基于光電振蕩器的振動(dòng)信息獲取方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于光電振蕩器的振動(dòng)信息獲取方法，包括如下步驟：在光電振蕩器中將光源產(chǎn)生的光載波通過單邊帶調(diào)制獲得調(diào)制光信號(hào)；利用光電振蕩器的儲(chǔ)能光纖拾取來自振動(dòng)體的振動(dòng)信息，并加載至所述調(diào)制光信號(hào)得到載有振動(dòng)信息的光信號(hào)；將載有振動(dòng)信息的光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和振蕩，得到振蕩信號(hào)；將振蕩信號(hào)進(jìn)行處理和采集后進(jìn)行數(shù)字解調(diào)，得到所述振動(dòng)信息。本發(fā)明利用光電振蕩器的長(zhǎng)儲(chǔ)能光纖作為傳感光纖，可以提高傳感器的靈敏度，并且不受激光器光強(qiáng)波動(dòng)的影響，可實(shí)現(xiàn)高靈敏度的振動(dòng)信號(hào)測(cè)量。
【專利說明】基于光電振蕩器的振動(dòng)信息獲取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖傳感與數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于光電振蕩器的振動(dòng)息獲取方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖傳感器具有抗干擾能力強(qiáng)，耐腐蝕的特點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于溫度，應(yīng)力，振動(dòng)，聲場(chǎng)等參數(shù)的測(cè)量，特別是惡劣環(huán)境下傳統(tǒng)傳感器無法勝任的領(lǐng)域，如礦井、油井，大型發(fā)電機(jī)組與核電站等強(qiáng)輻射與電磁干擾環(huán)境下的測(cè)量。
[0003]光纖傳感器按照原理可分為無源傳感器與有源傳感器兩大類。其中無源傳感器又可分為以光纖為敏感兀件的傳感器和以光纖光柵為敏感兀件的傳感器。以光纖為傳感兀件的傳感器原理為:外界物理量變化導(dǎo)致光纖內(nèi)傳輸?shù)墓庑盘?hào)的參數(shù)(相位、偏振態(tài)等)發(fā)生變化，并通過相干檢測(cè)得到待求的物理量。該類傳感器靈敏度高，易受外界環(huán)境的干擾，一般需要通過正交解調(diào)技術(shù)來改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。以光纖光柵為敏感元件的傳感器原理為:夕卜界物理量變化導(dǎo)致光柵固有布拉格波長(zhǎng)發(fā)生變化，通過解析光柵反射或者透射光譜即可得到待求物理量。該類傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易復(fù)用，但波長(zhǎng)解析系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜且昂貴。
[0004]相比于無源光纖傳感器，有源光纖傳感器利用振蕩器的諧振腔作為敏感元件，當(dāng)施加在諧振腔上的外界物理量發(fā)生變化時(shí)，諧振腔光纖由于彈光效應(yīng)、熱光效應(yīng)等，其折射率發(fā)生變化，即等效腔長(zhǎng)發(fā)生變化，腔內(nèi)固有的模式間隔相應(yīng)地發(fā)生變化，通過對(duì)各個(gè)縱模的拍頻信號(hào)頻率進(jìn)行解調(diào)即可得到待測(cè)物理量。當(dāng)諧振腔內(nèi)同時(shí)存在兩個(gè)偏振模時(shí)，外界物理量導(dǎo)致的光纖快軸與慢軸方向折射率變化的各向異性會(huì)使諧振腔內(nèi)同時(shí)存在兩組偏振模光頻梳，通過偏振模拍頻信號(hào)頻率的解調(diào)即可得到待測(cè)信號(hào)。常見的有源光纖傳感器為基于光纖激光器的傳感器，該類傳感器采用摻鉺光纖作為諧振腔敏感元件，腔內(nèi)多縱模信號(hào)存在均勻展寬效應(yīng)導(dǎo)致的模式競(jìng)爭(zhēng)，拍頻信號(hào)信噪比不高，采用長(zhǎng)諧振腔時(shí)成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種基于光電振蕩器的有源光纖傳感器，通過對(duì)光電振蕩器內(nèi)多縱模拍頻信號(hào)的數(shù)字解調(diào)，并合理地選取傳感光纖長(zhǎng)度可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的解調(diào)。采用長(zhǎng)距離的儲(chǔ)能光纖提高諧振腔Q值，可得到高質(zhì)量的多縱模信號(hào)，同時(shí)長(zhǎng)儲(chǔ)能光纖也是傳感光纖，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的檢測(cè)靈敏度。
[0006]一種基于光電振蕩器的振動(dòng)信息獲取方法，包括如下步驟:
[0007]在光電振蕩器中將光源產(chǎn)生的光載波通過單邊帶調(diào)制獲得調(diào)制光信號(hào)；
[0008]利用光電振蕩器的儲(chǔ)能光纖拾取來自振動(dòng)體的振動(dòng)信息，并加載至所述調(diào)制光信號(hào)得到載有振動(dòng)信息的光信號(hào)；
[0009]將載有振動(dòng)信息的光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和振蕩，得到振蕩信號(hào)；
[0010]將振蕩信號(hào)進(jìn)行處理和采集后進(jìn)行數(shù)字解調(diào)，得到所述振動(dòng)信息。
[0011]本發(fā)明利用光電振蕩器諧振腔的光學(xué)部分進(jìn)行測(cè)振，并對(duì)采集到的信號(hào)處理至低頻，并通過時(shí)頻分析進(jìn)行解調(diào)。
[0012]光電振蕩器克服了現(xiàn)有技術(shù)所采用的光纖激光器測(cè)振中所存在的靈敏度與信噪比之間的矛盾，且光電振蕩器輸出的信號(hào)質(zhì)量非常好，能夠提高分辨率。
[0013]進(jìn)行振蕩的方法為，對(duì)載有振動(dòng)信息的光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換并依次經(jīng)過帶通濾波器和射頻放大器后反饋回單邊帶調(diào)制器，利用所構(gòu)成的閉環(huán)產(chǎn)生振蕩，其中所述振蕩信號(hào)在射頻放大器輸出端獲取。
[0014]通過環(huán)路將信號(hào)進(jìn)行反饋用于對(duì)光波的調(diào)制，以建立穩(wěn)定的振蕩。當(dāng)調(diào)制器采用雙邊帶調(diào)制時(shí)，上下邊帶分別與載波拍頻所得的射頻信號(hào)因頻率和幅度相同，相位相反，經(jīng)不同長(zhǎng)度的傳感光纖色散后拍頻信號(hào)強(qiáng)度不同，難以控制，故需采用單邊帶調(diào)制。
[0015]射頻放大的放大增益大于40dB。
[0016]進(jìn)行射頻放大時(shí)，采用低噪聲射頻放大器，所提供的放大增益大于40dB，以克服環(huán)路損耗，滿足光電振蕩器起振的閾值條件。
[0017]其中，利用3dB耦合器將射頻放大器輸出的信號(hào)分為兩路，其中一路經(jīng)正交耦合器后反饋至雙電極馬赫增德爾調(diào)制器進(jìn)行單邊帶調(diào)制，另一路用于進(jìn)行所述處理和采集。
[0018]采用單邊帶調(diào)制時(shí)，在小信號(hào)調(diào)制下，3dB耦合器將輸入的信號(hào)分為能量相同的兩路信號(hào)進(jìn)行輸出，雙電極馬赫增德爾調(diào)制器的射頻輸入端引入90°的相位差，兩個(gè)射頻輸入端的信號(hào)正交時(shí)，可獲得單邊帶調(diào)制，此時(shí)光電振蕩器可建立起穩(wěn)定的振蕩。
[0019]所述光載波為激光經(jīng)過偏振后所得的偏振光。
[0020]激光經(jīng)過偏振后能夠克服單邊帶調(diào)制器的插入損耗。
[0021]其中利用窄線寬半導(dǎo)體激光發(fā)生器來產(chǎn)生激光。
[0022]利用窄線寬半導(dǎo)體激光發(fā)生器所產(chǎn)生的激光具有相干性，具有良好的抗環(huán)境干擾能力。
[0023]所述儲(chǔ)能光纖為單模光纖。
[0024]單模光纖成本低廉，對(duì)于頻率較高的待測(cè)振動(dòng)信號(hào)具有較好的靈敏度。當(dāng)待測(cè)振動(dòng)信號(hào)頻率較低時(shí)，可采用更大長(zhǎng)度的傳感光纖，提高檢測(cè)靈敏度。
[0025]將振蕩信號(hào)進(jìn)行處理的方式為，將振蕩信號(hào)與微波信號(hào)源產(chǎn)生的射頻信號(hào)進(jìn)行混頻，再進(jìn)行低通濾波。
[0026]振蕩信號(hào)在整個(gè)諧振腔內(nèi)必須連續(xù)。因?yàn)檩d有振動(dòng)信息的光信號(hào)在轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后經(jīng)過了帶通濾波，所以光電振蕩器不能直接輸出低頻信號(hào)，需要與微波信號(hào)源混頻到低頻再檢測(cè)。
[0027]射頻信號(hào)在混頻器中與微波信號(hào)源產(chǎn)生的固定頻率的射頻信號(hào)混頻至較低頻率，經(jīng)低通濾波器濾出較低頻率的混頻信號(hào)，由高速采集卡采集并進(jìn)行數(shù)字解調(diào)以得到振動(dòng)信肩、O
[0028]本發(fā)明通過采用長(zhǎng)的儲(chǔ)能光纖作為傳感光纖，能夠提高振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)的靈敏度，同時(shí)可提高諧振腔的Q值，獲得低噪聲的多縱模信號(hào)，提高檢測(cè)精度。與其他無源光纖傳感器相比，該裝置將振動(dòng)信息編碼在多縱模拍頻信號(hào)的頻率上而非相位上，因此對(duì)光源功率波動(dòng)的影響不敏感。與基于光纖激光器的光纖傳感器方案相比，該裝置的儲(chǔ)能光纖采用普通單模光纖，價(jià)格低廉?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例所采用的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖2為本發(fā)明當(dāng)前實(shí)施例雙電極馬赫增德爾調(diào)制器的單邊帶調(diào)制示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖1對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0032]如圖1所示，本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的方法所采用的基于光電振蕩器的振動(dòng)信號(hào)解調(diào)裝置，包括:光電振蕩器、混頻器10、微波信號(hào)源11、低通濾波器12以及高速采集卡13。其中光電振蕩器包括:激光器1、偏振控制器2、雙電極馬赫增德爾調(diào)制器3、傳感光纖4、高速光電探測(cè)器5、帶通濾波器6、射頻放大器7、3dB射頻耦合器8以及正交耦合器9。
[0033]本發(fā)明當(dāng)前實(shí)施例中，光源為由激光器I和偏振控制器2所構(gòu)成，用于產(chǎn)生作為光載波的偏振光。激光器I是窄線寬半導(dǎo)體激光發(fā)生器，輸出光為相干光，具有良好的抗環(huán)境干擾能力。激光器I的輸出光由偏振控制器2調(diào)整偏振態(tài)后進(jìn)入雙電極馬赫增德爾調(diào)制器3，以獲得最小的偏振相關(guān)損耗。
[0034]雙電極馬赫增德爾調(diào)制器3為鈮酸鋰電光強(qiáng)度調(diào)制器，通過調(diào)節(jié)兩個(gè)偏置端口電壓大小使兩臂產(chǎn)生90度初 始相移，當(dāng)兩個(gè)輸入端的信號(hào)正交時(shí)可獲得單邊帶調(diào)制。
[0035]雙電極馬赫增德爾調(diào)制器的輸出光進(jìn)入繞置在振動(dòng)體上的儲(chǔ)能光纖4以拾取振動(dòng)信號(hào)，在振動(dòng)信號(hào)中含有需要得到的振動(dòng)信息。儲(chǔ)能光纖4的輸出信號(hào)依次經(jīng)過光電探測(cè)器5、帶通濾波器6、射頻放大器7與3dB射頻耦合器8。儲(chǔ)能光纖4為普通單模光纖。當(dāng)待測(cè)振動(dòng)信號(hào)頻率較低時(shí)，可采用更大長(zhǎng)度的儲(chǔ)能光纖，提高檢測(cè)靈敏度。光電探測(cè)器5為高速光電探測(cè)器，具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0036]3dB射頻耦合器將8射頻放大器7的輸出的信號(hào)分為兩路:一路送入正交耦合器9的輸入端，正交耦合器9輸出端輸出兩路信號(hào)分別輸入雙電極馬赫增德爾調(diào)制器3的兩個(gè)射頻輸入端，用于將輸入的偏振光進(jìn)行單邊帶調(diào)制后得到拍頻信號(hào)。另一路信號(hào)在混頻器10中與微波信號(hào)源11產(chǎn)生的固定頻率的射頻信號(hào)混頻至中頻，然后經(jīng)低通濾波器12后由高速采集卡13采集。射頻放大器7為低噪聲放大器，并且能夠提供大于40dB的增益，以克服環(huán)路損耗，滿足光電振蕩器起振的閾值條件。
[0037]正交耦合器9輸出的兩路相互正交的信號(hào)進(jìn)入雙電極馬赫增德爾調(diào)制器之前，光電振蕩器還未起振，因此需要判斷是否起振。通常光電振蕩器在開始工作到振蕩穩(wěn)定的時(shí)間較短，因此在預(yù)估的時(shí)間后，認(rèn)為光電振蕩器振蕩穩(wěn)定，由高速采集卡13將采集到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字解調(diào)，以得到儲(chǔ)能光纖上拾取的振動(dòng)信息。
[0038]本發(fā)明的工作原理如下:
[0039]光電振蕩器環(huán)路中加入了帶通濾波器，用于限制產(chǎn)生振蕩的縱模數(shù)量，但光電振蕩器仍為多縱模工作狀態(tài)。諧振腔內(nèi)各模式的頻率為:
[0040]fN =4，其中N為模式的序數(shù)，取值為遠(yuǎn)大于I的正整數(shù)，c為真空中的光速，η為
UL
光纖折射率，L為諧振腔長(zhǎng)度，fN為振蕩器FSR的N倍。各模式的拍頻頻率由/ 表示，M的取值為大于等于I的正整數(shù)。[0041]當(dāng)調(diào)制器采用雙邊帶調(diào)制時(shí)，上下邊帶分別與載波拍頻所得的射頻信號(hào)因頻率和幅度相同，相位相反，經(jīng)不同長(zhǎng)度的傳感光纖色散后拍頻信號(hào)強(qiáng)度不同，難以控制，故需采用單邊帶調(diào)制。采用單邊帶調(diào)制時(shí)，如圖2所示，輸入信號(hào)表示為e^ot,射頻輸入端其中一端的輸入表示為cos ( ?KFt)，在小信號(hào)調(diào)制下，雙電極馬赫增德爾調(diào)制器的兩臂通過偏置
電壓Vbias引入f的相位差，兩個(gè)射頻輸入端的信號(hào)正交時(shí)，可獲得單邊帶調(diào)制，此時(shí)光電振
蕩器可建立起穩(wěn)定的振蕩。諧振腔內(nèi)所有振蕩模式滿足無失真?zhèn)鬏敆l件，拍頻信號(hào)滿足相干疊加條件。各諧波在光電探測(cè)器中拍頻后疊加的結(jié)果是，拍頻信號(hào)頻率越高，功率越??；頻率越低，功率越大。為避免該問題采用了帶通濾波器限制腔內(nèi)振蕩的模式數(shù)量。
[0042]該系統(tǒng)對(duì)應(yīng)力的瞬時(shí)響應(yīng)可描述為:...,.,dn dL、..
[0043]
【權(quán)利要求】
1.一種基于光電振蕩器的振動(dòng)信息獲取方法，其特征在于，包括如下步驟: 在光電振蕩器中將光源產(chǎn)生的光載波通過單邊帶調(diào)制獲得調(diào)制光信號(hào)； 利用光電振蕩器的儲(chǔ)能光纖拾取來自振動(dòng)體的振動(dòng)信息，并加載至所述調(diào)制光信號(hào)得到載有振動(dòng)信息的光信號(hào)； 將載有振動(dòng)信息的光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和振蕩，得到振蕩信號(hào)； 將振蕩信號(hào)進(jìn)行處理和采集后進(jìn)行數(shù)字解調(diào)，得到所述振動(dòng)信息。
2.如權(quán)利要求1所述基于光電振蕩器的振動(dòng)信息獲取方法，其特征在于，進(jìn)行振蕩的方法為，對(duì)載有振動(dòng)信息的光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換并依次經(jīng)過帶通濾波器和射頻放大器后反饋回單邊帶調(diào)制器，利用所構(gòu)成的閉環(huán)產(chǎn)生振蕩，其中所述振蕩信號(hào)在射頻放大器輸出端獲取。
3.如權(quán)利要求2所述基于光電振蕩器的振動(dòng)信息獲取方法，其特征在于，射頻放大的放大增益大于40dB。
4.如權(quán)利要求2所述基于光電振蕩器的振動(dòng)信息獲取方法，其特征在于，其中，利用3dB耦合器將射頻放大器輸出的信號(hào)分為兩路，其中一路經(jīng)正交耦合器后反饋至雙電極馬赫增德爾調(diào)制器進(jìn)行單邊帶調(diào)制，另一路用于進(jìn)行所述處理和采集。
5.如權(quán)利要求1所述基于光電振蕩器的振動(dòng)信息獲取方法，其特征在于，所述光載波為激光經(jīng)過偏振后所得的偏振光。
6.如權(quán)利要求3所述基于光電振蕩器的振動(dòng)信息獲取方法，其特征在于，其中利用窄線寬半導(dǎo)體激光發(fā)生器來產(chǎn)生激光。
7.如權(quán)利要求1所述基于光電振蕩器的振動(dòng)信息獲取方法，其特征在于，所述儲(chǔ)能光纖為單模光纖。
8.如權(quán)利要求1所述基于光電振蕩器的振動(dòng)信息獲取方法，其特征在于，將振蕩信號(hào)進(jìn)行處理的方式為，將振蕩信號(hào)與微波信號(hào)源產(chǎn)生的射頻信號(hào)進(jìn)行混頻，再進(jìn)行低通濾波。
【文檔編號(hào)】G01H9/00GK103968934SQ201410151576
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年4月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月16日
【發(fā)明者】祝艷宏 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)