一种基于时间门控的多通道光纤应变解调方案
阅读说明：本技术 一种基于时间门控的多通道光纤应变解调方案 (Multichannel optical fiber strain demodulation scheme based on time gating ) 是由 张羽 陈济铭 金威 张毅博 刘帅 张亚勋 刘志海 杨军 苑立波 于 2021-09-01 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于时间门控的多通道光纤应变解调方案。包括：窄线宽光源模块、温度参考FBG-FP模块、应变传感FBG-FP阵列模块、光源反馈稳频模块以及边带调制反馈稳频模块,边带调制反馈稳频模块核心为时间门控的多通道反馈控制算法。将窄线宽光源反馈锁定至温度参考FBG-FP上；利用单边带调制器生成边带光信号,由压控振荡器提供边带调制的射频信号,对压控振荡器的时间门控来遍历每个应变传感FBG-FP通道；在时间门控的多通道反馈控制算法中,每个通道会分配控制周期,在该控制周期内需完成PDH误差信号的处理与锁定,实现多通道应变信号的高精度、高分辨率实时测量,更为高速、低噪声以及低成本。(The invention provides a multichannel optical fiber strain demodulation scheme based on time gating. The method comprises the following steps: the system comprises a narrow-line-width light source module, a temperature reference FBG-FP module, a strain sensing FBG-FP array module, a light source feedback frequency stabilization module and a sideband modulation feedback frequency stabilization module, wherein the core of the sideband modulation feedback frequency stabilization module is a time-gated multi-channel feedback control algorithm. Locking the narrow-linewidth light source feedback to the temperature reference FBG-FP; generating sideband optical signals by using a single sideband modulator, providing sideband modulated radio frequency signals by using a voltage-controlled oscillator, and traversing each strain sensing FBG-FP channel by time gating of the voltage-controlled oscillator; in a time-gated multi-channel feedback control algorithm, each channel is allocated with a control period, and PDH error signals need to be processed and locked in the control period, so that high-precision and high-resolution real-time measurement of multi-channel strain signals is realized, and the method is higher in speed, lower in noise and lower in cost.)
技术领域
：本发明涉及的是光纤传感领域，具体是涉及到一种基于时间门控的多通道光纤应变解调方案。
背景技术
：基于PDH解调技术的高精细光纤光栅传感方案近年来得到广泛的发展(刘庆文,何祖源,赵双祥.高精度光纤光栅应变测量系统[P].上海市：CN209432150U,2019-09-24；杨军,张毅博,田帅飞,邹晨,祝海波,苑勇贵,李寒阳,苑立波.一种PDH解调的保偏光栅FP腔温度应变同时测量装置[P].黑龙江省：CN109916533B,2021-04-20.)，将激光稳频中的PDH技术引入高精细光纤光栅的解调过程，这为基于高精细光纤光栅的高精度、高分辨率传感的实用化奠定了基础，然而整套PDH解调方案的器件成本对此造成极大的限制，因此发展高精度光纤光栅的复用技术尤为关键。
当前高精细光纤光栅的复用技术主要有码分复用以及时分复用，其中，基于伪随机码技术的复用方案(杨军,张毅博,田帅飞,邹晨,祝海波,苑勇贵,李寒阳,苑立波.一种使用伪随机码码分复用的PDH多传感器应变测量装置[P].黑龙江省：CN109883348B,2021-01-12.)拓展传感器个数，然而伪随机码带来的电学设备成本不可忽视；基于时分复用的传感方案(何祖源,刘庆文,樊昕昱,陈嘉庚.亚纳应变级多点复用光纤光栅准静态应变传感系统[P].上海：CN205192442U,2016-04-27.)引入相位调制、强度调制及声光调制，以光脉冲作为时序基准，多级调制带来光能量较大的损耗，调制器件、调制源的增加同样也带来成本的增多；因此，发展低成本、高性能的多通道高精细光纤光栅传感是十分有必要的。
发明内容
：一种基于时间门控的多通道光纤应变解调方案，包括窄线宽光源模块、温度参考FBG-FP模块、应变传感FBG-FP阵列模块、光源反馈稳频模块以及边带调制反馈稳频模块，其中边带调制反馈稳频模块核心为时间门控的多通道反馈控制算法；
所述窄线宽光源模块包含窄线宽可调谐激光器(101)、直波导调制器(102)、99:1光纤耦合器(103)、单边带调制器(104)；
所述温度参考FBG-FP模块包含光纤环形器(201)、温度参考FBG-FP(基于光纤布拉格光栅的法布里珀罗干涉仪)(202)；
所述应变传感FBG-FP阵列模块包含一分N耦合器(301)、应变传感FBG-FP通路(302、303、304、305)；
所述光源反馈稳频模块包含单PIN光电探测器(401)、锁相放大模块.1(402)及采集反馈控制模块.1(403)；
所述边带调制反馈稳频模块包含信号发生器(501)、压控振荡器(502)、多通道光电探测器(503)、多通道电开关(504)、锁相放大模块.2(505)、采集反馈控制模块.2(506)及上位机(507)；
所述窄线宽激光器(101)输出至直波导调制器(102)中进行相位调制，调制信号由信号发生器(501)提供，然后经过1:99光纤耦合器(103)分光，其中“1”端口入射至温度参考FBG-FP模块中，“99”端口入射至单边带调制器(104)中进行单边带调制，以获得单边待的光信号，然后入射至应变传感FBG-FP阵列模块中；入射至温度传感FBG-FP模块中的光信号由光纤环形器(201)的“1”端口入射，经“2”端口出射至温度参考FBG-FP(202)中，其反射的光信号经光纤环形器(201)的“2”端口入射，经“3”端口出射至光源反馈稳频模块中；入射至光源反馈稳频模块中的光信号由单PIN光电探测器(401)转化为电信号，经过锁相放大模块.1(402)解调出PDH误差信号，由采集反馈控制模块.1(403)对PDH误差信号进行处理以及对窄线宽激光器(101)的反馈控制；入射至应变传感FBG-FP阵列模块的光信号经过一分N耦合器(301)将光信号能量均等分，入射至相应的应变传感FBG-FP通路(302、303、304、305)中，然后经过各个通路反射的光信号入射至边带调制反馈稳频模块中；入射至边带调制反馈稳频模块的光信号由多通道光电探测器(503)将各自通路的光信号转化为电信号后传入多通道电开关(504)中，多通道电开关(504)受采集反馈控制模块.2(506)控制在每个通道周期内保持单通道输出，经过锁相放大模块.2(505)解调出该通道PDH误差信号，由采集反馈控制模块.2(506)对PDH误差信号进行处理以及对压控振荡器(502)的反馈控制；上位机(507)与采集反馈控制模块.1(403)及采集反馈控制模块.2(506)交互，完成参数设定、信号传输及算法编译等功能；
所述边带调制反馈稳频模块核心为时间门控的多通道反馈控制算法，在多通道反馈控制循环(601)中，单个通道周期内需顺次完成单通道锁相放大IQ信号采集(602)、IQ信号正则化(603)、PDH误差信号零点识别(604)、PDH误差信号线性区斜率估算(605)、单通道PID参数计算(606)、单通道反馈锁定(607)以及单通道应变传感信号输出(608)；
所述窄线宽激光器(101)的中心波长在温度参考FBG-FP(202)的高反射波长区内；
所述窄线宽激光器(101)具备外部电压可调谐功能；
所述直波导调制器(102)功能为光信号的相位调制，可有具备光信号相位调制功能的其他器件替代；
所述99:1光纤耦合器(103)功能为光能量分配，可以由更高比例的光纤耦合器替代；
所述单边带调制器(104)功能为产生单一边带的光信号，其调制射频源由压控振荡器(502)提供；
所述一分N耦合器(301)功能为光能量均分，通道数量应根据入射光能量以及后端光纤器件的损耗情况来选定；
所述应变传感FBG-FP通路(302、303、304、305)为光纤环形器与传感FBG-FP探头的组合；
所述应变传感FBG-FP通路(302、303、304、305)的高反射波长区通过加载预应力的方式调整至窄线宽激光器(101)的中心波长附近；
所述多通道光电探测器(503)的通道数应大于或等于应变传感通路数；
所述多通道光电探测器(503)的带宽高于信号发生器(501)所提供的调制信号频率；
所述多通道电开关(504)的带宽大于或等于多通道光电探测器(503)的带宽；
所述多通道电开关(504)受采集反馈控制模块.2(506)的控制，保证通道周期内输出为相应的通道；
所述锁相放大模块.1(403)、锁相放大模块.2(505)具备正交解调功能，接受到信号输入及本振输入后进行正交解调，输出为相互正交的两路信号I路信号以及Q路信号；
所述采集反馈控制模块.1(403)及采集反馈控制模块.2(506)为FPGA中的写入的功能模块，分别对温度参考通路以及应变传感通路信号的采集、处理与控制；
所述时间门控的多通道反馈控制算法为采集反馈控制模块.2(506)中的功能模块；
所述上位机(507)与FPGA进行交互，使得采集反馈控制模块.1(403)及采集反馈控制模块.2(506)完成参数设定、信号传输及算法编译等功能；
所述多通道反馈控制循环(601)为N个循环周期，在每个周期内需完成当前通道的所有事件；
所述单通道锁相放大IQ信号采集(602)为在当前通道周期内采集反馈控制模块.2(506)采集锁相放大模块.2(505)解调后的IQ信号输出；
所述IQ信号正则化(603)是在当前通道周期内采集反馈控制模块.2(506)需对采集到的IQ信号进行相位补偿，使得PDH误差信号线性区的斜率最大；
所述PDH误差信号零点识别(604)是在当前通道周期内获得正则化的PDH误差信号后，需要对其零点位置进行判断，以获取反馈锁定中心点位置；
所述PDH误差信号线性区斜率估算(605)需对线性区的斜率进行估计，以此来整定当前通道的PID参数，即单通道PID参数计算(606)；
所述单通道反馈锁定(607)为获取反馈锁定中心点位置信息以及PID参数整定之后，完成当前通道的反馈锁定，即对压控振荡器(502)的控制，使得当前通道的边带光信号稳频与当前应变传感FBG-FP上；
所述单通道应变传感信号输出(608)为采集反馈控制模块.2(506)对压控震荡器(502)的控制输出，此信号也为应变传感信号的输出；
所述一种基于时间门控的多通道光纤应变解调方案为将窄线宽光源反馈锁定至温度参考FBG-FP上，实现输出激光的稳频；利用单边带调制器生成边带光信号，由压控振荡器提供边带调制的射频信号，对压控振荡器的时间门控来遍历每个应变传感FBG-FP通道，实现对应通道的反馈稳频，即应变传感信号的监测；在时间门控的多通道反馈控制算法中，每个通道会分配控制周期，在该控制周期内需完成PDH误差信号的处理与锁定。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种基于时间门控的多通道光纤应变解调方案，充分利用PDH解调技术、空分复用技术、电开关控制技术及时间门控算法等，以较低的器件成本实现多通道、高精度以及高分辨率的实时应变传感。本发明提供基于时间门控的多通道光纤应变解调方案相比于之前的码分复用、时分复用方案器件成本低，极大地推进高精细光纤光栅的传感应用。
附图说明
：图1为本发明提供的一种基于时间门控的多通道光纤应变解调方案图。
图2为本发明中IQ信号正则化原理图。
图3为本发明中基于时间门控的多通道光纤应变解调方案的外场实验地震波传感数据。
具体实施方式
：
为了更加清楚的说明本发明是一种基于时间门控的多通道光纤应变解调方案。下面对本发明的实施作详细的说明，本实施在以本发明技术方案为前提下进行的，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：包括包括窄线宽光源模块、温度参考FBG-FP模块、应变传感FBG-FP阵列模块、光源反馈稳频模块以及边带调制反馈稳频模块，其中边带调制反馈稳频模块核心为时间门控的多通道反馈控制算法。
其中，窄线宽光源模块包含窄线宽可调谐激光器(101)、直波导调制器(102)、99:1光纤耦合器(103)、单边带调制器(104)；温度参考FBG-FP模块包含光纤环形器(201)、温度参考FBG-FP(基于光纤布拉格光栅的法布里珀罗干涉仪)(202)；应变传感FBG-FP阵列模块包含一分N耦合器(301)、应变传感FBG-FP通路(302、303、304、305)；光源反馈稳频模块包含单PIN光电探测器(401)、锁相放大模块.1(402)及采集反馈控制模块.1(403)；边带调制反馈稳频模块包含信号发生器(501)、压控振荡器(502)、多通道光电探测器(503)、多通道电开关(504)、锁相放大模块.2(505)、采集反馈控制模块.2(506)及上位机(507)。
该方案中，窄线宽激光器(101)输出至直波导调制器(102)中进行相位调制，调制信号由信号发生器(501)提供，然后经过1:99光纤耦合器(103)分光，其中“1”端口入射至温度参考FBG-FP模块中，“99”端口入射至单边带调制器(104)中进行单边带调制，以获得单边待的光信号，然后入射至应变传感FBG-FP阵列模块中；入射至温度传感FBG-FP模块中的光信号由光纤环形器(201)的“1”端口入射，经“2”端口出射至温度参考FBG-FP(202)中，其反射的光信号经光纤环形器(201)的“2”端口入射，经“3”端口出射至光源反馈稳频模块中；入射至光源反馈稳频模块中的光信号由单PIN光电探测器(401)转化为电信号，经过锁相放大模块.1(402)解调出PDH误差信号，由采集反馈控制模块.1(403)对PDH误差信号进行处理以及对窄线宽激光器(101)的反馈控制；入射至应变传感FBG-FP阵列模块的光信号经过一分N耦合器(301)将光信号能量均等分，入射至相应的应变传感FBG-FP通路(302、303、304、305)中，然后经过各个通路反射的光信号入射至边带调制反馈稳频模块中；入射至边带调制反馈稳频模块的光信号由多通道光电探测器(503)将各自通路的光信号转化为电信号后传入多通道电开关(504)中，多通道电开关(504)受采集反馈控制模块.2(506)控制在每个通道周期内保持单通道输出，经过锁相放大模块.2(505)解调出该通道PDH误差信号，由采集反馈控制模块.2(506)对PDH误差信号进行处理以及对压控振荡器(502)的反馈控制；上位机(507)与采集反馈控制模块.1(403)及采集反馈控制模块.2(506)交互，完成参数设定、信号传输及算法编译等功能；
在边带调制反馈稳频模块中，核心为时间门控的多通道反馈控制算法，在多通道反馈控制循环(601)中，单个通道周期内需顺次完成单通道锁相放大IQ信号采集(602)、IQ信号正则化(603)、PDH误差信号零点识别(604)、PDH误差信号线性区斜率估算(605)、单通道PID参数计算(606)、单通道反馈锁定(607)以及单通道应变传感信号输出(608)；
方案中地窄线宽激光器(101)的中心波长在温度参考FBG-FP(202)的高反射波长区内，且其具备外部电压可调谐功能；直波导调制器(102)功能为光信号的相位调制，可有具备光信号相位调制功能的其他器件替代；99:1光纤耦合器(103)功能为光能量分配，可以由更高比例的光纤耦合器替代；单边带调制器(104)功能为产生单一边带的光信号，其调制射频源由压控振荡器(502)提供。
方案中一分N耦合器(301)功能为光能量均分，通道数量应根据入射光能量以及后端光纤器件的损耗情况来选定；应变传感FBG-FP通路(302、303、304、305)为光纤环形器与传感FBG-FP探头的组合，其高反射波长区通过加载预应力的方式调整至窄线宽激光器(101)的中心波长附近。
方案中多通道光电探测器(503)的通道数应大于或等于应变传感通路数，且其带宽高于信号发生器(501)所提供的调制信号频率；多通道电开关(504)的带宽大于或等于多通道光电探测器(503)的带宽，且其受采集反馈控制模块.2(506)的控制，保证通道周期内输出为相应的通道；锁相放大模块.1(403)、锁相放大模块.2(505)具备正交解调功能，接受到信号输入及本振输入后进行正交解调，输出为相互正交的两路信号I路信号以及Q路信号；采集反馈控制模块.1(403)及采集反馈控制模块.2(506)为FPGA中的写入的功能模块，分别对温度参考通路以及应变传感通路信号的采集、处理与控制；时间门控的多通道反馈控制算法为采集反馈控制模块.2(506)中的功能模块；上位机(507)与FPGA进行交互，使得采集反馈控制模块.1(403)及采集反馈控制模块.2(506)完成参数设定、信号传输及算法编译等功能。
方案中多通道反馈控制循环(601)为N个循环周期，在每个周期内需完成当前通道的所有事件；单通道锁相放大IQ信号采集(602)为在当前通道周期内采集反馈控制模块.2(506)采集锁相放大模块.2(505)解调后的IQ信号输出；IQ信号正则化(603)是在当前通道周期内采集反馈控制模块.2(506)需对采集到的IQ信号进行相位补偿，使得PDH误差信号线性区的斜率最大，如图2所示，IQ信号中载着光路、电路中带来的相位差，使得两路信号并非正映射，因此需要旋转一定相位角Δω，以获得正则化的PDH误差信号；PDH误差信号零点识别(604)是在当前通道周期内获得正则化的PDH误差信号后，需要对其零点位置进行判断，以获取反馈锁定中心点位置；PDH误差信号线性区斜率估算(605)需对线性区的斜率进行估计，以此来整定当前通道的PID参数，即单通道PID参数计算(606)；单通道反馈锁定(607)为获取反馈锁定中心点位置信息以及PID参数整定之后，完成当前通道的反馈锁定，即对压控振荡器(502)的控制，使得当前通道的边带光信号稳频与当前应变传感FBG-FP上；单通道应变传感信号输出(608)为采集反馈控制模块.2(506)对压控震荡器(502)的控制输出，此信号也为应变传感信号的输出。
一种基于时间门控的多通道光纤应变解调方案为将窄线宽光源反馈锁定至温度参考FBG-FP上，实现输出激光的稳频；利用单边带调制器生成边带光信号，由压控振荡器提供边带调制的射频信号，对压控振荡器的时间门控来遍历每个应变传感FBG-FP通道，实现对应通道的反馈稳频，即应变传感信号的监测；在时间门控的多通道反馈控制算法中，每个通道会分配控制周期，在该控制周期内需完成PDH误差信号的处理与锁定；以此实现多通道、高精度及高分辨率的实时应变传感，如图3所示为基于时间门控的多通道光纤应变解调方案的外场实验地震波传感数据，一共十个应变通道，每个应变通道都探测到地震波信号，通道之间的差异由于布设的位置、方向以及各自传感探头的固定程度等因素的不同而导致的。
本发明提供一种基于时间门控的多通道光纤应变解调方案，充分利用PDH解调技术、空分复用技术、电开关控制技术及时间门控算法等，以较低的器件成本实现多通道、高精度以及高分辨率的实时应变传感。本发明提供基于时间门控的多通道光纤应变解调方案相比于之前的码分复用、时分复用方案器件成本低，极大地推进高精细光纤光栅的传感应用。
以上所述的具体实施例仅为本发明的最佳具体实施实例而已，并不是用于限制本发明，凡在本发明的精神的原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。