入端分别与第一激光锁频传感光路和第二激光锁频传感光路的输出端连接；

[0013] 一第三探测器，其输入端与第三耦合器的输出端连接；

[0014] 一函数信号发生器，其两个输出端分别与第一激光锁频传感光路和第二激光锁频传感光路的输入端连接；

[0015] 一数据处理器，其两个输入端分别与数据采集器的两个输出端连接，另两个输入端与函数信号发生器的两个输出端连接；

[0016] 一信号处理器，其两个输入端与数据处理器的两个输出端连接，该信号处理器的两个输出端分别与第一激光锁频传感光路和第二激光锁频传感光路的输入端连接，该信号处理器的一输入端口与第三探测器的输出端连接。

[0017] 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

[0018] 1、本发明提供的基于双激光光源锁频与拍频测量的光纤光栅信号解调系统，首次将双激光锁频与拍频测量技术结合起来获取宽频带光纤光栅波长信息，由于拍频信号的精准测量并可以实现超高精度的温度、激光光源频率波动补偿，因而可以大大提高光纤光栅宽频带信号的测量精度。

[0019] 2、本发明提供的基于双激光光源锁频与拍频测量的光纤光栅信号解调系统，通过两个典型的PDH锁频传感光路以及两个激光光源的拍频信号来实现高精度的宽频带光纤光栅信号解调，可以大大简化现有的双激光锁频传感技术和双光纤光栅宽频带信号测量方案中激光调制光路、以及反馈控制的复杂性。

附图说明

[0020] 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，对本发明作进一步的详细说明如后，其中：

[0021] 图1为本发明的系统原理示意图。

具体实施方式

[0022] 请参阅图1，本发明提供一种基于双激光光源锁频与拍频测量的光纤光栅信号解调系统，包括：

[0023] 一第一激光锁频传感光路A和一并联的一第二激光锁频传感光路B。其中第一激光锁频传感光路A包括：依次串联的一第一窄线宽可调谐激光器10、一第一耦合器20、一第一隔离器30、一第一相位调制器40、一第一环形器50和一传感光纤光栅60；第二激光锁频传感光路B包括：依次串联的一第二窄线宽可调谐激光器11、一第二耦合器21、一第二隔离器31、一第二相位调制器41、一第一环形器51和一参考光纤光栅61；

[0024] 一第一探测器70，其输入端与第一激光锁频传感光路A连接，所述的第一探测器70的输入端是与第一激光锁频传感光路A的第一环形器50的端口3连接；

[0025] 一第二探测器71，其输入端与第二激光锁频传感光路B连接，所述的第二探测器71的输入端是与第二激光锁频传感光路B的第二环形器51的端口3连接；

[0026] 一数据采集器80，其两个输入端分别与第一探测器70、第二探测器71的输出端连接；

[0027] 一第三耦合器22，其输入端分别与第一激光锁频传感光路A和第二激光锁频传感光路B的输出端连接，所述的第三耦合器22的输入端是分别与第一激光锁频传感光路A和第二激光锁频传感光路B的第一耦合器20和第二耦合器21的输出端连接；

[0028] 一第三探测器72，其输入端与第三耦合器22的输出端连接，所述的第三探测器72的带宽宽于第一窄线宽可调谐激光器10和第二窄线宽可调谐激光器11的波长差；

[0029] 一函数信号发生器90，其两个输出端分别与第一激光锁频传感光路A和第二激光锁频传感光路B的输入端连接，所述的函数信号发生器90，其两个输出端分别与第一激光锁频传感光路A和第二激光锁频传感光路B的第一相位调制器40和第二相位调制器41输入端连接；

[0030] 一数据处理器91，其两个输入端分别与数据采集器80的两个输出端连接，另两个输入端与函数信号发生器90的另两个输出端连接；

[0031] 一信号处理器92，其两个输入端与数据处理器91的两个输出端连接，该信号处理器92的两个输出端分别与第一激光锁频传感光路A和第二激光锁频传感光路B的输入端连接，该信号处理器92的另一输入端口与第三探测器72的输出端连接。

[0032] 其中所述的第一激光锁频传感光路A和第二激光锁频传感光路B的锁频过程是同步进行，并且每完成一次锁频后进行一次拍频信号测量。

[0033] 其中所述的传感光纤光栅60和参考光纤光栅61、以及第一窄线宽可调谐激光器10和第二窄线宽可调谐激光器11均应具有相近的中心波长。

[0034] 本发明的工作过程为：首先，通过两路典型的PDH激光锁频传感光路(第一激光锁频传感光路A和第二激光锁频传感光路B)，将第一窄线宽可调谐激光器10和第二窄线宽可调谐激光器11分别快速反馈锁定在传感光纤光栅60和参考光纤光栅61的反射峰上，根据PDH锁频原理，此时第一窄线宽可调谐激光器10和第二窄线宽可调谐激光器11的波长可长期分别与传感光纤光栅60和参考光纤光栅61的反射峰波长保持一致；其中，参考光纤光栅元件60作为外界信号的传感元件，参考光纤光栅61一个作为系统温度响应以及激光光源频率波动的补偿元件。然后，我们通过测量这两个光纤光栅的谐振峰波长差就可以得到外界的宽频带信号(如静态应变)。在这里，我们通过巧妙的光路设计，通过高精度拍频信号测量原理实现第一窄线宽可调谐激光器10和第二窄线宽可调谐激光器11的拍频信号测量(即实现了第一窄线宽可调谐激光器10和第二窄线宽可调谐激光器11的波长差测量)，由于第一窄线宽可调谐激光器10和第二窄线宽可调谐激光器11的波长值正好分别等于传感光纤光栅60和参考光纤光栅61的波长值，因而我们可以得到传感光纤光栅60和参考光纤光栅61的波长差，即实现了系统温度响应以及激光光源频率波动的补偿、达到了宽频带信号测量的目的。

[0035] 在本发明中，第一窄线宽可调谐激光器10和第二窄线宽可调谐激光器11分别为传感光纤光栅60和参考光纤光栅61提供激光锁频光源；第一耦合器20和第二耦合器21分别将第一窄线宽可调谐激光器10和第二窄线宽可调谐激光器11输出激光一分为二，一路用于第一激光锁频传感光路，另一路用于后续拍频测量；第一隔离器30和第二隔离器31分别用于阻止传感光纤光栅60和参考光纤光栅61反射光进入到第一窄线宽可调谐激光器10和第二窄线宽可调谐激光器11中；第一相位调制器40和第二相位调制器41分别用于对第一窄线宽可调谐激光器10和第二窄线宽可调谐激光器11进行相位调制；第一环形器50和第二环行器51分别用于向传感光纤光栅60和参考光纤光栅61输入激光、并将传感光纤光栅60和参考光纤光栅61反射回来的光输入到第一探测器70和第二探测器71中；第一探测器70和第二探测器71用于将传感光纤光栅60和参考光纤光栅61的反射光信号转换为电压信号，第一探测器
70和第二探测器71的带宽应高于信号发生器90驱动频率。对于每个PDH激光锁频传感光路，都具有高频调制(相位调制器的驱动频率大于光纤光栅元件的反射峰带)和低频调制(相位调制器的驱动频率小于光纤光栅元件的反射峰带)两种模式，我们可以根据所采用的光纤光栅元件的反射峰带宽决定相位调制器的驱动频率(即信号发生器的频率)，以便确定调制模式；两个激光锁频传感光路最好采用同一种调制模式。

[0036] 在本发明中，函数信号发生器90作为第一相位调制器40、第二相位调制器41的相位调制驱动，其输出也需要被数据处理器91接收并用于PDH信号解算；数据采集器80，用于采集第一探测器70、第二探测器71的电压信号，应该具有较高的采样带宽(其采样带宽至少要高于信号发生器的输出频率的两倍)；数据处理器91用于对数据采集器80采集的信号进行锁频传感信号处理，以得到反馈控制参数，并输出给信号处理器92。

[0037] 在本发明中，第三耦合器22用于将第一耦合器20和第二耦合器21各自一端的出射光进行合束，即将第一窄线宽可调谐激光器10与第二窄线宽可调谐激光器11的两束激光进行混频；第三探测器72用于探测第三耦合器22输出的混频激光的拍频信号，其带宽应高于拍频信号的频率；信号处理器92，一方面通过反馈控制实现第一窄线宽可调谐激光器10和第二窄线宽可调谐激光器11的锁频；另一方面用于测量第三探测器72探测的拍频信号的频率值(信号处理器的采样频率至少要高于第三探测器72的两倍带宽)，直接作为最终的宽频带信号值。

[0038] 在本发明中，为了让这两个激光器输出的激光拍频射频信号的频率可被商用高速探测器探测到，第一窄线宽可调谐激光器1()和第二窄线宽可调谐激光器11应具有相近的中心波长(一般不超过10GHz)。在本发明中，第三探测器72的带宽要宽于第一窄线宽可调谐激光器10和第二窄线宽可调谐激光器11的波长差。

[0039] 在本发明中，为了实现高精度的信号测量，通常要求光纤光栅应具有较窄的线宽。例如，我们可以采用光纤光栅谐振腔结构作为传感和参考元件，线宽(反射峰带宽)可以做到MHz量级。同时，为了分别锁定在这两个光纤光栅谐振腔谐振峰上的两个激光器的输出激光拍频射频信号频率(即两个激光器的输出激光波长差)可被商用高速探测器探测到(此时，两个激光器的输出波长分别由两个光纤光栅谐振腔的谐振峰波长决定)，两个光纤光栅谐振腔的谐振峰波长应相近(如差值小于10GHz)，在设计光纤光栅谐振腔时应使其具有较小的自由谱范围(小于8pm，约等于10GHz)。

[0040] 在本发明中，为了保证激光锁频与温度、频率波动补偿以及最终的信号解算顺利完成，第一激光锁频传感光路、第二激光锁频传感光路的锁频过程必须保证同步进行，并且每完成一次锁频后进行一次拍频信号测量和温度、应变信号解算；之后重复此过程。由于所有解算算法以及反馈控制均可在FPGA中进行，因为这个锁频、解算过程具有很快的速度，因此我们不但可以通过温度、频率波动补偿实现静态信号处理，而且还具有很高的信号测量速率，因此可以实现非常宽频带的信号测量。

[0041] 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，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。