對(duì)偏振態(tài)變化不敏感的高精度光纖光柵傳感解調(diào)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種對(duì)偏振態(tài)變化不敏感的高精度光纖光柵傳感解調(diào)方法，包括：將兩路光纖光柵反射譜S1、S2分別進(jìn)行小波變換，得小波變換的結(jié)果WT1和WT2，再由此計(jì)算S1、S2的時(shí)間-小波能量譜H1和H2；檢測H1、H2的峰值位置，再根據(jù)檢測出的峰值位置，將H1、H2分別進(jìn)行能量融合得到新的時(shí)間-小波能量譜E1、E2；檢測E1、E2的峰值位置，得到峰值位置P1和P2，再將其相減得到兩個(gè)峰值位置的差值，即兩路光纖光柵反射譜的波長差。本發(fā)明的解調(diào)方法能夠有效地解決單模光纖中偏振態(tài)不穩(wěn)定造成解調(diào)結(jié)果出錯(cuò)的問題，通過小波時(shí)頻能量譜代替光纖光柵的反射譜實(shí)現(xiàn)光纖光柵的反射峰的探測，可以對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行降噪處理，進(jìn)一步提高解調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)變測量精度。
【專利說明】對(duì)偏振態(tài)變化不敏感的高精度光纖光柵傳感解調(diào)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光纖傳感【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種對(duì)偏振態(tài)變化不敏感的高精度光纖 光柵傳感解調(diào)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 伴隨著窄線寬激光器和光纖光柵傳感解調(diào)技術(shù)的長足發(fā)展，基于窄線寬激光器和 光纖光柵的超高分辨率靜態(tài)應(yīng)變測量方案受到光纖傳感領(lǐng)域科研工作者的重視（Q. w. Liu. An ultra-high-resolution FBG static-strain sensor for geophysis applications. PiOc.of SPIE，V〇1.7653,76530W，2010)。為了進(jìn)一步提高這個(gè)技術(shù)方案的應(yīng)變測量分辨 率，要求光纖光柵具有更窄的帶寬。為此，日本東京大學(xué)提出了多種技術(shù)方案，采用比光纖 光柵具有更窄的帶寬的光纖光柵法-珀干涉儀來實(shí)現(xiàn)更高精度的靜態(tài)應(yīng)變測量（Q. W. Liu. Ultra-high-resolution large-dynamic-range optical fiber static strain sensor using Pound-Drever-Hall technique. Optics letters，36 (20) ,4044-4046, 2011)。與此同時(shí)，劉 慶文在其專利號(hào)為CN202853879U、CN203100689U、CN102818695A等專利中，也提出了利用 一個(gè)參考的光纖環(huán)形腔和一個(gè)傳感光纖光柵的方案來檢測應(yīng)變，該方案也具有較大的應(yīng)變 測量動(dòng)態(tài)范圍和較高的應(yīng)變測量分辨率。
[0003] 但是，以上幾種基于光纖光柵法-珀干涉儀或光纖環(huán)行腔的高精度靜態(tài)應(yīng)變測量 技術(shù)方案，都存在一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問題：偏振態(tài)的不穩(wěn)定會(huì)讓系統(tǒng)解調(diào)結(jié)果出錯(cuò)。這是因?yàn)?單模光纖存在兩個(gè)正交的偏振態(tài)，每個(gè)偏振態(tài)對(duì)于一個(gè)反射峰；實(shí)際傳感解調(diào)過程中，我們 只用到其中一個(gè)反射峰，即只需要其中一個(gè)偏振模式；而兩個(gè)偏振態(tài)在外界環(huán)境擾動(dòng)下的 此長彼消，會(huì)讓解調(diào)結(jié)果出錯(cuò)。因此，上述方案，都通過外接一個(gè)偏振控制器來控制這兩個(gè) 偏振態(tài)（消除其中一個(gè)偏振態(tài)）以保證最終解調(diào)結(jié)果不受偏振態(tài)的影響；而實(shí)際中，偏振態(tài) 在外界環(huán)境的擾動(dòng)下會(huì)不斷發(fā)生變化。偏振控制器可以在短期保證想要的偏振輸出狀態(tài)， 但是長時(shí)間后整個(gè)解調(diào)系統(tǒng)還是會(huì)因?yàn)槠駪B(tài)的不穩(wěn)定出錯(cuò)。雖然，商用的偏振分析儀可 以輸出穩(wěn)定的偏振模式，但是這種儀器太昂貴。因此，需要研究一種方法，來解決這種基于 光纖光柵法-珀干涉儀或光纖環(huán)行腔的高精度靜態(tài)應(yīng)變解調(diào)系統(tǒng)中偏振態(tài)不穩(wěn)定對(duì)解調(diào) 結(jié)果造成影響的問題。
[0004] 小波分析是一種處理非平穩(wěn)信號(hào)的有力工具，并且通過小波變換可以獲得時(shí)域信 號(hào)的時(shí)間-小波能量譜。這里我們首次利用基于小波變換的能量譜分析（時(shí)間-小波能量 譜）來消除單模光纖光柵的偏振態(tài)不穩(wěn)定造成解調(diào)結(jié)果出錯(cuò)的問題，并且同時(shí)可消除反射 譜中的非平穩(wěn)的噪聲信號(hào)。目前，還沒有見到將基于小波變換的能量譜分析（時(shí)間-小波 能量譜）用于消除光纖光柵反射譜偏振態(tài)對(duì)解調(diào)精度產(chǎn)生的影響或者計(jì)算兩路光纖傳感 器反射譜的波長差實(shí)現(xiàn)高精度應(yīng)變解調(diào)的報(bào)道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明的主要目的是提供一種對(duì)偏振態(tài)變化不敏感的高精度光纖光柵 傳感解調(diào)方法，并重點(diǎn)解決單模光纖光柵、光纖光柵法-拍干涉儀或相移光纖光柵偏振態(tài) 不穩(wěn)定造成解調(diào)結(jié)果出錯(cuò)的問題。另外，該方法采用了小波時(shí)頻能量譜反映光纖光柵的反 射譜，可以對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行降噪處理，進(jìn)一步提高解調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)變測量精度。
[0006] 本發(fā)明的對(duì)偏振態(tài)變化不敏感的高精度光纖光柵傳感解調(diào)方法，包括下列步驟：
[0007] 步驟1 :將兩路光纖光柵反射譜SpS2分別進(jìn)行小波變換，得到小波變換的結(jié)果WI\ 和WT2，再利用得到的小波變換結(jié)果WI\和WT 2計(jì)算兩路光纖光柵反射譜Si、S2的時(shí)間-小波 能量譜，得到光纖光柵反射譜Si的時(shí)間-小波能量譜氏和光纖光柵反射譜Si的時(shí)間-小 波能量譜H 2 ;
[0008] 步驟2 :檢測時(shí)間-小波能量譜Hi、H2的峰值位置，再根據(jù)檢測出的峰值位置，將時(shí) 間-小波能量譜氏進(jìn)行能量融合得到新的時(shí)間-小波能量譜Ei，將時(shí)間-小波能量譜H 2進(jìn) 行能量融合得到新的時(shí)間-小波能量譜E2 ;
[0009] 步驟3 :檢測時(shí)間-小波能譜Ei、E2的峰值位置，得到時(shí)間-小波能譜Ei的峰值位 置Pi和時(shí)間-小波能譜E 2的峰值位置P2，再將得到的兩個(gè)峰值位置Pi、P2相減，得到兩個(gè) 峰值位置的差值，即兩路光纖光柵反射譜的波長差。
[0010] 其中，所述步驟1中所述兩路光纖光柵反射譜31、&是通過窄線寬可調(diào)諧激光器掃 描來獲得的。
[0011] 其中，所述窄線寬可調(diào)諧激光器具有小于1kHz的窄線寬和大于4pm的大可調(diào)諧范 圍，所述光纖光柵具有小于2MHz的窄帶寬。
[0012] 其中，所述步驟1中對(duì)兩路光纖光柵反射譜Si、S2進(jìn)行小波能量譜計(jì)算是通過選取 Morlet函數(shù)作為小波基函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。
[0013] 其中，所述步驟2中所述對(duì)時(shí)間-小波能量譜Hi、H2進(jìn)行能量融合的步驟是通過將 時(shí)間-小波能量譜氏、H 2中較小的一個(gè)偏振能量峰處的3dB帶寬內(nèi)的能量直接加到另一個(gè) 較大的偏振能量峰處，并將該處的能量清零，從而得到新的時(shí)間-小波能量譜Ερ E2來實(shí)現(xiàn) 的。
[0014] 其中，所述光纖光柵反射譜Si、S2通過光纖光柵法-拍式干涉儀或相移光纖光柵獲 得。
[0015] 其中，所述光纖光柵反射譜Si、S2，一個(gè)作為參考、一個(gè)作為傳感，且兩者對(duì)應(yīng)的光 纖傳感具有相同的技術(shù)指標(biāo)。
[0016] 其中，所述的光纖光柵反射譜Si、S2對(duì)應(yīng)的兩個(gè)光纖光柵，處于溫度相對(duì)恒定、噪 聲小的環(huán)境中。
[0017] 其中，根據(jù)所述步驟3中得到的時(shí)間-小波能譜E1的峰值位置Pi和時(shí)間-小波能 譜&的峰值位置P 2的差值，進(jìn)一步計(jì)算得到所述光纖光柵受到外界應(yīng)變量的大小。
[0018] 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0019] 1、本發(fā)明的傳感解調(diào)方法能夠有效地解決單模光纖中偏振態(tài)不穩(wěn)定造成解調(diào)結(jié) 果出錯(cuò)的問題；
[0020] 2、本發(fā)明的傳感解調(diào)方法，通過小波時(shí)頻能量譜代替光纖光柵的反射譜實(shí)現(xiàn)光纖 光柵的反射峰的探測，可以對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行降噪處理，進(jìn)一步提高解調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)變測量精 度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1為本發(fā)明的對(duì)偏振態(tài)變化不敏感的高精度光纖光柵傳感解調(diào)方法的流程圖；
[0022] 圖2a為本發(fā)明的參考光纖光柵反射譜的實(shí)測圖；
[0023] 圖2b為本發(fā)明的參考光纖光柵反射譜能量融合前的時(shí)間-小波能量譜圖；
[0024] 圖3a為本發(fā)明的傳感光纖光柵反射譜的實(shí)測圖；
[0025] 圖3b為本發(fā)明的傳感光纖光柵反射譜能量融合前的時(shí)間-小波能量譜圖；
[0026] 圖4為本發(fā)明的對(duì)偏振態(tài)變化不敏感的高精度光纖光柵傳感解調(diào)方法的應(yīng)變測 試結(jié)果圖。

【具體實(shí)施方式】
[0027] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。通過結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的最佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描 述，本發(fā)明的其他方面的優(yōu)點(diǎn)將會(huì)更容易理解和清晰。
[0028] 本發(fā)明的對(duì)偏振態(tài)變化不敏感的高精度光纖光柵低頻應(yīng)變的傳感解調(diào)方法的基 本原理如下：
[0029] 參照?qǐng)D1，首先通過窄線寬可調(diào)諧激光器掃描兩路光纖光柵傳感器獲得兩路光纖 光柵反射譜Si、S 2，然后以Morlet函數(shù)作為小波基函數(shù)對(duì)光纖光柵反射譜Si進(jìn)行小波變換 處理得到小波變換的結(jié)果WI\，以Morlet函數(shù)作為小波基函數(shù)對(duì)光纖光柵反射譜S 2進(jìn)行小 波變換處理得到小波變換的結(jié)果WT2。經(jīng)過小波變換后，兩路光纖光柵反射譜Sp S2中的由 光強(qiáng)、外界環(huán)境等因素引起的各種噪聲得到了有效抑制。接著根據(jù)小波能量變換的能量守 恒性質(zhì)計(jì)算出光纖光柵反射譜&的時(shí)間-小波能量譜氏、光纖光柵反射譜S 2的時(shí)間-小 波能量譜4。此時(shí)，光纖光柵反射譜的兩個(gè)偏振峰就變換成了時(shí)間-小波能量譜上的兩個(gè) 能量峰，并且這兩個(gè)能量峰在時(shí)間軸上的分布與光纖光柵反射譜偏振峰在時(shí)間軸上的分布 是一致的。然后將時(shí)間-小波能量譜比進(jìn)行能量融合得到新的時(shí)間-小波能量譜Ei，將時(shí) 間-小波能量譜H 2進(jìn)行能量融合得到新的時(shí)間-小波能量譜E2。經(jīng)過能量融合，時(shí)間-小 波能量譜上氏的兩個(gè)能量峰融合成了時(shí)間-小波能量譜Ei的一個(gè)能量峰；時(shí)間-小波能量 譜上H 2的兩個(gè)能量峰融合成了時(shí)間-小波能量譜E2的一個(gè)能量峰。此時(shí)，消除了偏振態(tài)不 穩(wěn)定對(duì)系統(tǒng)的影響。最后，檢測時(shí)間-小波能譜Ερ E2的峰值位置，得到時(shí)間-小波能譜Ei 的峰值位置Pi和時(shí)間-小波能譜E2的峰值位置P2，再將得到的兩個(gè)峰值位置Pp P2相減， 得到兩個(gè)峰值位置的差值，即兩路光纖光柵反射譜的波長差。
[0030] 下面通過實(shí)例對(duì)本發(fā)明所述的對(duì)偏振態(tài)變化不敏感的高精度光纖光柵低頻應(yīng)變 的傳感解調(diào)方法的具體步驟進(jìn)行詳細(xì)闡述。
[0031] 假設(shè)參考和傳感光纖傳感器（以光纖光柵為例）的反射譜分別為x(t)、y(t)，并 且x(t)、y(t)是能量有限的信號(hào)。那么可以得到x(t)、y(t)的小波變換分別為WT x(a，τ)、 WTy(a，τ )，表達(dá)式如下：
[0032]

【權(quán)利要求】
1. 一種對(duì)偏振態(tài)變化不敏感的高精度光纖光柵傳感解調(diào)方法，包括下列步驟： 步驟1 :將兩路光纖光柵反射譜Si、S2分別進(jìn)行小波變換，得到小波變換的結(jié)果WI\和 WT2，再利用得到的小波變換結(jié)果WI\和WT2計(jì)算兩路光纖光柵反射譜Si、S2的時(shí)間-小波能 量譜，得到光纖光柵反射譜Si的時(shí)間-小波能量譜Hi和光纖光柵反射譜Si的時(shí)間-小波 能量譜H 2 ; 步驟2 :檢測時(shí)間-小波能量譜Hi、H2的峰值位置，再根據(jù)檢測出的峰值位置，將時(shí) 間-小波能量譜氏進(jìn)行能量融合得到新的時(shí)間-小波能量譜Ei，將時(shí)間-小波能量譜H2進(jìn) 行能量融合得到新的時(shí)間-小波能量譜E 2 ; 步驟3 :檢測時(shí)間-小波能譜EpE2的峰值位置，得到時(shí)間-小波能譜Ei的峰值位置Pi 和時(shí)間-小波能譜E2的峰值位置P2，再將得到的兩個(gè)峰值位置PpP2相減，得到兩個(gè)峰值位 置的差值，即兩路光纖光柵反射譜的波長差。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度光纖光柵傳感解調(diào)方法，其中所述步驟1中所述兩路 光纖光柵反射譜Sp S2是通過窄線寬可調(diào)諧激光器掃描來獲得的。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高精度光纖光柵傳感解調(diào)方法，其中所述窄線寬可調(diào)諧激光 器具有小于1kHz的窄線寬和大于4pm的大可調(diào)諧范圍，所述光纖光柵具有小于2MHz的窄 帶寬。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度光纖光柵傳感解調(diào)方法，其中所述步驟1中對(duì)兩路光 纖光柵反射譜Sp S2進(jìn)行小波能量譜計(jì)算是通過選取Morlet函數(shù)作為小波基函數(shù)來實(shí)現(xiàn) 的。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度光纖光柵傳感解調(diào)方法，其中所述步驟2中所述對(duì)時(shí) 間-小波能量譜氏、H2進(jìn)行能量融合的步驟是通過將時(shí)間-小波能量譜氏、H 2中較小的一 個(gè)偏振能量峰處的3dB帶寬內(nèi)的能量直接加到另一個(gè)較大的偏振能量峰處，并將該處的能 量清零，從而得到新的時(shí)間-小波能量譜民、E 2來實(shí)現(xiàn)的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度光纖光柵傳感解調(diào)方法，其中所述光纖光柵反射譜 Sp s2通過光纖光柵法-拍式干涉儀或相移光纖光柵獲得。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度光纖光柵傳感解調(diào)方法，其中所述光纖光柵反射譜 Si、s2，一個(gè)作為參考、一個(gè)作為傳感，且兩者對(duì)應(yīng)的光纖傳感具有相同的技術(shù)指標(biāo)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的高精度光纖光柵傳感解調(diào)方法，其中所述的光纖光柵反射譜 Sp s2對(duì)應(yīng)的兩個(gè)光纖光柵，處于溫度相對(duì)恒定、噪聲小的環(huán)境中。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度光纖光柵傳感解調(diào)方法，其中根據(jù)所述步驟3中得到 的時(shí)間-小波能譜Ei的峰值位置Pi和時(shí)間-小波能譜E 2的峰值位置P2的差值，進(jìn)一步計(jì) 算得到所述光纖光柵受到外界應(yīng)變量的大小。
【文檔編號(hào)】G01B11/16GK104048617SQ201410324053
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年7月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月9日
【發(fā)明者】黃穩(wěn)柱, 張文濤, 甄騰坤, 李芳
申請(qǐng)人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所