消除偏振態(tài)影響的高精度光纖光柵傳感解調(diào)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種消除偏振態(tài)影響的高精度光纖光柵傳感解調(diào)方法，包括下列步驟：求取光纖光柵反射譜S1的兩個偏振峰之間間隔的距離a；求取光纖光柵反射譜S2的兩個偏振峰之間間隔的距離b；分別求取兩路光纖光柵反射譜S1、S2的第K個測量周期和第K+1個測量周期的波長差λ1、λ2；利用得到的波長差λ1、λ2來確定波長差λ2相對于波長差λ1的變化量Δλ，再根據(jù)變化量Δλ與偏振態(tài)的間隔距離a、b的關(guān)系，來確定波長差λ2是否需要修正，若需要修正，則利用相應(yīng)的修正公式進(jìn)行修正，最后輸出修正后的波長差R。本發(fā)明的高精度光纖光柵傳感解調(diào)方法，能夠有效地解決單模光纖中偏振態(tài)不穩(wěn)定造成解調(diào)結(jié)果出錯的問題。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光纖傳感【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種消除偏振態(tài)影響的高精度光纖光柵 傳感解調(diào)方法。 消除偏振態(tài)影響的高精度光纖光柵傳感解調(diào)方法

【背景技術(shù)】
[0002] 光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代伴隨光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的。光 纖的工作頻帶寬，動態(tài)范圍大，適合遙測遙控，是一種優(yōu)良的低損耗傳輸線。在一定條件下， 也是一種優(yōu)良的敏感元件。鑒于此，各種類型的光纖傳感器孕育而生，并且在各個領(lǐng)域得到 了廣泛的應(yīng)用。
[0003] 目前利用光纖光柵傳感器檢測地殼形變是一種很有前途的檢測技術(shù)。被觀測 的地殼應(yīng)變量是準(zhǔn)靜態(tài)的，屬于準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變量測量的范圍，為了獲得這種靜態(tài)應(yīng)變量的 測量，人們提出了利用參考光纖光柵的方法消除環(huán)境溫度和噪聲的影響，即在靜態(tài)應(yīng)變 傳感測量系統(tǒng)中設(shè)置一個不受應(yīng)變作用的光纖光柵對環(huán)境溫度和噪聲進(jìn)行補(bǔ)償，同時通 過解調(diào)算法計(jì)算參考和應(yīng)變光纖光柵傳感器的中心波長差來得到應(yīng)變信息。如日本東京 大學(xué)提出的基于窄線寬激光器和光纖光柵的超高分辨率靜態(tài)應(yīng)變測量方案（Q. W. Liu. An ultra-high-resolution FBG static-strain sensor for geophysis applications. Proc. of SPIE，Vol. 7653,76530W，2010)。為了進(jìn)一步提高這個技術(shù)方案的應(yīng)變測量分辨率，要 求光纖光柵具有更窄的帶寬。為此，日本東京大學(xué)又提出了多種技術(shù)方案，采用光纖光柵 法-珀干涉儀（比光纖光柵具有更窄的帶寬）來實(shí)現(xiàn)更高精度的靜態(tài)應(yīng)變測量（Q. W. Liu. Ultra-high-resolution large-dynamic-range optical fiber static strain sensor using Pound-Drever-Hall technique. Optics letters，36 (20) ,4044-4046, 2011)。與此同時，劉 慶文在其專利號為CN 202853879U、CN 203100689U、CN 102818695A等專利中，也提出了利用 一個參考的光纖環(huán)形腔和一個傳感光纖光柵的方案來檢測應(yīng)變，該方案也具有較大的應(yīng)變 測量動態(tài)范圍和較高的應(yīng)變測量分辨率。
[0004] 但是，以上這種基于光纖光柵法-珀干涉儀和/或光纖環(huán)行腔的高精度靜態(tài)應(yīng)變 測量技術(shù)方案，都存在一個關(guān)鍵的技術(shù)問題：偏振態(tài)的不穩(wěn)定會讓系統(tǒng)解調(diào)結(jié)果出錯。因?yàn)?單模光纖存在兩個正交的偏振態(tài)，每個偏振態(tài)對應(yīng)于一個反射峰；實(shí)際傳感解調(diào)過程中，我 們只用到其中一個反射峰，即只需要其中一個偏振模式；而兩個偏振態(tài)在外界環(huán)境擾動下 的此長彼消，會讓解決結(jié)果出錯。因此，上述方案，都通過外接一個偏振控制器來控制這兩 個偏振態(tài)，通過消除其中一個偏振態(tài)來保證最終解調(diào)結(jié)果不受影響；而實(shí)際中，偏振態(tài)在外 界環(huán)境的擾動下會不斷發(fā)生變化。偏振控制器可以在短期保證想要的偏振輸出狀態(tài)，但是 長時間后整個解調(diào)系統(tǒng)還是會因?yàn)槠駪B(tài)的不穩(wěn)定出錯。雖然，商用的偏振分析儀可以輸 出穩(wěn)定的偏振模式，但是這種儀器太昂貴。因此，我們需要研究一種解決方法，來解決這種 基于光纖光柵法-珀干涉儀和/或光纖環(huán)行腔的高精度靜態(tài)應(yīng)變解調(diào)系統(tǒng)中偏振態(tài)不穩(wěn)定 對解調(diào)結(jié)果產(chǎn)生影響的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明的主要目的是提供一種消除偏振態(tài)影響的高精度光纖光柵傳感 解調(diào)方法，并重點(diǎn)解決單模光纖光柵、光纖光柵法-拍干涉儀或相移光纖光柵偏振態(tài)的不 穩(wěn)定造成解調(diào)結(jié)果出錯的問題。
[0006] 本發(fā)明的消除偏振態(tài)影響的高精度光纖光柵傳感解調(diào)方法，包括下列步驟：
[0007] 求取光纖光柵反射譜Si的兩個偏振峰之間間隔的距離a ;
[0008] 求取光纖光柵反射譜S2的兩個偏振峰之間間隔的距離b ;
[0009] 分別求取兩路光纖光柵反射譜Sp S2的第K個測量周期和第K+1個測量周期的波 長差λ i、λ 2 ;
[0010] 利用得到的波長差λ i、λ 2來確定波長差λ 2相對于波長差λ i的變化量Λ λ，再 根據(jù)變化量Λ λ與偏振態(tài)的間隔距離a、b的關(guān)系，來確定波長差λ 2是否需要修正，若需 要修正，則利用修正公式進(jìn)行修正，最后輸出修正后的波長差R。
[0011] 其中：
[0012] 如果b_c < Λ λ < b+c， 則修正公式為R = λ 2+b ;
[0013] 如果-a_c < Δ λ <-a+c,則修正公式為 R = λ 2_a ;
[0014] 如果-a+b_c < Δ λ < -a+b+c,則修正公式為 R = λ 2+b_a ;
[0015] 其中，c為Λ λ的閾值范圍，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)先設(shè)定。
[0016] 其中，可調(diào)諧激光器具有窄線寬和大可調(diào)諧范圍，光纖光柵也具有窄帶寬。
[0017] 其中，所述光纖光柵反射譜Sp S2通過光纖光柵法拍式干涉儀或相移光纖光柵獲 得。
[0018] 其中，所述的光纖光柵反射譜Si、S2對應(yīng)的兩個光纖光柵處于溫度相對恒定、噪聲 小的環(huán)境中。
[0019] 其中，對于光纖光柵反射譜Si的兩個偏振峰之間間隔的距離a、光纖光柵反射譜& 的兩個偏振峰之間間隔的距離b和兩路光纖光柵反射譜Sp S2的第K個測量周期和第K+1 個測量周期的波長差λρ λ 2，求取其數(shù)值的先后順序不予限定。
[0020] 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明的消除偏振態(tài)影響的高精度光纖光柵傳感解調(diào) 方法，能夠通過修正公式的修正，有效地解決單模光纖中偏振態(tài)不穩(wěn)定造成解調(diào)結(jié)果出錯 的問題，得到高精度的解調(diào)結(jié)果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1為本發(fā)明的一種消除偏振態(tài)影響的高精度光纖光柵傳感解調(diào)方法的流程圖；
[0022] 圖2為本發(fā)明的兩路光纖光柵反射譜的實(shí)測圖（每一路都含有兩個偏振峰）；
[0023] 圖3為本發(fā)明的第一種光纖光柵反射譜及消除偏振態(tài)變化的解調(diào)方法的示意圖；
[0024] 圖4為本發(fā)明的第二種光纖光柵反射譜及消除偏振態(tài)變化的解調(diào)方法的示意圖；
[0025] 圖5為本發(fā)明的第三種光纖光柵反射譜及消除偏振態(tài)變化的解調(diào)方法的示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0026] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0027] 本發(fā)明提供一種消除偏振態(tài)影響的高精度光纖光柵低頻應(yīng)變的傳感解調(diào)算法的 基本原理如下：
[0028] 假設(shè)參考和傳感光纖傳感器（以光纖光柵法-珀傳感器為例）的反射譜分別為 X (t)、y (t)，并且每個反射譜有兩個偏振峰。參考光纖傳感器反射譜Si的兩個偏振峰之間 的距離為a，傳感光纖傳感器反射譜S2的兩個偏振峰之間的距離為b，并且在整個檢測過程 中a、b的值是定值。
[0029] 首先根據(jù)通常的算法（以尋峰檢測算法為例）計(jì)算出第K個測量周期的兩路光纖 光柵反射譜Sp S2的波長差，此波長差即為是參考光纖光柵反射譜Si的最大峰值位置和傳 感光纖光柵反射譜S2的最大峰值位置的差值，記作λ lt)
[0030] 接著計(jì)算出第Κ+l個測量周期的兩路光纖光柵反射譜波長差，此波長差即 為是參考光纖光柵反射譜Si的最大峰值位置和傳感光纖光柵反射譜S 2的最大峰值位置的 差值，記作λ 2。此時，由于偏振態(tài)的變化會導(dǎo)致最大峰值的位置從一個偏振峰變到另一個 偏振峰的位置上，因此λ 2是否能正確的反映外界的應(yīng)變量的大小不可知，因此需要一個判 斷標(biāo)準(zhǔn)，并作出相應(yīng)的修正或不予以修正。
[0031] 根據(jù)所得到的波長差λ ρ λ 2，求解出相鄰兩個測量周期的波長差的變化量Λ λ， 則
[0032] Δ λ = λ「λ 2 (1)
[0033] 如果在偏振態(tài)沒有變化的情況下，最終得到的解調(diào)結(jié)果不需要修正就可以正確的 反映出外界應(yīng)變量的大小，由于是檢測的靜態(tài)的地殼形變量，此時的△ λ值很?。ㄅca、b、 a-b |和a+b相比是很小的）。然后根據(jù)該特性和所得到的兩個偏振態(tài)的間距a、b來判斷 Λ λ跟a和b之間的關(guān)系，從而可以得知第K+1個測量周期的波長差是否需要修正，若需要 修正根據(jù)相應(yīng)的修正公式來進(jìn)行修正，最后輸出正確的解調(diào)結(jié)果。進(jìn)而可推導(dǎo)出光纖光柵 收到的外界的應(yīng)變量的大小。
[0034] 下面通過結(jié)合附圖，對本發(fā)明的最佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述，本發(fā)明的其他方面的 優(yōu)點(diǎn)將會更容易理解和清晰。
[0035] 如圖1所示，該高精度光纖光柵低頻應(yīng)變傳感解調(diào)方法包括：
[0036] 求取光纖光柵反射譜Si的兩個偏振態(tài)之間間隔的距離a。在整個檢測過程中只需 測量一次a的值即可，因?yàn)橐话闱闆r下可以認(rèn)為a的值為定值。
[0037] 求取光纖光柵反射譜S2的兩個偏振態(tài)之間間隔的距離b。在整個檢測過程中只需 測量一次b的值即可，因?yàn)橐话闱闆r下可以認(rèn)為b的值為定值。
[0038] 求取光纖光柵反射譜Sp S2的第K個測量周期的波長差λ i和第K+1個測量周期 的波長差λ 2。首先利用尋峰算法（可以是高斯擬合尋峰、二次擬合、數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方法）分 別獲得兩路光纖光柵反射譜Sp S2的第Κ次測量周期的最大峰值位置Ρρ Ρ2，兩路光纖光柵 反射譜Sp S2的第Κ+1次測量周期的最大峰值位置Ρ3、Ρ4，然后根據(jù)最大峰值位置Ρρ Ρ2求 得兩路光纖光柵反射譜Sp S2的第Κ次測量周期的波長差λ i，根據(jù)最大峰值位置Ρ3、Ρ4求 得兩路光纖光柵反射譜Sp S2的第Κ+1個測量周期的波長差λ 2。
[0039] 修正兩路光纖光柵反射譜SpS2的第Κ+1次測量周期的波長差λ 2。首先利用得到 的波長差λ ρ λ 2來確定波長差λ 2相對于波長差λ 1的變化量Δ λ。如果在偏振態(tài)沒有 變化的情況下，最終得到的解調(diào)結(jié)果不需要修正就可以正確的反映出外界應(yīng)變量的大小， 另外由于是檢測的靜態(tài)的地殼形變量，此時的Λ λ的值很?。ㄅca、b、|a-b|和a+b相比 是很小的）。這里設(shè)置一個Λ λ的閾值范圍：[-c，c]，例如[-0.001，0.001]。然后根據(jù)該 特性和所得到的兩個偏振態(tài)的間距a、b來判斷Λ λ跟a和b之間的關(guān)系，從而可以得知第 K+1個測量周期的波長差是否需要修正，若需要修正根據(jù)相應(yīng)的修正公式來進(jìn)行修正，最后 輸出正確的解調(diào)結(jié)果。進(jìn)而可推導(dǎo)出光纖光柵收到的外界的應(yīng)變量的大小。
[0040] 其中，參考光纖光柵反射譜Si和傳感光纖光柵反射譜s2，是通過窄線寬可調(diào)諧激 光器掃描獲得的，且每個反射譜存在兩個偏振峰，這兩個偏振峰的間距是固定不變的。這里 要求可調(diào)諧激光器具有窄線寬和大可調(diào)諧范圍，例如線寬小于1kHz、可調(diào)諧范圍大于4pm ; 為了提高應(yīng)變測量精度，光纖光柵應(yīng)該也具有窄帶寬，例如線寬小于2MHz。
[0041] 在本發(fā)明中，所述光纖光柵反射譜31、&，可以通過光纖光柵法-珀式干涉儀、相移 光纖光柵獲得，還可以通過其他干涉式光纖傳感器獲得；這兩個光纖光柵反射譜，一個作為 參考、一個作為傳感。
[0042] 在本發(fā)明中，所述的光纖光柵反射譜Sp S2對應(yīng)的兩個光纖光柵，應(yīng)該處于溫度相 對恒定、噪聲小的環(huán)境中，比如山洞、不銹鋼密封管內(nèi)，以保證解調(diào)結(jié)果的正確性。
[0043] 參照圖1，該高精度光纖光柵低頻應(yīng)變的傳感解調(diào)方法的工作原理為：首先確定 光纖光柵反射譜Si的兩個偏振態(tài)之間間隔的距離a和光纖光柵反射譜S2的兩個偏振態(tài)之 間間隔的距離b，由于在整個系統(tǒng)工作的過程中，a和b的值是固定不變或者變化量相對于 所要檢測的應(yīng)變量來說是極其微小、可以忽略不計(jì)的，因此a和b的值只需在整個算法中計(jì) 算一次即可，且計(jì)算兩者不分先后順序，先計(jì)算任意一個均可。然后計(jì)算光纖光柵反射譜 Sp S2的第K個測量周期的波長差λ i和第K+1個測量周期的波長差λ 2。首先利用尋峰算 法，例如可以是高斯擬合尋峰、二次擬合、數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方法，分別獲得兩路光纖光柵反射譜 SpS 2的第Κ次測量周期的最大峰值位置ΡρΡ2，兩路光纖光柵反射譜SpS2的第Κ+1次測量 周期的最大峰值位置P 3、P4，然后根據(jù)最大峰值位置Pi、P2求得兩路光纖光柵反射譜Si、S 2的 第K次測量周期的波長差λ i，根據(jù)最大峰值位置p3、p4求得兩路光纖光柵反射譜Si、S2的 第K+1個測量周期的波長差λ 2。接著求得波長差λ 2相對于波長差λ i的變化量△ λ，最 后根據(jù)Λ λ的取值范圍確定波長差λ 2是否需要修正，若需要修正則根據(jù)相應(yīng)的修正公式 進(jìn)行修正，最終輸出正確的解調(diào)結(jié)果R。
[0044] 參照圖2,為了更清楚解釋一種消除偏振態(tài)影響的高精度光纖光柵低頻應(yīng)變的傳 感解調(diào)方法，本發(fā)明提供了兩路光纖光柵反射譜的實(shí)測圖，圖中顯示了在一個測量周期內(nèi) 的兩路光纖光柵反射譜的偏振峰的位置和狀態(tài)。
[0045] 參照圖3,本發(fā)明提供了第一種反射譜偏振態(tài)變換及解調(diào)結(jié)果修正示意圖。從圖中 可以看出，第Κ個和第Κ+1個測量周期的a和b是固定不變的，以第Κ個測量周期的波長差 為參考，在第K+1個測量周期時，所得到的波長差為λ 2，在圖中通過與第K個測量周期 得到的Ai相比較，得到的波長差λ2顯然是不正確，正確的結(jié)果因?yàn)閳D中所標(biāo)出的R。且R 與有微小的差別，這個微小的差別是有外界應(yīng)變的變化量引起的。此時b_c< Λ λ < b+c，因此得到此時的修正公式為R = λ 2+b。此結(jié)果R便為修正后的正確的解調(diào)結(jié)果。
[0046] 參照圖4,本發(fā)明提供了第二種反射譜偏振態(tài)變換及解調(diào)結(jié)果修正示意圖。從圖中 可以看出，第K個和第K+1個測量周期的a和b是固定不變的，以第K個測量周期的波長差 為參考，在第K+1個測量周期時，所得到的波長差為λ 2，在圖中通過與第K個測量周期 得到的Ai相比較，得到的波長差λ2顯然是不正確，正確的結(jié)果應(yīng)為圖中所標(biāo)出的R。且R 與λ 有微小的差別，這個微小的差別是由外界應(yīng)變的變化量引起的。此時-a_c< Λ λ < -a+c，因此得到此時的修正公式為R = λ 2-a。此結(jié)果R便為修正后的正確的解調(diào)結(jié)果。
[0047] 參照圖5,本發(fā)明提供了第三種反射譜偏振態(tài)變換及解調(diào)結(jié)果修正示意圖。從圖 中可以看出，第K個和第K+1個測量周期的a和b是固定不變的，以第K個測量周期的波 長差為Ai參考，在第K+1個測量周期時，所得到的波長差為λ2，在圖中通過與第K個測量 周期得到的λ i相比較，得到的波長差λ 2顯然是不正確，正確的結(jié)果因?yàn)閳D中所標(biāo)出的R。 且R與λ 有微小的差別，這個微小的差別是有外界應(yīng)變的變化量引起的。此時-a+b-c < Λλ <-a+b+c，因此得到此時的修正公式為R= A2+b-a。此結(jié)果R便為修正后的正確 的解調(diào)結(jié)果。
[0048] 通過上述對本發(fā)明技術(shù)方案的具體描述可以發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的技術(shù)方案可以有效地 解決單模光纖中偏振態(tài)不穩(wěn)定造成解調(diào)結(jié)果出錯的問題，得到高精度的解調(diào)結(jié)果。
[〇〇49] 以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在 本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù) 范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種消除偏振態(tài)影響的高精度光纖光柵傳感解調(diào)方法，包括下列步驟： 求取光纖光柵反射譜Si的兩個偏振峰之間間隔的距離a ; 求取光纖光柵反射譜S2的兩個偏振峰之間間隔的距離b ; 分別求取兩路光纖光柵反射譜Sp S2的第K個測量周期和第K+1個測量周期的波長差 λ 1、 λ 2 ; 利用得到的波長差λ ρ λ 2來確定波長差λ 2相對于波長差λ i的變化量Λ λ，再根據(jù) 變化量Λ λ與偏振態(tài)的間隔距離a、b的關(guān)系，來確定波長差λ 2是否需要修正，若需要修 正，則利用修正公式進(jìn)行修正，最后輸出修正后的波長差R。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度光纖光柵傳感解調(diào)方法，其中： 如果b-c < Λ λ < b+c， 則修正公式為R = λ 2+b ; 如果-a_c < Δ λ < -a+c,則修正公式為R = λ 2_a ; 如果-a+b_c < Δ λ < -a+b+c,則修正公式為 R = λ 2+b_a ; 其中，c為Λ λ的閾值范圍，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)先設(shè)定。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度光纖光柵傳感解調(diào)方法，其中可調(diào)諧激光器具有窄線 寬和大可調(diào)諧范圍，光纖光柵也具有窄線寬。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度光纖光柵傳感解調(diào)方法，其中所述光纖光柵反射譜 Sp s2通過光纖光柵法拍式干涉儀或相移光纖光柵獲得。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度光纖光柵傳感解調(diào)方法，其中所述的光纖光柵反射譜 Sp s2對應(yīng)的兩個光纖光柵處于溫度相對恒定、噪聲小的環(huán)境中。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度光纖光柵傳感解調(diào)方法，其中對于光纖光柵反射譜Si 的兩個偏振峰之間間隔的距離a、光纖光柵反射譜S 2的兩個偏振峰之間間隔的距離b和兩 路光纖光柵反射譜Sp S2的第K個測量周期和第K+1個測量周期的波長差λ ρ λ 2，求取其 數(shù)值的先后順序均不予限定。
【文檔編號】G01B11/16GK104061874SQ201410324658
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月9日
【發(fā)明者】黃穩(wěn)柱, 張文濤, 甄騰坤, 李芳
申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所