本發(fā)明涉及光纖光柵傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于雙激光光源鎖頻與拍頻測量的光纖光柵信號解調(diào)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在過去的三十年中，快速發(fā)展的光纖光柵傳感技術(shù)由于具有全光傳感與傳輸、抗電磁干擾、耐高溫高壓、易于組建大規(guī)模傳感網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)勢，在土木工程、石油勘探、慣性導(dǎo)航、交通運輸?shù)缺姸囝I(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。近年來，國外諸多研究機構(gòu)開始開展高精度的光纖光柵波長/應(yīng)變測量方法與核心技術(shù)研究。

在2010年以前，國際上主要采用激光鎖頻傳感技術(shù)和光頻梳技術(shù)來提高光纖光柵信號測量精度，但只能實現(xiàn)動態(tài)/準(zhǔn)靜態(tài)的光纖光柵波長/應(yīng)變測量，而不能實現(xiàn)真正意義上的靜態(tài)信號測量。例如，澳大利亞國立大學(xué)基于激光鎖頻傳感技術(shù)實現(xiàn)了100hz-100khz頻帶范圍內(nèi)10-12量級的應(yīng)變測量(j.h.chow，etal.，j.lightwavetechnol，，vol.23，pp.1881-1889，2005.)、在0.05hz頻點上的應(yīng)變測量精度達(dá)到10-9(t.t.y.lam，etal.，journal，vol.9，983-986，2009.)。特別是在2010年，意大利國家光學(xué)研究所采用光學(xué)頻率梳技術(shù)方案，將光纖光柵的應(yīng)變測量精度提高到10-13量級，在低頻段(0.01hz)也具有較高的測量精度(g.gagliardi，etal.，science，vol.330，1081，2010)。上述方法均不能用于測量靜態(tài)信號，主要是因為兩個方面：一方面是因為光纖光柵對應(yīng)變和溫度交叉敏感，在低頻段光纖光柵的溫度響應(yīng)與應(yīng)變響應(yīng)將相互響應(yīng)，必須要進(jìn)行溫度補償；另一方面是因為激光光源自身的頻率噪聲在低頻段較大，也必須要抑制或者補償。

2010年以來，日本東京大學(xué)/上海交通大學(xué)、中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所均提出了多種基于參考補償方法的高精度光纖光柵靜態(tài)信號測量技術(shù)方案。例如，日本東京大學(xué)采用窄線寬可調(diào)諧激光器和兩個光纖光柵在dc-幾十秒頻帶范圍內(nèi)實現(xiàn)了10-8量級的靜態(tài)應(yīng)變測量(qingwenliu，zuyuanhe，etal.，spiefoureuropeanworkshoponopticalfibresensors，vol.7653，76530w，2010.)、采用激光鎖頻傳感和兩個光纖光柵諧振腔在dc-7hz頻帶范圍內(nèi)實現(xiàn)10-9量級的寬頻帶應(yīng)變信號測量(qingwenliu，zuyuanhe，etal.，opticsletters，vol.37(3)，434-436，2012.)。上海交通大學(xué)采用雙激光鎖頻傳感環(huán)路以及兩個光纖光柵諧振腔實現(xiàn)了高精度的寬頻帶(dc-250hz)應(yīng)變信號測量，在大于10hz的頻率范圍內(nèi)應(yīng)變測量精度優(yōu)于10-10(jiagengchen，vol.41(5)，1066-1069，2016)。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所采用窄線寬可調(diào)諧激光器、兩個光纖光柵諧振腔和小波域互相關(guān)的波長差解調(diào)算法在dc-10hz頻帶范圍內(nèi)實現(xiàn)了10-9量級的靜態(tài)應(yīng)變測量(wenzhuhuang，et.al.，photonicstechnilogyletters，vol.13，pp.14041-14054，2014)、采用了激光邊帶掃頻調(diào)制技術(shù)和兩個光纖光柵諧振腔在dc-10hz頻帶范圍內(nèi)實現(xiàn)了10-10量級的靜態(tài)應(yīng)變測量(wenzhuhuang，et.al.，opticsletters，vol.40(7)，229133，2015)。

可見，為了實現(xiàn)高精度的寬頻帶(低頻可測dc信號、高頻至少到10hz量級)光纖光柵信號測量，一般我們需要采用兩個光纖光柵(或者光纖光柵諧振腔)，一個作為傳感、一個作為補償(溫度和激光光源頻率波動補償)。目前日本東京大學(xué)/上海交通大學(xué)、中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所的高精度光纖光柵寬頻帶信號解調(diào)技術(shù)可以歸結(jié)為兩類，一類是通過掃頻激光獲取兩個光纖光柵的波長差實現(xiàn)寬頻帶信號測量，另一類是采用雙激光鎖頻傳感技術(shù)和雙光纖光柵寬頻帶信號測量方案。受限于掃頻激光的波長掃描線性度以及掃描速度，前一種方法的寬頻帶信號測量精度一般要低于后一種方法。但是現(xiàn)有的雙激光鎖頻傳感技術(shù)和雙光纖光柵寬頻帶信號測量方案，一方面除了采用典型的相位調(diào)制pdh激光鎖頻光路以外，均還需要采用另一路強度調(diào)制pdh激光鎖頻光路，這大大增加了反饋控制系統(tǒng)的復(fù)雜度；另一方面，該方案反饋控制的精度限制了最終的寬頻帶信號測量精度。本申請?zhí)岢鲆环N新的基于雙激光光源鎖頻傳感(兩個典型的pdh鎖頻傳感光路)和兩個光纖光柵、以及拍頻解調(diào)原理的超高精度光纖光柵寬頻帶信號解調(diào)系統(tǒng)，進(jìn)一步提高現(xiàn)有的光纖光柵寬頻帶信號測量系統(tǒng)的解調(diào)精度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于，提出一種基于雙激光光源鎖頻與拍頻測量的光纖光柵信號解調(diào)系統(tǒng)，通過兩個典型的pdh鎖頻傳感光路以及兩個激光光源的拍頻信號來實現(xiàn)高精度的寬頻帶光纖光柵信號解調(diào)，可以大大簡化現(xiàn)有的雙激光鎖頻傳感技術(shù)和雙光纖光柵寬頻帶信號測量方案中激光調(diào)制光路、以及反饋控制的復(fù)雜性，還由于拍頻信號的精準(zhǔn)測量可以實現(xiàn)超高精度的溫度、激光光源頻率波動補償，進(jìn)而進(jìn)一步提高光纖光柵寬頻帶信號的測量精度。

本發(fā)明提供一種基于雙激光光源鎖頻與拍頻測量的光纖光柵信號解調(diào)系統(tǒng)，包括：

一第一激光鎖頻傳感光路和一并聯(lián)的一第二激光鎖頻傳感光路；

一第一探測器，其輸入端與第一激光鎖頻傳感光路連接；

一第二探測器，其輸入端與第二激光鎖頻傳感光路連接；

一數(shù)據(jù)采集器，其兩個輸入端分別與第一探測器、第二探測器的輸出端連接；

一第三耦合器，其輸入端分別與第一激光鎖頻傳感光路和第二激光鎖頻傳感光路的輸出端連接；

一第三探測器，其輸入端與第三耦合器的輸出端連接；

一函數(shù)信號發(fā)生器，其兩個輸出端分別與第一激光鎖頻傳感光路和第二激光鎖頻傳感光路的輸入端連接；

一數(shù)據(jù)處理器，其兩個輸入端分別與數(shù)據(jù)采集器的兩個輸出端連接，另兩個輸入端與函數(shù)信號發(fā)生器的兩個輸出端連接；

一信號處理器，其兩個輸入端與數(shù)據(jù)處理器的兩個輸出端連接，該信號處理器的兩個輸出端分別與第一激光鎖頻傳感光路和第二激光鎖頻傳感光路的輸入端連接，該信號處理器的一輸入端口與第三探測器的輸出端連接。

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明提供的基于雙激光光源鎖頻與拍頻測量的光纖光柵信號解調(diào)系統(tǒng)，首次將雙激光鎖頻與拍頻測量技術(shù)結(jié)合起來獲取寬頻帶光纖光柵波長信息，由于拍頻信號的精準(zhǔn)測量并可以實現(xiàn)超高精度的溫度、激光光源頻率波動補償，因而可以大大提高光纖光柵寬頻帶信號的測量精度。

2、本發(fā)明提供的基于雙激光光源鎖頻與拍頻測量的光纖光柵信號解調(diào)系統(tǒng)，通過兩個典型的pdh鎖頻傳感光路以及兩個激光光源的拍頻信號來實現(xiàn)高精度的寬頻帶光纖光柵信號解調(diào)，可以大大簡化現(xiàn)有的雙激光鎖頻傳感技術(shù)和雙光纖光柵寬頻帶信號測量方案中激光調(diào)制光路、以及反饋控制的復(fù)雜性。

附圖說明

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明如后，其中：

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)原理示意圖。

具體實施方式

請參閱圖1，本發(fā)明提供一種基于雙激光光源鎖頻與拍頻測量的光纖光柵信號解調(diào)系統(tǒng)，包括：

一第一激光鎖頻傳感光路a和一并聯(lián)的一第二激光鎖頻傳感光路b。其中第一激光鎖頻傳感光路a包括：依次串聯(lián)的一第一窄線寬可調(diào)諧激光器10、一第一耦合器20、一第一隔離器30、一第一相位調(diào)制器40、一第一環(huán)形器50和一傳感光纖光柵60；第二激光鎖頻傳感光路b包括：依次串聯(lián)的一第二窄線寬可調(diào)諧激光器11、一第二耦合器21、一第二隔離器31、一第二相位調(diào)制器41、一第一環(huán)形器51和一參考光纖光柵61；

一第一探測器70，其輸入端與第一激光鎖頻傳感光路a連接，所述的第一探測器70的輸入端是與第一激光鎖頻傳感光路a的第一環(huán)形器50的端口3連接；

一第二探測器71，其輸入端與第二激光鎖頻傳感光路b連接，所述的第二探測器71的輸入端是與第二激光鎖頻傳感光路b的第二環(huán)形器51的端口3連接；

一數(shù)據(jù)采集器80，其兩個輸入端分別與第一探測器70、第二探測器71的輸出端連接；

一第三耦合器22，其輸入端分別與第一激光鎖頻傳感光路a和第二激光鎖頻傳感光路b的輸出端連接，所述的第三耦合器22的輸入端是分別與第一激光鎖頻傳感光路a和第二激光鎖頻傳感光路b的第一耦合器20和第二耦合器21的輸出端連接；

一第三探測器72，其輸入端與第三耦合器22的輸出端連接，所述的第三探測器72的帶寬寬于第一窄線寬可調(diào)諧激光器10和第二窄線寬可調(diào)諧激光器11的波長差；

一函數(shù)信號發(fā)生器90，其兩個輸出端分別與第一激光鎖頻傳感光路a和第二激光鎖頻傳感光路b的輸入端連接，所述的函數(shù)信號發(fā)生器90，其兩個輸出端分別與第一激光鎖頻傳感光路a和第二激光鎖頻傳感光路b的第一相位調(diào)制器40和第二相位調(diào)制器41輸入端連接；

一數(shù)據(jù)處理器91，其兩個輸入端分別與數(shù)據(jù)采集器80的兩個輸出端連接，另兩個輸入端與函數(shù)信號發(fā)生器90的兩個輸出端連接；

一信號處理器92，其兩個輸入端與數(shù)據(jù)處理器91的兩個輸出端連接，該信號處理器92的兩個輸出端分別與第一激光鎖頻傳感光路a和第二激光鎖頻傳感光路b的輸入端連接，該信號處理器92的一輸入端口與第三探測器72的輸出端連接。

其中所述的第一激光鎖頻傳感光路a和第二激光鎖頻傳感光路b的鎖頻過程是同步進(jìn)行，并且每完成一次鎖頻后進(jìn)行一次拍頻信號測量。

其中所述的傳感光纖光柵60和參考光纖光柵61、以及第一窄線寬可調(diào)諧激光器10和第二窄線寬可調(diào)諧激光器11均應(yīng)具有相近的中心波長。

本發(fā)明的工作過程為：首先，通過兩路典型的pdh激光鎖頻傳感光路(第一激光鎖頻傳感光路a和第二激光鎖頻傳感光路b)，將第一窄線寬可調(diào)諧激光器10和第二窄線寬可調(diào)諧激光器11分別快速反饋鎖定在傳感光纖光柵60和參考光纖光柵61的反射峰上，根據(jù)pdh鎖頻原理，此時第一窄線寬可調(diào)諧激光器10和第二窄線寬可調(diào)諧激光器11的波長可長期分別與傳感光纖光柵60和參考光纖光柵61的反射峰波長保持一致；其中，參考光纖光柵元件60作為外界信號的傳感元件，參考光纖光柵61一個作為系統(tǒng)溫度響應(yīng)以及激光光源頻率波動的補償元件。然后，我們通過測量這兩個光纖光柵的諧振峰波長差就可以得到外界的寬頻帶信號(如靜態(tài)應(yīng)變)。在這里，我們通過巧妙的光路設(shè)計，通過高精度拍頻信號測量原理實現(xiàn)第一窄線寬可調(diào)諧激光器10和第二窄線寬可調(diào)諧激光器11的拍頻信號測量(即實現(xiàn)了第一窄線寬可調(diào)諧激光器10和第二窄線寬可調(diào)諧激光器11的波長差測量)，由于第一窄線寬可調(diào)諧激光器10和第二窄線寬可調(diào)諧激光器11的波長值正好分別等于傳感光纖光柵60和參考光纖光柵61的波長值，因而我們可以得到傳感光纖光柵60和參考光纖光柵61的波長差，即實現(xiàn)了系統(tǒng)溫度響應(yīng)以及激光光源頻率波動的補償、達(dá)到了寬頻帶信號測量的目的。

在本發(fā)明中，第一窄線寬可調(diào)諧激光器10和第二窄線寬可調(diào)諧激光器11分別為傳感光纖光柵60和參考光纖光柵61提供激光鎖頻光源；第一耦合器20和第二耦合器21分別將第一窄線寬可調(diào)諧激光器10和第二窄線寬可調(diào)諧激光器11輸出激光一分為二，一路用于第一激光鎖頻傳感光路，另一路用于后續(xù)拍頻測量；第一隔離器30和第二隔離器31分別用于阻止傳感光纖光柵60和參考光纖光柵61反射光進(jìn)入到第一窄線寬可調(diào)諧激光器10和第二窄線寬可調(diào)諧激光器11中；第一相位調(diào)制器40和第二相位調(diào)制器41分別用于對第一窄線寬可調(diào)諧激光器10和第二窄線寬可調(diào)諧激光器11進(jìn)行相位調(diào)制；第一環(huán)形器50和第二環(huán)行器51分別用于向傳感光纖光柵60和參考光纖光柵61輸入激光、并將傳感光纖光柵60和參考光纖光柵61反射回來的光輸入到第一探測器70和第二探測器71中；第一探測器70和第二探測器71用于將傳感光纖光柵60和參考光纖光柵61的反射光信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，第一探測器70和第二探測器71的帶寬應(yīng)高于信號發(fā)生器90驅(qū)動頻率。對于每個pdh激光鎖頻傳感光路，都具有高頻調(diào)制(相位調(diào)制器的驅(qū)動頻率大于光纖光柵元件的反射峰帶)和低頻調(diào)制(相位調(diào)制器的驅(qū)動頻率小于光纖光柵元件的反射峰帶)兩種模式，我們可以根據(jù)所采用的光纖光柵元件的反射峰帶寬決定相位調(diào)制器的驅(qū)動頻率(即信號發(fā)生器的頻率)，以便確定調(diào)制模式；兩個激光鎖頻傳感光路最好采用同一種調(diào)制模式。

在本發(fā)明中，函數(shù)信號發(fā)生器90作為第一相位調(diào)制器40、第二相位調(diào)制器41的相位調(diào)制驅(qū)動，其輸出也需要被數(shù)據(jù)處理器91接收并用于pdh信號解算；數(shù)據(jù)采集器80，用于采集第一探測器70、第二探測器71的電壓信號，應(yīng)該具有較高的采樣帶寬(其采樣帶寬至少要高于信號發(fā)生器的輸出頻率的兩倍)；數(shù)據(jù)處理器91用于對數(shù)據(jù)采集器80采集的信號進(jìn)行鎖頻傳感信號處理，以得到反饋控制參數(shù)，并輸出給信號處理器92。

在本發(fā)明中，第三耦合器22用于將第一耦合器20和第二耦合器21各自一端的出射光進(jìn)行合束，即將第一窄線寬可調(diào)諧激光器10與第二窄線寬可調(diào)諧激光器11的兩束激光進(jìn)行混頻；第三探測器72用于探測第三耦合器22輸出的混頻激光的拍頻信號，其帶寬應(yīng)高于拍頻信號的頻率；信號處理器92，一方面通過反饋控制實現(xiàn)第一窄線寬可調(diào)諧激光器10和第二窄線寬可調(diào)諧激光器11的鎖頻；另一方面用于測量第三探測器72探測的拍頻信號的頻率值(信號處理器的采樣頻率至少要高于第三探測器72的兩倍帶寬)，直接作為最終的寬頻帶信號值。

在本發(fā)明中，為了讓這兩個激光器輸出的激光拍頻射頻信號的頻率可被商用高速探測器探測到，第一窄線寬可調(diào)諧激光器10和第二窄線寬可調(diào)諧激光器11應(yīng)具有相近的中心波長(一般不超過10ghz)。在本發(fā)明中，第三探測器72的帶寬要寬于第一窄線寬可調(diào)諧激光器10和第二窄線寬可調(diào)諧激光器11的波長差。

在本發(fā)明中，為了實現(xiàn)高精度的信號測量，通常要求光纖光柵應(yīng)具有較窄的線寬。例如，我們可以采用光纖光柵諧振腔結(jié)構(gòu)作為傳感和參考元件，線寬(反射峰帶寬)可以做到mhz量級。同時，為了分別鎖定在這兩個光纖光柵諧振腔諧振峰上的兩個激光器的輸出激光拍頻射頻信號頻率(即兩個激光器的輸出激光波長差)可被商用高速探測器探測到(此時，兩個激光器的輸出波長分別由兩個光纖光柵諧振腔的諧振峰波長決定)，兩個光纖光柵諧振腔的諧振峰波長應(yīng)相近(如差值小于10ghz)，在設(shè)計光纖光柵諧振腔時應(yīng)使其具有較小的自由譜范圍(小于8pm，約等于10ghz)。

在本發(fā)明中，為了保證激光鎖頻與溫度、頻率波動補償以及最終的信號解算順利完成，第一激光鎖頻傳感光路、第二激光鎖頻傳感光路的鎖頻過程必須保證同步進(jìn)行，并且每完成一次鎖頻后進(jìn)行一次拍頻信號測量和溫度、應(yīng)變信號解算；之后重復(fù)此過程。由于所有解算算法以及反饋控制均可在fpga中進(jìn)行，因為這個鎖頻、解算過程具有很快的速度，因此我們不但可以通過溫度、頻率波動補償實現(xiàn)靜態(tài)信號處理，而且還具有很高的信號測量速率，因此可以實現(xiàn)非常寬頻帶的信號測量。

以上所述的具體實施例，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)。