【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光纤布拉格光栅传感领域和光信号移频调制领域，特别是涉及一种基于光信号移频调制的高精度fbg传感装置和方法。
技术介绍
1、光纤布拉格光栅(fbg)传感技术，由于采用波长解调，不易受光源功率波动、光纤连接损耗及光波偏振态等因素影响，测量温度、应变等外界物理量性能稳定，且具有良好的复用能力和抗电磁干扰能力，被广泛应用于医疗、电力、结构健康监测等领域。随着测量精度需求的增加，突破fbg反射谱宽度限制的高精度fbg传感方法吸引了越来越多国内外研究人员关注。传统高精度传感方法对fbg施加周期性应变，同时采集光谱各波长点光强的时域变化信号，再求取各波长点时域信号傅里叶变换后二倍频分量与一倍频分量比值，得到各波长点的强度比值曲线，用于替代fbg的光谱。虽然实现了fbg光谱宽度的大幅度减少，有效提高了温度传感精度，但是由于该方法需要在fbg传感器上额外施加周期振动作为产生各点周期变化时域信号的前提，仅能进行温度传感，无法进行应变传感。由于每个传感器均需要加入振动装置，结构复杂且fbg具有的抗电磁、抗高湿高热、高安全度等重要优势削弱，使用场景受限。此外，对于需要将未采用高精度传感方法的已安装的fbg传感器进行升级时，只能拆除并重新安装，对从普通fbg传感系统升级为高精度fbg传感系统的需求，造成了更多的限制。
技术实现思路
1、本专利技术旨在克服上述现有技术的不足，提出一种基于光信号移频调制的高精度fbg传感装置和方法，通过对波长扫描的窄线宽激光施加快速周期性的移频调制，构造得到移频调
2、本专利技术采用的技术方案为：
3、一种基于光信号移频调制的高精度fbg传感装置，包括光源1、光移频调制器2、扫频射频源3、90度电桥4、探测光输出光纤5、光环形器6、由多个fbg传感器7组成的fbg传感器阵列8、传感光接收光纤9、高速光电探测器10、数据采集装置11、数据处理装置12、光源同步控制信号线13和射频源同步控制信号线14；
4、光源1用于在同步控制信号控制下发出波长随时间步进的窄线宽激光，输出至光移频调制器2；其中第n次传感时，输出的窄线宽激光波长为λn；
5、扫频射频源3用于在同步控制信号控制下发出扫频信号，输出至90度电桥4；
6、90度电桥4用于将扫频信号分为i、q两路扫频调制信号，输出至光移频调制器2；
7、光移频调制器2用于在扫频调制信号控制下对输入的波长为λn的窄线宽激光进行周期性移频往复扫频调制，输出往复变化的周期移频调制光信号，周期移频调制光信号依次通过探测光输出光纤5和光环形器6注入由fbg传感器7组成的fbg传感器阵列8；其中，周期移频调制光信号的波长在λ′n-δλ～λ′n+δλ范围内往复变化，f0为频率变化范围的中心频率，δf为频率变化的幅度，c为真空中光速；波长循环变化周期为t，对应时序信号的主频率为f0＝1/t；
8、fbg传感器阵列8用于返回携带着阵列中各fbg传感器7光谱信息的传感光，返回的传感光依次经过光环形器6和传感光接收光纤9进入高速光电探测器10；
9、高速光电探测器10用于将传感光转化为电信号，然后被数据采集装置11记录并传递到数据处理装置12；
10、数据处理装置12用于对各fbg传感器7的光谱信息进行高精度解调，根据解调信息得到高精度的应变和温度传感信息，然后发出同步控制信号，分别通过光源同步控制信号线13和射频源同步控制信号线14对应传递到光源1和扫频射频源3。
11、一种基于光信号移频调制的高精度fbg传感方法，包括以下步骤：
12、步骤一、在同步控制信号控制下，光源发出波长为λn的窄线宽激光，进入光移频调制器；扫频射频源在同步控制信号控制下发出周期性循环扫频信号，并经过90度电桥转化为i、q两路扫频调制信号，进入光移频调制器；
13、步骤二、光移频调制器在扫频调制信号控制下对输入的窄线宽激光进行周期性往复扫频调制，输出周期移频调制光信号，周期移频调制光信号作为探测光，依次经过探测光输出光纤和光环形器注入由fbg传感器组成的fbg传感器阵列；其中，周期移频调制光信号波长随移频调制信号在λ′n-δλ和λ′n+δλ间周期性循环变化，f0为频率变化范围的中心频率，δf为频率变化的幅度，c为真空中光速；波长循环变化周期为t，对应时序信号的主频率为f0＝1/t；
14、步骤三、在fbg传感器阵列中，当探测光中心波长λ′n处于fbg传感器反射光谱不同位置时，返回携带着各fbg传感器光谱信息的传感光，返回的传感光依次经过光环形器和传感光接收光纤进入高速光电探测器，高速光电探测器将传感光转化为电信号，并被数据采集装置记录和传递到数据处理装置；其中，电信号含有光谱信息的传感光时域信号波形，越接近光谱峰值，时域信号波形中频率为2f0的二倍频分量越多且频率为f0的一倍频分量越少；
15、步骤四、数据处理装置对各fbg传感器的时域光谱信息进行快速傅里叶变换得到频域信号，将其中的2f0频率分量i(2f0)与f0频率分量i(f0)相除，得到对应波长位置处的强度比值s(λ′n)＝i(2f0)/i(f0)；
16、步骤五、完成一个波长位置处强度比值计算后，数据处理装置发出同步控制信号，分别通过光源同步控制信号线和射频源同步控制信号线对应传递到光源和扫频射频源，光源将窄线宽激光的波长步进到下一波长位置，射频源则继续同步进行扫频信号输出，返回步骤一。
17、与现有技术相比，本专利技术的一种基于光信号移频调制的高精度fbg传感装置和方法具有以下积极效果：
18、1、通过对波长扫描的窄线宽激光进行周期性的移频调制，构造处移频调制光信号作为探测光，替代传统方法需要fbg传感器振动产生峰值移动，即可产生各波长时域信号，避免了复杂的高精度fbg传感器结构和仅能传感温度等问题；
19、2、通过对各波长位置对应的时域信号进行二倍频分量除以一倍频分量的处理方式，得到的强度比值曲线大幅度降低了fbg传感器反射峰或透射峰宽度，突破了fbg光谱宽度对传感精度的限制，有效提高了fbg传感精度；
20、3、计算相对曲线的过程中，采用频域中二倍频和一倍频两个点频位置的信号强度，去除了光强信号采集过程中引入的白噪声对解调结果的影响，有效避免fbg信号光信噪较低时传感精度降低的问题。
21、4、通过在入射光构造成移频调制光信号，替代传统方法在传感器处施加振动，避免了复杂的高精度fbg传感器结构和仅能传感温度等问题，实现了在无需特殊设计的fbg传感器上，直接提高应变和温度精度，对于已经完成贴装的普通fbg传感器，无需拆除更换，仅需要使用本传感装置连接fbg传感器，即可实现传感精度的提升。
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1.一种基于光信号移频调制的高精度FBG传感装置，其特征在于，包括光源(1)、光移频调制器(2)、扫频射频源(3)、90度电桥(4)、探测光输出光纤(5)、光环形器(6)、由多个FBG传感器(7)组成的FBG传感器阵列(8)、传感光接收光纤(9)、高速光电探测器(10)、数据采集装置(11)、数据处理装置(12)、光源同步控制信号线(13)和射频源同步控制信号线(14)；
2.一种基于光信号移频调制的高精度FBG传感方法，其特征在于，包括以下步骤：
【技术特征摘要】
1.一种基于光信号移频调制的高精度fbg传感装置，其特征在于，包括光源(1)、光移频调制器(2)、扫频射频源(3)、90度电桥(4)、探测光输出光纤(5)、光环形器(6)、由多个fbg传感器(7)组成的fbg传感器阵列(8)、传感光...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈文杰，张涛，梅立荣，李弋鹏，韩旸子，李根，刘爱萌，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十四研究所，
类型：发明
国别省市：
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