一種互參考的光纖激光靜態(tài)應(yīng)變傳感解調(diào)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光纖傳感領(lǐng)域，尤其涉及一種互參考的光纖激光靜態(tài)應(yīng)變傳感解調(diào)系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，光纖傳感器、尤其是光纖光柵傳感器，在地殼形變觀測(cè)中的應(yīng)用成為了這個(gè) 領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。光纖光柵（FBG)傳感器作為光纖傳感器家族中的一種主流傳感元件，已 經(jīng)在智能材料與結(jié)構(gòu)的應(yīng)變測(cè)量中獲得廣泛的應(yīng)用。但是，市場(chǎng)上廣泛使用的FBG應(yīng)變解 調(diào)儀的應(yīng)變測(cè)量精度一般為Iye，如果要將其應(yīng)用于地形變觀測(cè)中，其應(yīng)變觀測(cè)精度遠(yuǎn) 遠(yuǎn)到不到要求。雖然，目前有很多技術(shù)可以提高FBG的高頻段應(yīng)變測(cè)量精度（如光頻梳技 術(shù)、激光反饋鎖頻技術(shù)、光纖環(huán)技術(shù)等），能夠?qū)崿F(xiàn)分辨率小于Pe/VHz(100Hz-IOOkHz) 的應(yīng)變測(cè)量（J.H.Chow，etal.，"Demonstrationofapassivesubpicostrainfiber strainsensor，"Opticsletters，2005)。而實(shí)現(xiàn)高精度的靜態(tài)/超低頻應(yīng)變（地殼形變 是一種非常低頻、周期為12小時(shí)的應(yīng)變/應(yīng)力信號(hào)）測(cè)量卻十分困難。
[0003] 2011年以來(lái)，人們提出了多個(gè)基于可調(diào)諧激光器和參考光柵提高FBG/或者 FBG-FP(基于FBG的干涉儀）的靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量精度的方法，比如日本東京大學(xué)的Qinwen Liu等人實(shí)現(xiàn)了 5. 8ne/VHz的超低頻準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量，并將該項(xiàng)技術(shù)引入了地殼形變 觀測(cè)中(Q.Liu,etal.，"Ultra-high-resolutionlarge-dynamic-rangeopticalfiber staticstrainsensorusingPound-Drever-Halltechnique，'，Opticsletters，2011)〇 2014年中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所的黃穩(wěn)柱等人提出了使用相移光柵和小波降噪算法來(lái) 進(jìn)一步提高FBG的靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量精度（WenzhuHuang，etal.，"JT-phase-shiftedFBGfor high-resolutionstatic-strainmeasurementbasedonwaveletthresholddenoising algorithm"，et.al.,JournalofLightwaveTechnology，2014)。同年，黃穩(wěn)柱等人也申請(qǐng) 了基于光纖光柵的高精度靜態(tài)應(yīng)變解調(diào)技術(shù)的相關(guān)專利（比如，黃穩(wěn)柱等，一種高精度光 纖光柵低頻應(yīng)變傳感解調(diào)系統(tǒng)，201410181113. 6,國(guó)家發(fā)明專利）。
[0004] 但是，以上的所有方案中，其測(cè)量精度都主要受限于可調(diào)諧激光器的波長(zhǎng)快速掃 描非線性。就算世界上最好的一款窄線寬激光器之一（丹麥NKT公司的窄線寬快速可調(diào)諧 激光器），其PZT波長(zhǎng)快速掃描過(guò)程也同樣具有較為嚴(yán)重的波長(zhǎng)掃描非線性，這直接影響了 最終的波長(zhǎng)/應(yīng)變解調(diào)分辨率或精度。目前還沒(méi)有見到在高精度光纖光柵靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量中 解決可調(diào)諧激光器的掃描非線性問(wèn)題的報(bào)道。同時(shí)，對(duì)于靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量，參考光纖光柵的溫 度靈敏度和傳感器光纖光柵的溫度靈敏度需要保持一致，才能正確的實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，但實(shí) 際上由于光纖摻雜成份比例、光柵制作工藝等并不能保證完全相同，如何補(bǔ)償?shù)?消除這 微小的差異對(duì)解調(diào)精度影響也沒(méi)有見到相關(guān)報(bào)道。
[0005] 鑒于此，本發(fā)明提出一種基于互參考的光纖激光靜態(tài)應(yīng)變傳感解調(diào)系統(tǒng)，使用一 個(gè)窄線寬可調(diào)諧激光器和兩個(gè)有源光纖光柵（光纖激光器），通過(guò)拍頻原理、設(shè)計(jì)互補(bǔ)償光 路以及互補(bǔ)償算法，實(shí)現(xiàn)高精度的靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量。重點(diǎn)解決現(xiàn)有無(wú)源光纖光柵高精度靜態(tài) 應(yīng)變解調(diào)技術(shù)中可調(diào)諧激光器掃描非線性對(duì)解調(diào)精度的限制問(wèn)題，以及參考光柵與傳感光 柵之間溫度靈敏度不一致對(duì)解調(diào)結(jié)果的影響問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] (一）要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0007] 有鑒于此，本發(fā)明的主要目的是提供一種互參考的光纖激光靜態(tài)應(yīng)變傳感解調(diào)系 統(tǒng)，以提高光纖光柵靜態(tài)應(yīng)變解調(diào)精度，解決無(wú)源光纖光柵高精度靜態(tài)應(yīng)變解調(diào)技術(shù)中可 調(diào)諧激光器掃描非線性對(duì)解調(diào)精度的限制問(wèn)題，以及解決參考光柵與傳感光柵之間溫度靈 敏度不一致對(duì)解調(diào)結(jié)果的影響問(wèn)題。
[0008] (二）技術(shù)方案
[0009] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了 一種互參考的光纖激光靜態(tài)應(yīng)變傳感解調(diào)系統(tǒng)， 該系統(tǒng)包括980nm栗浦源光源l、980nm耦合器2、第一波分復(fù)用器31、第二波分復(fù)用器32、 第一偏振控制器41、第二偏振控制器42、傳感用光纖激光器13、參考用光纖激光器14、第一 1550nm隔離器51、第二1550nm隔離器52、第一合束器61、第二合束器62、第三合束器63、信 號(hào)發(fā)生器11、窄線寬可調(diào)諧激光器12、第三1550nm隔離器53、第三偏振控制器43、1550nm 耦合器15、第一探測(cè)器71、第二探測(cè)器72、第三探測(cè)器73、采集卡8、解調(diào)算法單元9和控制 處理器10,其中：
[0010] 980nm栗浦光源1發(fā)出的光通過(guò)980nm耦合器2被一分為二，其中一束光依次通 過(guò)第一波分復(fù)用器31、第一偏振控制器41使傳感用光纖激光器13激射出一 1550nm激光， 該1550nm激光返回進(jìn)入第一 1550nm隔離器51，再進(jìn)入第一合束器61，并從第一合束器61 分別進(jìn)入第三合束器63和第二探測(cè)器72 ;另一束光依次通過(guò)第二波分復(fù)用器32、第二偏 振控制器42使參考用光纖激光器14激射出一 1550nm激光，該1550nm激光返回進(jìn)入第二 1550nm隔離器52,再進(jìn)入第二合束器62,并從第二合束器62分別進(jìn)入第三合束器63和第 三探測(cè)器73 ;
[0011] 與此同時(shí)，控制處理器10控制信號(hào)發(fā)生器11發(fā)生信號(hào)，用以調(diào)諧窄線寬可調(diào)諧激 光器12 ;窄線寬可調(diào)諧激光器12輸出的1550nm激光依次經(jīng)過(guò)第三1550nm隔離器53、第三 偏振控制器43、1550nm親合器15被一分為二，然后分別進(jìn)入第一合束器61和第二合束器 62,并分別從第一合束器61和第二合束器62進(jìn)入第三合束器63,然后再?gòu)牡谌鲜?3 進(jìn)入第一探測(cè)器71 ;
[0012] 第一探測(cè)器71、第二探測(cè)器72、第三探測(cè)器73分別使第一合束器61、第二合束器 62、第三合束器63進(jìn)行拍頻，采集卡8采集三組拍頻信號(hào)，再通過(guò)解調(diào)算法單元9實(shí)現(xiàn)傳感 用光纖激光器13的應(yīng)變解調(diào)、溫度補(bǔ)償、波長(zhǎng)調(diào)諧非線性補(bǔ)償。
[0013] 上述方案中，所述窄線寬可調(diào)諧激光器12的輸出激光，與傳感用光纖激光器13、 參考用光纖激光器14的反射激光具有相近的線寬。
[0014] 上述方案中，所述傳感用光纖激光器13和所述參考用光纖激光器14是分布反饋 式有源光纖光柵或分布反射式有源光纖光柵。
[0015] 上述方案中，在所述第一合束器61中匯合了傳感用光纖激光器13和窄線寬可調(diào) 諧激光器12的兩束激光；在所述第二合束器62匯合了參考用光纖激光器14和窄線寬可調(diào) 諧激光器12的兩束激光；在所述第三合束器63同時(shí)匯合了參考用光纖激光器13、參考用 光纖激光器14、窄線寬可調(diào)諧激光器12的三束激光。
[0016] 上述方案中，所述采集卡8采集的三組拍頻信號(hào)，其頻譜信息反映了窄線寬可調(diào) 諧激光器12與傳感用光纖激光器13的光學(xué)波長(zhǎng)差信息、窄線寬可調(diào)諧激光器12與參考用 光纖激光器14的光學(xué)波長(zhǎng)差信息、以及傳感用光纖激光器13與參考用光纖激光器14的光 學(xué)波長(zhǎng)差信息。
[0017] 上述方案中，所述窄線寬可調(diào)諧激光器12的中心波長(zhǎng)通過(guò)控制處理器10和信號(hào) 發(fā)生器11，實(shí)現(xiàn)按照特定的規(guī)律變化，進(jìn)而通過(guò)解調(diào)算法單元9計(jì)算三組拍頻信號(hào)之間的 兩兩互相關(guān)，消去窄線寬可調(diào)諧激光器12波長(zhǎng)調(diào)諧非線性、以及傳感用光纖激光器13和參 考用光纖激光器14的溫度靈敏度不一致的影響。所述按照特定的規(guī)律變化是按照三角波 或鋸齒波規(guī)律變化。
[0018] 上述方案中，所述第一探測(cè)器71、第二探測(cè)器72、第三探測(cè)器73和采集卡8的帶 寬，大于窄線寬可調(diào)諧激光器12與傳感用光纖激光器13、參考用光纖激光器14的波長(zhǎng)差或 頻率差，同時(shí)也大于傳感用光纖激光器13與參考用光纖激光器14的波長(zhǎng)差或頻率差。
[0019] (三）有益效果
[0020] 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0021] 1、本發(fā)明提供的互參考的光纖激光靜態(tài)應(yīng)變傳感解調(diào)系統(tǒng)，通過(guò)拍頻原理、設(shè)計(jì) 互補(bǔ)償光路以及互補(bǔ)償算法，可以解決無(wú)源光纖光柵高精度靜態(tài)應(yīng)變解調(diào)技術(shù)中可調(diào)諧激 光器掃描非線性對(duì)解調(diào)精度的限制問(wèn)題，故可以進(jìn)一步提高解調(diào)精度。
[0022] 2、本發(fā)明提供的互參考的光纖激光靜態(tài)應(yīng)變傳感解調(diào)系統(tǒng)，通過(guò)拍頻原理、設(shè)計(jì) 互補(bǔ)償光路以及互補(bǔ)償算法，可以解決參考光柵與傳感光柵之間溫度靈敏度不一致對(duì)解調(diào) 結(jié)果的影響問(wèn)題，可以進(jìn)一步提高解調(diào)精度。
【附圖說(shuō)明】
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