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基于光電振蕩器的振動信息獲取方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于光電振蕩器的振動信息獲取方法，包括如下步驟：在光電振蕩器中將光源產生的光載波通過單邊帶調制獲得調制光信號；利用光電振蕩器的儲能光纖拾取來自振動體的振動信息，并加載至所述調制光信號得到載有振動信息的光信號；將載有振動信息的光信號進行光電轉換和振蕩，得到振蕩信號；將振蕩信號進行處理和采集后進行數字解調，得到所述振動信息。本發明利用光電振蕩器的長儲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波動的影響，可實現高靈敏度的振動信號測量。
【專利說明】基于光電振蕩器的振動信息獲取方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及光纖傳感與數字信號處理領域，尤其是涉及一種基于光電振蕩器的振動息獲取方法。
【背景技術】
[0002]光纖傳感器具有抗干擾能力強，耐腐蝕的特點，被廣泛運用于溫度，應力，振動，聲場等參數的測量，特別是惡劣環境下傳統傳感器無法勝任的領域，如礦井、油井，大型發電機組與核電站等強輻射與電磁干擾環境下的測量。
[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:外界物理量變化導致光纖內傳輸的光信號的參數(相位、偏振態等)發生變化，并通過相干檢測得到待求的物理量。該類傳感器靈敏度高，易受外界環境的干擾，一般需要通過正交解調技術來改善系統穩定性。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致光柵固有布拉格波長發生變化，通過解析光柵反射或者透射光譜即可得到待求物理量。該類傳感器結構簡單，易復用，但波長解析系統相對復雜且昂貴。
[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，當施加在諧振腔上的外界物理量發生變化時，諧振腔光纖由于彈光效應、熱光效應等，其折射率發生變化，即等效腔長發生變化，腔內固有的模式間隔相應地發生變化，通過對各個縱模的拍頻信號頻率進行解調即可得到待測物理量。當諧振腔內同時存在兩個偏振模時，外界物理量導致的光纖快軸與慢軸方向折射率變化的各向異性會使諧振腔內同時存在兩組偏振模光頻梳，通過偏振模拍頻信號頻率的解調即可得到待測信號。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，腔內多縱模信號存在均勻展寬效應導致的模式競爭，拍頻信號信噪比不高，采用長諧振腔時成本較高。

【發明內容】

[0005]本發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，通過對光電振蕩器內多縱模拍頻信號的數字解調，并合理地選取傳感光纖長度可實現振動信號的解調。采用長距離的儲能光纖提高諧振腔Q值，可得到高質量的多縱模信號，同時長儲能光纖也是傳感光纖，能夠實現更高的檢測靈敏度。
[0006]一種基于光電振蕩器的振動信息獲取方法，包括如下步驟:
[0007]在光電振蕩器中將光源產生的光載波通過單邊帶調制獲得調制光信號；
[0008]利用光電振蕩器的儲能光纖拾取來自振動體的振動信息，并加載至所述調制光信號得到載有振動信息的光信號；
[0009]將載有振動信息的光信號進行光電轉換和振蕩，得到振蕩信號；
[0010]將振蕩信號進行處理和采集后進行數字解調，得到所述振動信息。
[0011]本發明利用光電振蕩器諧振腔的光學部分進行測振，并對采集到的信號處理至低頻，并通過時頻分析進行解調。
[0012]光電振蕩器克服了現有技術所采用的光纖激光器測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質量非常好，能夠提高分辨率。
[0013]進行振蕩的方法為，對載有振動信息的光信號進行光電轉換并依次經過帶通濾波器和射頻放大器后反饋回單邊帶調制器，利用所構成的閉環產生振蕩，其中所述振蕩信號在射頻放大器輸出端獲取。
[0014]通過環路將信號進行反饋用于對光波的調制，以建立穩定的振蕩。當調制器采用雙邊帶調制時，上下邊帶分別與載波拍頻所得的射頻信號因頻率和幅度相同，相位相反，經不同長度的傳感光纖色散后拍頻信號強度不同，難以控制，故需采用單邊帶調制。
[0015]射頻放大的放大增益大于40dB。
[0016]進行射頻放大時，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分為兩路，其中一路經正交耦合器后反饋至雙電極馬赫增德爾調制器進行單邊帶調制，另一路用于進行所述處理和采集。
[0018]采用單邊帶調制時，在小信號調制下，3dB耦合器將輸入的信號分為能量相同的兩路信號進行輸出，雙電極馬赫增德爾調制器的射頻輸入端引入90°的相位差，兩個射頻輸入端的信號正交時，可獲得單邊帶調制，此時光電振蕩器可建立起穩定的振蕩。
[0019]所述光載波為激光經過偏振后所得的偏振光。
[0020]激光經過偏振后能夠克服單邊帶調制器的插入損耗。
[0021]其中利用窄線寬半導體激光發生器來產生激光。
[0022]利用窄線寬半導體激光發生器所產生的激光具有相干性，具有良好的抗環境干擾能力。
[0023]所述儲能光纖為單模光纖。
[0024]單模光纖成本低廉，對于頻率較高的待測振動信號具有較好的靈敏度。當待測振動信號頻率較低時，可采用更大長度的傳感光纖，提高檢測靈敏度。
[0025]將振蕩信號進行處理的方式為，將振蕩信號與微波信號源產生的射頻信號進行混頻，再進行低通濾波。
[0026]振蕩信號在整個諧振腔內必須連續。因為載有振動信息的光信號在轉換為電信號后經過了帶通濾波，所以光電振蕩器不能直接輸出低頻信號，需要與微波信號源混頻到低頻再檢測。
[0027]射頻信號在混頻器中與微波信號源產生的固定頻率的射頻信號混頻至較低頻率，經低通濾波器濾出較低頻率的混頻信號，由高速采集卡采集并進行數字解調以得到振動信肩、O
[0028]本發明通過采用長的儲能光纖作為傳感光纖，能夠提高振動信號檢測的靈敏度，同時可提高諧振腔的Q值，獲得低噪聲的多縱模信號，提高檢測精度。與其他無源光纖傳感器相比，該裝置將振動信息編碼在多縱模拍頻信號的頻率上而非相位上，因此對光源功率波動的影響不敏感。與基于光纖激光器的光纖傳感器方案相比，該裝置的儲能光纖采用普通單模光纖，價格低廉。【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為本發明一個實施例所采用的裝置結構示意圖；
[0030]圖2為本發明當前實施例雙電極馬赫增德爾調制器的單邊帶調制示意圖。
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖1對本發明做進一步說明。
[0032]如圖1所示，本發明一個實施例的方法所采用的基于光電振蕩器的振動信號解調裝置，包括:光電振蕩器、混頻器10、微波信號源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制器3、傳感光纖4、高速光電探測器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]本發明當前實施例中，光源為由激光器I和偏振控制器2所構成，用于產生作為光載波的偏振光。激光器I是窄線寬半導體激光發生器，輸出光為相干光，具有良好的抗環境干擾能力。激光器I的輸出光由偏振控制器2調整偏振態后進入雙電極馬赫增德爾調制器3，以獲得最小的偏振相關損耗。
[0034]雙電極馬赫增德爾調制器3為鈮酸鋰電光強度調制器，通過調節兩個偏置端口電壓大小使兩臂產生90度初 始相移，當兩個輸入端的信號正交時可獲得單邊帶調制。
[0035]雙電極馬赫增德爾調制器的輸出光進入繞置在振動體上的儲能光纖4以拾取振動信號，在振動信號中含有需要得到的振動信息。儲能光纖4的輸出信號依次經過光電探測器5、帶通濾波器6、射頻放大器7與3dB射頻耦合器8。儲能光纖4為普通單模光纖。當待測振動信號頻率較低時，可采用更大長度的儲能光纖，提高檢測靈敏度。光電探測器5為高速光電探測器，具有較高的光電轉換效率。
[0036]3dB射頻耦合器將8射頻放大器7的輸出的信號分為兩路: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分別輸入雙電極馬赫增德爾調制器3的兩個射頻輸入端，用于將輸入的偏振光進行單邊帶調制后得到拍頻信號。另一路信號在混頻器10中與微波信號源11產生的固定頻率的射頻信號混頻至中頻，然后經低通濾波器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進入雙電極馬赫增德爾調制器之前，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定的時間較短，因此在預估的時間后，認為光電振蕩器振蕩穩定，由高速采集卡13將采集到的信號進行數字解調，以得到儲能光纖上拾取的振動信息。
[0038]本發明的工作原理如下:
[0039]光電振蕩器環路中加入了帶通濾波器，用于限制產生振蕩的縱模數量，但光電振蕩器仍為多縱模工作狀態。諧振腔內各模式的頻率為:
[0040]fN =4，其中N為模式的序數，取值為遠大于I的正整數，c為真空中的光速，η為
UL
光纖折射率，L為諧振腔長度，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。[0041]當調制器采用雙邊帶調制時，上下邊帶分別與載波拍頻所得的射頻信號因頻率和幅度相同，相位相反，經不同長度的傳感光纖色散后拍頻信號強度不同，難以控制，故需采用單邊帶調制。采用單邊帶調制時，如圖2所示，輸入信號表示為e^ot,射頻輸入端其中一端的輸入表示為cos ( ?KFt)，在小信號調制下，雙電極馬赫增德爾調制器的兩臂通過偏置
電壓Vbias引入f的相位差，兩個射頻輸入端的信號正交時，可獲得單邊帶調制，此時光電振
蕩器可建立起穩定的振蕩。諧振腔內所有振蕩模式滿足無失真傳輸條件，拍頻信號滿足相干疊加條件。各諧波在光電探測器中拍頻后疊加的結果是，拍頻信號頻率越高，功率越小；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振蕩的模式數量。
[0042]該系統對應力的瞬時響應可描述為:...,.,dn dL、..
[0043]
【權利要求】
1.一種基于光電振蕩器的振動信息獲取方法，其特征在于，包括如下步驟: 在光電振蕩器中將光源產生的光載波通過單邊帶調制獲得調制光信號； 利用光電振蕩器的儲能光纖拾取來自振動體的振動信息，并加載至所述調制光信號得到載有振動信息的光信號； 將載有振動信息的光信號進行光電轉換和振蕩，得到振蕩信號； 將振蕩信號進行處理和采集后進行數字解調，得到所述振動信息。
2.如權利要求1所述基于光電振蕩器的振動信息獲取方法，其特征在于，進行振蕩的方法為，對載有振動信息的光信號進行光電轉換并依次經過帶通濾波器和射頻放大器后反饋回單邊帶調制器，利用所構成的閉環產生振蕩，其中所述振蕩信號在射頻放大器輸出端獲取。
3.如權利要求2所述基于光電振蕩器的振動信息獲取方法，其特征在于，射頻放大的放大增益大于40dB。
4.如權利要求2所述基于光電振蕩器的振動信息獲取方法，其特征在于，其中，利用3dB耦合器將射頻放大器輸出的信號分為兩路，其中一路經正交耦合器后反饋至雙電極馬赫增德爾調制器進行單邊帶調制，另一路用于進行所述處理和采集。
5.如權利要求1所述基于光電振蕩器的振動信息獲取方法，其特征在于，所述光載波為激光經過偏振后所得的偏振光。
6.如權利要求3所述基于光電振蕩器的振動信息獲取方法，其特征在于，其中利用窄線寬半導體激光發生器來產生激光。
7.如權利要求1所述基于光電振蕩器的振動信息獲取方法，其特征在于，所述儲能光纖為單模光纖。
8.如權利要求1所述基于光電振蕩器的振動信息獲取方法，其特征在于，將振蕩信號進行處理的方式為，將振蕩信號與微波信號源產生的射頻信號進行混頻，再進行低通濾波。
【文檔編號】G01H9/00GK103968934SQ201410151576
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月16日 優先權日:2014年4月16日
【發明者】祝艷宏 申請人:浙江大學