[发明专利]基于参考光纤激光器的高精度静态应变拍频解调系统

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于参考光纤激光器的高精度静态应变拍频解调系统。

背景技术

目前，地壳形变观测是地震前兆观测和预报的主要手段之一。实现地壳形变观测的仪器有洞体应变仪(伸缩仪)和钻孔应变仪等，这些仪器的精度一般都优于10-9，可以清晰的观测到固体潮现象。但是现有的形变观测仪器都是基于电学原理实现的，比如洞体应变仪使用的电涡流位移传感器、钻孔应变仪使用的高精度电感传感器等。这些电学传感器普遍存在怕雷击、抗电磁干扰能力弱、不能在深井高温环境中使用等缺点。

光纤传感器具有光学传感与传输一体、抗电磁干扰、适合长距离传输、可以组建区域性观测网络等本质性的特征和优势，可以解决电学量应力应变地震前兆观测系统存在的固有问题.如果能够将光纤传感器经过改进引入到地震前兆观测系统，并在主要技术指标上达到地震前兆观测规范要求，将使地震前兆观测数据质量产生质的飞跃(周振安，光纤光栅传感器用于高精度应变测量研究，地球物理学进展，2005)。

光纤光栅(FBG)传感器作为光纤传感器家族中的一种主流传感元件，已经在智能材料与结构的应变测量中的获得广泛的应用。但是，市场上广泛使用的FBG应变解调仪的应变测量精度一般为1με，如果要将其应用于地形变观测中，其应变观测精度远远到不到要求。虽然，目前有很多技术可以提高FBG的高频段应变测量精度(如光频梳技术、激光反馈锁频技术、光纤环技术等)。比如最早将PDH激光锁频技术用于光纤光栅(FBG)FFP的应力应变测量，是2005年澳大利亚国立大学的Jong H.Chow等人(J.H.Chow，et al.，“Demonstration of a passive subpicostrain fiber strain sensor，”Optics letters，2005)，理论上分析了应变测量分辨率能小于pε/√Hz(100Hz-100kHz)。同时，意大利的G.Gagliardi等人也做了这方面的研究，并且与Jong H.Chow进行了合作，获得了150pε/√Hz(680Hz)、20pε/√Hz(13kHz)应变分辨率(G.Gagliardi，et al.，“Fiber Bragg-grating strain sensor interrogation using laser radio-frequency modulation，”Optics Express，2005)。2008年D.Gatti首次将π相移光纤光栅和PDH技术结合，在高频段实现了分辨率5pε/√Hz的应变测量(D.Gatti，et al.，“Fiber strain sensor based on a pi-phase-shifted Bragg grating and the Pound-Drever-Hall technique，”Opt.Express，2008)。而实现光纤光栅的高精度静态/超低频应变(地壳形变是一种非常低频、周期为12小时的应变/应力信号)测量却十分困难。

自2011年以来，人们也提出了基于可调谐激光器和参考光栅提高FBG/或者FBG-FP(基于FBG的干涉仪)的静态应变测量精度的方法，比如日本东京大学的Qinwen Liu等人实现了5.8nε/√Hz的超低频准静态应变测量，并将该项技术引入了地壳形变观测中(Q.Liu，et al.，“Ultra-high-resolution large-dynamic-range optical fiber static strain sensor using Pound-Drever-Hall technique，”Optics letters，2011)。2014年中国科学院半导体研究所的黄稳柱等人提出了使用π相移光栅和小波降噪算法来进一步提高FBG的静态应变测量精度(Wenzhu Huang，et al.，“π-phase-shifted FBG for high-resolution static-strain measurement based on wavelet threshold denoising algorithm”，et.al.，Journal of Lightwave Technology，2014)。同年，黄稳柱等人也申请了基于光纤光栅的高精度静态应变解调技术的相关专利(比如，黄稳柱等，一种高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，201410181113.6，国家发明专利)。