基于可调谐激光器的光纤光栅高速解调的时延误差补偿方法_唐才杰.pdf

D O I:1 0.1 6 1 3 6/j.j o e l.2 0 2 3.0 2.0 1 9 2基于可调谐激光器的光纤光栅高速解调的时延误差补偿方法唐才杰1,2*,王学锋1,2,卞贺明1,2,王 甫1,2,阚宝玺1,2,杨 飒3(1.北京航天控制仪器研究所,北京1 0 0 8 5 4;2.北京光纤传感系统工程技术研究中心,北京1 0 0 0 9 4;3.西安航天动力研究所,陕西 西安7 1 0 1 0 0)摘要:基于可调谐激光器的光纤光栅(f i b e rB r a g gg r a t i n g,F B G)解调仪用于F B G传感器的远距离、高速测量时,光传输时延会导致 显 著 的 波 长 解 调 误 差。本 文 设 计 了 一 种 补 偿 光 传 输 时 延 导 致 的F B G解调误差的方法,可调谐激光器 在 工 作 光 频 率 范 围 内 进 行 高 线 性 度 的 正 向、反 向 扫 描,利 用正向、反向扫描过程中的光电探测信号的F B G反射峰差异,对光传输时延导致的波长解调误 差 进行补偿。试验结果表明,在5 0k H z解调频率和1 0 0m连接光纤长度条件下,将光传输时延导致的波长解调误差由2n m降低到小于1 0p m。关键词:可调谐激光器;光纤光栅(F B G);波长解调;误差补偿;光传输时延中图分类号:O 4 3 3.1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 5-0 0 8 6(2 0 2 3)0 2-0 1 7 4-0 6O p t i c a l d e l a ye r r o rc o m p e n s a t i o nm e t h o df o rF B Gh i g h-s p e e d i n-t e r r o g a t o rb a s e do n t u n a b l e l a s e rT A N GC a i j i e1,2*,W A N G X u e f e n g1,2*,B I A NH e m i n g1,2,W A N GF u1,2,K A NB a o x i1,2,Y A N GS a3(1.B e i j i n g I n s t i t u t e o fA e r o s p a c eC o n t r o lD e v i c e s,B e i j i n g1 0 0 8 5 4,C h i n a;2.B e i j i n gE n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e ro fO p t i c a lF i b e rS e n s i n gS y s t e m,B e i j i n g1 0 0 0 9 4,C h i n a;3.X i a nA e r o s p a c eP r o p u l s i o nI n s t i t u t e,X i a n,S h a a n x i7 1 0 1 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:O p t i c a l t r a n s m i s s i o nd e l a yc o u l d i n d u c es i g n i f i c a n tw a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o ne r r o r t ot h e f i b e rB r a g gg r a t i n g(F B G)i n t e r r o g a t o r sb a s e do nt u n a b l e l a s e r,e s p e c i a l l yw h e nt h e ya r ea p p l i e df o r r e m o t ea n dh i g h-s p e e dm e a s u r e m e n t o fF B Gs e n s o r s.Am e t h o d f o r c o m p e n s a t i n g t h ew a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o ne r r o r o fF B Gi n d u c e db yo p t i c a l t r a n s m i s s i o nd e l a y i sp r o p o s e d.T h eo p t i c a l f r e q u e n c yo f t u n a b l e l a s e rs c a n s i nu p a n d d o w n t w o d i r e c t i o n sw i t hh i g h l i n e a r i t y i n i t s s p e c t r u mr a n g e.T h ew a v e l e n g t hd e m o d u l a-t i o ne r r o r i sc o m p e n s a t e db yt h ed e t e c t e dF B Gr e f l e c t i o np e a kd i f f e r e n c eb e t w e e nu pa n dd o w n-s c a ns p e c t r u m s.E x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o wt h a t,t h ew a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o ne r r o r i n d u c e db yo p t i c a l t r a n s-m i s s i o nd e l a yc a nb e r e d u c e d f r o m2n mt o l e s s t h a n1 0p ma f t e r c o m p e n s a t i o n,w i t hm e a s u r e m e n t f r e-q u e n c yo f 5 0k H z a n do p t i c a l f i b e r l e n g t ho f 1 0 0m.K e yw o r d s:t u n a b l e l a s e r;f i b e rB r a g gg r a t i n g(F B G);w a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o n;e r r o rc o m p e n s a t i o n;o p t i c a l t r a n s m i s s i o nd e l a y0 引 言 光纤光栅(f i b e rB r a g gg r a t i n g,F B G)传感器具有本质安全、抗电磁干扰、体积小、质量轻、易于实现多点准分布式测量等优点,在航天器、飞 机、基础设施等的试验测试和状态监测中具有广泛的应用1-8。在航天器、发动机等的动 应变、振动F B G测量或监测应用中,需要对F B G传感器中心波长的高速变化进行测量。基于可调谐激光器的F B G解调方法9-1 6,具 有 解 调 频 率 高、光 信 号 功 率 大、光 电 子 激 光第3 4卷 第2期 2 0 2 3年2月 J o u r n a l o fO p t o e l e c t r o n i c sL a s e r V o l.3 4N o.2 F e b r u a r y2 0 2 3*E-m a i l:t a n g c a i j i e 1 2 6.c o m收稿日期:2 0 2 2-0 3-2 4 修订日期:2 0 2 2-0 6-0 8可测传感器通道数目多、成本相对较低等优势,是光 纤 光 栅 传 感 器 中 心 波 长 高 速 变 化 的 重 要 测 量方法。基于可调谐激光器的F B G解调仪,激光器发出的激光经 过光器件和 连 接 光 纤 输 入 到F B G传感器,F B G传感器的反射光信号再经过光纤和光器件到达F B G解调 仪的光电探 测 器。F B G解 调仪和F B G传感器之间 的连 接 光 纤 的 传 输 时 延 会导致波长测量误差,且该误差随解调频率 的增加以及连接光纤长度的增加而增大。当基于可调谐激光器的F B G解调仪用于F B G传感器的远距离、高速测量时,光传输时延会导致显著的波 长解调误差,需要进行补偿1 4,1 5。L I等1 4利用 光传输时延 导致的波长 测量误差和激光器扫描频率之间的关系,通过使 激光器处于不同的扫描速度实现了光传输时延导致的波长测量误差的补偿,在激光器扫描频率4k H z时,将波 长 解 调 误 差 减 小 至1 0p m。这 种 方 法 需 要F B G解调仪的激光器至少可以工作在两种不同的扫描频率,对激光器设计和控制的要求高,不适用于频域锁 模 激 光 器 等 具 有 固 定 扫 描 速 度 的 激 光器。ME I等1 5利 用 激 光 器 波 长 从 小 到 大 扫 描 和从大到小扫描时,光传输时延导致的波长 测量误差的差异,实现光传输时延导致的波长测 量误差的补偿。在激光器扫描频率2 5.5 1 5 7k H z时将波长解调误 差 减 小 至5 0p m。系 统 采 用 压 电 陶 瓷(P Z T)驱动可调谐 滤波器实现 激光器波长 扫描,受波长扫描非线性的影响,补偿后的波长 解调误差仍然较大。本文采用D B R(d i s t r i b u t e dB r a g gr e f l e c t o r)可调谐激光器作为F B G解调仪的光源,激光器在工作光频率范围内进行正向、反向扫描;利用光纤干涉仪监测激光器光频率变化,调整控制参 数使激光器随时间进行等光频率间隔扫描,降低 光频率扫描非线性的影响;根据光传输时延导致 的解调误差和激光器光频率扫描方向的关系,对 解调结果 进 行 补 偿,有 效 地 提 高 了F B G高 速 测 量 的 准确性。1 基本原理1.1 基于D B R可调谐激光器的F B G解调方案 基于D B R可调谐激光器的F B G解调系统方案如图1所示:包括信号采集处理电路、激光器控制电路、D B R可调谐激光器、光分路器、光纤耦合器、F B G传感器、光电探测器及放大电路。在信号采集处理电路的指令下,激光器控制电路控制D B R可调谐激光器输出光频率变化的激光;光分路器将激光器输出光分成多路激光,每一路激光通过光纤耦合器输入一路F B G传感器;F B G传感器的反射光经过光纤耦合器输入光电探测器;信号采集处理电路采集光电探测器及放大电路输出的电信号,完成F B G传感器中心波长的解调。图1 基于D B R可调谐激光器的光纤光栅解调系统F i g.1 F B Gd e m o d u l a t i o ns y s t e mb a s e do nD B Rt u n a b l e l a s e r1.2 光传输时延导致的解调误差的补偿原理 通过光纤干涉仪监测D B R可调谐激光器的输出光频率,调整激光器控制参数使激光器输出光频率锁定在光纤干涉仪输出光谱的半峰值点,从而实现激光器随时间进行等光频率间隔扫描1 1,1 6。激光器光频率扫描的光频率间隔为,时间间隔为 t,激光器光频率随时间变化具有良好的线性,光频率扫描速度为S=/t。图2 激光器光频率扫描控制示意图F i g.2 I l l u s t r a t i o no f l a s e ro p t i c a l f r e q u e n c yc o n t r o lm e t h o d 以时间间隔 t对光电探测信号进行采样,采样起始时刻和激光器光频率扫描起始时刻相同。在无光传输时延的情况下,D B R可调谐激光器光频率由小到大扫描(以下简称正向扫描)过程中,