1.可调谐激光与光载射频融合解调的光纤振动测量方法,其特征在于,包括:S1.统计评价对象的反射光强度和群时延测振灵敏度,根据反射光强度和群时延测振灵敏度建立算法计算得出最优波长偏置点;
S2.通过波长偏置点选择程序将激光波长调谐到最优波长偏置点;
S3.微波信号调制,利用锁相的方法产生相位锁定参考信号,相位锁定参考信号作为参考传输信号通过光纤链路从发射端传输至接收端;
S4.搭建基于可调谐激光的光纤布拉格光栅FBG波长解调子系统,对参考传输信号进行粗扫细测变步长扫描;
S5. 获取微波信号的相位信息,搭建基于双混频相差测量的光纤光栅反射群时延测量系统,通过双混频时差测量装置利用光载射频进行微波信号相位变化的测量;
S6.基于微波信号的相位信息提取外界应变与振动信息,实现微弱振动测量;
S1中,计算最优波长偏置点的具体流程如下,
统计n个评价对象的评价指标,构建评价正向化矩阵X,评价指标为反射光强度和群时延测振灵敏度,评价正向化矩阵为:;
式中, 为第n个评价对象的反射光强度, 为第n个评价对象的群时延测振灵敏度;
对评价正向化矩阵进行标准化,得到标准化矩阵Z:
;
定义正理想解: ;
定义负理想解: ;
计算第i个评价对象与最大值的距离:
;
计算第i个评价对象与最小值的距离:
;
式中,i=1,2,…,n;m=1,2; 为第m个评价指标的正理想解, 为第m个评价指标的负理想解;
计算得出第i个评价对象未归一化的得分:
;
越大 越小,即越接近最大值,值最大处的波长偏置点为最优波长偏置点。
2.根据权利要求1所述的可调谐激光与光载射频融合解调的光纤振动测量方法,其特征在于,S3中,通过锁相环和压控振荡器利用锁相的方法产生相位锁定参考信号,将产生的相位锁定信号作为参考传输信号通过光纤链路从发射端传输至接收端,参考输出信号记作:;
表示参考传输信号的振幅, 为初始相位,为频率,j为虚数单位;
频率综合器将参考输出信号分为 射频信号和 射频信号两路,射频信号又分为两路,其中一路依次经过同相正交I/Q调制器、电光调制器、掺饵光纤放大器、环形器、光电探测器后与中心频率为 的调制信号一起经同相正交I/Q解调器进行信号解调后再进入低通滤波器,另一路不引入任何调制信号与 射频信号一起直接进入低通滤波器。
3.根据权利要求2所述的可调谐激光与光载射频融合解调的光纤振动测量方法,其特征在于,掺饵光纤放大器和环形器作用于FBG,FBG产生回光通过环形器进入光电探测器解调的信号为:;
表示光电探测器解调的信号的振幅,代表FBG引线所带来的相位变化,代表群时延所带来的相位变化;
加入中心频率为 的调制信号通过I/Q解调器输出的信号为:;
其中,表示I/Q解调器输出的信号的振幅, 为 射频信号相对于 射频信号的频率偏移量, 为 射频信号的相位;
不引入任何调制信号一路 射频信号、 射频信号和 信号经下变频获得信号后再混频进入低通滤波器进行信号处理,通过低通滤波器得到的信号为:;
其中, 表示通过低通滤波器得到的信号的振幅, 是经过低通滤波器之后的相位变化。
4.根据权利要求3所述的可调谐激光与光载射频融合解调的光纤振动测量方法,其特征在于,S4中光纤布拉格光栅FBG波长解调子系统包括基于可调谐激光管的波长调谐扫描模块和基于数模转换器的数据采集模块,基于可调谐激光管的波长调谐扫描模块是基于可调谐激光的光纤布拉格光栅FBG波长解调子系统的核心模块,包括恒流源模块、热电冷却TEC温控模块、光功率稳定模块、波长标定纠偏模块和可调谐激光管;
恒流源模块驱动可调谐激光管的增益控制脚Gain、光纤放大器脚SOA、前脚Front、后脚Back和交换脚Phase五个管脚,输出所需电流值;
TEC温控模块,包括电桥热敏电阻测量电路,双向流控电路和脉冲宽度调制PWM型TEC驱动电路;
光功率稳定模块通过引入基于比例微分PD的功率检测光功率电路,根据光功率变化反馈调节Gain和SOA管脚电流,实现光功率稳定;
波长标定纠偏模块选用的波长参考器件为50GHz间隔的高稳温漂自补偿的法布里-珀罗干涉仪F‑P标准具,F‑P标准具在室温下温度波动范围在10℃内引起的波长漂移小于1pm。
5.根据权利要求4所述的可调谐激光与光载射频融合解调的光纤振动测量方法,其特征在于,S4中粗扫细测变步长扫描是在粗扫阶段测定FBG的峰值波长和群时延特征峰位置,在细测阶段进行波长偏置点的锁定和切换,通过嵌入式系统进行可调谐激光管的扫描控制驱动和模数转换器ADC的同步采集存储,包括:S4.1电流‑波长查找表的重制,利用波长计制备粗表和细表两个表覆盖C波段,粗表用于粗扫阶段、细表用于细测阶段;
S4.2涉及并优化波长偏置点锁定数字控制算法,通过F‑P标准具提取F‑P梳状光谱特征作为参考,动态调节Front、Back和Phase三个管脚电流,对扫描值进行纠偏,实现输出波长稳定控制。
6.根据权利要求5所述的可调谐激光与光载射频融合解调的光纤振动测量方法,其特征在于,S5中基于双混频相差测量的光纤光栅反射群时延测量系统包括波长偏置点选择模块、基于可调谐激光的光纤布拉格光栅FBG波长解调子系统、光载射频测量模块和外围光路模块,外围光路模块包括环形器、光纤耦合器、电光调制器、掺饵光纤放大器和光电探测器,第一环形器、第二环形器和光纤耦合器属于光纤光路部分,电光调制器、掺饵光纤放大器和光电探测器属于光电转换部分。
7.根据权利要求6所述的可调谐激光与光载射频融合解调的光纤振动测量方法,其特征在于,S5中将激光波长调谐到最优波长偏置点利用特征峰的陡峭度将微弱振动引入FBG的栅区周期长度波动变化转化为群时延改变,再通过光载射频相位测量提取这一变化,得到微波信号相位变化;
FBG的栅区周期长度 和FBG中心波长 之间的关系为:;
FBG的栅区周期长度改变 和FBG中心反射峰的波长变化 之间的关系为:;
式中, 为FBG纤芯等效折射率取1.46。
8.根据权利要求7所述的可调谐激光与光载射频融合解调的光纤振动测量方法,其特征在于,S6中外界环境变化引起F‑P标准具的腔长变化,使得干涉光的波长发生变化,通过可调谐激光器追踪FBG波长,通过双混频时差测量装置利用光载射频对低通滤波器的输出信号进行反正切处理获取微波信号的相位信息,根据微波信号的相位信息计算群延时,提取外界应变与振动信息,实现微弱振动测量,群延时的幅度为微弱振动。