[发明专利]一种二次变频光纤光栅谐振峰跟踪探测系统

说明书

本发明提供一种二次变频光纤光栅谐振峰跟踪探测系统，激光经由Y波导被一高速信号调制(20MHz)后加载到光纤光栅中，其返回信号经光电探测器转换为电信号后，由模拟混频器进行一次变频。之后由数字采集系统进行采集并通过算法实现二次变频，载波恢复，信号解调以及反馈控制。其中，解调回路使用改进的COSTAS环路，可以消除高速信号在线路上的时延造成的相位失配。相比于普通的PDH解调方法，此解调方案前端使用模拟混频器进行下变频，可以不受A/D采样速度的限制，下变频到中频后，可以有效避开电路系统的1/f噪声，提升信号的信噪比。此种系统可以工作在几MHz到几百MHz的调制信号下，具有较为广泛的适用性。

技术领域

本发明涉及一种二次变频光纤光栅谐振峰跟踪探测系统，属于光电探测技术领域。

背景技术

光纤光栅传感器(FBG)由于其较小的尺寸，高速相应特性以及容易复用等诸多优势，在智能材料以及结构监测方面都得到了有效的应用。但对高精度温度应变观测等方面，单根光纤光栅由于反射峰过宽，并不能满足要求。因此可以利用光纤光栅组成谐振腔来减少反射峰的宽度，获得更为精准的观测信号。因此，人们提出了许多改进的光纤光栅测量方案，例如使用相移光纤光栅、光纤光栅法泊干涉仪替代普通的光纤光栅，采用激光锁频技术提高光纤光栅测量精度等。其中，结合PDH激光锁频技术，光纤光栅能够获得极高的应变测量精度。

PDH激光稳频技术，也称为相位调制光外差技术，它是以外部标准谐振腔的谐振频率作为基准频率对激光器进行频率锁定，属于主动稳频技术。该稳频技术由于其系统抗干扰能力强、稳定度高、伺服响应快、不易失锁等优点，成为目前普遍采用的一种稳频方法。

关于PDH信号的解调过程，现阶段多直接使用单平衡混频器的方法进行混频处理。例如， 1983年，R.W.P.Drever等人，直接使用混频器并结合模拟运算放大器组成PI控制器直接对系统进行反馈控制(Drever R W,Hall J L,Kowalski F V,et al.Laser phase andfrequency stabilization using an optical resonator[J].Applied Physics B,1983,31(2):97-105.)。但是直接混频的结果会由于频率的升高而产生相位的延时，造成信号幅度的变化。因此后期的系统当中，会在混频器前端添加射频延时器来对系统进行精确调相。如2011年，上海交通大学刘庆文等人就通过添加相位延时器对系统的相位失配进行修正(Liu Q,Tokunaga T,He Z,et al. Ultra-high-resolution large-dynamic-rangeoptical fiber static strain sensor using Pound–Drever–Hall technique[J].Optics Letters,2011,36(20):4044-4046.)。

为了更精确消除混频器前端相位失配造成的影响，也可以使用锁相放大器对信号进行解调。如2016年，上海交通大学樊昕昱等人即使用LIA对误差信号进行解调(Chen J,Liu Q,Fan X,et al.Ultrahigh resolution optical fiber strain sensor using dualPound-Drever-Hall feedback loops.[J].Optics Letters,2016,41(5):1066-1069.)。但是锁相放大器通常价格昂贵，因此，可以使用与锁相放大器相同原理的正交解调进行处理，如专利(CN109883348A，CN109916533A) 当中即使用了类似的技术进行误差信号的时延匹配。

但上述解调方法大多适用于低频系统，高频调制下，信号带宽的要求对采集系统产生了较大的需求，因此为降低系统成本，一般使用模拟设备进行处理再经过数字采集进一步计算。但由于放大器的引入，则会引入电路的1/f噪声。为了提升信号质量，提升系统抗干扰能力，可以借用通信系统中的二次变频技术对系统进行处理来降低1/f噪声的影响。如专利 (CN204836148U)中所述，采用二次变频技术可以增强系统的抗干扰能力，降低1/f噪声的影响。