基于增量调制的光纤传感测量方法和装置与流程

本发明涉及光学测量，尤其涉及一种基于增量调制的光纤传感测量方法和装置。

背景技术：

1、光纤传感技术以光波为载体，光纤为媒介，感知和测量外界物理量。作为一类重要的传感技术，相比传统传感器光纤传感技术具有许多优势，比如本征绝缘和抗电磁干扰性能，而且特有的信息传输能力使得光纤传感器成为物联网体系中的关键技术，在电力、石化、环境安全及水下探测中都得到很大应用。

2、在各种类型的光纤传感器中，干涉型光纤传感器是利用光纤作为相位调制原件构成干涉仪。主要通过被测场与光纤的相互作用，引起光纤中传输光的相位变化。这类光纤传感器的主要优点有探测灵敏度高、部署形式灵活多样、测量对象广泛等。同时，为了获得比较好的测量效果，光纤干涉仪需要两个基本条件：一是用单模光纤确保单一模式光叠加；二是两路相干光的振动方向一致。即使这两个基本条件保证，但仍有多个困难存在：传感比例浮动不固定导致非线性传感；外界振动激励时看不到时域信号只能靠傅里叶变换的频域信号判定振动信息；组阵测试时，敏感起始点相位是随机的，各个零点不一致，后期处理困难；相干噪声不易去除导致低频信号检测不到等。这些问题特别是在低频、微弱和偶发信号测量时需要解决。因此怎样改善结构和相关干涉仪器件以获得低噪声、线性可调相干光成为研究重点。

3、目前业内尚无能够较好地解决上述问题的方法或装置出现。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于增量调制的光纤传感测量方法和装置。

2、基于上述目的，本发明提供了一种基于增量调制的光纤传感测量方法，所述的基于增量调制的光纤传感测量方法包括：

3、光源发出的激光经过脉冲调制和相位调制后分为实测光路和参考光路；

4、其中，所述实测光路为与目标对象产生互动的光路，实测光路的激光经由增量调制后形成实测干涉光；所述参考光路未与目标对象产生互动，参考光路的激光经由增量调制后形成参考干涉光；

5、所述实测光路和参考光路形成互易光路，通过相位调制实现不同时刻的光相干叠加，经过干涉后的所述实测干涉光和所述参考干涉光经由光电转换后通过光电探测器进行显示，以实现目标对象的测量。

6、基于本发明另一目的的基于增量调制的光纤传感测量方法，所述增量调制过程为：

7、所述实测光路的光未经过保偏光纤延迟线返回单模光纤传感鼓的实测干涉光的相位信息，后期则经过所述保偏光纤延迟线传至第一保偏光纤环形器；

8、所述参考光路的光先经过保偏光纤延迟线再返回单模光纤鼓的参考干涉光的相位信息；

9、由于实测光路和参考光路为互易光路，能够将不同时刻的实测光路的光和参考光路的光相干叠加。

10、基于本发明另一目的的基于增量调制的光纤传感测量方法，所述实测光路的光通过第一相位延迟器，经由增量调制后进入集成单模光纤法拉第旋转镜的单模光纤传感鼓，然后携带实测传感信号返回；返回光进入增量调制后形成实测干涉光；

11、所述参考光路的光通过第二相位延迟器，经由增量调制后进入集成单模光纤法拉第旋转镜的单模光纤传感鼓，然后携带参考传感信号返回；返回光经由增量调制后形成参考干涉光。

12、基于本发明另一目的的基于增量调制的光纤传感测量方法，所述实测光路和所述参考光路的光程差在1毫米内且通过保偏光纤传输，其浮动频率在0.5赫兹以下。

13、基于本发明另一目的的基于增量调制的光纤传感测量方法，所述实测光路和所述参考光路的相位差锁定在90°，以得到稳定的最大传感系数。

14、基于本发明另一目的的基于增量调制的光纤传感测量方法，所述第一相位延迟器和所述第二相位延迟器的调整范围为-90°~90°。

15、基于本发明另一目的的基于增量调制的光纤传感测量方法，在所述互易光路中，所述实测光路的实测干涉光和所述参考光路的参考干涉光为90°相位差时两边的输出强度相等，90°相位差为最佳工作点，此时进行相位锁定。

16、第二方面，本发明还提出了一种基于增量调制的光纤传感测量装置，所述的基于增量调制的光纤传感测量装置包括：

17、分光单元，将光源发出的激光经过脉冲调制和相位调制后分为实测光路和参考光路，

18、第一干涉单元，用于形成实测光路，所述实测光路为与目标对象产生互动的光路，实测光路的激光经由增量调制后形成实测干涉光；

19、第二干涉单元，用于形成参考光路，所述参考光路未与目标对象产生互动，参考光路的激光经由增量调制后形成参考干涉光；

20、转换单元，用于：所述实测光路和参考光路形成互易光路，通过相位调制实现不同时刻的光相干叠加，经过干涉后的所述实测干涉光和所述参考干涉光经由光电转换后通过光电探测器进行显示，以实现目标对象的测量。

21、基于本发明另一目的的基于增量调制的光纤传感测量装置，还包括：增量调制单元，用于：

22、所述实测光路的光未经过保偏光纤延迟线返回单模光纤传感鼓的实测干涉光的相位信息，后期则经过所述保偏光纤延迟线传至第一保偏光纤环形器；

23、所述参考光路的光先经过保偏光纤延迟线再返回单模光纤鼓的参考干涉光的相位信息；

24、由于实测光路和参考光路为互易光路，能够将不同时刻的实测光路的光和参考光路的光相干叠加。

25、基于本发明另一目的的基于增量调制的光纤传感测量装置，所述第一干涉单元还包括第一相位延迟器：实测光路的光通过第一相位延迟器，经由增量调制后进入集成单模光纤法拉第旋转镜的单模光纤传感鼓，然后携带实测传感信号返回；返回光进入增量调制后形成实测干涉光；

26、所述第二干涉单元还包括第二相位延迟器：所述参考光路的光通过第二相位延迟器，经由增量调制后进入集成单模光纤法拉第旋转镜的单模光纤传感鼓，然后携带参考传感信号返回；返回光经由增量调制后形成参考干涉光。

27、从上面所述可以看出，本发明提供的基于增量调制的光纤传感测量方法和装置，通过相位延迟技术实现增量调制，去除了原自有的低频相干噪声的缺陷，实现了100hz以下低频信号的高灵敏度测量，拓展了应用场景；能够实现频域和时域信号的同步探测，通过相位延迟，设计的光路互易，将不同时刻的光相干来叠加，解决了传统光纤干涉仪传感倍率浮动变化的问题（只有大约20%的工作时间），基于此，利用相位解调技术，可以线性地解调出真实信号，同时解调出信号的频域信息，使得其可以在信号读取时能在时域清晰观察到时域振动信号；探测工作时间稳定，灵敏度保持高且稳定，基于光信号传输偏振态保持，采用锁定90°相位，由于是保偏耦合器，没有其他的噪声，所以是锁定最佳工作点的利器，传感比例锁定在最灵敏点附近，是普通单模光纤干涉仪灵度的380~400倍，稳定线性传感；相干噪声去除和低频信号探测，单模光纤的偏振态是不可保证的，造成在两个干涉仪相干时有低频随机浮动，由于传统光纤熔融拉锥后是个琴弦，所以一直有一个随机多谐振高频信号（相位及偏振态随机变化）切割低频信号，100赫兹基本上是测试极限，经由增量调制使前后时刻相干来判定相位变化，且在本发明中将延迟线光的渡越时间为采样间隔，比如204米的延迟线其渡越时间是1微秒，相干的结果就是光纤鼓收到0秒与1微秒的变化，这样也确保了在采样世界间隔内是是高度相干的，突破了传统光纤干涉仪的100赫兹低频极限的瓶颈。