CN100399083C - 可调谐双并联匹配光纤光栅解调系统 - Google Patents

Abstract

一种可调谐双并联匹配光纤光栅解调系统，主要由一只1×3的耦合器、四个解调光纤光栅、五个光电探测器、四个光分路器、两个波长调谐器和一台计算机连接构成，两个波长调谐器分别调谐两对匹配解调光纤光栅对的中心波长，其中四个光电探测器分别接收所述的两对匹配解调光纤光栅对的四个解调光纤光栅的光强，另一个光电探测器直接接收传感光栅的部分光强作为参考光强。根据处于解调范围的一对解调光栅对应的两个光电探测器的输出值就能解调出传感光栅的中心波长。本发明系统具有成本低、快速、简捷、实用的特点。

Description

可调谐双并联匹配光纤光栅解调系统

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感，特别是一种可调谐双并联匹配光纤光栅解调系统，用于测量光纤布拉格光栅窄带反射谱的中心波长。

背景技术

光纤光栅作为一种光学器件，是在光纤中建立起一种空间折射率周期分布，使在其中光的传播特性得以改变的器件。当宽带光源入射到光纤布拉格光栅(以下简称为FBG)中时，其反射光的中心波长λ_B由布拉格方程给出：

λ_B＝2nΛ

其中，n为纤芯的有效折射率，Λ为光栅周期。

当FBG所处环境的温度和应变等物理量发生变化时，会引起光栅折射率和周期的变化，从而导致λ_B的变化，测出Δλ_B即可以得出待测物理量的变化情况，因此，FBG被广泛用于测量温度、应变、应力、压力、压强和位移等物理量。Δλ_B在一定范围内与待测物理量的变化量成线性关系，当环境温度变化量为ΔT时，对应的波长漂移量Δλ_BT可以表示为：

Δλ_BT＝λ_B(α+ξ)ΔT

其中α和ξ分别为光纤的热膨胀系数和热光系数。对于普通石英光纤，在1550nm时，波长随温度变化的灵敏度系数约为13pm/℃。

当FBG受纵向应变为Δε时，对应的波长漂移量Δλ_BS可以表示为：

${\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{BS}}={\mathrm{\λ}}_B\{1-\frac{n^2}{2}[{\mathrm{\ρ}}_{12}-v({\mathrm{\ρ}}_{11}-{\mathrm{\ρ}}_{12})\left]\right\}\mathrm{\Δ\ϵ}$

其中，ρ₁₁和ρ₁₂为光纤的应力张量元，v为泊松比。对于普通石英光纤，在1550nm时，波长随应变变化的灵敏度系数约为1.15pm/με。

在FBG传感技术中，由于被测信号是波长编码的，如何简单、快速、精确的将微小的波长移动量精确的解调出来，是FBG传感器系统中至关重要的问题。最直接的测量波长变化量的方法就是利用光谱仪，然而光谱仪价格高、精度低、体积大，不适合于现场测量。为了解决此问题，研究人员相继开发了一些波长解调技术，主要有一下几种：

(1)干涉解调技术Kersey等人在1992年提出用非平衡Mach-zehnder干涉的方法来解调光纤光栅传感的信号，干涉仪的相位与光栅的应变或温度成正比，测量干涉仪的相位变化，即可得知光栅的应变或温度。

(2)可调谐光源解调技术利用线宽小于FBG带宽、输出波长在一定范围内连续可调的激光器作为光源，通过调谐激光器的输出波长进行光谱扫描。当激光器的输出波长与FBG的中心波长重合时获得最大的输出光强，此时，FBG的中心波长即可唯一确定，通过与FBG初始波长的比较即可获得Δλ_B。

(3)线性边缘滤波解调技术采用宽带光源作为测试光源，FBG的反射信号经过一线宽较宽、透过率线性变化的滤波器，透过信号的强度随FBG中心波长的变化而变化，测量该信号的强度，就可以获得FBG的中心波长。

(4)可调谐滤波解调技术采用宽带光源作为测试光源，用一个可调谐滤波器(反射或透射)作为解调元件，光源发出的光经FBG反射后直接进入可调谐滤波器，调节滤波器的中心波长使得反射(或透射)的光强达到最大，此时可调谐滤波器的中心波长即为FBG的中心波长，通过与FBG初始波长的比较即可获得Δλ_B。

(5)匹配滤波解调技术选用两个与传感光纤光栅参数相近的光纤光栅(即匹配光栅)作为检测光栅，使两个光栅的反射谱部分重叠。传感光栅的反射输出信号为匹配光栅的输入信号，只有与两光栅的反射谱重叠部分相对应的范围内的光波才可能被相应的光电探测器探测到，探测到的光强与反射谱重叠部分的面积成正比。当传感光栅的波长移动时，将引起光电探测器探测到的光强发生变化，因此根据光强的变化即可解调出传感光栅中心波长的变化。

在上述解调方法中，干涉解调技术测量精度很高，但是其测量的是相对值，且测量范围受限于干涉仪的自由光谱范围；可调谐光源解调技术信号检测方便，分辨率高，但是光源难以制作，成本较高；线性边缘滤波解调技术测试范围与分辨率成反比，且要求滤波器的线性要非常好，斜率要非常大，难以制作；可调谐滤波解调技术解调范围大，但是扫描周期长，测试速度慢，并且重复性差；匹配滤波解调技术方法简单实用，但是解调范围太小。由于上述缺点的存在，使得波长解调技术成为FBG传感技术产业化的主要障碍之一。目前市场出售的FBG解调仪，主要是基于扫描F-P技术和干涉扫描技术的，但其制作复杂，价格相当昂贵。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低、快速、简捷、实用的可调谐双并联匹配光纤光栅解调系统，克服现有解调系统的一些缺点，推动FBG传感技术的产业化。

本发明的技术解决方案如下：

本发明可调谐双并联匹配光纤光栅解调系统，主要由四个解调光纤光栅、五个光电探测器、一只1×3的耦合器、四个光分路器、两个波长调谐器和一台计算机构成。

一种可调谐双并联匹配光纤光栅解调系统的具体构成是：一只1×3的耦合器有三个输出端：其中第一输出端与第一光分路器的一个分路输入端相连，第二输出端与第三光分路器的一个分路端相连，第三输出端直接与第三光电探测器相连；所述的第一光分路器的另一个分路端与第一光电探测器相连，该第一光分路器的合路端与第一解调光纤光栅相连，第一解调光纤光栅的另一端与第二光分路器的一个分路端相连，第二光分路器的另一个分路端与第二光电探测器相连，第二光分路器的合路端与第三解调光纤光栅相连，第三光分路器的另一个分路端与第四光电探测器相连，该第三光分路器的合路端与第二解调光纤光栅相连，第二解调光纤光栅的另一端与第四光分路器的一个分路端相连，第四光分路器的另一个分路端与第五光电探测器相连，第四光分路器的合路端与第四解调光纤光栅相连，第一解调光纤光栅和第二解调光纤光栅组成第一对的中心波长由第一波长调谐器控制，组成一对匹配光栅，第三解调光纤光栅和第四解调光纤光栅的中心波长由第二波长调谐器控制，组成另一对匹配光栅，所述的第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器、第五光电探测器、第一波长调谐器和第二波长调谐器均与计算机相连，所述的第一解调光纤光栅和第二解调光纤光栅)的反射谱部分重叠，第三解调光纤光栅和第四解调光纤光栅的反射谱部分重叠，而第三解调光纤光栅中心波长和第二解调光纤光栅中心波长之间的相对位置满足：当超出第一解调光纤光栅和第三解调光纤光栅的解调范围时刚好进入第二解调光纤光栅和第四解调光纤光栅的解调范围内，即当第一光电探测器输出变为零时，第五光电探测器要有输出值。

所述的光分路器为环形器，或2×2的耦合器。

所述的第一波长调谐器和第二波长调谐器均为温度控制器，或应变调谐装置，或将波长调节器和其对应的一对解调光栅换成一对反射谱或透射谱近似于高斯分布的可调谐光滤波器。

本发明的技术效果表现在：

(1)本发明实现的解调系统不需要专门的波长测试设备，只需要根据光电探测器的输出值就可以精确的计算出传感光栅的中心反射波长，再与初始的中心反射波长相比较，就可以得出中心反射波长的漂移量。

(2)本发明实现的解调系统，只需要用四个普通的光纤光栅就能实现大范围的解调，同时具备了匹配滤波解调速度快和可调谐滤波解调范围大的优点，解决了单光栅解调系统中的双值问题。

(3)本发明实现的解调系统，采用部分信号光作为参考光，消除了由于光源波动对波长解调造成的影响。

(4)本发明实现的解调系统，使用计算机系统进行数据处理，可以使用软件代替硬件，消除了由硬件处理数据时硬件本身引入的误差，并且，使用计算机系统可以实现智能控制，方便与被测物体的其它参数进行综合，从而对被测物体进行全面的分析。

(5)本发明实现的解调系统，除波长调谐器以外，全部由光纤和光纤无源器件构成，使用稳定可靠。所有的元器件的工艺水平都已经非常成熟，制作方便可行，便于推动光纤光栅传感技术的产业化进程，可以广泛用于各种领域。

附图说明

图1是本发明可调谐双并联匹配光纤光栅解调系统实施例装置示意图

图2是本发明实施例温度调谐前后各光栅反射谱示意图

图2中，虚线代表传感光栅在零应变时的反射谱，1’、2’、3’、4’分别代表常温下第一解调光纤光栅5、第二解调光纤光栅11、第三解调光纤光栅8、第四解调光纤光栅13的反射谱，1”、2”、3”、4”分别代表经温度控制器调谐后第一解调光纤光栅、第二解调光纤光栅11、第三解调光纤光栅8、第四解调光纤光栅13的反射谱。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明可调谐双并联匹配光纤光栅解调系统实施例装置示意图，由图可见，本发明可调谐双并联匹配光纤光栅解调系统，其构成是：一只1×3的耦合器2有三个输出端：其中第一输出端与第一光分路器4的一个分路输入端相连，第二输出端与第三光分路器9的一个分路端相连，第三输出端直接与第三光电光电探测器14相连；所述的第一光分路器4的另一个分路端与第一光电探测器3相连，该第一光分路器4的合路端与第一解调光纤光栅5相连，第一解调光纤光栅5的另一端与第二光分路器7的一个分路端相连，第二光分路器7的另一个分路端与第二光电探测器6相连，第二光分路器7的合路端与第三解调光纤光栅8相连，第三光分路器9的另一个分路端与第四光电探测器15相连，该第三光分路器9的合路端与第二解调光纤光栅11相连，第二解调光纤光栅11的另一端与第四光分路器12的一个分路端相连，第四光分路器12的另一个分路端与第五光电探测器16相连，第四光分路器12的合路端与第四解调光纤光栅13相连，第一解调光纤光栅5和第二解调光纤光栅11组成第一对的中心波长由第一波长调谐器10控制，组成一对匹配光栅，第三解调光纤光栅8和第四解调光纤光栅13的中心波长由第二波长调谐器17控制，组成另一对匹配光栅，所述的第一光电探测器3、第二光电探测器6、第三光电探测器14、第四光电探测器15、第五光电探测器16、第一波长调谐器10和第二波长调谐器17均与所述的计算机18相连，所述的第一解调光纤光栅5和第二解调光纤光栅11的反射谱部分重叠，第三解调光纤光栅8和第四解调光纤光栅13的反射谱部分重叠，而第二解调光纤光栅11和第三解调光纤光栅8之间的相对位置满足：当超出第一解调光纤光栅5和第二解调光纤光栅11的解调范围时刚好进入第三解调光纤光栅8和第四解调光纤光栅13的解调范围内，即当第一光电探测器3输出变为零时，第五光电探测器16要有输出值。

本发明可调谐双并联匹配光纤光栅解调系统，还可自带有一宽带光源，只需要再加一个光分路器即可，并且该宽带光源和1×3耦合器的输入端分别接在这个光分路器的两个分路端，传感光栅1接在合路端。

所述的光分路器为环形器，或2×2的耦合器。

所述的第一波长调谐器10和第二波长调谐器17均为温度控制器，或应变调谐装置，或将波长调节器和其对应的一对解调光栅换成一对反射谱(或透射谱)近似于高斯分布的可调谐光滤波器，本实施案例采用温度控制器。

由传感光栅反射回来的窄带光脉冲经1×3的耦合器后分成三束，其中第三光束直接与第三光电光电探测器相连，另外两束分别与第一对匹配光栅相连。四个解调光栅反射回来的光分别由四个光电探测器接收。

关于各个光栅中心波长相对位置，如图2所示，虚线为传感光栅的反射谱，曲线1’、2’、3’、4’分别为第一解调光纤光栅、第二解调光纤光栅、第三解调光纤光栅和第四解调光纤光栅的反射谱。第一解调光纤光栅和第二解调光纤光栅的反射谱部分重叠，第三解调光纤光栅和第四解调光纤光栅的反射谱部分重叠，而第三解调光纤光栅和第二解调光纤光栅之间的相对位置满足当超出第一解调光纤光栅和第三解调光纤光栅的解调范围时刚好进入第二解调光纤光栅和第四解调光纤光栅的解调范围内，即当第一光电探测器3输出变为零时第五光电探测器(16)要有输出值。当超出第二解调光纤光栅和第四解调光纤光栅的解调范围时，以温度调谐为例，通过升高温度控制器10的温度，使第一解调光纤光栅和第三解调光纤光栅的反射谱由曲线1’、2’的位置移到1”、2”的位置(见图2)，并且满足超出第二解调光纤光栅和第四解调光纤光栅的解调范围时，刚好进入1”、2”的解调区域；当超出1”、2”的解调区域时，同样通过升高温度控制器17的温度，使第二解调光纤光栅和第四解调光纤光栅的反射谱由曲线3’、4’的位置移到3”、4”的位置(见图2)，并且满足超出1”、2”的解调范围时，刚好进入3”、4”的解调区域。当传感光栅的中心反射波长发生漂移时，对应的解调光栅所反射回来的光强会发生改变，用到哪个解调区时根据这对解调光栅对应的两个光电探测器的输出值就能解调出传感光栅的中心波长，具体的数据处理方式有很多种，具体数据处理方式可参见文献“詹亚歌，陆青，向世清等，优化光纤光栅传感器匹配光栅解调方法的研究，光子学报，2004，Vol.33，No.6，711-715”中的处理方法。光电探测器14接收到的光强作为参考光强以消除光源波动对系统解调精度的影响。

Claims (3)

1.一种可调谐双并联匹配光纤光栅解调系统，特征在于其构成是：一只1×3的耦合器(2)有三个输出端：其中第一输出端与第一光分路器(4)的一个分路输入端相连，第二输出端与第三光分路器(9)的一个分路端相连，第三输出端直接与第三光电探测器(14)相连；所述的第一光分路器(4)的另一个分路端与第一光电探测器(3)相连，该第一光分路器(4)的合路端与第一解调光纤光栅(5)相连，第一解调光纤光栅(5)的另一端与第二光分路器(7)的一个分路端相连，第二光分路器(7)的另一个分路端与第二光电探测器(6)相连，第二光分路器(7)的合路端与第三解调光纤光栅(8)相连，第三光分路器(9)的另一个分路端与第四光电探测器(15)相连，该第三光分路器(9)的合路端与第二解调光纤光栅(11)相连，第二解调光纤光栅(11)的另一端与第四光分路器(12)的一个分路端相连，第四光分路器(12)的另一个分路端与第五光电探测器(16)相连，第四光分路器(12)的合路端与第四解调光纤光栅(13)相连，第一解调光纤光栅(5)和第二解调光纤光栅(11)的中心波长由第一波长调谐器(10)控制，组成一对匹配光栅，第三解调光纤光栅(8)和第四解调光纤光栅(13)的中心波长由第二波长调谐器(17)控制，组成另一对匹配光栅，所述的第一光电探测器(3)、第二光电探测器(6)、第三光电探测器(14)、第四光电探测器(15)、第五光电探测器(16)、第一波长调谐器(10)和第二波长调谐器(17)均与计算机(18)相连，所述的第一解调光纤光栅(5)和第二解调光纤光栅(11)的反射谱部分重叠，第三解调光纤光栅(8)和第四解调光纤光栅(13)的反射谱部分重叠，而第三解调光纤光栅(8)中心波长和第二解调光纤光栅(11)中心波长之间的相对位置满足：当超出第一解调光纤光栅(5)和第三解调光纤光栅(8)的解调范围时刚好进入第二解调光纤光栅(11)和第四解调光纤光栅(13)的解调范围内，即当第一光电探测器(3)输出变为零时，第五光电探测器(16)要有输出值。

2.根据权利要求1所述的可调谐双并联匹配光纤光栅解调系统，其特征在于所述的光分路器为环形器，或2×2的耦合器。

3.根据权利要求1所述的可调谐双并联匹配光纤光栅解调系统，其特征在于所述的第一波长调谐器(10)和第二波长调谐器(17)均为温度控制器，或应变调谐装置，或将波长调节器和其对应的一对解调光栅换成一对反射谱或透射谱近似于高斯分布的可调谐光滤波器。

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