[發(fā)明專利]環(huán)境變溫下波動(dòng)抑制的光纖光柵傳感解調(diào)裝置與解調(diào)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610668091.5
• 申請(qǐng)日: 2016-08-11
• 公開（公告）號(hào): CN106248121B
• 公開（公告）日: 2018-03-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 江俊峰;劉鐵根;閆金玲;劉琨;王雙;張學(xué)智;臧傳軍;謝仁偉;楚奇梁
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): G01D5/353
• 分類號(hào): G01D5/353
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所12201
• 代理人: 李素蘭

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及在變溫環(huán)境下，一種基于光纖輔助干涉儀的高穩(wěn)定光纖光柵傳感解調(diào)裝置與解調(diào)方法。

背景技術(shù)

光纖光柵傳感系統(tǒng)是以光為載體，光纖為傳輸媒介，具有體積小、重量輕、耐腐蝕、抗電磁干擾、波長(zhǎng)選擇性好、易復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)，可感知外界應(yīng)力應(yīng)變、振動(dòng)、溫度和壓力等物理參量的變化，通過布拉格光波長(zhǎng)的漂移反映出來。相比傳統(tǒng)電學(xué)傳感系統(tǒng)，該技術(shù)具有測(cè)量范圍寬、高精度和高分辨率的特點(diǎn)，在強(qiáng)電磁干擾、易燃易爆或熱真空等嚴(yán)酷環(huán)境下更具優(yōu)勢(shì)。

可調(diào)諧F-P濾波法是常用的光纖光柵傳感解調(diào)方法，易實(shí)現(xiàn)在寬光譜范圍內(nèi)的高速、高精度解調(diào)，但因可調(diào)諧F-P濾波器是通過PZT的逆壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)寬范圍內(nèi)的波長(zhǎng)掃描，而PZT遲滯、蠕變和非線性等特性使透射波長(zhǎng)與驅(qū)動(dòng)電壓不能保持很好的線性和重復(fù)性，會(huì)影響解調(diào)精度。F-P標(biāo)準(zhǔn)具可在與光源波段匹配的范圍內(nèi)引入間隔均勻的多個(gè)光頻率參考點(diǎn)，在穩(wěn)態(tài)環(huán)境溫度下能較好地標(biāo)定可調(diào)諧濾波器的波長(zhǎng)掃描非線性關(guān)系曲線，但在不同穩(wěn)態(tài)溫度下F-P標(biāo)準(zhǔn)具存在波長(zhǎng)漂移。使用溫度穩(wěn)定的氣體參考波長(zhǎng)對(duì)F-P標(biāo)準(zhǔn)具的參考波長(zhǎng)作校正，實(shí)現(xiàn)了不同穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)環(huán)境溫度下的絕對(duì)波長(zhǎng)解調(diào)。但是，當(dāng)環(huán)境溫度較快變化時(shí)，PZT還會(huì)使濾波器波長(zhǎng)掃描非線性曲線的隨機(jī)波動(dòng)增大，尤其在中高速掃描的場(chǎng)合，采用F-P標(biāo)準(zhǔn)具和光纖氣室也難以避免波長(zhǎng)解調(diào)結(jié)果出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，導(dǎo)致測(cè)量精度大幅降低。為克服這一問題，我們提出波長(zhǎng)掃描非線性曲線的波動(dòng)抑制裝置和解調(diào)方法，通過引入光纖輔助干涉儀，在F-P標(biāo)準(zhǔn)具相鄰干涉譜線之間進(jìn)行光頻細(xì)分，得到多個(gè)局部附加光頻率參考，有效抑制可調(diào)諧濾波器波長(zhǎng)掃描非線性曲線波動(dòng)增大引起的解調(diào)結(jié)果波動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服環(huán)境變溫引起的可調(diào)諧F-P濾波器波長(zhǎng)掃描非線性曲線波動(dòng)增大對(duì)光纖光柵傳感器波長(zhǎng)解調(diào)穩(wěn)定性的影響，本發(fā)明提供一種波動(dòng)抑制的高穩(wěn)定光纖光柵傳感解調(diào)裝置與解調(diào)方法，該裝置通過輔助干涉儀實(shí)現(xiàn)了對(duì)F-P標(biāo)準(zhǔn)具光波長(zhǎng)間隔的細(xì)分，并編制了局部光頻細(xì)分解調(diào)算法，抑制了變溫過程中光纖光柵相對(duì)波長(zhǎng)解調(diào)值的大幅波動(dòng)，提高了波長(zhǎng)解調(diào)穩(wěn)定性。

本發(fā)明提出了一種環(huán)境變溫下波動(dòng)抑制的光纖光柵傳感解調(diào)方法，包括以下流程：

步驟(1)、寬帶光源輸入信號(hào)經(jīng)過光衰減、光功率調(diào)諧濾波后，輸出窄帶掃頻激光，掃頻激光經(jīng)隔離回光處理后，進(jìn)行光功率放大處理，再經(jīng)過光分束處理分成兩部分光，其中一部分光到達(dá)傳感鏈路和光纖氣室，另一部分光到達(dá)局部附加光頻率參考鏈路；

步驟(2)、將到達(dá)傳感鏈路和光纖氣室的光分成N束，其中一束由透射光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓模擬信號(hào)；其余N-1束中的每束光均被發(fā)送至傳感器鏈路，傳感器感知外界待測(cè)量并將其編碼到光纖光柵反射光的中心波長(zhǎng)上；將傳感鏈路的反射光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓模擬信號(hào)；

步驟(3)、將到達(dá)局部附加光頻率參考鏈路的光分成兩部分光，一部分光形成梳狀透射光，對(duì)該透射光信號(hào)陷掉指定光頻率，并對(duì)該指定光頻率作標(biāo)記；另一部分光經(jīng)分束和反射后再次相遇并發(fā)生干涉得到輔助干涉信號(hào)；將兩部分光信號(hào)分別轉(zhuǎn)化為電壓模擬信號(hào)，電壓模擬信號(hào)再經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡送至處理單元進(jìn)行解調(diào)；

步驟(4)、對(duì)采集到的梳狀透射光譜線進(jìn)行尋峰，以指定的光頻率標(biāo)記為基準(zhǔn)向兩側(cè)依次將尋得的各峰值點(diǎn)X_i與已知的光頻率值F_i一一對(duì)應(yīng)，獲得光源譜寬范圍內(nèi)的一級(jí)光頻率參考點(diǎn)(X_i,F_i)，構(gòu)成一級(jí)光頻率參考點(diǎn)序列，i＝1,2,3…n-1；基于一級(jí)光頻率參考點(diǎn)序列，將整個(gè)寬帶的光源譜劃分為n個(gè)區(qū)域(E_i＝1,2,3…n-1)，每個(gè)區(qū)域的起點(diǎn)和終點(diǎn)為兩個(gè)相鄰的一級(jí)光頻率參考點(diǎn)(X_i,F_i)和(X_i+1,F_i+1)；

步驟(5)、對(duì)采集到的干涉信號(hào)譜線去基線，然后截取分區(qū)E_i橫坐標(biāo)范圍X_i～X_i+1內(nèi)的輔助干涉信號(hào)，通過極值法、質(zhì)心法或擬合法求取輔助干涉信號(hào)的峰值、谷值位置，構(gòu)成次級(jí)光頻率參考的采樣點(diǎn)(χ₁，…χ_m+1)序列，并通過對(duì)峰谷點(diǎn)個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)得到完整半周期的個(gè)數(shù)m，靠近分區(qū)起點(diǎn)和終點(diǎn)的非完整半周期通過計(jì)算其在所處半周期中所占百分比確定，最終得到分區(qū)內(nèi)干涉信號(hào)的半周期數(shù)：