CN201251668Y - 一种复用与解调长周期光纤光栅阵列装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及全光纤长周期光纤光栅阵列传感器的实时信号复用与解调装置。目前还未出现基于光频域反射系统的长周期光纤光栅复用实时传感系统。本实用新型中2×2光纤耦合器的一个输入端口通过光纤隔离器与半导体激光器连接，另一个输入端口通过光电二极管与数据采集卡连接；2×2光纤耦合器的一个输出端口通过补偿光纤与光纤环路反射镜光连接；2×2光纤耦合器的另一个输出端口与1×i光纤耦合器的输入端口光连接，1×i光纤耦合器的i个输出端口分别通过i条光纤延时线与i个中间熔接有用做传感的长周期光纤光栅的光纤环路反射镜光连接。本实用新型可以对各个传感点进行同步实时监测，具有成本低廉的优点，适合集成化和仪器化。

Description

一种复用与解调长周期光纤光栅阵列装置

技术领域

本实用新型属于光纤传感技术领域，涉及了一种全光纤长周期光纤光栅阵列传感器的实时信号复用与解调的装置。

背景技术

在光纤传感领域，长周期光纤光栅(LPG)由于其对微弯、温度、应力、折射率等变化非常敏感，而成为业内一个十分重要的传感器件，尤其适用于液体折射率的高精度测量。

光频域反射技术(OFDR)是对激光光源发出的连续光进行频率调制，然后基于对光纤或待测元件反射回来的光产生的拍频进行检测，所以它只要求低频的解调设备，拍频光频率较小，降低了成本同时保持了较高的检测敏感度以及空间分辨率。如果选用合适的光源及方案，OFDR的动态测量范围和测量精度可以达到很高，因此可以轻易的测出光路中的各个反射点信息。OFDR广泛的应用于分布式的传感网络中，目前主要是应用于反射式的布拉格光纤光栅(FBG)。

布拉格光纤光栅由于其频域反射谱宽较窄，可以容易实现波分，时分等复用和解调。长周期光纤光栅拥有比布拉格光栅高的敏感性，但是长周期光纤光栅的频谱特征为多个透射损耗峰并存，且每个损耗峰的频域带宽较宽，一般有几十纳米，在频域上无法实现复用和解调。尽管长周期光纤光栅本身具有对微弯、温度、应力、折射率敏感的传感特性，但它很少被用于分布式测量。同样道理，目前为止，还没有人提出基于光频域反射系统的长周期光纤光栅复用实时传感系统。

发明内容

本实用新型的目的就是针对现有技术的不足，提供了一种基于长周期光纤光栅的传感器的多路复用及解调的装置。

本实用新型的具体技术方案为：数字信号发生器输出端与半导体激光器的电流控制端电连接；半导体激光器的输出端通过光纤隔离器与2×2光纤耦合器的一个输入端口光连接，2×2光纤耦合器的另一个输入端口与光电二极管的输入端连接，光电二极管的输出端与数据采集卡的输入端电连接，数据采集卡的输出端与FFT分析仪电连接；2×2光纤耦合器的一个输出端口通过补偿光纤与光纤环路反射镜光连接；2×2光纤耦合器的另一个输出端口与1×i光纤耦合器的输入端口光连接，1×i光纤耦合器的i个输出端口分别通过i条光纤延时线与i个中间熔接有用做传感的长周期光纤光栅的光纤环路反射镜光连接。

所述的半导体激光器采用光纤通信波段的单纵模可调的连续半导体激光器。

本实用新型主要适用于多路LPG传感器信号的复用和解调，空间分辨率高达数毫米，最大解调信道数达数百，通过对干涉信号的处理可达到很高的测量精度，可以对各个传感点进行同步实时监测。进行实时测量同时相比光谱仪等测量仪器，具有成本低廉的优点，适合集成化和仪器化。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，数字信号发生器1的输出端与半导体激光器2的电流驱动端电连接。半导体激光器2通过光隔离器3与2×2光纤耦合器4的一个输入端口光连接。光纤耦合器4的一个输出端口经过一定长度的补偿光纤后与光纤环形反射镜5的一个输入端光连接。光纤耦合器4的另一个输出端口与1×n的耦合器8的输入端口光连接。耦合器8的各个输出端口与不同长度的延时线7光连接后，分别光连接了熔接有长周期光纤光栅6的光纤环形反射镜。光纤耦合器的另一个输入端口和光电二极管9的输入端光连接，光电二极管9的输出端与数据采集卡10电连接。数据采集卡10的输出端与FFT分析仪11电连接。将上述多个LPG传感器6作为微弯传感器预埋在被监测建筑物中，光源部分和信号解调部分都在监测中心，激光通过单模光纤进入多个LPG传感器6，再由单模光纤将信号光传回监测中心进行信号解调与处理。

具体的检测方法包括以下步骤：

设定信号发生器输出的电流驱动频率为f。选用中心波长在通信波段的单纵模连续半导体激光器作为光源，激光器的波长频宽小于1MHz，经过频率调制后的激光器输出了扫频频率为f，扫频范围为B的连续光。光源输出的光信号通过光纤耦合器将光强分配到参考光路和测量光路中。测量光路中的各个LPG作为传感器，各个LPG传感器所在分测量光路的光信号具有不同的光程，经过光纤环形反射镜反射回光纤耦合器；携带各路LPG传感信息的信号光和参考光由光纤耦合器耦合回一根单模光纤，完成传感信号的多路复用。光信号通过光电二极管进行光电转换后，通过数据采集卡进行记录。记录下来的数据经过FFT分析仪进行频域分析。每支路LPG传感器中的光信号与参考光路之间具有不同的光程差。这些不同的光程差导致频域上出现了不同的拍频信号。

拍频信号的频率与光程差的关系为

f_b＝2aτ＝4anΔL/c             (5)

其中a＝B·f/2是光源频率锯齿波中线形变化的斜率的一半，n是光纤折射率，c为真空中的光速，ΔL为光程差。虽然，各测量光路的光强度较参考光路低，但是它们相互之间的光程差导致的拍频也会存在于所获取的数据中。为了避免各个测量光路相互拍频的信号对系统引入的干扰，需要设定各支路的光纤延迟线长度，使任何两条分测量光路中的光纤延迟线的长度差远远小于其中任何一条光纤延迟线与参考光路中补偿光纤的长度差。这样各个测量光路相互拍频的信号频率远远低于测量信号，这些干扰频率可以通过高通滤波等方式去除。

将数据采集卡采集下来的数据通过FFT分析仪进行傅氏变换后，得到信号的谱域中的全部拍频信号，通过高通滤波去除各分测量光路之间的拍频信号，保留各分测量光路与参考光路的拍频信号，同时按照不同分测量光路设定的光纤延迟线的长度，将不同分测量光路对应的拍频信号的位置区分开来。

光电二极管探测到的光信号为：

$I\left(t\right)=\frac{1}{4}{\⟨|E_r\left(t\right)+E_s(t-\mathrm{\τ})|}^2\⟩$

$\begin{array}{cc}=\frac{1}{4}{\left|E_r\right|}^2{\left|E_s\right|}^2{\left|f\left(t\right)\right|}^2(1+\cos \{{\mathrm{\&omega;}}_c\mathrm{\&tau;}-{\mathrm{a\&tau;}}^2+2\mathrm{a\&tau;t}\})& -T/2<t<T/2\end{array}---\left(4\right)$

由(4)可以看出，每个拍频信号的强度

与各分测量光路的拍频信号的幅度成正比。对于LPG，如果外界的环境(温度，应力，微弯，折射率等)发生变化，LPG的透射峰会产生飘移，LPG透射峰中心波长与光源所在波长的相对位置发生改变，光强在光源波长处的透射率因此发生改变。逐个改变各传感LPG周围环境，使其中心波长向长波方向移动，记录其透射峰中心波长的移动量与对应的拍频信号的强度改变的关系，进行定标。将各个传感LPG安装在需要传感的环境中，环境中待测物理量改变时，使用定标数据，比较各个传感LPG在频谱对应的拍频信号强度，可以得到各个传感LPG中心波长的移动量，进一步可以得到各个传感LPG所传感的物理量，从而实现了对LPG传感器的复用和解调。

Claims (1)

1、一种复用与解调长周期光纤光栅阵列装置，其特征在于：数字信号发生器输出端与半导体激光器的电流控制端电连接；半导体激光器的输出端通过光纤隔离器与2×2光纤耦合器的一个输入端口光连接，2×2光纤耦合器的另一个输入端口与光电二极管的输入端连接，光电二极管的输出端与数据采集卡的输入端电连接，数据采集卡的输出端与FFT分析仪电连接；2×2光纤耦合器的一个输出端口通过补偿光纤与光纤环路反射镜光连接；2×2光纤耦合器的另一个输出端口与1×i光纤耦合器的输入端口光连接，1×i光纤耦合器的i个输出端口分别通过i条光纤延时线与i个中间熔接有用做传感的长周期光纤光栅的光纤环路反射镜光连接；所述的半导体激光器为光纤通信波段的单纵模可调的连续半导体激光器。