基于光电振荡器的准分布式光纤扭转角度测量装置和方法
技术领域
本发明属于准分布式光纤测量与传感领域，具体涉及了一种基于光电振荡器的准分布式光纤扭转角度测量方法。
背景技术
扭矩是表征桥梁、建筑、火车轨道等工程结构内部扭力及内部损坏程度的关键参数，通过测量光纤扭转角度是实现扭矩测量的重要测量方法之一。实现结构体多点扭矩测量和分析是提高结构安全和系统效率的重要技术手段。高精度的、快速的、多点扭矩测量对检测结构健康状态、减少安全事故意义重大。
光纤传感器具有结构紧凑、重量轻、测量灵敏度高、抗电磁干扰等优势，因此光纤扭矩传感逐渐替代传统基于电子技术的扭矩传感方法成为主流技术。通常，通过测量光纤扭转角度实现扭矩测量。传统的扭矩传感器主要分为以下两类：一是基于电学方法的扭矩传感器，此类传感器易受电噪声及温度的干扰；二是基于电磁感应现象的扭矩传感器，此类传感器体积庞大，且易受电磁干扰。光纤扭矩传感器具有结构紧凑、重量轻、测量灵敏度高、抗电磁干扰等优势被广泛应用于扭矩测量。目前，光纤扭转传感模块通常是光纤光栅如长周期光纤光栅、光纤布拉格光栅、相移光纤布拉格光栅和干涉仪如Mach-Zehnder、萨格纳克等。
近年来，光电振荡器被用于光纤传感领域，可以实现高速、高分辨率的物理参数测量。然而，基于光电振荡器的传感器易受温度等环境因素的影响。而且，基于光电振荡器的传感器通常为单点测量系统，无法实现多点测量。因此，基于光电振荡器实现光纤扭转角度的多点、精确、快速测量、不受温度等环境因素影响是亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中难以排除温度等外界因素对测量结果的影响，且信号解调速度不高，因而难以满足高精度的实时扭矩测量且无法实现多点测量的问题，提供了一种基于光电振荡器的准分布式光纤扭转角度测量装置和方法，有效克服温度等环境因素对光纤扭转角度测量结果的影响，提高实时光纤扭转角度测量系统的测量精度，且成本低，实现多点测量，能用于需要测量扭转角度和方向的各种场合。
为实现上述发明目的，本发明基于光电振荡器的准分布式光纤扭转角度测量装置，包括参考光电振荡器、测量光电振荡器、微波鉴相模块、信号处理模块，所述参考光电振荡器的输出微波信号与测量光电振荡器的输出微波信号同时输入微波鉴相模块中，微波鉴相模块将输出的鉴相结果输出到信号处理模块，其中：
参考光电振荡器，用于消除包括温度在内的外界因素对距离及其相关参数测量结果的影响；
测量光电振荡器，用于与参考光电振荡器相比较得出待测值；
微波鉴相模块，用于将来自参考光电振荡器的微波信号和来自测量光电振荡器的微波信号进行鉴相；
信号处理模块，用于将来自频谱测量模块的微波信号的频谱信息、频率计数模块测得的中频信号实时频率，通过公式计算获得距离及其相关参数；
本发明使用参考光电振荡器和测量光电振荡器，两个光电振荡器的初始振荡频率相同，且两个光电振荡器的初始环路延时相等，两个光电振荡器的相位差始终为零，温度等环境因素对两个光电振荡器的输出频率的影响相同，使测量结果不受温度等环境因素的影响；本发明解调信号为两个光电振荡器的微波信号相位差，测量难度小，解调成本低。
进一步的，所述参考光电振荡器包括激光器模块1、偏振控制模块1、偏振调制模块1、光学滤波模块1、波分复用模块01、延迟传感模块、波分复用模块02、起偏器模块1、光电探测模块1、微波放大模块1、微波滤波模块1、微波耦合模块1，其中：
激光器模块1，用于产生光信号；
偏振控制模块1，用于控制输入偏振控制模块1中线偏振光与偏振调制模块1主轴的夹角；
偏振调制模块1，用于使用微波信号调制输入的光信号；
光学滤波模块1，用于将来自偏振调制模块1的光信号进行滤波处理，滤波后的光信号只剩下载波及其中一个一阶边带外的光信号；
波分复用模块01，用于将来自光学滤波模块1的光信号与来自光学滤波模块2的光信号合成一束光信号；
延迟传感模块，用于选定传感位置和使两个光电振荡器延时相同；
波分复用模块02，用于将合成的光信号解复用，分成两路，一路进入起偏器模块1，另一路进入测量光电振荡器中的起偏器模块2；
起偏器模块1，用于将两个正交偏振方向为x和y的光信号结合起来；
光电探测模块1，用于将来自起偏器模块1的光信号转换为微波信号；
微波放大模块1，用于将来自光电探测模块1的微波信号放大；
微波滤波模块1，用于将来自微波放大模块1的微波信号进行滤波处理；
微波耦合模块1，用于将来自微波滤波模块1的微波信号分成两束，一束反馈回偏振调制模块1，一束输出到微波鉴相模块；
进一步的，所述测量光电振荡器包括可调激光器模块2、偏振控制模块2、偏振调制模块2、光学滤波模块2、波分复用模块01、延迟传感模块、波分复用模块02、起偏器模块2、光电探测模块2、微波放大模块2、微波滤波模块2、微波耦合模块2，其中：
可调激光器模块2，可调谐，用于产生连续改变输出波长的光信号；
偏振控制模块2，用于控制输入偏振控制模块2中线偏振光与偏振调制模块2主轴的夹角；
偏振调制模块2，用于使用微波信号调制输入的光信号；
光学滤波模块2，用于将来自偏振调制模块2的光信号进行滤波处理，滤波后的光信号只剩下载波及其中一个一阶边带外的光信号；
波分复用模块01，用于将来自光学滤波模块1的光信号与来自光学滤波模块2的光信号合成一束光信号；
延迟传感模块，用于选定传感位置和使两个光电振荡器延时相同；
波分复用模块02，用于将合成的光信号解复用，分成两路波长不同的光信号，波长为λ0的光信号进入起偏器模块1，波长为λ1～λn范围内的任一光信号进入起偏器模块2；
起偏器模块2，用于将两个正交偏振方向为x和y的光信号结合起来；
光电探测模块2，用于将来自起偏器模块2的光信号转换为微波信号；
微波放大模块2，用于将来自光电探测模块2的微波信号放大；
微波滤波模块2，用于将来自微波放大模块2的微波信号进行滤波处理；
微波耦合模块2，用于将来自微波滤波模块2的微波信号分成两束，一束反馈回偏振调制模块2，一束输出到微波鉴相模块；
进一步的，所述延迟传感模块包括光纤延迟模块、光纤扭转角度传感位置，光纤延迟模块有n+1个、光纤扭转角度传感位置有n个，n为自然数，上述n+1个光纤延迟模块与n个光纤扭转角度传感位置交替连接，第n+1个光纤延迟模块将光信号传入波分复用模块02，其中：
光纤延迟模块，用于给参考光电振荡器和测量光电振荡器提供能量储存介质；
当光纤延迟模块1传出光信号的波长与光纤扭转角度传感位置中波分复用模块的工作波长一致时，选用该光纤扭转角度传感位置。
被选用的光纤扭转角度传感位置，用于提供一个测量位置；
其余未被选用的光纤扭转角度传感位置，被当作一个光纤延迟模块；
本发明通过可调激光器模块2发出不同波长的光信号对光纤扭转角度传感位置进行选择，实现对光纤扭转角度的多点测量；
进一步的，以光纤扭转角度传感位置1为例，所述光纤扭转角度传感位置的结构、连接方式和光纤扭转角度传感位置中每个模块作用均与光纤扭转角度传感位置1相同，光纤扭转角度传感位置1包括波分复用模块11、参考光延迟模块1、光纤扭转角度传感模块1、波分复用模块12，所述光纤延迟模块与波分复用模块11一端相连，波分复用模块11另一端与参考光延时模块1、光纤扭转角度传感模块1相连，参考光延时模块1的另一端与波分复用模块12相连、光纤扭转角度传感模块1的另一端与波分复用模块12相连，波分复用模块12另一端与下一个光纤延迟模块相连，其中：
波分复用模块11，用于将来自光纤延迟模块的光信号传输到参考光延时模块1；
参考光延时模块1，用于匹配两个光电振荡器的初始环路延时，使得两个光电振荡器的初始环路延时相等；
波分复用模块12，将来自参考光延时模块1的光信号输入下一个光纤延迟模块；
光纤扭转角度传感模块1，用于感知光纤的扭转角度，将光纤的扭转角度反应为经过光
纤的线偏振光的偏振角度的变化；
上述参考光延时模块1用于保证两个光电振荡器的初始反馈环路延时相同，消除环路延时对测量结果的影响；
本发明还提供基于光电振荡器的准分布式光纤扭转角度测量方法，包括以下步骤：
A.在参考光电振荡器中，激光器模块产生波长为λ0的光信号，光信号经偏振控制模块1控制，控制输入偏振控制模块1中的线偏振光与偏振调制模块1主轴的夹角，然后输入偏振调制模块1，波长为λ0的光信号在偏振调制模块1被微波信号调制；经微波信号调制后的光信号由光学滤波器模块1滤波，除载波及其中一个一阶边带外的光信号均被滤除；经过滤波后的光信号通过波分复用模块01输入光纤延迟模块1，光纤延迟模块1将光信号传给光纤扭转角度传感位置，每个光纤扭转角度传感位置的波分复用模块的工作波长不同，当光纤扭转角度传感位置中波分复用模块的工作波长与传入光纤扭转角度传感位置的光信号的波长相同时，选用该光纤扭转角度传感位置作为测量位置，其余光纤扭转角度传感位置相当于一个光纤延迟模块，光纤延迟模块1输出的光信号通过被选用的光纤扭转角度传感位置中的波分复用模块后，经参考光延时模块传入下一个波分复用模块，下一个波分复用模块传输的光信号通过其余的光纤延迟模块和未被选用的光纤扭转角度传感位置后，再通过一个光纤延迟模块后经波分复用模块02解复用，解复用后的一束光信号传入测量光电振荡器中的起偏器模块2，另一束波长为λ0光信号传入起偏器模块1；起偏器模块1将光信号传入光电探测模块1，光电探测模块1将接收到的光信号转换为微波信号后经微波放大模块1放大，并通过微波滤波模块1滤波，被滤波后的微波信号被微波耦合模块1分为两束，其中一束微波信号传输到微波鉴相模块，另一束微波信号传输到偏振调制模块1形成参考光电振荡器的光电反馈回路；
B.在测量光电振荡器中，可调激光器模块2产生在一定范围内连续改变输出波长的光信号并将光信号输入偏振控制模块2，波长范围为λ1～λn，n为自然数；偏振控制模块2控制输入偏振控制模块2中的线偏振光与偏振调制模块2主轴的夹角，然后输入偏振调制模块2，光信号在偏振调制模块2被微波信号调制，经微波信号调制后的光信号由光学滤波器模块2滤波，除载波及其中一个一阶边带外的光信号均被滤除，经过滤波后的光信号通过波分复用模块01输入光纤延迟模块1，光纤延迟模块1将光信号传给光纤扭转角度传感位置，每个光纤扭转角度传感位置的波分复用模块的工作波长不同，当光纤扭转角度传感位置中波分复用模块的工作波长与传入光纤扭转角度传感位置的光信号的波长相同时，选用该光纤扭转角度传感位置作为测量位置，其余光纤扭转角度传感位置相当于一个光纤延迟模块，光纤延迟模块1输出的光信号通过被选用的光纤扭转角度传感位置中的波分复用模块后，经参考光延时模块传入下一个波分复用模块，下一个波分复用模块传输的光信号通过其余的光纤延迟模块和未被选用的光纤扭转角度传感位置后，再通过一个光纤延迟模块后经波分复用模块02解复用，解复用后波长为λ0的光信号传入参考光电振荡器中的起偏器模块1，波长为λ1～λn范围内的任一光信号传入起偏器模块2；起偏器模块2将光信号传入光电探测模块2，光电探测模块2将接收到的光信号转换为微波信号后经微波放大模块2放大，并通过微波滤波模块2滤波，被滤波后的微波信号被微波耦合模块2分为两束，其中一束微波信号传输到微波鉴相模块，另一束微波信号传输到偏振调制模块2形成测量光电振荡器的光电反馈回路；
步骤A和步骤B中参考光电振荡器与测量光电振荡器的结构相同。其中，上述两个光电振荡器的反馈环路长度相同，且光纤延迟模块由上述两个光电振荡器共用；参考光延时模块的延时与光纤扭转角度传感模块的延时相同；微波滤波模块1与微波滤波模块2均为带通微波滤波器，且其中心频率、3dB带宽等关键指标相同。由于两个光电振荡器的结构相同，两个光电振荡器的初始振荡频率相同，消除包括温度在内的外界因素对扭转角度测量结果的影响。
C.将上述步骤A中传输到鉴频模块的一束微波信号与上述步骤B中传输到鉴频模块的一束微波信号在微波鉴相模块中进行鉴相，微波鉴相模块将输出的鉴相结果输入到信号处理模块，最终解调出光纤扭转角度传感位置中的光纤扭转角度。
进一步的，步骤B中，当光纤扭转角度传感位置中波分复用模块的波长与传入光纤扭转角度传感位置的光信号的波长不同时，传入光纤扭转角度传感位置的光信号通过该光纤扭转角度传感位置中的波分复用模块后传入参考光延时模块，参考光延时模块将光信号传入下一个波分复用模块，然后将光信号传给下一个光纤延迟模块；
进一步的，在步骤B中，还包括：当偏振控制模块2与偏振调制模块2主轴夹角为45度的线偏振光输入偏振调制模块2后，偏振调制模块2的输出光场为
进一步的，在步骤B中，还包括：光学滤波模块2的输出光场为
进一步的，在步骤B中，还包括：假设输入光纤扭转角度传感模块中光纤的光信号偏振角度为φ，强度为Ei，光纤扭转角度传感模块的输入光场为
进一步的，光电探测模块2的输出电压为
上述偏振调制模块2的输出光场是光学滤波模块2的输入光场，光学滤波模块2的输出光场是光纤扭转角度传感位置的输入光场，由选用的光纤扭转角度传感位置的输出光场可得出光电探测模块2的输出电压，由光电探测模块2的输出电压可求出光纤扭转角度θ。
本发明两个光电振荡器通过波分复用技术共用长光纤延时线，形成互参考结构，用于消除温度等外界因素对光纤扭转角度测量结构的影响，最终实现基于光电振荡器的温度不敏感的实时光纤扭转角度测量。
参考光电振荡器与测量光电振荡器的结构相同。其中，两个光电振荡器的反馈环路长度相同，且数百米至数公里长的光纤延迟模块和光纤扭转角度传感位置由两个光电振荡器共用；参考光延时模块用于保证两个光电振荡器的初始反馈环路延时相同；微波滤波模块1与微波滤波模块2均为带通微波滤波器，且其中心频率、3dB带宽等关键指标相同。由于两个光电振荡器的结构相同，两个光电振荡器的初始振荡频率相同，微波滤波模块1与微波滤波模块2中心频率、带宽等关键指标相同；因此，温度等环境因素对两个光电振荡器振荡频率的影响相同，从而消除了温度等环境因素对测量结果的影响。
本发明基于波分复用技术实现了多点光纤扭转角度测量；利用互参考结构消除了温度等外界因素对光纤扭转角度测量结果的影响。采用光电振荡器产生的低相噪高频微波信号实现光纤扭转角度测量，提高了测量灵敏度。通过可调激光器模块2发出不同波长的光信号对光纤扭转角度传感位置进行选择，实现对光纤扭转角度的多点测量；通过两个光电振荡器的微波信号相位差作为光纤扭转角度解调量，提高了测量速度。最终实现基于光电振荡器的、温度不敏感的、准分布式的、快速光纤扭转角度测量。
附图说明
图1是基于光电振荡器的准分布式光纤扭转角度测量装置的原理图；
图2是光纤扭转角度传感位置1的示意图；
图3是光纤扭转角度传感位置2的示意图；
图4是光纤扭转角度传感位置n的示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
图1是本发明基于光电振荡器的准分布式光纤扭转角度测量装置的原理图。如图1所示，本发明包括参考光电振荡器、测量光电振荡器、微波鉴相模块、信号处理模块；所述参考光电振荡器包括参考光电振荡器包括激光器模块1、偏振控制模块1、偏振调制模块1、光学滤波模块1、波分复用模块01、延迟传感模块、波分复用模块02、起偏器模块1、光电探测模块1、微波放大模块1、微波滤波模块1、微波耦合模块1；所述测量光电振荡器包括可调激光器模块2、偏振控制模块2、偏振调制模块2、光学滤波模块2、波分复用模块01、延迟传感模块、波分复用模块02、起偏器模块2、光电探测模块2、微波放大模块2、微波滤波模块2、微波耦合模块2。
本实施例中，激光器产生光信号，光信号经偏振控制器并输入偏振调制器；偏振调制器将光信号传入光学滤波器，光学滤波器将光信号传入波分复用器，经波分复用器传输到单模光纤，传入单模光纤的光信号继续传入一个波分复用器；在参考光电振荡器中，波分复用器将光信号传入光延迟线，光延迟线将光信号传入波分复用器，在测量光电振荡器中，波分复用器将光信号传入光纤扭转角度传感器，光纤扭转角度传感器将光信号传入波分复用器；波分复用器将光信号传入单模光纤，经单模光纤传输的光信号通过波分复用器，波分复用器将传入的光信号解复用后传入起偏器，起偏器将光信号传输到光电探测器，光电探测器将光信号转换为微波信号；微波信号经射频/微波宽带低噪声放大器放大，微波带通滤波器滤波，并通过微波/射频耦合器，微波/射频耦合器将微波信号分为两路，一路输出到宽带双平衡混频器，另一路反馈回偏振调制器，最终形成两个电振荡器的光电反馈环路；上述宽带双平衡混频器将鉴相结果传输到DSP数字信号处理器。
当光纤扭转角度传感位置中波分复用器的波长与传入光纤扭转角度传感器的光信号的波长不同时，传入光纤扭转角度传感位置的光信号通过光纤扭转角度传感位置中的波分复用器后传入光延迟线，光延迟线将光信号传入下一个波分复用器后将光信号传给单模光纤；
当偏振控制器与偏振调制器主轴夹角为45度的线偏振光输入偏振调制器后，偏振调制器的输出光场为
光学滤波器的输出光场为
假设输入光纤扭转角度传感器中光纤的光信号偏振角度为φ，强度为Ei，光纤扭转角度传感器的输入光场为
光电探测器的输出电压为
图2～图4是本发明光纤扭转角度传感位置的示意图。如图2～图4所示，光纤扭转角度传感位置包含波分复用模块、参考光延迟模块、光纤扭转角度传感模块、波分复用模块。
本实施例中，单模光纤与波分复用器一端相连，波分复用器另一端与光延迟线、光纤扭转角度传感器相连，光延迟线的另一端与波分复用器相连、光纤扭转角度传感器的另一端与波分复用器相连，波分复用器另一端与单模光纤相连，光纤扭转角度传感位置的结构、连接方式均相同。
