CN102889903A - 可调谐激光光源的光纤传感器测量系统及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明为可调谐激光光源的光纤传感器测量系统及使用方法。本系统中CPU连接控制可调谐激光光源，该光源发射的激光经分光器分为M束光，分别进入对应1×2分光器的分光端口、到达其合路端口串接的n个FBG，n为1～120的整数，同一通道上的n个FBG中心波长偏移范围均不相同且无交叉重叠。各1×2分光器的另一分光端口接至PD，PD接入信号处理电路，再通过多路开关接入CPU。使用方法为：M路光分别进入M个通道，当输入激光波长为其中第i个FBG的响应波长时，激光被反射，反射光经PD、信号处理电路送入CPU。CPU根据多路开关的选择状态识别所接收信号属于哪一路，再计算其对应的测试点物理量变化。本发明构成多监测点的FBG网络，测量精度高、速度快。

Description

可调谐激光光源的光纤传感器测量系统及使用方法

(一)技术领域

本发明涉及光电检测领域，具体为一种可调谐激光光源的光纤传感器测量系统及使用方法。

(二)背景技术

光纤布拉格光栅传感器(Fiber Bragg Graging Sensor，FBG)是一种波长调制型光纤传感器，当入射激光波长为FBG反射光谱的响应波长时，入射光被反射，否则透射。光纤布拉格光栅传感器的响应波长随外界物理量(如温度、张力)改变，故其可用于检测温度、压强、位移、应力、电压、加速度等物理参数的变化。自1989年首次有报道将光纤光栅作为传感器应用以来，光纤传感器受到世界各范围的广泛重视，与传统电子传感器比较，由于光纤传感器的电绝缘性良好，抗电磁干扰(EMI)和抗射频干扰(RFI)能力强，化学性能稳定、耐腐蚀，体积小、重量轻，传输损耗小、容量大，灵敏度高、带宽大以及易于实现多路或分布式传感等优点，在土木工程、航空航天、石油化工、复合材料等很多领域中，光纤布拉格光栅传感器均取得了成功的应用，并且取得持续和快速的发展。

光纤传感器所选用的光源决定了测量系统的工作模式、信号处理方法、分辨率及灵敏度，即测量精度。因而选择一种合适的光源对整个光纤传感器测量系统的设计起着至关重要的作用。在选择光源时需要考虑的因素很多，如光源的尺寸、功率、稳定性、相干性、光谱特性及与光纤耦合的难易程度等，另外光源的价格也在很大程度上决定测量系统是否能够实用化。

目前，一般光纤传感器测量系统采用宽带ASE(放大自发辐射)激光光源，方案有两种：一、利用光电探测器的波长效应检测反射光强度，优点是系统构成简单，缺点是精度低、误差大，而且只能支持1路光纤传感器接入；二、利用宽带光源加可调谐滤波器实现输出波长可调谐，整个系统的优点是响应速度快，缺点是系统复杂，需要做定期校准，成本高。使用宽带激光光源最大的缺点是输出的光功率密度低，有效功率仅为其输出总功率的千分之一以下，从而造成此方案中的光纤传感器只能在近距离范围内使用，且测量点数少。

目前，光纤传感器测量系统向着波分复用和光纤传感网的方向发展，这种发展趋势需要采用可调谐激光光源。可调谐激光光源是指在一定范围内可以连续改变激光输出波长的激光器，主要是用于对波长(或者频率)有要求的地方，其分辨率高、功率大。但尚未见可调谐激光光源与光纤传感器组成测量系统的可行设计的报道。

(三)发明内容

本发明的目的是提供一种可调谐激光光源的光纤传感器测量系统及使用方法。

本发明设计的可调谐激光光源的光纤传感器测量系统包括可调谐激光光源、分光器、中心处理器(CPU)和光纤光栅传感器，还有信号处理电路和多路开关。所述光纤光栅传感器为光纤布拉格光栅传感器(Fiber BraggGrating Sensor，FBG)。中心处理器连接控制可调谐激光光源，可调谐激光光源发射的激光经1×M分光器分为M路光束，M为2～64中2的乘方数。M束光每路连接一个反向使用的1×2分光器(即2×1合路器)，每路光束进入其对应的1×2分光器的一个分光端口、到达其合路端口串接的n个光纤光栅传感器，n为1～120的整数，每个光纤光栅传感器的响应波长都有一定的带宽，其中反射光能量最高的波长点为其中心波长。当响应波长的频谱为对称分布，中心波长就是响应带宽的中心点。当光纤光栅传感器外界物理量变化，其响应波长在一定的范围内偏移，同一通道上串联的n个光纤光栅传感器的中心波长的偏移范围均不相同，即相邻的光纤光栅传感器的中心波长无交叉重叠。各1×2分光器的另一分光端口接至其对应的光电探测器，此光电探测器输出的电流信号接入对应的信号处理电路，用以捕获该分光器合路端串联的n个光纤光栅传感器的反射光信息。M个所述信号处理电路的输出通过多路开关接入中心处理器。不同通道串联的n个光纤光栅传感器的中心波长偏移范围可以相同。中心处理器控制多路开关，轮流切换与各通道接通，各通道的物理连接和开关选择是一一对应的关系，所以通过开关选择状态中心处理器即可以识别接收的信号属于哪个通道。

各个光纤光栅传感器根据外界条件的不同，响应波长在一定的范围内偏移，该偏移范围根据需要由光栅制造时的工艺所决定。在本发明可调谐激光光源的光纤传感器测量系统中所使用的各光纤光栅传感器的响应波长偏移范围均属于本系统使用的可调谐激光光源所覆盖的波长范围内。并且，同一通道内的n个光纤光栅传感器各自对应的中心波长偏移范围均不相同，即相邻的光纤光栅传感器的中心波长无交叉重叠。

当n个光纤光栅传感器的反射光谱带宽λ_iBW相等，并且n个光纤光栅传感器的中心波长偏移量λ_id也相等，那么其中第i个光纤光栅传感器满足：

λ_id＜(λ_ALL-λ_iBW)/n

其中，λ_ALL为本系统所用的可调谐激光光源的扫描波长总带宽。各个光纤光栅传感器的中心波长偏移量λ_id越大，测试的物理量的范围就越大。

各光纤光栅传感器对其中心波长的光反射率为80～90％。

所述中心处理器内集成模数转换器或可编程比较器，M个所述信号处理电路的输出通过多路开关接入中心处理器，中心处理器对接收的信号进行模数转换或数值比较。

或者，模数转换器或可编程比较器为独立部件，M个信号处理电路的输出端分别经对应的模数转换器或可编程比较器后再通过多路开关接入中心处理器。

本发明设计的可调谐激光光源的光纤传感器测量系统的使用方法如下：中心处理器控制可调谐激光光源发出波长连续变化的激光，经1×M分光器分为M路光束，M路光分别进入M个1×2分光器的一个分光端口传输至相应1×2分光器的合路端口所串接的n个光纤光栅传感器，当输入的扫描激光波长为其中第i个光纤光栅传感器的反射光谱响应波长时，该光纤光栅传感器对激光反射，否则透过。反射光经1×2分光器的另一个分光端口到达光电探测器，光电探测器将反射光转换为电流信号，送入信号处理电路，电流信号转换为电压信号并被送入中心处理器。中心处理器首先根据多路开关当前的选择状态识别当前所接收的反射光信号来自于M路光束中的哪一路，然后计算该反射光所对应的测试物理量变化。因为各个光纤光栅传感器的中心波长偏移范围均不相同且无交叉重叠，所以中心处理器根据所接收的反射光信号即可计算出该反射光所对应的是第i个光纤光栅传感器及该光纤光栅传感器当前的中心波长λ_i0，并与该光纤光栅传感器初始状态标定的中心波长

比较，即可得到第i个光纤光栅传感器所处检测点的外界物理量的变化。

例如用于温度测量的光纤光栅传感器，其中心波长偏移特性为0.01nm/℃，0℃时某个光纤光栅传感器标定的中心波长为1543.890nm。那么当扫描后得到在1544.900～1545.002nm范围有反射光，即该光纤光栅传感器当前的中心波长为(1544.900+1545.002)/2＝1544.951nm，

由此可计算出该光纤光栅传感器所处检测点的

当前温度＝0+(1544.951-1543.890)/0.01＝97.1℃。

中心处理器根据所接收的反射光信号计算第i个光纤光栅传感器的当前的中心波长λ_i0的方法为：

信号处理电路送入中心处理器的电压信号的模数转换数值大于设定阈值或者达到可编程比较器的上升沿时，中心处理器记录当前的可调谐激光光源输出波长λ_i1，当中心处理器检测到模数转换数值小于设定阈值或者达到可编程比较器的下降沿时，再记录当前的可调谐光源输出波长λ_i2，第i个光纤光栅传感器的当前中心波长λ_i0用下面的公式计算：

λ_i0＝(λ_i1+λ_i2)/2

第i个光纤光栅传感器反射光频谱宽度λ_iBW用下面的公式计算：

λ_iBW＝(λ_i2-λ_i1)

所述设定阈值或可编程比较器的上升沿下降沿为反射光的强度峰值的40％～60％。

中心处理器控制可调谐激光光源扫描时，先用各光纤光栅传感器的反射频谱宽度的一半数值，即λ_iBW/2为步进进行粗扫描，得到λ_i1和λ_i2的粗略值，然后在这两个波长粗略值的附近以0.05～0.15pm步进进行细扫描，从而得到精度达0.05～0.15pm的λ_i1和λ_i2的准确值。这样的方法在保证了测量的高精度的同时，也将测量速度提高了50倍，保证了测量的实时性。

本发明可调谐激光光源的光纤传感器测量系统的优点为：1、采用多路分光器，可调谐激光光源的输出可分出多达64个通道，每通道可以串联接入多达120个中心波长不同的光纤光栅传感器，构成多达7680个监测点的光纤传感器测量网络，传输距离和测量点数能满足一般系统检测要求；2、测量精度高，可以检测低至0.1pm的光纤光栅传感器中心波长的变化量。3、测量速度高，保证了测量的实时性；4、结构简单，易于维护，可调谐激光光源的功率利用率高，投资成本和维护低。

本发明可调谐激光光源的光纤传感器测量系统的使用方法的优点为：中心处理器控制可调谐激光光源先进行粗扫描得到λ_i1和λ_i2的粗略值，然后在这两个波长值的附近进行细扫描得到λ_i1和λ_i2的准确值，从而保证测量的高精度，同时测量速度提高了50倍，保证了测量的实时性。

(四)附图说明

图1为本可调谐激光光源的光纤传感器测量系统实施例的结构示意图；

图2为本可调谐激光光源的光纤传感器测量系统实施例中第i个光纤光栅传感器的反射光功率-波长曲线图。

(五)具体实施方式

可调谐激光光源的光纤传感器测量系统实施例

本可调谐激光光源的光纤传感器测量系统实施例如图1所示，包括可调谐激光光源、分光器、信号处理电路、模数转换器(A/D转换器)、多路开关以及中心处理器(CPU)和光纤光栅传感器。所述光纤光栅传感器为光纤布拉格光栅传感器(FBG)。中心处理器连接控制可调谐激光光源，可调谐激光光源发射的激光经1×64分光器分为64路光束，64束光分别进入64个1×2分光器的一个分光端口，每个1×2分光器的合路端后串接n个光纤光栅传感器，n最大为120。n个光纤光栅传感器的中心波长偏移范围均不相同且无交叉重叠。本例使用120个反射光频谱带宽相等、中心波长偏移量也相等的光纤光栅传感器，反射光频谱带宽为0.25～0.45nm。本例可调谐激光光源的调谐范围为1525～1610nm，λ_all＝85nm，

(λ_ALL-λ_iBW)/n＝(85-0.45)/120＝704.6pm，

选取各光纤光栅传感器中心波长的偏移量λ_id＝700pm，小于704.6pm。

各光纤光栅传感器对其中心波长的光反射率为85％。不同通道的n个光纤光栅传感器的中心波长偏移范围情况相同。同一个1×2分光器合路端串联的n个光纤光栅传感器的反射光通过该分光器的另一个分路端接至光电探测器(PD)，光电探测器(PD)输出的电流信号接入信号处理电路，64个信号处理电路的输出各经模数转换器连接多路开关，从而接至中心处理器进行各通道的信息处理。

所述模数转换器为独立部件。

可调谐激光光源的光纤传感器测量系统的使用方法

本可调谐激光光源的光纤传感器测量系统的使用方法如下：

中心处理器控制可调谐激光光源发出波长连续变化的激光，经1×64分光器分为64路光束，分别进入64个1×2分光器，并通过其串接的n个光纤光栅传感器。当扫描的激光波长为其中第i个光纤光栅传感器反射光谱的响应波长时，该光纤光栅传感器对激光反射，光电探测器将反射光转换为电流信号，在信号处理电路电流信号转换为电压信号，送入中心处理器。中心处理器首先根据多路开关当前的选择状态识别当前接收反射光信号来自于64路光束中的哪一路，然后根据所接收的反射光信号计算出该反射光所对应的第i个光纤光栅传感器及该光纤光栅传感器当前中心波长λ_i0，与该光纤光栅传感器初始状态标定的中心波长比较，得到第i个光纤光栅传感器所处检测点的外界物理量的变化。

中心处理器根据所接收的反射光信号计算第i个光纤光栅传感器的当前的中心波长λ_i0的方法为：

图2所示为第i个光纤光栅传感器反射光频谱图，纵坐标为反射光功率，单位mw，横坐标为波长，单位nm，图中可见在λ_i1和λ_i2之间有反射光，反射光经光电探测器转换为电流信号，送入信号处理电路再转换为电压信号，信号处理电路送入中心处理器的电压信号的模数转换数值大于设定阈值时，中心处理器记录当前的可调谐激光光源输出波长λ_i1，当中心处理器检测到模数转换数值小于设定阈值时，再记录当前的可调谐光源输出波长λ_i2，第i个光纤光栅传感器的中心波长λ_i0用下面的公式计算：

λ_i0＝(λ_i1+λ_i2)/2

第i个光纤光栅传感器反射光频谱宽度λ_BW用下面的公式计算：

λ_iBW＝(λ_i2-λ_i1)

所述设定阈值为反射光的强度峰值的50％。

中心处理器控制可调谐激光光源扫描时，先用各光纤光栅传感器的反射频谱宽度的一半数值，即λ_iBW/2为步进进行粗扫描，得到λ_i1和λ_i2的粗略值，然后在这两个波长值的附近以0.1pm步进进行细扫描，得到λ_i1和λ_i2的准确值，精确度达0.1pm。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.可调谐激光光源的光纤传感器测量系统，包括可调谐激光光源、分光器以及中心处理器和光纤光栅传感器；其特征在于：

还包括信号处理电路和多路开关；所述中心处理器连接控制可调谐激光光源，可调谐激光光源发射的激光经1×M分光器分为M路光束，M为2～64中的2的乘方数，M路光分别进入M个1×2分光器的一个分光端口，每个1×2分光器的合路端后串接n个光纤光栅传感器，n为1～120的整数；n个光纤光栅传感器的中心波长偏移范围均不相同；串联在同一个1×2分光器后的n个光纤光栅传感器的反射光通过该分光器的另一分光端口接至对应的光电探测器，光电探测器输出的电流信号接入信号处理电路，M个信号处理电路的输出通过多路开关接入中心处理器。

2.根据权利要求1所述的可调谐激光光源的光纤传感器测量系统，其特征在于：

所述n个光纤光栅传感器的反射光谱带宽λ_iBW相等，且n个光纤光栅传感器的中心波长偏移量λ_id也相等，各参数满足下式：

λ_id＜(λ_ALL-λ_BW)/n

其中，λ_ALL为所述本系统可调谐激光光源的扫描波长总带宽。

3.根据权利要求1所述的可调谐激光光源的光纤传感器测量系统，其特征在于：

所述M×n个光纤光栅传感器对其中心波长的光反射率为80～90％。

4.根据权利要求1所述的可调谐激光光源的光纤传感器测量系统，其特征在于：

所述中心处理器内集成模数转换器或可编程比较器；

或者，模数转换器或可编程比较器为独立部件，M个信号处理电路的输出端分别经对应的模数转换器或可编程比较器后再通过多路开关接入中心处理器。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的可调谐激光光源的光纤传感器测量系统的使用方法，其特征在于：

所述中心处理器控制可调谐激光光源发出波长连续变化的激光，经1×M分光器分为M路光束进入各个1×2分光器，每束光再通过1×2分光器串接的n个光纤光栅传感器，当扫描的激光波长为其中第i个光纤光栅传感器反射光谱的响应波长时，该光纤光栅传感器对激光反射，光电探测器将反射光转换为电流信号，接入信号处理电路后转换为电压信号，送入中心处理器；中心处理器首先根据多路开关当前的选择状态识别当前所接收的反射光信号来自于M路光束中的哪一路，然后根据所接收的反射光信号计算所对应的第i个光纤光栅传感器及该光纤光栅传感器当前中心波长λ_i0，与该光纤光栅传感器初始状态标定的中心波长

比较，得到第i个光纤光栅传感器所处检测点的外界物理量的变化。

6.根据权利要求5所述的可调谐激光光源的光纤传感器测量系统的使用方法，其特征在于：

所述中心处理器根据所接收的反射光信号计算第i个光纤光栅传感器的当前的中心波长λ_i0的方法为：

所述信号处理电路送入中心处理器的电压信号的模数转换数值大于设定阈值或者达到可编程比较器的上升沿时，中心处理器记录当前的可调谐激光光源输出波长λ_i1，当中心处理器检测到模数转换数值小于设定阈值或者达到可编程比较器的下降沿时，再记录当前的可调谐光源输出波长λ_i2，第i个光纤光栅传感器的中心波长λ_i0用下面的公式计算：

λ_i0＝(λ_i1+λ_i2)/2

第i个光纤光栅传感器反射光频谱宽度λ_BW用下面的公式计算：

λ_iBW＝(λ_i2-λ_i1)。

7.根据权利要求6所述的可调谐激光光源的光纤传感器测量系统的使用方法，其特征在于：

所述设定阈值或可编程比较器的上升沿、下降沿为反射光的强度峰值的40％～60％。

8.根据权利要求6所述的可调谐激光光源的光纤传感器测量系统的使用方法，其特征在于：

所述中心处理器控制可调谐激光光源扫描时，先用各光纤光栅传感器的反射光频谱宽度的一半，即λ_iBW/2为步进进行粗扫描，得到λ_i1和λ_i2的粗略值，然后在这两个波长粗略值的附近以0.05～0.15pm步进进行细扫描，得到λ_i1和λ_i2的准确值。

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