阅读说明：本技术 变温环境抑制扫描非线性的光纤光栅传感解调系统及方法 (Fiber grating sensing demodulation system and method for inhibiting scanning nonlinearity in variable-temperature environment ) 是由 张学智 江俊峰 刘铁根 褚悦 刘琨 王双 樊晓军 徐棒田 李雨晴 蒋磊 于 2019-09-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种变温环境抑制扫描非线性的光纤光栅传感解调系统及方法,泵浦源发射出980nm波长的泵浦光作为扫描光源,经过波分复用器(2)进入到掺铒光纤(3)中,经光纤1×2耦合器(4)将输入光分成两束光,并对其进行抽运；掺铒光纤在泵浦光的作用下产生宽带受激辐射光,可调谐F-P滤波器(5)受到电压的调制对经过光纤隔离器(6)的宽带光进行波长调谐,输出的扫描光源(7)分为三路分别进入光纤光栅传感器(10)、F-P标准具(12)和长光程差迈克尔逊干涉仪(15)中,三路光又通过光电探测器(11)和数据采集卡(16)转化为电信号数据,通过解调算法进行布拉格波长解调。本发明可扩展为多种变温环境下的解调误差抑制应用,制作成本低。(The invention discloses a fiber grating sensing demodulation system and a method for inhibiting scanning nonlinearity in a variable temperature environment.A pump source emits pump light with the wavelength of 980nm as a scanning light source, the pump light enters an erbium-doped fiber (3) through a wavelength division multiplexer (2), the input light is divided into two beams through a fiber 1 x 2 coupler (4), and the two beams are pumped; the erbium-doped optical fiber generates broadband stimulated radiation light under the action of pump light, the tunable F-P filter (5) is subjected to voltage modulation to tune the wavelength of the broadband light passing through the optical fiber isolator (6), an output scanning light source (7) is divided into three paths to enter an optical fiber grating sensor (10), an F-P etalon (12) and a long optical path difference Michelson interferometer (15) respectively, the three paths of light are converted into electrical signal data through a photoelectric detector (11) and a data acquisition card (16), and Bragg wavelength demodulation is carried out through a demodulation algorithm. The invention can be expanded to the demodulation error suppression application in various temperature-changing environments, and has low manufacturing cost.)

变温环境抑制扫描非线性的光纤光栅传感解调系统及方法

技术领域

本发明属于光纤光栅传感技术领域，特别是涉及一种基于长光程差干涉仪的抑制扫描非线性的FBG传感解调系统。

背景技术

光纤光栅传感系统是以光为载体，光纤为媒介，使用具有体积小、质量轻、耐腐蚀、复用能力强、不受电磁干扰等优点的光纤光栅传感器进行传感测量的系统。当光纤光栅传感器受到应力应变、振动、温度和压力等物理参量作用时，传感器返回的布拉格光波长会产生移动从而实现传感。相比传统电学传感系统，该技术具有测量范围宽、高精度和高分辨率的特点，在强电磁干扰、易燃易爆或热真空等严酷环境下更具优势。

光纤光栅传感的解调方法主要有干涉解调技术、线性边沿滤波技术、匹配滤波解调技术、可调谐滤波器解调技术等。从解调速度、光谱范围、分辨率和大容量等方面综合比较，可调谐滤波器解调技术具有明显的优势。但是由于可调谐滤波器是利用PZT调节腔长进而改变输出波长，而PZT调节腔长存在位移与驱动电压的非线性关系，和初始腔长受环境温度影响两个问题。使得可调谐滤波器透射波长与驱动电压之间除了存在迟滞非线性关系之外，还具有蠕变特性。引入标准具作为波长参考，可大幅度降低可调谐滤波器非线性对波长定位精度的影响，提高传感系统的波长解调精度。F-P标准具可在与光源波段匹配的范围内引入间隔均匀的多个光频率参考点，在稳态环境温度下能较好地标定可调谐滤波器非线性，但在不同稳态温度下F-P标准具存在波长漂移。使用温度稳定的气体参考波长对F-P标准具的参考波长作实时温漂校正，实现了不同稳态或准稳态环境温度下的绝对波长解调。但是，当环境温度较快变化时，PZT还会引起可调谐滤波器扫描的局部非线性特征放大，尤其在中高速扫描的场合，采用F-P标准具和光纤气室也难以避免波长解调结果出现大幅度波动，导致测量精度大幅降低。

光纤干涉仪具有精度高、反应速率快、价格低、制作设计简单等优势，为了抑制在变温环境中光纤光栅传感解调非线性误差我们提出将光纤干涉仪应用到光纤光栅传感系统中，在F-P标准具的基础上对扫描非线性进行进一步的刻画，将解调结果震荡幅度降低，提高变温环境中的解调精度和稳定性。

发明内容

为了抑制在变温环境下的光纤光栅传感解调结果非线性误差，本发明提出了一种变温环境抑制扫描非线性的光纤光栅传感解调装置系统，通过设计的长光程差干涉仪与扫描光源对扫描过程中的非线性误差进行细致的刻画，降低了系统的成本和传感解调系统的复杂度。

本发明的一种变温环境抑制扫描非线性的光纤光栅传感解调系统，该系统至少包括扫描光源7、光纤1×3耦合器8、数据采集卡16、处理单元17以及信号发生模块18，包括扫描光源7与所述光纤1×3耦合器连接8，所述扫描光源7由泵浦源1与波分复用器2、掺铒光纤3、光纤1×2耦合器4、可调谐F-P滤波器5、光纤隔离器(6)组成的环路构成，所述光纤隔离器6与所述光纤1×3耦合器8相连接，所述光纤1×3耦合器8的包括三路输出分别是：一路包括依序连接的光纤环形器9、光纤光栅传感器10、光电探测器11，另一路连接F-P标准具12，再一路连接长光程差迈克尔逊干涉仪1；这三路中，在光电探测器11的输出端、在F-P标准具12的输出端、在光纤2×2耦合器13的输入端分别接数据采集卡16，所述数据采集卡16与处理单元17相连接，信号发生模块18分别连接可调谐F-P滤波器5、数据采集卡16，其中：

所述泵浦源1，提供980nm波段泵浦光源；

波分复用器2，对波长不同的光信号进行区分与整合；

掺铒光纤3，用于对980nm的初始光源进行放大，受激辐射形成1550nm波段的激光；

光纤1×2耦合器4，用于将输入光按照一定的比例分成两束光；

可调谐F-P滤波器5，通过控制其驱动电压从宽带光源1中滤出波长变化的窄带光谱信号，从而实现波长扫描，可调谐F-P滤波器的谱宽在10pm～400pm，自由光谱范围为90nm～200nm；

光纤隔离器6，用于隔离回光，保证光的单向传输；

扫描光源7，提供C波段波长可调谐的输入光源；

光纤1×3耦合器8：用于将输入光按照一定的比例分成三束光；

光纤环行器9：用于将掺铒光纤放大器出来的光发送至传感器链路并收集反射信号光，当光源功率大于1mW时，采用光纤耦合器替代以降低系统成本；

光纤光栅传感器10，用于感知环境温度变化，并将其编码到光纤光栅反射波长上；

光电探测器11，用于将光信号转化为电压模拟信号；

F-P标准具12，用于提供等光频间隔的梳状波长参考；

光纤2×2耦合器13，具有两个输入端口和两个输出端口的耦合器，将任意一个输入端的光等分成两束光；

法拉第旋转镜14，由两个具有25mm跳线长度差的法拉第旋转镜14搭建长光程差的迈克尔逊干涉仪；

长光程差迈克尔逊干涉仪15，由两个法拉第旋转镜14和光纤2×2耦合器13组成，输出光用于提供更细分的光频等间隔波长参考；

数据采集卡16，采集由光电探测器阵列得到的电压模拟信号；

处理单元17，采用计算机或嵌入式计算系统，用于对被测传感光纤光栅的波长进行解调；

信号发生模块18，用于产生方波和三角波、三角波用于对可调谐滤波器进行调制，方波用于采集卡的触发信号。

所述扫描光源7中，泵浦源1发射出980nm波长的泵浦光，经过波分复用器2进入到掺铒光纤3中，并对其进行抽运，掺铒光纤3在泵浦光的作用下产生宽带受激辐射光，可调谐F-P滤波器5受到电压的调制。对经过光纤隔离器6的宽带光进行波长调谐，形成扫描光源。

所述长光程差迈克尔逊干涉仪15在干涉仪频率间隔和光源相干长度相匹配时，获得最高的精度，所述干涉仪频率间隔的计算公式为：

其中，f_q和f_q+1表示第q级干涉与q+1级干涉峰的频率，c表示真空中光速，n表示纤芯有效折射率，L表示两臂几何长度差。

本发明的一种变温环境抑制扫描非线性的光纤光栅传感解调方法，该方法包括以下步骤：

泵浦源1发射出980nm波长的泵浦光作为扫描光源，经过波分复用器2进入到掺铒光纤3中，经光纤1×2耦合器4将输入光分成两束光，并对其进行抽运；掺铒光纤3在泵浦光的作用下产生宽带受激辐射光，可调谐F-P滤波器5受到电压的调制对经过光纤隔离器6的宽带光进行波长调谐，输出的扫描光源7分为三路分别进入光纤光栅传感器10、F-P标准具12和长光程差迈克尔逊干涉仪15中，三路光又通过光电探测器11和数据采集卡16转化为电信号数据，通过解调程序进行布拉格波长解调。

与现有技术相比，本发明的积极效果如下：

1、可扩展为多种变温环境下的解调误差抑制应用，不仅可以应用于航天航空领域，还有高原、山区等环境下的各种传感应用领域；

2、使用的是环形激光谐振腔组成扫描光源，该光源相干长度比普通线性宽带ASE光源高，能够覆盖整个C波段，制作成本比市场上扫描激光器低；

3、环形腔扫描光源扫描波长范围可覆盖整个C波段；

4、采用傅里叶滤波和寻峰对干涉信号进行处理，采用三次样条差值法对光栅布拉格波长进行解调。

5、解调装置和方法可用于各种基于光纤光栅的温度、应变、压力等参量的传感，应用场合包括航空航天、石油化工、土木电力等。

附图说明

图1为本发明的一种变温环境抑制扫描非线性的光纤光栅传感解调系统示意图；

图2为本发明的解调算法流程示意图；

图3为本发明的扫描光源输出光谱图；

图4为本发明的长光程差干涉仪干涉信号与其他实验信号对比图；

图5为本发明的长光程差干涉仪解调方法与F-P标准具解调结果对比图(含温度变化趋势图)。

附图标记：

1、泵浦源，2、波分复用器，3、掺铒光纤，4、光纤1×2耦合器，5、可调谐F-P滤波器，6、光纤隔离器，7、扫描光源，8、光纤1×3耦合器，9、光纤环形器，10、光纤光栅传感器，11、光电探测器，12、F-P标准具，13、光纤2×2耦合器，14、法拉第旋转镜，15、长光程差迈克尔逊干涉仪，16、数据采集卡，17、处理单元，18、信号发生模块。

具体实施方式

下面结合附图和对本发明技术方案进行详细描述。

如图1所示，本发明的变温环境抑制扫描非线性的光纤光栅传感解调系统至少包括包括泵浦源1、波分复用器2、掺铒光纤3、光纤1×2耦合器4、可调谐F-P滤波器5、光纤隔离器6、扫描光源7、光纤1×3耦合器8、光纤环形器9、光纤光栅传感器10、光电探测器11、F-P标准具12、光纤2×2耦合器13、法拉第旋转镜14、长光程差迈克尔逊干涉仪15、数据采集卡16)、处理单元17和信号发生模块18；作为扫描光源的泵浦源发射出980nm波长的泵浦光，经过波分复用器2进入到掺铒光纤3中，并对其进行抽运；掺铒光纤3在泵浦光2的作用下产生宽带受激辐射光，可调谐F-P滤波器5受到电压的调制对经过光纤隔离器的宽带光进行波长调谐，输出的扫描光源分为三路分别进入光纤光栅传感器6、F-P标准具12和长光程差迈克尔逊干涉仪15中，三路光又通光电探测器11和数据采集卡16转化为电信号数据，通过解调程序进行布拉格波长解调。其中：

所述泵浦源1为系统提供980nm波段泵浦光源；

所述波分复用器2采用980/1550波分复用器，用于对波长不同的光信号进行区分与整合；

所述掺铒光纤3，用于对980nm的初始光源进行放大，受激辐射形成1550nm波段的激光；

所述光纤1×2耦合器4，用于将输入光按照一定的比例分成两束光，本发明中使用的是8:2分光比的耦合器；

所述可调谐F-P滤波器5，通过控制其驱动电压从宽带光源1中滤出波长变化的窄带光谱信号，从而实现波长扫描，可调谐F-P滤波器的谱宽在10pm～400pm，自由光谱范围为90nm～200nm；

所述光纤隔离器6，用于隔离回光，保证光的单向传输；

所述扫描光源7，由泵浦源1、波分复用器2、掺铒光纤3、光纤1×2耦合器4、可调谐F-P滤波器5、光纤隔离器6组成的为系统提供C波段波长可调谐的输入光源；

所述光纤1×3耦合器8，用于将输入光按照一定的比例分成三束光，本发明中使用的是4:2:2分光比的耦合器；

所述光纤环行器9，用于将掺铒光纤放大器出来的光发送至传感器链路并收集反射信号光，当光源功率大于1mW时，采用光纤耦合器替代以降低系统成本；

所述光纤光栅传感器10，用于感知环境温度变化，并将其编码到光纤光栅反射波长上；

所述光电探测器11，用于将光信号转化为电压模拟信号；

所述F-P标准具12：用于提供等光频间隔的梳状波长参考；

所述光纤2×2耦合器13，具有两个输入端口和两个输出端口的耦合器，能够将任意一个输入端的光等分成两束光；

所述法拉第旋转镜14，由两个具有25mm跳线长度差的法拉第旋转镜14搭建长光程差的迈克尔逊干涉仪；

所述长光程差迈克尔逊干涉仪15，由两个法拉第旋转镜14和光纤2×2耦合器13组成，输出光用于提供更细分的光频等间隔波长参考；

所述数据采集卡16，采集由光电探测器阵列得到的电压模拟信号；

所述处理单元17，采用计算机或嵌入式计算系统，用于对被测传感光纤光栅的波长进行解调；

所述信号发生模块18，用于产生方波和三角波、三角波用于对可调谐滤波器进行调制，方波用于采集卡的触发信号。

扫描光源1的设计：泵浦源发射出980nm波长的泵浦光，经过980/1550波分复用器进入到掺铒光纤中，并对其进行抽运。掺铒光纤在泵浦光的作用下产生宽带受激辐射光，滤波器受到电压的调制对经过光纤隔离器的宽带光进行波长调谐，形成扫描光源。长光程差干涉仪的设计思想，由公式

计算出干涉仪频率间隔，和光源相干长度相匹配，设计出精度最高的长光程差干涉仪。本专利使用的迈克尔逊干涉仪由两个光纤法拉第旋转镜构成，可输出具有光频等间距的参考波长，精度达到16pm。

如图2所示，为本发明的解调算法流程示意图。该算法流程包括：将光纤光栅传感器信号、F-P标准具信号和长光程差迈克尔逊干涉仪信号分别进行傅里叶滤波、寻峰，利用光纤光栅传感器信号的寻峰结果确定峰值区间，对F-P标准具信号的寻峰结果进行三次样条插值解调，进而对长光程差迈克尔逊干涉仪信号的寻峰结果进行三次样条插值解调，得到布拉格波长。

本发明提供以下的技术方案：

扫描光源的泵浦源发射出980nm波长的泵浦光，经过980/1550波分复用器进入到掺铒光纤中，并对其进行抽运。掺铒光纤在泵浦光的作用下产生宽带受激辐射光，滤波器受到电压的调制对经过光纤隔离器的宽带光进行波长调谐，输出的扫描光源分为三路分别进入光纤光栅传感器、F-P标准具和长光程差迈克尔逊干涉仪中，三路光又通光电探测器和采集卡转化为电信号数据，通过解调程序进行布拉格波长解调。其中，长光程差迈克尔逊干涉仪由两个光纤法拉第旋转镜构成，可输出具有光频等间距的参考波长，精度达到16pm。

信号发生模块产生频率相同的方波与三角波信号，三角波信号用于对滤波器进行调制使光源模块产生扫描光，方波用于采集卡的触发信号。频率为200hz。

泵浦源的输出功率为250mW,掺铒光纤的长度为2m,扫描光源的输出光功率为4.5mW,扫描光源输出线宽为157pm，扫描带宽能覆盖整个C波段，能够扫描出干涉条纹间距为33pm的干涉信号。

将光纤光栅传感器置于温度恒定的温度环境中，其他装置置于变温环境中，变温环境为在30分钟里实现20℃～60℃的快速变温到最终稳定。

在F-P标准具的波长参考基础上加入干涉仪波长参考点，可以刻画扫描过程中的非线性趋势。所述系统的长光程差光纤迈克尔逊干涉仪干涉条纹间距可达到33pm，在FSR为100.2Ghz的F-P标准具的两个反射峰之间可引入48个波长参考点。

将光纤光栅反射峰附近的F-P标准局参考峰和干涉仪波长参考点结合，通过三次样条差值法进行布拉格波长解调，结果与仅用F-P标准具进行解调的结果对比，仅用标准具解调的结果振荡幅度在±20pm,与干涉仪一起解调的结果震荡幅度降低到±6pm。

本发明中提出的解调系统，仅用两个法拉第旋转镜就能对F-P标准具的等间隔光频进行细分，同时该系统的硬件构成部分比较简单性价比很高，配合设计的扫描光源使用，能够实现较稳定的变温环境中的光纤光栅传感解调。

实施例仅仅是本发明实例，而不是全部实例。基于本发明的实施例的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。