一种波长循环调谐补偿干涉型传感器工作点漂移的方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光纤传感技术领域，是一种利用有限带宽的波长可调谐激光器实现双 光束干涉型传感器静态工作点稳定的方法及系统。该方法通过循环波长调谐实时跟踪补偿 传感器静态工作点实现传感器的长期稳定运行。该方法特别涉及到基于干涉-强度调制的 低细度F-P传感器的工作点补偿，利用传感器反馈信号控制可调谐激光器波长进而大范围 跟踪静态工作点，能够实现对振动或声波信号的高灵敏度测量。本发明适用于利用光纤传 感技术检测复杂环境的振动和声波。
【背景技术】
[0002] 双光束干涉型光纤传感器对比电容式或者压电式的电子传感器，在声波与振动测 量方面具有结构简单、灵敏度高、抗电磁干扰、体积小、安全、可形成光纤传感网络等诸多优 点。因而在声波感测，地震监测，建筑结构健康监测，大型变压器局部放电监测等方面有 着重要的应用。但是，限制此种调制方式的光纤干涉型传感器实际应用的最大障碍是环 境因素变化下的传感器工作点漂移问题。对于双光束干涉调制型的传感器，其干涉谱为 余弦函数（低细度的F-P传感器近似为双光束干涉），我们通常利用余弦曲线中线性度最 好的一段作为相位-强度转换曲线。在对声波一类的交流信号检测时静态工作点一般设 置在曲线斜率最大的1/4JT相位点（Q点），（见Dae-Hyun Kim，Bon-Yong Koo，Chun-Gon Kim，Damage detection of composite structuresusing a stabilized extrinsic Fabry - Perotinterferometric sensor system，SamrtMater. Struct. 13 (2004)593-598)〇 在Q点附近，小信号的响应是线性的，而且响应的灵敏度最大。但如果工作点因外界因素偏 离Q点，传感器的灵敏度就会降低并出现非线性响应。
[0003] 针对双光束干涉型传感器工作点漂移问题前期论文中已提出了多种解决方案。文 献I[J. F. Dorighi, S. Krishnaswamy, J. D. Achenbach, Stabilization of an embeddedfiber optic Fabry - Perot sensor for ultrasound detection, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 37(1995)820 - 824]报道了使用外腔激光器通过调谐输出激 光的波长对工作点漂移进行补偿。这种方法虽然能够在一定漂移量范围内控制工作点， 但是这种大光谱范围外腔调谐式激光器的体积大，机械调谐机构结构复杂，价格昂贵，不 适合作为一种简单的光纤传感器的光源。文献2 [Bing. Yu, Anbo. Wang, Grating-assisted demodulation of interferometric optical sensors,Appl. Opt. 42(2003)6824 - 6829] 采用补偿工作点漂移的原理基本相同，都是采用宽谱光源+波长选择器件的方案，文献[2] 的缺点是光路中也采用了光栅机械调节机构，使得整个调制解调系统体积大，结构复杂，且 激光输出耦合到光栅，经光栅衍射分光后再耦合回光纤将引入较大的插入损耗。由于采 用宽谱自发辐射光源，经窄带滤波后的光强弱，会直接影响系统的检测灵敏度。专利号为 ZL200710046651的"自动调谐F-P光纤传感器"中，使用具有温控系统的分布反馈式激光器 (简称DFB)，通过反馈控制温控系统使激光器可以改变输出波长，从而补偿工作点漂移，这 种方法的一个缺点是温度调谐DFB输出波长的响应速率较慢，另外，DFB激光器的光谱可调 谐范围通常很窄，该方法在很窄的调谐或选频带宽内跟踪调谐，一旦环境因素所造成的工 作点漂移超出了波长调谐补偿范围，则工作点跟踪补偿方案就会失效。
【发明内容】
[0004] 本发明为了解决双光束干涉型光纤传感器工作点漂移问题，提出了基于电流循环 调谐DFB激光器的工作波长来补偿工作点漂移的方法。此方法可以实现在工作点在较大范 围漂移情况下，对Q点的连续实时跟踪，并且依据此方案所设计的传感系统结构简单、造价 低廉、灵敏度高。
[0005] 本发明设计的主要依据包括：
[0006] 在光纤干涉型传感器中，传感光与参考光的相位差可以表示为φ=2π OPD/λ， 式中，λ是激光光源的中心波长，（PD表示光程差。从式子中可以看出当环境参数变化引 起(PD改变时，可以通过调节λ来补偿(PD的变化，保持相位差恒定。这个过程可以用公 式表示为：
[00071
【主权项】
1. 一种波长循环调谐补偿干涉型传感器工作点漂移的方法及系统，其特征在于，利用 可调谐激光器作光源，使用激光波长循环调谐方法实现双光束干涉型光纤传感器的工作点 漂移补偿方法；本方法所用系统包括可调谐激光器、环形器、双光束干涉型光纤传感器、探 测器模块、信号采集与控制电路、可调谐激光器驱动电路和计算机系统；可调谐激光器经光 纤与环形器的第一端口相连；环形器的第二端口经单模光纤与双光束干涉型光纤传感器连 接；环形器的第三端口与探测器模块连接，探测器模块包含同相前置放大器和反相前置放 大器；探测器模块接信号采集与控制电路；信号采集与控制电路将采集到的信息传输到计 算机系统；计算机系统向信号采集与控制电路发出指令；信号采集与控制电路采集探测器 模块的信号，控制可调谐激光器驱动电路与探测器模块中的同相前置放大器和反相前置放 大器的切换；可调谐激光器驱动电路接收信号采集与控制电路产生的控制信号驱动可调谐 激光器；具体步骤如下： 首先扫描可调谐激光器输出光谱，对得到的余弦干涉信号曲线求导，确定导数值最大 的波长位置和该波长下的可调谐激光器驱动电流值，最大的波长位置即为Q点波长；然后 记录该驱动电流下的干涉信号的直流量平均值，将该直流量平均值设为参考值；双光束干 涉型光纤传感器实时获取信号的直流量，将直流量与参考值做比较，当出现偏差时，说明工 作点发生了漂移，此时通过比例-积分-微分算法调节可调谐激光器的注入电流，通过微调 激光波长跟踪锁定Q点；当输出波长调谐到最大值或最小值时，为了锁定工作点继续增大 波长或减小波长，系统会自动将输出波长跳变回最小值或最大值进行下一个循环的Q点锁 定；当波长从最大值到最小值或从最小值到最大值跳变时，信号采集与控制电路发出信号 给探测器模块的前置放大器，使前置放大器中工作的同相放大器与反相放大器切换，克服 了跳变后信号相位发生反相的现象。
2. 根据权利要求1所述的方法及系统，其特征在于，所述的可调谐激光器是电流调谐 分布反馈式半导体激光器，波长调谐在〇. 5nm以上。
3. 根据权利要求1或2所述的方法及系统，其特征在于，所述的双光束干涉型光纤传感 器的初始光程差彡2. 4_。
4. 根据权利要求1或2所述的方法及系统，其特征在于，采用自带光强监控功能的可调 谐激光器或者在可调谐激光器连接环形器前先连接光纤耦合器用以监控输出可调谐激光 器的光强。
5. 根据权利要求3所述的方法及系统，其特征在于，采用自带光强监控功能的可调谐 激光器或者在可调谐激光器连接环形器前先连接光纤耦合器用以监控输出可调谐激光器 的光强。
6. 根据权利要求1、2或5所述的方法及系统，其特征在于，在可调谐激光器与环形器之 间设置有隔离器。
7. 根据权利要求3所述的方法及系统，其特征在于，在可调谐激光器与环形器之间设 置有隔离器。
8. 根据权利要求4所述的方法及系统，其特征在于，在可调谐激光器与环形器之间设 置有隔离器。
9. 根据权利要求1、2、5、7或8所述的方法及系统，其特征在于，所述的环形器分光比为 50 :50的親合器代替。
10.根据权利要求6所述的方法及系统，其特征在于，所述的环形器分光比为50 :50的 耦合器代替。
【专利摘要】本发明提供了一种波长循环调谐补偿干涉型传感器工作点漂移的方法，属于光纤传感技术领域。其特征是利用有限带宽的波长可调谐激光器实现双光束干涉型传感器静态工作点稳定。该方法利用传感器反馈信号控制激光器循环调谐波长，进而实时跟踪补偿传感器静态工作点，实现传感器的长期稳定运行。本发明的效果和益处是采用分布反馈式半导体激光器作为光源，利用循环调谐补偿方法克服干涉型传感器工作点漂移问题，既解决了传感器在恶劣环境中工作点大范围漂移的补偿问题，对比其他方法又降低了系统的成本。本发明适用于利用光纤传感技术检测复杂环境的振动和声波。
【IPC分类】G01D18-00
【公开号】CN104764476
【申请号】CN201510158109
【发明人】毛雪峰, 周新磊, 于清旭
【申请人】大连理工大学
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年4月3日