一种光电混合振荡的光纤传感方法及系统

本发明涉及光纤传感，尤其涉及一种光电混合振荡的光纤传感方法及系统。

背景技术：

1、光纤传感技术以其损耗低、重量轻、带宽大、抗电磁干扰和多变量敏感等固有优点得到了迅速发展。光纤传感器利用光纤作为传感元件，将光从光源通过待测点传输到接收器，在待测点，振幅、波长、相位和偏振等光参数被调制为与温度、应变、位移、折射率和角速度等待测量有关的函数。许多高精度测量任务都利用光相位来传递传感信息，激光干涉仪是一种典型的结构，单频激光干涉仪本质上是将传感元件引入的光相位编码到采集光谱的干涉条纹图中，但受到激光频率噪声的严重影响。在某些特定应用中，待测量非常小且微弱信号意味着与探测器读出相关的噪声源应降低到极低的水平，虽然一些数字相位解调技术已经广为人知，但由于仪器本底噪声有限，相位测量在检测极限上仍然面临很大挑战。

2、现有技术中，在经典的光电振荡器中，为了获得较高的频谱纯度，总是使用低损耗的长光纤作为其腔长的一部分，但容易受到环境扰动的影响，并且难以与待测量区分。虽然有一些技术能够实现高传感灵敏度，但其灵敏度的可重构性较差，不能满足多种需求。更重要的是，激光频率的随机漂移会大大降低传感精度。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明实施例提供了一种光纤混合振荡的光纤传感方法及装置，以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷，解决了现有技术中传感精度低和灵敏度可重构性差的问题。

2、本发明的一个方面提供了一种光电混合振荡的光纤传感系统，所述系统包括：

3、光频梳产生设备，包括激光器和相位调制器，所述相位调制器通过射频信号对所述激光器生成的连续波进行调制并获得光频梳；

4、干涉仪模块，包括部署偏振控制器和声光调制器的参考臂、部署传感光纤的传感臂、第一耦合器和第二耦合器，第一耦合器接收所述光频梳后分为第一光频梳和第二光频梳；所述第一光频梳输入传感臂后所述传感光纤受到待测量影响产生光纤延迟变化，引起所述传感臂的第一光频梳产生待测量相位并获得传感光梳，所述第二光频梳输入参考臂后经过偏振控制器调整干涉状态，并经过由驱动信号驱动的声光调制器进行光学移频以获得与传感光梳具有频率差的参考光梳；将所述参考光梳和所述传感光梳通过第二耦合器进行耦合获得目标光频梳；

5、光滤波器，接收所述目标光频梳并根据灵敏度需求从目标光频梳中选取第一光谱区和第二光谱区，所述第一光谱区包含经过参考臂获得的第一参考光和经过传感臂的第一传感光，所述第二光谱区包含经过参考臂获得的第二参考光和经过传感臂的第二传感光；

6、第一光电转换支路，包含第一光电探测器、第一电放大器和第一带通滤波器，所述第一光电探测器接收具有频率差的所述第一传感光和所述第一参考光并输出与待测量相位相关的第一差频电信号，对所述第一差频电信号进行放大和带通滤波后获得第一电信号；

7、第二光电转换支路，包含第二光电探测器、第二电放大器和第二带通滤波器，所述第二光电探测器接收具有频率差的所述第二传感光和所述第二参考光并输出与待测量相位相关的第二差频电信号，对所述第二差频电信号进行放大和带通滤波后获得第二电信号；

8、闭环振荡腔模块，包括第一混频器、第二混频器、第三带通滤波器、第三电放大器、第四带通滤波器和功分器，通过第一混频器对所述第一电信号进行上变频后经第三带通滤波器输出至包含第二电信号的第二混频器并进行下变频获得载有两个电信号相位差的振荡信号，所述振荡信号通过第三电放大器和第四带通滤波器进行放大和滤波获得目标振荡信号，将所述目标振荡信号输入功分器并分别传输至第一混频器和目标振荡信号频移测量端；所述目标振荡信号频移测量端用于测量所述目标振荡信号的频移，所述目标振荡信号频移与所述光纤延迟变化建立映射关系反映所述传感光纤受到的待测量影响。

9、在一些实施例中，所述相位调制器通过射频信号对所述激光器生成的连续波进行调制并获得光频梳，光频梳中每根光学梳线的频率表达式为：

10、f＝f0+kfrf；

11、其中，k表示选定的光学梳线在光频梳中的序列编号，f0表示激光器激光的中心频率，frf表示射频信号的中心频率。

12、在一些实施例中，所述第一光频梳输入传感臂后所述传感光纤受到待测量影响产生光纤延迟变化，与所述参考臂的光纤延迟差表达式为：

13、τ＝τ0+τ(t)；

14、其中，τ0表示固定延迟，τ(t)表示受到待测量影响产生的光纤延迟变化。

15、在一些实施例中，通过第一光电转换支路和第二光电转换支路将第一光谱区和第二光谱区转化为所述第一电信号和所述第二电信号，获得的所述第一电信号和所述第二电信号表达式为：

16、v1,2(t)∝cos[2πfmt+2π(f0+kfrf)(τ0+τ(t))]；

17、通过第一混频器对所述第一电信号进行上变频后经第三带通滤波器输出至包含第二电信号的第二混频器并进行下变频获得载有两个电信号相位差的振荡信号，两个电信号相位差中与待测量相关的表达式为：

18、

19、其中，fm表示驱动信号的中心频率，k表示选定的光学梳线在光频梳中的序列编号，(f0+kfrf)表示每根光学梳线的频率，f0表示激光器激光的中心频率，frf表示射频信号的中心频率，(τ0+τ(t))表示参考臂和传感臂之间的光纤延迟差，τ0表示固定延迟，τ(t)表示受到待测量影响产生的光纤延迟变化，m表示第一光谱区的光学梳线，n表示第二光谱区的光学梳线。

20、在一些实施例中，所述第一光电转换支路还包括移相器，所述功分器将所述目标振荡信号传输至所述第一混频器后形成闭环振荡腔，所述移相器用于调整振荡频率以满足所述闭环振荡腔的稳定振荡条件。

21、在一些实施例中，为了满足所述闭环振荡腔的稳定振荡条件，所述移相器对所述振荡频率进行调整，表达式为：

22、

23、其中，m表示第一光谱区的光学梳线，n表示第二光谱区的光学梳线，τcavity表示闭环振荡腔的延迟，n表示振荡模式的阶数，φ0为固定延迟和所述移相器引起的相位常数。

24、在一些实施例中，所述传感臂上的光纤延迟变化引起所述振荡频率移动，表达式为：

25、

26、其中，δτ表示光纤延迟的变化量，frf表示射频信号的中心频率，τcavity表示闭环振荡腔的延迟，m表示第一光谱区的光学梳线，n表示第二光谱区的光学梳线。

27、在一些实施例中，所述目标振荡信号频移测量端包括：

28、频率计数器，通过高分辨率高速的频率计数器测量所述目标振荡信号的频移。

29、另一方面，本发明还提供了一种光电混合振荡的光纤传感方法，所述方法包括：

30、将上述光电混合振荡的光纤传感系统置于待测的环境中并输出目标振荡信号频移，所述目标振荡信号频移与所述光纤延迟变化建立映射关系反映传感光纤受到的待测量影响。

31、在一些实施例中，所述方法还包括：通过改变第一光谱区和第二光谱区的频率间隔或闭环振荡腔的延迟可以重构传感灵敏度。

32、本发明的有益效果至少是：

33、本发明所述光电混合振荡的光纤传感方法及系统中，将获取的光频梳分别输入干涉仪模块的参考臂和传感臂，所述传感臂上的传感光纤受到待测量影响产生光纤延迟变化，所述参考臂上的光频梳使用声光调制器产生光学移频并与所述传感臂上的光频梳产生频率差，所述参考臂上输出参考光梳，与所述传感臂上输出的传感光梳耦合后输出至光滤波器并选择两个光谱区，光谱区中包含各光学梳线的传感光和参考光，并分为两路传输至光电转换支路，通过光电探测器获得差频电信号，所述差频电信号载有待测量相位，不仅有利于避免低频噪声而且确保与后续电学器件的带宽匹配；将各支路差频电信号进行电放大以增强信号的强度便于后续的处理，并使用带通滤波器选择需要的频率通过，减少噪声干扰并提高信号的质量和稳定性。将两个支路的电信号相位差通过第一混频器、第二混频器和第三带通滤波器组成的频率转换对传入第三电放大器和第四带通滤波器，通过功分器将目标振荡信号分别传输至第一混频器和频移测量端，传输至第一混频器后形成闭环振荡腔。两个支路的电信号相位差经过循环积累直至振荡回路的增益逐渐饱和，形成稳定的振荡信号频移，提高光纤传感系统检测极限的同时也进一步保证频移测量端的输出稳定，所述目标振荡信号频移与所述光纤延迟变化建立映射关系反映所述传感光纤受到的待测量影响。

34、进一步的，本发明根据灵敏度需求选取满足频率间隔需要的两个光谱区，并通过第四带通滤波器提供闭环振荡腔的延迟，对所述频率间隔和所述闭环振荡腔的延迟进行设置有利于构建不同灵敏度的光纤传感系统以满足不同情况的需求，且通过所述第四带通滤波器提供闭环振荡腔的延迟有利于降低外界环境对信号传输的影响并提高信号传输的稳定性。

35、本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在说明书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。

36、本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。