CN101271240A - 基于傅立叶域锁模激光器的光纤光栅复用解调方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种光纤光栅复用解调方法和设备。本发明中光放大器的自发荧光经过光隔离器、可调谐滤波器进入光环形器，再进入由多个光纤光栅组串联而成的光纤光栅传感网络，被各个光纤光栅反射，反射光进入光环形器后进入光纤耦合器，由功率大分比输出端进入光放大器，以此往复，获得了谐振激光的输出，部分谐振激光由光纤耦合器的功率小分比输出端输出。将信号发生器的输出三角波的频率分别调整到各个光纤光栅组对应的三角波的频率，数据采集卡获得谐振激光的输出信号，通过测量两个脉冲之间的时间间隔变化量得出对应光纤光栅的中心波长漂移量。本发明根据测量的时域脉冲时间间隔来确定光纤光栅的波长漂移量，具有成本低廉的优点，适合集成化、仪器化和网络化。

Description

基于傅立叶域锁模激光器的光纤光栅复用解调方法及设备

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及了一种傅立叶域锁模激光器的光纤光栅复用解调方法以及实现该方法的设备。

背景技术

在光纤传感领域，光纤光栅由于其对温度、应力变化非常敏感，而且具有体积小、光纤兼容、不受电磁干扰以及可以多点传感等优点，成为业内一个十分重要的传感器件。光纤传感相比于普通电学的传感，其最大的优点是可以实现一个系统多点的分布式传感，而光纤光栅可以直接多个写入光纤作为传感头。这于这样一个光纤传感系统，其最为核心的技术就是对多个光纤光栅的复用解调。因此，研发有效的光纤光栅复用解调方法具有重要意义。

用于传感的多个光纤光栅复用解调系统基本可以分为两大类：一是被动型的多个光纤光栅复用解调系统；二是主动型的多个光纤光栅复用解调系统。前者通常采用宽带光源和可扫描的FP滤波器或是匹配光纤光栅、阵列波导光栅或是其它的滤波器件，这种系统存在光源利用率低、信噪比低或者需要多个探头等缺点。后者利用光纤光栅反馈构成激光器系统，从激光器输出提取光纤光栅的波长信号，具有光源利用率高、信噪比高等优点，但是目前还没有完善的此类系统。

发明内容

本发明就是针对现有技术的不足，提出了一种傅立叶域锁模激光器的光纤光栅的多点复用及解调方法，同时提供了实现该方法的设备。

本发明的方法包括以下步骤：

(1)光放大器的自发荧光经过光隔离器、可调谐滤波器通过光环形器的第一端口进入光环形器，由光环形器的第二端口进入由多个光纤光栅组串联而成的光纤光栅传感网络，每个光纤光栅组由多个不同中心波长的光纤光栅串联而成；自发荧光被光纤光栅传感网络的各个光纤光栅反射，反射光通过光环形器的第二端口进入光环形器，由光环形器的第三端口进入三端口光纤耦合器，再由三端口光纤耦合器的功率大分比输出端输出，进入光放大器；以此往复，处于傅立叶锁模工作状态，获得了谐振激光的输出，部分谐振激光由三端口光纤耦合器的功率小分比输出端输出，进入光电探头；

(2)根据第i个光纤光栅组反馈形成的谐振腔腔长M_i确定驱动可调谐滤波器的器的信号发生器的输出三角波的频率f_i

M_i＝L₀+2(L₁+L₂+...+L_i)

其中，L₀为光放大器、光耦合器、光隔离器、光环形器、可调谐滤波器连接形成环形结构的总长度，L₁为第一个光纤光栅组与光环形器之间光纤的长度，L₂、…L_i分别为第二个光纤光栅组与第一个光纤光栅组之间光纤的长度、…第i个光纤光栅组与第i-1个光纤光栅组之间光纤的长度；

f_i＝c/(nM_i)

其中c为真空光速，n为光纤有效折射率；

(3)将驱动可调谐滤波器的器的信号发生器的输出三角波的频率分别调整到各个光纤光栅组对应的三角波的频率f_i；数据采集卡通过光电探头获得谐振激光的输出信号；

(4)第i个光纤光栅组中的每个光纤光栅对应谐振激光输出信号在可调谐滤波器的一个扫描周期内出现两个脉冲，两个脉冲之间的时间间隔变化量Δt光纤光栅波长漂移量Δλ满足线性关系：

$\mathrm{\Δ\λ}=\mathrm{\ΔtW}{f}_i=\frac{\mathrm{Wc\Δt}}{n(L_0+2(L_1+L_2+...+L_i))}---\left(1\right)$

其中w为可调谐滤波器扫描范围，测量两个脉冲之间的时间间隔变化量Δt，由式(1)得出对应光纤光栅的中心波长漂移量。

通过光纤光栅的中心波长的波长漂移量即可获得对应传感的环境的变化(微弯、温度、应力等变化)，光纤光栅的中心波长的波长漂移量与对应传感的环境的变化间的关系为现有技术。

实现本发明方法的设备包括通过光纤连接成环形结构的光放大器、光隔离器、可调谐滤波器、光环形器、三端口光纤耦合器，其中光放大器的一端与光隔离器的输入端连接，光隔离器的输出端与可调谐滤波器的一端连接，可调谐滤波器的另一端与光环形器的第一端口连接，光环形器的第三端口与三端口光纤耦合器的输入端连接，三端口光纤耦合器的功率大分比输出端与光放大器的另一端连接；信号发生器与可调谐滤波器的驱动端口连接；三端口光纤耦合器的功率小分比输出端通过光纤与光电探头连接，数据采集卡与光电探头通过导线连接；光环形器的第二端口与由多个光纤光栅组串联而成的光纤光栅传感网络连接，每个光纤光栅组由多个不同中心波长的光纤光栅串联而成。

本发明主要适用于多个传感应用的光纤光栅的复用和解调，把光纤光栅的波长漂移量转化为时域脉冲时间间隔，根据测量的时域脉冲时间间隔来确定光纤光栅的波长漂移量，而光纤光栅的波长漂移量和温度及应力的关系已经为大家所熟知，因此本发明可以应用于温度和应力传感。本发明的最大解调信道数达数百，具有成本低廉的优点，适合集成化、仪器化和网络化。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为实施例中第一个光纤光栅组的第一个光纤光栅的中心波长的漂移量与所测量两个脉冲之间的时间间隔变化量的关系图；

图3为实施例中第一个光纤光栅组的第二个光纤光栅的中心波长的漂移量与所测量两个脉冲之间的时间间隔变化量的关系图；

图4为实施例中第二个光纤光栅组的第一个光纤光栅的中心波长的漂移量与所测量两个脉冲之间的时间间隔变化量的关系图；

图5为实施例中第二个光纤光栅组的第二个光纤光栅的中心波长的漂移量与所测量两个脉冲之间的时间间隔变化量的关系图。

具体实施方式

如图1所示，光放大器1的一端与光隔离器9的输入端连接，光隔离器9的输出端与可调谐滤波器7的一端连接，可调谐滤波器7的另一端与光环形器5的第一端口连接，光环形器5的第三端口与三端口光纤耦合器4的输入端连接，三端口光纤耦合器4的功率大分比(90％)输出端与光放大器1的另一端连接。信号发生器8与可调谐滤波器7的驱动端口连接。三端口光纤耦合器4的功率小分比(10％)输出端通过光纤与光电探头2连接，数据采集卡3与光电探头2通过导线连接。光环形器5的第二端口与由2个光纤光栅组6串联而成的光纤光栅传感网络连接，每个光纤光栅组6由2个不同中心波长的光纤光栅串联而成。

具体复用解调方法包括以下步骤：

(1)第1个光纤光栅组由中心波长分别为1547.8nm，1548.9nm、反射率均为95％的两个光纤光栅组成，测得第1个光纤光栅组反馈形成的谐振腔腔长M₁＝5.34km，确定驱动可调谐滤波器的器的信号发生器的输出三角波的频率f₁＝37.432kHz；第2个光纤光栅组由中心波长分别为1547.8nm，1546.7nm、反射率均为95％的两个光纤光栅组成，测得第2个光纤光栅组反馈形成的谐振腔腔长M₂＝6.94km，确定驱动可调谐滤波器的器的信号发生器的输出三角波的频率f₂＝28.776kHz；

(2)数据采集卡通过光电探头获得谐振激光的输出信号；

(3)第i个光纤光栅组中的每个光纤光栅对应谐振激光输出信号在可调谐滤波器的一个扫描周期内出现两个脉冲，两个脉冲之间的时间间隔变化量Δt和光纤光栅波长漂移量Δλ满足以下线性关系：

$\mathrm{\Δ\λ}=\mathrm{\ΔtW}{f}_i=\frac{\mathrm{Wc\Δt}}{n(L_0+2(L_1+L_2+...+L_i))}$

其中W＝6nm为可调谐滤波器扫描范围，测量两个脉冲之间的时间间隔变化量Δt，根据上式计算得出对应每个光纤光栅组的光纤光栅的中心波长漂移量。实际测量的第一个光纤光栅组的第一个、第二个光纤光栅、第二个光纤光栅组的第一个、第二个光纤光栅的中心波长漂移量与所测量两个脉冲之间的时间间隔变化量的关系分别如图2、图3、图4、图5所示。

通过光纤光栅的中心波长的波长漂移量即可获得对应传感的环境的变化(微弯、温度、应力等变化)。本发明利用可调谐滤波器调制，实现激光器对应特定光纤光栅反馈的傅立叶锁模操作，将光纤光栅的波长信号转为激光器输出的时域脉冲信号，从而实现了从波长测量到时间测量的转变；对应特定驱动器输出频率，可以实现位置接近的多个光纤光栅解调，而改变驱动器输出频率，可以对不同位置光纤光栅解调，因此本系统实现了不同位置或是位置接近的多个光纤光栅复用解调。本发明还具有分辨率高、测量带宽大、解调精度高和成本低廉的优点。

Claims (2)

1、基于傅立叶域锁模激光器的光纤光栅复用解调方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)光放大器的自发荧光经过光隔离器、可调谐滤波器通过光环形器的第一端口进入光环形器，由光环形器的第二端口进入由多个光纤光栅组串联而成的光纤光栅传感网络，每个光纤光栅组由多个不同中心波长的光纤光栅串联而成；自发荧光被光纤光栅传感网络的各个光纤光栅反射，反射光通过光环形器的第二端口进入光环形器，由光环形器的第三端口进入三端口光纤耦合器，再由三端口光纤耦合器的功率大分比输出端输出，进入光放大器；以此往复，处于傅立叶锁模工作状态，获得了谐振激光的输出，部分谐振激光由三端口光纤耦合器的功率小分比输出端输出，进入光电探头；

(2)根据第i个光纤光栅组反馈形成的谐振腔腔长M_i确定驱动可调谐滤波器的器的信号发生器的输出三角波的频率f_i

M_i＝L₀+2(L₁+L₂+...+L_i)

其中，L₀为光放大器、光耦合器、光隔离器、光环形器、可调谐滤波器连接形成环形结构的总长度，L₁为第一个光纤光栅组与光环形器之间光纤的长度，L₂、…L_i分别为第二个光纤光栅组与第一个光纤光栅组之间光纤的长度、…第i个光纤光栅组与第i-1个光纤光栅组之间光纤的长度；

f_i＝c/(nM_i)

其中c为真空光速，n为光纤有效折射率；

(3)将驱动可调谐滤波器的器的信号发生器的输出三角波的频率分别调整到各个光纤光栅组对应的三角波的频率f_i；数据采集卡通过光电探头获得谐振激光的输出信号；

(4)第i个光纤光栅组中的每个光纤光栅对应谐振激光输出信号在可调谐滤波器的一个扫描周期内出现两个脉冲，两个脉冲之间的时间间隔变化量Δt与光纤光栅波长漂移量Δλ的关系为：

$\mathrm{\Δ\λ}=\mathrm{\ΔtW}{f}_i=\frac{\mathrm{Wc\Δt}}{n(L_0+2(L_1+L_2+...+L_i))}---\left(1\right)$

其中w为可调谐滤波器扫描范围，测量两个脉冲之间的时间间隔变化量Δt，由式(1)得出对应光纤光栅的中心波长漂移量。

2、实现如权利要求1所述方法的设备，包括光放大器、光隔离器、可调谐滤波器、光环形器、三端口光纤耦合器，其特征在于：光放大器的一端与光隔离器的输入端连接，光隔离器的输出端与可调谐滤波器的一端连接，可调谐滤波器的另一端与光环形器的第一端口连接，光环形器的第三端口与三端口光纤耦合器的输入端连接，三端口光纤耦合器的功率大分比输出端与光放大器的另一端连接；信号发生器与可调谐滤波器的驱动端口连接；三端口光纤耦合器的功率小分比输出端通过光纤与光电探头连接，数据采集卡与光电探头通过导线连接；光环形器的第二端口与由多个光纤光栅组串联而成的光纤光栅传感网络连接，每个光纤光栅组由多个不同中心波长的光纤光栅串联而成。

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