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专利名称：光纤激光传感器动态信号解调方法
技术领域：
本发明属于光纤传感系统及信号解调技术领域。与光纤传感器、光纤布拉格光栅、 双波长光纤激光器、偏振光纤激光器、调频解调技术等有关，涉及信号调理、信号处理等方 面，广泛适用于对各类动态物理量的测量。光纤激光传感器的动态解调方法是对双波长型、 多纵模型、偏振型等拍频输出型动态传感器的传感信息进行解调的一种新的技术。
背景技术：
光纤传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀、本质安全、体积小、重量轻、抗干扰能力强、 波长编码、易于复用组网等优点，它可以用来测量应变、温度、振动等物理信息。光纤传感 器近年来得到了迅速发展，它被广泛的应用于大型建筑物、工业监测、地震监测等领域，特 别是在各种大型机电、石油化工、矿井等强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中。光纤传感器 的基本原理为外界信号按其变化规律使光纤中传输的光波物理特征参量发生变化，测量激 光参量的变化就可以得到外界信号的变化。比如光纤光栅激光器的中心波长随着应变或者 温度的变化发生漂移，通过测量它的中心波长的变化就可以对应变、温度或者振动进行检 测[1]。另外一种方法是通过测量分布反馈式激光器两个正交模激光之间的拍频来测量应 变或者温度[2]。采用拍频的方法使得解调的成本大大降低、系统的稳定性也得到了一定 的提高。在各种光纤传感器里面，光纤动态信号传感器比光纤应变或者温度传感器都要复 杂。因为光纤动态信号监测传感器不仅需要传感器有很好的回复性、非常高的灵敏度，更需 要复杂的解调技术。光纤传感器和光纤传感信号解调方法是密不可分、相辅相成的，一套优 秀的光纤动态传感系统必须有着与之相匹配的解调方法。比如K. P. Koo等人利用干涉解调 的方法实现了对动态信号的测量[3]。再如另外一种方法是利用瑞利背向散射来测量动态 信号[4]。近年来光纤传感器及解调方法在中国也得到了快速的发展，一些新的技术逐步产 生。如中国专利申请CN200610156341公开了一种新型分布式光纤振动传感系统，采用萨格 奈克/马赫-泽德混合干涉仪光路进行振动传感，并且采用幅度对比进行振动定位。采用 消偏技术，在光源出射端和光纤环中加入洛埃特消偏器，稳定了萨格奈克干涉仪光路中的 干涉输出，提高了传感器输出信息的检测精度[5]。中国专利申请CN200910233914. 1公开 了 “光纤布拉格光栅激光器的传感方法”，利用频谱仪来检测一个双波长激光器之间的拍频 实现对温度和应变的监测；或者在一段光纤两端接两个光纤布拉格光栅作为反射镜，这段 光纤里面至少有一部分是掺铒光纤，从而形成一个谐振腔，这样就产生了很多模式的激光。 通过频谱仪测量任意两个模式之间的拍频来检测应变和温度的变化[6]。但是此系统中的 解调方法只能用来测量静态的应变和缓变的温度。本发明的主要思想是利用一种新的解调 方法对拍频输出型的光纤激光传感器进行信号解调，使其能实现对动态信号的检测。[l]Alan D. Kersey, Michael A. Davis, Heather J. Patrick, et al, "Fiber Grating Sensors, "J. Lightwave Technol，VOL. 15，NO. 8，AUGUST 1997.[2]01iver Hadeler, Erland Rj0nnekleiv, Morten Ibsen, and Richard I. Laming,"Polarimetricdistributed feedback fiber laser sensorfor simultaneous strain and temperaturemeasurements, ” APPLIED OPTICS, VOL. 38，NO. 10，1999.[3]K. P. Koo and A. D. Kersey, "Bragg Grating-Based Laser Sensors Systems withInterferometrie Interrogation and Wavelength Division Multiplexing," J. Lightwave Technol.，VOL. 13，NO. 7，1995.[4]Ziyi Zhang and Xiaoyi Bao,"Continuous and damped vibration detection based on fiberdiversity detection sensor by Rayleigh backscattering," J. Lightwave Technol.，VOL. 26，NO. 7,2007.[5]张春熹，蓝天，李彦，李立京，徐宏杰，罗光明，“分布式光纤振动传感器”，发明 专利(申请号/专利号:CN200610156341)[6]陈向飞，刘盛春，殷作为，张亮，高亮，“光纤布拉格光栅激光器的传感方法”，发 明专利(申请号:CN200910233914. 1)

发明内容
本发明要解决的问题是传统的光纤干涉型动态传感信号解调系统易受外界干 扰，测量精度不高，对波长的稳定性要求很高，不够稳定，并且成本较高。目前双波长和多纵 模光纤激光传感器目前只能测量静态的应变。本发明的目的在于公开一种新的光纤激光传 感器动态信号解调方法。本发明的技术方案为光纤激光传感器动态信号解调方法，首先建立传感系统， 传感系统包括拍频信号产生部分和信号解调部分，拍频信号产生部分产生拍频信号，并通 过传感探头接受动态信号，原始拍频信号被动态信号调制得到调频信号，调频信号输入信 号解调部分，信号解调部分完成滤波、混频处理，并通过调频解调器对调频信号进行解调， 得到调制信号，即动态信号，将调制信号经AD数据采集卡模数转换后，送入数字处理电路 处理得到动态信号的频率、加速度参数，其中调频解调器的输出电压至少在f。_Afmax至 f。+Afmax的范围内与频偏成线性关系，f。和Afmax分别为调频解调器能解调的调频信号的 载波频率和最大频偏。传感探头采用多纵模光纤激光传感器，它对应力的响应为
权利要求
1.光纤激光传感器动态信号解调方法，其特征是首先建立传感系统，传感系统包括拍 频信号产生部分和信号解调部分，拍频信号产生部分产生拍频信号，并通过传感探头(3) 接受动态信号，原始拍频信号被动态信号调制得到调频信号，调频信号输入信号解调部分， 信号解调部分完成滤波、混频处理，并通过调频解调器(9)对调频信号进行解调，得到调制 信号，即动态信号，将调制信号经AD数据采集卡(10)模数转换后，送入数字处理电路(11) 处理得到动态信号的频率、加速度参数，其中调频解调器(9)的输出电压至少在f。_ Afmax至 f。+Afmax的范围内与频偏成线性关系，f。和Afmax分别为调频解调器(9)能解调的调频信 号的载波频率和最大频偏。
2.根据权利要求1所述的光纤激光传感器动态信号解调方法，其特征是传感探头(3) 采用多纵模光纤激光传感器，它对应力的响应为
3.根据权利要求1所述的光纤激光传感器动态信号解调方法，其特征是传感探头(3) 采用双波长光纤激光器或者偏振光纤激光器，拍频信号产生部分只输出一个拍频信号，拍 频信号随应变的变化关系为
4.根据权利要求1或2或3所述的光纤激光传感器动态信号解调方法，其特征是拍频 信号产生部分包括泵浦光源(1)、波分复用器(2)、传感探头(3)、传输光纤(4)和光电探测 器(5)，信号解调部分包括射频带通滤波器(6)，混频器(7)，本征信号源(8)，调频解调器 (9)，AD数据采集卡(10)和数字处理电路(11)，泵浦光源(1)发出的光经过波分复用器(2) 进入传感探头(3)，传感探头(3)产生的激光经过传输光纤(4)输入光电探测器(5)，任意 两个模式或者波长或者偏振之间产生拍频信号，动态信号作用在传感探头(3)上时，拍频 信号被动态信号调制，光电探测器(5)的输出作为拍频信号产生部分的输出，输出被调制 的拍频信号，为调频信号，将调频信号送入射频带通滤波器(6)，滤出一个合适的调频信号， 所述合适的调频信号需要有足够的灵敏度和稳定性，对于多纵模光纤激光器传感探头采用 1-2GHZ之间的一个信号，对于双波长光纤激光传感探头和偏振光纤激光传感探头，只有一 个调频信号，只要把噪声滤去即可，然后将调频信号送入混频器(7)下变频到一个合适的 频率，所述合适的频率与调频解调器(9)能够解调的调频信号的载波频率f。匹配，混频器 (7)的本征信号由本征信号源(8)提供，调频信号送入调频解调器(9)进行解调，调频解调 器(9)的输出电压至少在f。_Afmax至f。+Afmax的范围内与频偏成线性关系，f。和Afmax分 别为调频解调器(9)能解调的调频信号的载波频率和最大频偏且Afmax应不小于从拍频信 号产生部分输出的调频信号的最大频偏，调频解调器的输出信号送入AD数据采集卡(10) 对信号进行模数转换，得到数字信号，用数字处理电路(11)对数字信号进行处理，得到动 态信号的各项具体参数。
5.根据权利要求4所述的光纤激光传感器动态信号解调方法，其特征是传感探头(3) 为多纵模光纤激光时，由两个光纤布拉格光栅、掺铒光纤和普通单模光纤构成，传感探头 (3)为双波光纤激光传感探头时由双波长光纤激光器构成，传感探头(3)为偏振光纤激光 传感探头时由偏振光纤激光器构成。
6.根据权利要求1或2或3所述的光纤激光传感器动态信号解调方法，其特征是动态 信号包括振动信号、声场信号。
7.根据权利要求4所述的光纤激光传感器动态信号解调方法，其特征是动态信号包括 振动信号、声场信号。
8.根据权利要求5所述的光纤激光传感器动态信号解调方法，其特征是动态信号包括 振动信号、声场信号。
全文摘要
光纤激光传感器动态信号解调方法，建立传感系统，包括拍频信号产生部分和信号解调部分，拍频信号产生部分产生拍频信号，并通过传感探头接受动态信号，原始拍频信号被动态信号调制得到调频信号，调频信号输入信号解调部分，通过调频解调器对调频信号进行解调，得到调制信号，即动态信号，将调制信号经AD数据采集卡模数转换后，送入数字处理电路处理得到动态信号的频率、加速度参数。本发明不受光强波动、电磁干扰等的影响，与已知的光纤动态解调方法相比，该检测方法易于实现，工作稳定可靠并且成本低廉。
文档编号G01D3/028GK102003970SQ20101050586
公开日2011年4月6日 申请日期2010年10月14日 优先权日2010年10月14日
发明者刘盛春, 殷作为, 陈向飞, 高亮 申请人:南京大学