基于參考光纖激光器的高精度靜態(tài)應(yīng)變拍頻解調(diào)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于參考光纖激光器的高精度靜態(tài)應(yīng)變拍頻解調(diào)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，地殼形變觀測(cè)是地震前兆觀測(cè)和預(yù)報(bào)的主要手段之一。實(shí)現(xiàn)地殼形變觀測(cè)的儀器有洞體應(yīng)變儀(伸縮儀)和鉆孔應(yīng)變儀等，這些儀器的精度一般都優(yōu)于10-9，可以清晰的觀測(cè)到固體潮現(xiàn)象。但是現(xiàn)有的形變觀測(cè)儀器都是基于電學(xué)原理實(shí)現(xiàn)的，比如洞體應(yīng)變儀使用的電渦流位移傳感器、鉆孔應(yīng)變儀使用的高精度電感傳感器等。這些電學(xué)傳感器普遍存在怕雷擊、抗電磁干擾能力弱、不能在深井高溫環(huán)境中使用等缺點(diǎn)。
[0003]光纖傳感器具有光學(xué)傳感與傳輸一體、抗電磁干擾、適合長距離傳輸、可以組建區(qū)域性觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)等本質(zhì)性的特征和優(yōu)勢(shì)，可以解決電學(xué)量應(yīng)力應(yīng)變地震前兆觀測(cè)系統(tǒng)存在的固有問題.如果能夠?qū)⒐饫w傳感器經(jīng)過改進(jìn)引入到地震前兆觀測(cè)系統(tǒng)，并在主要技術(shù)指標(biāo)上達(dá)到地震前兆觀測(cè)規(guī)范要求，將使地震前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生質(zhì)的飛躍(周振安，光纖光柵傳感器用于高精度應(yīng)變測(cè)量研究，地球物理學(xué)進(jìn)展，2005)。
[0004]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)量中的獲得廣泛的應(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I μ ε，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)。比如最早將PDH激光鎖頻技術(shù)用于光纖光柵(FBG)FFP的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量，是2005年澳大利亞國立大學(xué)的Jong H.Chow等人(J.H.Chow,et al.，“Demonstrat1n of a passive subpicostrain fiber strain sensor，，，Opticsletters，2005)，理論上分析了應(yīng)變測(cè)量分辨率能小于ρε/ V Hz (10Hz-1OOkHz) 0同時(shí)，意大利的G.Gagliardi等人也做了這方面的研究，并且與Jong H.Chow進(jìn)行了合作，獲得了 150ρ ε / V Ηζ(680Ηζ)、20ρ ε / V Hz (13kHz)應(yīng)變分辨率(G.Gagliardi, et al.，“Fiber Bragg-grating strain sensor interrogat1n using laser rad1-frequencymodulat1n，’’Optics Express，2005)。2008 年 D.Gatti 首次將 n 相移光纖光棚■和 PDH 技術(shù)結(jié)合，在高頻段實(shí)現(xiàn)了分辨率5ρ ε / V Hz的應(yīng)變測(cè)量(D.Gatti, et al.，“Fiber strainsensor based on a p1-phase-shifted Bragg grating and the Pound-Drever-HalItechnique，”0pt.Express，2008)。而實(shí)現(xiàn)光纖光柵的高精度靜態(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。
[0005]自2011年以來，人們也提出了基于可調(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QinwenLiu等人實(shí)現(xiàn)了 5.8ηε / V Hz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, et al.，“Ultra-high-resolut1n large-dynamic-range optical fiberstatic strain sensor using Pound-Drever-HalI technique，，，Optics letters，2011)。2014年中國科學(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進(jìn)一步提高FBG 的靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量精度(Wenzhu Huang, et al.，“ π-phase-shifted FBG forhigh—resolut1n static—strain measurement based on wavelet threshold denoisingalgorithm，，，et.al.，Journal of Lightwave Technology，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，國家發(fā)明專利)。
[0006]但是，以上實(shí)現(xiàn)高精度光纖靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量的方法，都是基于光纖光柵或者光纖光柵法珀干涉儀、相移光柵等無源的光柵器件實(shí)現(xiàn)的。這些無源光柵器件，其反射譜的線寬一般最小可以做到MHz量級(jí)，很難再做得更高；而越小的線寬意味著更高的解調(diào)精度。有源光纖光柵器件，比如分布反饋光纖激光器(DFB-FL)、分布反射光纖激光器(DBR-FL)，具有極窄的線寬(kHz量級(jí))，比無源光柵器件要窄3個(gè)量級(jí)。雖然早就有研究把有源光纖光柵用于高精度的應(yīng)變測(cè)量，比如干涉式相位解調(diào)技術(shù)(F.Li，et al.,“Fiber lasersensing technology and its applicat1ns，’’Infrared and Laser Engineering，2009)、偏振激光拍頻解調(diào)技術(shù)(B.0.Guan，et al.，“Dual polarizat1n fiber grating laserhydrophone，” Optics Express，2009)、3X 3 f禹合器解調(diào)技術(shù)等(Y.Liu, et al./‘Fiberlaser sensing system and its applicat1ns，，，Photonic Sensors，2011)。但是這些技術(shù)都只能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)應(yīng)變解調(diào)，低頻段很難降到IHz以下，還沒有見到將有源光纖光柵用于超高精度的靜態(tài)/超低頻應(yīng)變測(cè)量的報(bào)道。
[0007]鑒于此，本發(fā)明提出一種基于參考光纖激光器(有源光纖光柵)和拍頻檢測(cè)原理的高精度靜態(tài)應(yīng)變解調(diào)技術(shù)，采用一個(gè)窄線寬激光光源分別與一個(gè)傳感光纖激光器和一個(gè)參考光纖激光器進(jìn)行拍頻，通過比較兩個(gè)拍頻信號(hào)的頻率差來實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償、以及光源頻率波動(dòng)補(bǔ)償，并實(shí)現(xiàn)傳感光纖激光器的超高精度應(yīng)變解調(diào)。這項(xiàng)技術(shù)可以進(jìn)一步提高光纖光柵的靜態(tài)應(yīng)變解調(diào)精度，解決現(xiàn)有光纖光柵高精度靜態(tài)應(yīng)變解調(diào)技術(shù)中光纖光柵線寬過大而導(dǎo)致靜態(tài)應(yīng)變解調(diào)精度受限的問題，同時(shí)還可以解決可調(diào)諧激光器掃描線性度不佳導(dǎo)致應(yīng)變測(cè)量精度受限、解調(diào)算法較為復(fù)雜等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008](一 )要解決的技術(shù)問題
[0009]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的是提供一種基于參考光纖激光器的高精度靜態(tài)應(yīng)變拍頻解調(diào)系統(tǒng)，以提高光纖光柵靜態(tài)應(yīng)變的解調(diào)精度，解決現(xiàn)有無源光纖光柵高精度靜態(tài)應(yīng)變解調(diào)技術(shù)中光纖光柵線寬過大而導(dǎo)致靜態(tài)應(yīng)變解調(diào)精度受限的問題，同時(shí)還可以解決可調(diào)諧激光器掃描線性度不佳導(dǎo)致應(yīng)變測(cè)量精度受限、解調(diào)算法較為復(fù)雜等問題。
[0010](二)技術(shù)方案
[0011]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于參考光纖激光器的高精度靜態(tài)應(yīng)變拍頻解調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括窄線寬可調(diào)諧激光器1、第一隔離器21、1550nm光纖耦合器3、第一合束器41、第二合束器42、980nm栗浦源10、980nm光纖耦合器9、第一波分復(fù)用器61、第二波分復(fù)用器62、傳感光纖激光器7、參考光纖激光器8、第二隔離器22、第三隔離器23、第一偏振控制器51、第二偏振控制器52、第一探測(cè)器111、第二探測(cè)器112、采集卡12、解調(diào)算法單元13和控制處理器14，其中:
[0012]窄線寬可調(diào)諧激光器I發(fā)出的激光依次通過第一隔離器21、1550nm光纖耦合器3被一分為二，分別進(jìn)入第一光纖合束器41、第二光纖合束器42:
[0013]同時(shí)，980nm栗浦光源10發(fā)出的激光通過一個(gè)980nm耦合器被一分為二，分別進(jìn)入第一波分復(fù)用器61、第二波分復(fù)用器62，進(jìn)入第一波分復(fù)用器61的光再進(jìn)入傳感光纖激光器7，進(jìn)入第二波分復(fù)用器62的光再進(jìn)入?yún)⒖脊饫w激光器8，使得傳感光纖激光器7和參考光纖激光器8分別激射出1550nm的激光；
[0014]傳感光纖激光器7激射出1550nm的激光依次通過第二隔離器22、第一偏振控制器51進(jìn)入第一光纖合束器41，這樣，窄線寬可調(diào)諧激光器I的激光與傳感光纖激