CN100406938C - 光纤布拉格光栅传感器的相干复用方法及其设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光纤布拉格光栅传感器的相干复用方法以及实现该方法的设备。本发明中普通光源的输出端与环行器①端口光信号连接，环行器②端口与串联、并联、级联或星形连接的FBG对传感器阵列光信号连接，环行器③端口和光电二极管的输入端分别与2×2光纤耦合器的一边光信号连接，光电二极管的输出端与数据采集卡电连接，2×2光纤耦合器的另一边分别与两个光纤准直器光信号连接，对应两个光纤准直器位置设有两个反射镜，其中一个反射镜通过步进电机控制其位置移动。本发明测量可达到很高的精度和分辨率，同时所用的所有光栅都是相同的，制作复杂度低，节约了系统成本。

Description

光纤布拉格光栅传感器的相干复用方法及其设备
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及了一种光纤布拉格光栅传感器的相干复用方法以及实现该方法的设备。
背景技术
光纤布拉格光栅(FBG)由于其特有的光纤内部敏感、波长编码、易于组网等优点而成为光纤传感的一种重要器件。基于已经发展起来的波分复用(WDM)和时分复用(TDM)技术，光纤光栅阵列被广泛用于光纤准分布式传感，如：建筑、大桥、大坝等的实时健康监测，主干输电线沿线的温度监控。其中，WDM要求每一个FBG传感器工作在不同的反射波长，需要一个宽带光源(带宽往往大于40nm)作为输入光源，还需要一套相对复杂的波长敏感系统来进行复用信号的解复用，如：可调法布里-泊罗滤波器、富里叶频谱计、波长敏感耦合器等。而在TDM中，一般采用窄脉冲光源输入，各个FBG传感器的反射光信号利用不同的延时实现信号复用，并被解调端的高速门处理电路解复用。这两套复用技术，都需要成本较高的光源和复杂的解调系统，直接导致了FBG传感网络的成本居高不下，限制了其很多实际应用。
相干复用技术是不同于WDM和TDM的另一种传感器复用技术，它的原理是：每个传感器引入的不同光程差，被解调端的可扫描麦克尔逊干涉仪分别补偿，得到包含传感信息相干干涉条纹，从而实现多个传感器的复用。针对WDM和TDM在FBG传感器复用问题上存在的不足，相干复用技术有希望实现一种廉价高效的FBG传感器复用解调方案。
发明内容
本发明就是针对现有技术的不足，第一次提出了FBG传感器的相干复用方法，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、选用波长范围覆盖FBG反射谱的光源(带宽1nm左右)；入射光由环行器A端口进入B端口输出，进入串联、并联、级联或星形连接布置一系列不同光栅中心距离的FBG对传感器，其中每个FBG对由两个完全相同的FBG构成法布里-泊罗干涉仪(FPI)，每个FPI反射的光信号引入了与两个FBG中心距成正比的光程差：
OPD＝2nefflc-c，(1)
其中，neff是光纤芯层有效折射率，lc-c是两个FBG的中心距离。
2、反射的信号光由环行器B端口进入C端口输出，进入一个2×2光纤耦合器，2×2光纤耦合器将光信号分成等光强的两束；两束等光强的信号光分别通过光纤准直器入射到反射镜上并反射耦合回光纤；通过控制其中一个反射镜的位置移动，使两路信号光之间引入另一个入光程差，并产生扫描，从而补偿FBG对引入的光程差。
3、补偿后的两路光信号在2×2耦合器中汇合干涉，干涉信号经2×2耦合器的一臂，由光电二极管转化为电信号，由数据采集卡采集，得到干涉信号。
在一个FBG对中，将一个FBG屏蔽起来作为参考，另一个用来传感待测物(温度、应力等)，待测物引起传感FBG反射波长移动，从而和反射波长保持不变的参考FBG之间发生了反射谱失配，引起该FBG对所对应的干涉强度减弱。通过对干涉强度的监控，可实现对待测物的传感。
从(1)式可以看到，不同光栅中心距离的FBG对引入的光程差不同，所以当麦氏干涉仪的一臂扫描到某一位置，某个FBG对的光程差被补偿为零，则该FBG对所对应的光干涉信号出现。通过串联、并联、级联或星形连接布置一系列不同光栅中心距离的FBG对传感器，以及扫描麦氏干涉仪其中一臂，可实现多个FBG对传感器的复用和解调。
实现上述方案的设备为：普通光源(带宽约1nm，CW)输出端与环行器A端口光信号连接，环行器B端口与串联、并联、级联或星形连接的FBG对传感器阵列光信号连接，环行器C端口和光电二极管的输入端分别与2×2光纤耦合器的一边光信号连接，光电二极管的输出端与数据采集卡电连接。2×2光纤耦合器的另一边分别与两个光纤准直器光信号连接，对应两个光纤准直器位置设有两个反射镜，其中一个反射镜通过步进电机控制其位置移动。
本发明主要适用于多路复用FBG对传感器信号的解调，最大解调信道数超过一百。由于FBG反射峰带宽很窄，利用这种波长失配引起干涉强度减弱的测量方法可达到很高的精度和分辨率。在本系统中，所用光源是比较廉价的窄带宽连续光，所用的所有光栅都是相同的(低反射率，相同反射波长)，很大程度上降低了制作复杂度，节约了系统成本。
附图说明
图1为本发明以串联的FBG对传感器阵列为例的整体结构示意图；
图2为并联的FBG对传感器阵列结构示意图；
图3为级联的FBG传感器阵列结构示意图；
图4为星形连接的FBG传感器阵列结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，以串联连接方式为例，多个不同光栅中心距离的FBG对传感器5(由参考FBG 3和传感FBG 4组成)之间通过光纤6连接，其输入端通过环行器2的B端口②与A端口①与光源1光信号连接，环行器2的C端口③光电二极管7的输入端分别与2×2光纤耦合器12的一边光信号连接，光电二极管7的输出端与数据采集卡8电连接。2×2光纤耦合器12的另一边分别与两个光纤准直器11光信号连接，对应两个光纤准直器11位置设有两个反射镜10，其中一个反射镜通过步进电机9控制其位置移动。将上述多个FBG对传感器5预埋在待测环境中，光源1和信号解调部分都在监测中心。
选用波长范围覆盖FBG反射峰带宽(约1nm)的普通连续光源，通过环行器将光强注入多个串联的FBG对传感器，每个不同光栅中心距离的FBG对传感器对光信号引入不同的光程差：
OPD＝2nefflc-c，(1)
携带各个FBG对传感信息的反射信号光经环行器进入一个2×2光纤耦合器，2×2光纤耦合器将光信号分成等光强的两束；两束等光强的信号光分别通过光纤准直器入射到反射镜上并反射耦合回光纤；控制其中一个反射镜的位置移动，使两路信号光之间引入另一个入光程差，并产生扫描，从而分别补偿不同光栅中心距离的FBG对传感器引入的光程差。
补偿后的两路光信号在2×2耦合器中汇合干涉，干涉信号经2×2耦合器的一臂，由光电二极管转化为电信号，由数据采集卡采集，完成解调。
每个FBG对传感器都有两个完全相同的FBG组成，其中一个与被测物屏蔽而对被测物不敏感，作为参考FBG，另一个对被测物敏感，作为传感FBG。当整个FBG对传感器放置在被测物中时，参考FBG与传感FBG的反射谱会发生一个错位，此错位将导致该FBG对所对应的干涉强度减弱。通过观察各个FBG对的干涉强度，可以监测各点待测物物理量的变化。
从(1)式可以看到，不同光栅中心距离的FBG对传感器引入的相位差不同，所以当麦氏干涉仪扫描到某一位置，某个FBG对传感器的相位差被补偿为零，则该FBG对传感器对应的光干涉信号出现。通过串联(或者如图2并联、如图3级联、如图4星形连接)布置一系列不同光栅中心距离的FBG对传感器以及扫描麦氏干涉仪的其中一臂，可实现多个FBG对传感器的复用和解调。
利用可扫描麦氏干涉仪对多个FBG对引入的光程差进行补偿获得包含传感信号的干涉条纹，从而实现了对FBG对传感器的复用和解调。本发明具有传感精度高、成本低廉、制作复杂度低的优点。

Claims (2)

1.光纤布拉格光栅传感器的相干复用方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)选用波长范围覆盖光纤布拉格光栅FBG反射谱的光源；入射光由环行器A端口进入B端口输出，进入串联、并联、级联或星形连接布置一系列不同光栅中心距离的FBG对传感器，其中每个FBG对由两个完全相同的FBG构成法布里-泊罗干涉仪，每个法布里-泊罗干涉仪反射的光信号引入了与两个FBG中心距成正比的光程差：
OPD＝2nefflc-c，(1)
其中，neff是光纤芯层有效折射率，lc-c是两个FBG的中心距离；
(2)反射的信号光由环行器B端口进入C端口输出，进入一个2×2光纤耦合器，2×2光纤耦合器将光信号分成等光强的两束；两束等光强的信号光分别通过光纤准直器入射到反射镜上并反射耦合回光纤；通过控制其中一个反射镜的位置移动，使两路信号光之间引入另一个入光程差，并产生扫描，从而补偿FBG对引入的光程差；
(3)补偿后的两路光信号在2×2耦合器中汇合干涉，干涉信号经2×2耦合器的一臂，由光电二极管转化为电信号，由数据采集卡采集，得到干涉信号。
2.采用权利要求1方法所使用的设备，其特征在于该设备中普通光源的输出端与环行器A端口光信号连接，环行器B端口与串联、并联、级联或星形连接的光纤布拉格光栅FBG对传感器阵列光信号连接，环行器C端口和光电二极管的输入端分别与2×2光纤耦合器的一边光信号连接，光电二极管的输出端与数据采集卡电连接，2×2光纤耦合器的另一边分别与两个光纤准直器光信号连接，对应两个光纤准直器位置设有两个反射镜，其中一个反射镜通过步进电机控制其位置移动。
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