CN101586986A - 一种高精度光纤光栅波长解调系统 - Google Patents

Abstract

一种光纤光栅波长解调系统，属于光纤传感、光学测量技术领域。该解调系统包括：宽带光源(1)、可调谐滤波器(2)、1×2耦合器、波长标定模块、光电探测器、1×N光开关(5)、信号处理系统。波长标定模块内部的连接为：标准具滤波器(6)一端接第三1×2耦合器(11)的一个输出端，标准具滤波器的另一端接参考光栅(10)，第三1×2耦合器的输入端接第一1×2耦合器(7)的一个输出端；第三1×2耦合器的另一输出端经第二光电探测器(4)接入信号处理系统(9)，实现波长标定。通过标准具滤波器和参考光栅可快速精确实现对反射回光纤光栅波长的标定，有效达到高精度解调出信号的目的。本系统可用于温度、应力等物理量的监测。

Description

一种高精度光纤光栅波长解调系统

技术领域

本发明属于光纤传感、光学测量技术领域，涉及到一种光纤光栅波长解调系统。特别适用于高精度、宽带解调，动态与静态参量结合测量。

背景技术

光纤光栅传感器具有可靠性高、抗电磁干扰、抗腐蚀等特点，其波长编码特性以及能在单根光纤上实现准分布式测量的优点更是其它传感器所无法比拟的，具有广阔的应用前景，限制光纤光栅传感器大规模实际应用的最主要障碍之一是对光纤光栅传感器波长信号的解调。

在光纤光栅传感系统中，外界物理量是以光纤光栅的反射波长为载体来传递的，因此，波长解调技术一直是该领域的研究热点，开发出调谐范围大、精度高、稳定性好、低成本的解调系统是光纤光栅传感器实用化的关键。

光纤光栅是一种制作在光纤上的具有窄带反射特性的光学滤波器。由于石英光纤的弹性形变、热膨胀特性，以及其热光、弹光效应，它具有对温度和应力的敏感特性。在一定的范围内这一敏感特性是线性的，符合以下的关系：

Δλ_ε/λ＝ε(1-γ)    (1)

Δλ_T/λ＝(α+e)ΔT    (2)

式中：ε为光纤的应变，γ为光纤材料的弹光系数，α为光纤材料的热胀系数，ΔT为温度变化量，e＝1/n(dn/dT)为热光系数。通过测量波长的变化根据上述的关系就能确定需感知的温度和应力。要使光纤光栅传感器实用化，关键技术就是如何精确，快速、方便地测量其中心反射波长的微小变化，即波长解调方法。

到目前为止，已经发展出了多种波长解调制技术，光纤光栅反射光波长的解调技术可以分为以下几种类型：被检测传感头反射回来的具有一定的光信号直接输入到光谱仪、单色仪或波长计中，直接测量出光纤光栅反射信号的波长位置。这种解调方式只适合于实验室使用；利用可调谐激光器作为测试光源，输出的激光波长在一定的范围内连续扫描，根据光信号在扫描周期中的位置，可以得出被测光纤光栅反射光波长的变化，或者得出测量光纤光栅与参考光纤光栅的反射光波长，这种方法的优点是反射光能量高，而且只要一般的光功率计来作为接收元件，信号易于检测，分辨率高，多路复用的实现简单，但该方法的光源设计制作难度大，成本高，且容易受到干扰，影响精度；利用宽带光源作为测试光源，利用滤波器或可调谐滤波器作为对于传感光纤光栅反射光信号的解调元件，用光功率计来检测光信号。这种方法又可以分成反射型和透射型两类。前者的原理如下：从传感FBG的反射光入射到接收端的FBG上，若与接收端FBG的反射光波长一致，则被反射到探测器上。通过PZT驱动接收FBG进行微调，得到传感FBG的峰值波长。该方法的精度受光源稳定性和外界干扰的限制，对探测端FBG光谱的稳定性要求高；S.M.Melle等人在1992年提出边缘滤波法，即采用一种具有线宽较大，透过率呈线性变化的滤波器，与传感FBG的反射光波长相卷积，得到的信号同FBG峰值波长的位置成比例，因而可以从信号大小推知FBG波长位置，这一方法要求解调滤波器的边沿要非常陡，线性好，要求系统各个部件参数稳定，因此设计制造和使用较为困难。2004年Jauregui等人提出了利用倾斜啁啾光栅来进行解调的方法，用该方法制作的解调器结构简单、体积小，但精度和信噪比不高。

由于光纤光栅波长解调方法很多，但由于这些技术各自的局限性，投入实际应用的产品并不多，还没有一种解调方案能同时满足频率高、带宽大、动态与静态参量结合测量且成本不高的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高精度光纤光栅波长解调系统，该系统同时具有大的解调范围及动态与静态参量结合测量，并可复用检测。

本发明的基本原理是用宽带光源发出的宽带光经过可调谐滤波器之后变为波长周期变化的窄带光，经过耦合器后分别进入耦合器和滤波器。另一路光信号进入耦合器之后，进入光纤光栅传感器传回的光信号经过被测物理量的作用，中心波长会发生移动，通过耦合器进入光电转换装置，每经过一个周期，光电转换装置会接收到一个最大光强。光电转换的电信号同步进入信号处理系统，根据不同信号相对的时间间隔，可推算出光纤光栅传感器反射光的波长。

本发明的技术方案如下：

一种光纤光栅波长解调系统，该解调系统包括：宽带光源，可调谐滤波器，第一1×2耦合器，由第三1×2耦合器、标准具滤波器、参考光栅和第二光电探测器组成的波长标定模块，第二1×2耦合器，第一光电探测器，1×N光开关，信号处理系统。

构成波长标定模块的器件之间的连接为：

标准具滤波器一端接第三1×2耦合器的一个输出端，标准具滤波器的另一端接参考光栅，第三1×2耦合器的输入端接第一1×2耦合的一个输出端；第三1×2耦合器的另一输出端经第二光电探测器接入信号处理系统，实现波长标定。

在一个扫描周期中，标准具滤波器反射回50个波峰间隔均为0.8nm的波峰，参考光栅会在返回的信号中多出一个波峰，信号处理模块根据该波峰与标准具滤波器的50个波峰的相对位置判定所有波峰对应的电压值；信号处理模块根据第一光电探测器和第二光电探测器输出电信号极大值之间的时间间隔以及可调谐滤波器的一个扫描周期对应40nm的关系，即知道1×N光开关所连接的光纤布拉格光栅传感器的波长λ。

所术的光开关为1×N光开关，每一路均串接M个光纤布拉格光栅传感器，1≤M≤18，1≤N≤8。

所述的标准具滤波器采用波长校准范围是1525～1565nm，共有50个通道，输出的等间距波峰的间距为0.8nm。

所述的光纤布拉格光栅传感器的波长λ：

λ＝λ₀+40t/T

其中λ₀为距离光纤布拉格光栅传感器的反射信号最近的，且小于光纤布拉格光栅传感器波长的标准具波峰的波长值；t为第一光电探测器和第二光电探测器输出信号之间的时间间隔，T为可调谐滤波器的一个扫描周期。

本发明的有益效果是：

1)通过使用标准具滤波器和参考光栅的方法可以快速精确实现对反射回光纤光栅波长的标定，从而有效达到高精度解调出信号的目的。

2)通过采用1×N的光开关，可以实现多通道解调。该系统响应速度快，结构简单、实用，易于产品化，具有广阔的市场前景。

附图说明

图1是本发明应用于单个测量点的系统示意图。

图中：宽带光源1，可调谐滤波器2，第一光电探测器3，第二光电探测器4，1×N的光开关5，标准具滤波器6，第一1×2耦合器7，第二1×2耦合器8，第三1×2耦合器11，参考光栅10，信号处理系统9。

具体实施方式

一种光纤光栅波长解调系统，该解调系统包括：宽带光源1，可调谐滤波器2，第一1×2耦合器7，由1×2耦合器11、标准具滤波器6、参考光栅10和第二光电探测器4组成的波长标定模块，第二1×2耦合器8，第一光电探测器3，1×N光开关5，信号处理系统9；其构成的器件之间的连接：

宽带光源1的输出端接可调谐滤波器2输入端，可调谐滤波器2输出端接第一1×2耦合器7的输入端，第一1×2耦合器7的另一个输出端接第二1×2耦合器8的一个输出端；第二1×2耦合器8的另一输出端经第一光电探测器3接入信号处理系统9；第二1×2耦合器8的输入端通过1×8光开关5分别接8路光纤布拉格光栅传感器，每一路均串接18个光纤布拉格光栅传感器：第一路光纤布拉格光栅传感器(101、102......118)、第二路光纤布拉格光栅传感器(201、202......218)......第八路光纤布拉格光栅传感器(801、802......818)见图1。

由标准具滤波器6、第二光电探测器4、参考光栅10和第三1×2耦合器11组成的波长标定模块，其构成器件之间的连接为：

标准具滤波器6一端接第三1×2耦合器11的一个输出端，标准具滤波器6的另一端接参考光栅10，第三1×2耦合器11的输入端接第一1×2耦合7的一个输出端；第三1×2耦合器11的另一输出端经第二光电探测器4接入信号处理系统9，实现波长标定。

所述的光开关5为1×N光开关，所选择的路数1或4或6路等，每一路上所连接的光纤布拉格光栅传感器的数量：1、3、8、10、16等，本高精度光纤光栅波长解调系统结构是一样的。

所述的宽带光源采用波长范围1525nm～1565nm的ASE宽带光源。

可调谐滤波器采用带有压电陶瓷的法布里-珀罗滤波器。

第一和第二光电探测器采用光电二极管。

所述的标准具滤波器6采用的波长校准范围是1525～1565nm，共有50个通道，输出的等间距波峰的间距为0.8nm。

宽带光源1发出的宽带光(波长范围1525nm-1565nm)输入可调谐滤波器2，可调谐滤波器2在信号处理系统9提供的扫描控制周期电压的作用下成为扫频的窄带光，可调谐滤波器2的导通频带扫描全部光纤布拉格光栅传感器反射光光谱。

可调谐滤波器2输出的窄带光经过第一1×2耦合器7分成两路，其中一路光通过进入第二1×2耦合器8进入光纤布拉格光栅传感器，由于可调谐滤波器2的导通频带很窄，当可调谐滤波器2的导通中心波长与其中一个光纤布拉格光栅传感器的布拉格波长相等时，光纤布拉格光栅传感器的反射光经过第二1×2耦合器8进入第一光电探测器3，第一光电探测器将这一光纤布拉格光栅传感器的反射光信号变换成电信号，这个电信号的峰顶对应于从这一光纤布拉格光栅传感器反射回的波长。光纤布拉格光栅传感器经过被测物理量(温度、应力)的作用，其中心波长会发生移动。第一光电探测器3将光信号转换成电信号进入信号处理处理系统9。

可调谐滤波器2输出光经第一1×2耦合器7后的另一路光经过第三1×2耦合器11进入标准具滤波器6和参考光栅10。在可调谐滤波器2的一个扫描周期中，标准具滤波器6反射回50个波峰间隔均为0.8nm的波峰，参考光栅10会在返回的信号中多出一个波峰，根据该波峰与标准具滤波器的50个波峰的相对位置判定所有波峰对应的电压值；信号处理模块9根据第一光电探测器3和第二光电探测器4输出电信号峰顶之间的时间间隔以及可调谐滤波器2的一个扫描周期对应40nm的关系，即知道1×8光开关5所连接的光纤布拉格光栅传感器的波长λ：

λ＝λ₀+40t/T

其中λ₀为距离光纤布拉格光栅传感器的反射信号最近的，且小于光纤布拉格光栅传感器波长的标准具波峰的波长值；t为第一光电探测器3和第二光电探测器4输出信号之间的时间间隔，T为可调谐滤波器2的一个扫描周期。

例如，距离光纤布拉格光栅传感器的反射信号最近的，且小于光纤布拉格光栅传感器波长的标准具波峰的波长值为1530nm，第一光电探测器3和第二光电探测器4输出信号之间的时间间隔为1/200个扫描周期，则此时反射的光纤布拉格光栅传感器的波长

λ＝λ₀+40t/T＝1530+40/200＝1530.2nm

通过使用标准具滤波器6和参考光栅10，提高了光纤布拉格光栅波长解调系统的精度。

Claims (4)

1.一种光纤光栅波长解调系统，该解调系统包括：宽带光源(1)、可调谐滤波器(2)、1×2耦合器、波长标定模块、光电探测器、1×N光开关(5)、信号处理系统(9)连接成；

其特征在于，波长标定模块包括标准具滤波器(6)、第二光电探测器(4)、参考光栅(10)和第三1×2耦合器(11)，其间的连接为：

标准具滤波器(6)一端接第三1×2耦合器(11)的一个输出端，标准具滤波器(6)的另一端接参考光栅(10)，第三1×2耦合器(11)的输入端接第一1×2耦合(7)的一个输出端；第三1×2耦合器(11)的另一输出端经第二光电探测器(4)接入信号处理系统(9)，实现波长标定；

在一个扫描周期中，标准具滤波器(6)反射回50个波峰间隔均为0.8nm的波峰，参考光栅(10)会在返回的信号中多出一个波峰，信号处理模块(9)根据该波峰与标准具滤波器的50个波峰的相对位置判定所有波峰对应的电压值；信号处理模块(9)根据第一光电探测器(3)和第二光电探测器(4)输出电信号极大值之间的时间间隔以及可调谐滤波器(2)的一个扫描周期对应40nm的关系，即知道1×N光开关(5)所连接的光纤布拉格光栅传感器的波长λ。

2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅波长解调系统，其特征在于，光开关(5)为1×N光开关，每一路均串接M个光纤布拉格光栅传感器，1≤M≤18，1≤N≤8。

3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅波长解调系统，其特征在于，标准具滤波器(6)采用波长校准范围是1525～1565nm，共有50个通道，输出的等间距波峰的间距为0.8nm。

4.根据权利要求1所述的一种光纤光栅波长解调系统，其特征在于，光纤布拉格光栅传感器的波长λ：

λ＝λ₀+40t/T

其中：λ₀为距离光纤布拉格光栅传感器的反射信号最近的，且小于光纤布拉格光栅传感器波长的标准具波峰的波长值；t为第一光电探测器(3)和第二光电探测器(4)输出信号之间的时间间隔，T为可调谐滤波器(2)的一个扫描周期。

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