一种基于双偏振光纤激光传感器的拍频信号单路解调装置制造方法
【专利摘要】本发明属于光学频谱测量以及物理传感领域，涉及一种基于双偏振光纤激光传感器的拍频信号单路解调装置，用于检测微弱信号，由980nm激光器产生的激光通过波分复用器后进入DBR光纤激光传感器，由其产生的调制光信号，返回波分复用器，再经过光隔离器隔离输出；窄线宽激光器输出的能量可调的窄线宽激光信号经过第二偏振控制器能量调整后，与经由第一偏振控制器调整后输出的携带待测微弱信号调制信息的两组正交偏振模式光学信号进入3dB耦合器中，此时两组正交偏振模式光学信号通过调节偏振片方向进行能量分配且互相拍频。本发明具有具有低成本，易解调可复用的优势。
【专利说明】一种基于双偏振光纤激光传感器的拍频信号单路解调装置所属【技术领域】
[0001]本发明属于高分辨率光学频谱测量以及物理传感领域，涉及一种拍频信号单路解调装置。
【背景技术】
[0002]随着传感技术的快速发展，光纤传感技术作为其重要组成部分而得到了大力的推动。光纤传感器具有结构紧凑，易于组网，高信噪比和高灵敏度等优点，尤其是抗电磁干扰的优良特性远远超出了电类传感器。选用光纤传感器主要是通过检测光波信息进行传感解调，从而推测外界参数作用情况，因此光纤传感解调方式的性能已经成为衡量其可行性的重要指标。例如，文献“Static stress optical-f iber sensor”(参见GafsiR, Malki A, Ahdad F, et al.Sensors and Actuators A:Physical, 62 (I):501-505.)说明光纤传感器的传感特性主要是基于光弹材料，偏振技术以及干涉技术。美国专利 US2013/0039613A1 “POSITION SENSOR USING FIBER BRAGG GRATINGS TO MEASUREAXIAL AND ROTATIONAL MOVEMENT”描述了一种采用光纤光栅来测量轴向和旋转运动的位置传感器，这类传感器易于复用，但级联复杂且灵敏度较低，解调设备昂贵。文献“Static FBG strain sensor with high resolution and large dynamicrange by dual-comb spectroscopy.，，(参见 Kuse N, Ozawa A, Kobayashi Y.0pticsexpress, 2013, 21 (9): 11141-11149)描述了一种基于干涉方法具有窄线宽的光纤法布里-珀罗用来增强频谱分辨率。该传感器虽然具有较高的灵敏度，但是其复用能力差，动态范围小，阵列部署成本昂贵且技术复杂。
[0003]以上提及的光纤传感技术方案，大都通过采用数学模型分析或是改良传感器结构的方式完成检测，普 遍具有精度低，结构复杂，能量传输浪费，解调设备成本昂贵以及复用能力差等不足，只能部分实现光纤传感器的优良特性。尤其是针对幅值小或是对光纤结构产生各向同性影响的外界微弱信号，难以检测解调。
【发明内容】
[0004]本发明旨在克服现有技术的上述不足，提供一种对外界微弱信号检测具有较高灵敏度、可以有效地完成外界微弱信号作用引起的拍频信号变化的单路解调测量的拍频信号单路解调装置。本发明可以有效地克服传统的解调方式因外界信号作用导致两组正交偏振模式的光学信号中心波长产生同向移动而距离缩减，拍频信号过小不易检测的缺点。基于已有设备，通过改良解调技术实现对原本不易测量的微弱信号的感知。方法简单，可以避免复杂的数学模型分析和复用解调技术造成的累计误差，能量传输利用率高，具有低成本，易解调可复用的绝对优势。本发明的技术方案如下:
[0005]一种基于双偏振光纤激光传感器的拍频信号单路解调装置，用于检测微弱信号，包括输出激光信号中心波长在1550nm波段附近的DBR光纤激光传感器，波分复用器，980nm激光器，中心波长为1550nm的窄线宽激光器,3dB f禹合器,其中，[0006]由980nm激光器产生的激光通过波分复用器后进入DBR光纤激光传感器，微弱信号作用在DBR光纤激光传感器，使其内部结构发生不定改变，从而改变其内部双折射特性，由DBR光纤激光传感器进行能量转换产生的带有待测微弱信号调制信息的光信号，返回波分复用器，再经过光隔离器隔离输出；窄线宽激光器输出的能量可调的窄线宽激光信号经过第二偏振控制器能量调整后，与经由第一偏振控制器调整后输出的携带待测微弱信号调制信息的两组正交偏振模式光学信号进入3dB I禹合器中，此时经由窄线宽激光器输出的中心波长为1550nm的窄线宽激光信号与携带被测信息的两组正交偏振模式光学信号，通过调节偏振片方向进行能量分配且互相拍频，从偏振片输出的光路中包含3组光学拍频信号。
[0007]本发明的有益效果是:
[0008]现有的光纤双偏振激光传感器解调方式中，大体上都是基于光纤结构受外界信号作用产生内部双折射变化，主要表现为单纵模光纤内具有不同偏振模式的两组光学信号各自中心波长在光学频域的位置，进而造成拍频发生变化。对应各异的外界微弱信号作用，光纤传感器结构可能会产生各向异性或是各向同性的变化，各向异性造成双频光学信号内的两组光学信号波长彼此远离产生易于检测的拍频信号。而当光纤结构产生各向同性变化时，两组光学波长同向移动且变化幅值相近时产生的拍频信号因无法达到光学频谱分析仪的最小分辨率需求难以检测，从而降低解调精度，外界的信息变化往往被人们忽略。本发明选用发展成熟且性能稳定的直腔光纤作为传感元件，确保光纤传感器的单纵模稳定输出。其单纵模内部仅存的两组正交偏振模式受到微弱信号作用后产生波长变化，引入具有已知波长且能量可调的窄线宽激光信号耦合到光纤传感器的输出光路中，三组光学信号两两作用拍频，一路光学信号内含有三组光学拍频信号，送入后续光电转换器件产生一路电信号。有鉴于此，一路电信号内具有三组不同频率及能量的电信号，解调设备只需使用一台光电转换器以及一台频谱分析仪即可实现对待测外界微弱信号的识别，尤其是对光纤内部双折射造成细微变化影响以及对光纤结构造成各向同性变化影响的微弱信号高灵敏度识别。具有结构简单，集成度高以及能量利用率高的特性，易于复用，尤其针对外界微弱信号(如温度，轴向应力，45度侧压力等)检测具有的闻灵敏度，超过现有的其他解调技术。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]附图1:基于双偏振激光传感器的拍频信号单路解调测量装置系统框图。
[0010]附图2:微弱信号作用下的拍频信号单路解调测量方案频谱输出(选用的窄线宽激光器中心频率与X，Y偏振光学信号频率大小比较对频谱输出的影响)(a)
Vx< Vy< Vref(b) V χ< V ref< V y.【具体实施方式】
[0011]下面结合附图实例对本发明做进一步说明。
[0012]附图1为基于双偏振激光传感器拍频信号单路解调测量装置系统框图。其中选用980nm光源作为泵浦光源提供激励，当微弱信号作用于DBR(Distributed BraggReflector,分布布拉格反射式，下同)光纤激光传感器后，光纤激光传感器结构产生不定变化引起内部双折射发生改变，DBR光纤激光传感器受到外界信号作用后，经过波分复用器(980/1550nm)输出的1550nm激光携带被测微弱信号信息，通过引入窄线宽激光信号与两组具有不同中心波长的正交偏振模式光学信号之间进行拍频，共产生三组光学拍频信号。通过对光学拍频信号转换为电信号后的输出结果分析，还原微弱信号作用后对光纤传感器两组正交偏振模式的影响，实现对微弱信号作用情况的检测。
[0013]附图2为微弱信号作用下的拍频信号单路解调测量方案频谱输出。选取固定中心频率窄线宽激光器后，比较与在不同微弱信号作用下产生的X，Y偏振光学信号频率大小，对三组射频领域的拍频信号输出影响。
[0014]本发明中提及的光纤传感解调系统主要是基于DBR光纤激光传感器为核心的偏振外差传感器。
[0015]在微弱信号(如温度，轴向应力，45度侧压力等)作用在DBR光纤激光传感器的前提下，DBR光纤激光传感器内部结构发生不定改变引起内部双折射发生改变。980nm泵浦光源通过波分复用器(980/1550nm)后进入DBR光纤激光传感器的左端口。DBR光纤激光传感器内的一对光纤光栅完成能量转换将980nm激光进行泵浦产生1550nm附近波段且具有待测微弱信号调制信息的激光信号，并且以两组正交偏振模式光学信号形态输出，从DBR光纤激光传感器的左侧端口输出返回波分复用器的右端口后通过光隔离器，光隔离器只允许激光单向通过，具有良好的隔离效果。窄线宽激光器输出能量可调且具有固定中心波长的窄线宽激光信号通过偏振控制器2对其进行能量调整，与经由偏振控制器I中调整后输出的携带被测量信息的两组正交偏振模式光学信号能量匹配后，进入3dB耦合器中。窄线宽激光器输出的窄线宽激光信号，与携带微弱信号被测信息的两组正交偏振模式光学信号，三组信号在光学频域内两两拍频(调节偏振片的方向避免三组能量差异过大，在测量终端产生射频领域易于区分的拍频信号)。从偏振片输出的光路中包含3组光学拍频信号，经由光电转换器完成光电转换，送到频谱分析仪进行电学频率显示，分析电学输出结果，可以求解在微弱信号作用情况下，两组正交偏振模式分别与无微弱信号作用情况下的移动的方向和幅度信息，从而确定微弱信号的具体信息。
[0016]由光电转换器完成光电转换输出的一路电信号包含三组频率及能量的电信号。DBR光纤激光传感器内的两组正交偏振模式对应的光学信号分别假定为X偏振模式光学信号和Y偏振模式光学信号。如图2所示，在频谱分析仪的射频频域中结果显示分别为X偏振模式光学信号与Y偏振模式光学信号射频拍频输出(I号线)，X偏振模式光学信号与窄线宽激光信号射频拍频输出(2号线)，以及Y偏振模式光学信号与窄线宽激光信号射频拍频输出(3号线)。
【权利要求】
1.一种基于双偏振光纤激光传感器的拍频信号单路解调装置，用于检测微弱信号，包括输出激光信号中心波长在1550nm波段附近的DBR光纤激光传感器，波分复用器，980nm激光器，中心波长为1550nm的窄线宽激光器，3dB I禹合器,其中， 由980nm激光器产生的激光通过波分复用器后进入DBR光纤激光传感器，微弱信号作用在DBR光纤激光传感器，使其内部结构发生不定改变，从而改变其内部双折射特性，由DBR光纤激光传感器进行能量转换产生的带有待测微弱信号调制信息的光信号，返回波分复用器，再经过光隔离器隔离输出。窄线宽激光器输出的能量可调的窄线宽激光信号经过第二偏振控制器能量调整后，与经由第一偏振控制器调整后输出的携带待测微弱信号调制信息的两组正交偏振模式光学信号进入3dB I禹合器中，此时经由窄线宽激光器输出的中心波长为1550nm的窄线宽激光信号与携带被测信息的两组正交偏振模式光学信号，通过调节偏振片方向进行能量分配且互相拍频，从偏振片输出的光路中包含3组光学拍频信号。
【文档编号】G01D5/26GK103983285SQ201410195366
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月9日 优先权日:2014年5月9日
【发明者】吕辰刚, 高靖宜, 王晗 申请人:天津大学