CN101196410A

CN101196410A - 光纤传感的波长解调方法

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Publication number: CN101196410A
Application number: CNA2006101698340A
Authority: CN
Inventors: 何士雅; 胡曙阳; 赵啟大
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2006-12-29
Filing date: 2006-12-29
Publication date: 2008-06-11
Anticipated expiration: 2026-12-29
Also published as: CN100541140C

Abstract

光纤传感的波长解调方法，属于光纤传感中的波长解调技术。是利用对光纤环镜输出信号的计数方法来进行波长解调，利用短双折射光纤环镜的输出光强随波长变化的单调特性，确定长双折射光纤计数的方向的方法。计数可通过由放大器和比较器组成的信号处理电路和单片机来完成。本发明完全避开了通过测量信号的幅度变化来测量波长的变化，具有抗干扰能力强，测量精度高的优点。

Description

光纤传感的波长解调方法

技术领域

本发明应用于在光纤传感，特别是光纤布拉格光栅(FBG)传感中，凡利用测定光波长变化来确定被传感量(如温度、应变等)变化的传感应用。属于光纤传感中的波长解调技术。

背景技术

在光纤传感中，有一些传感是通过光波长的变化来反映被传感量的变化的，典型的是FBG。当外界被传感量，如温度或应变等发生变化时，由FBG反射回来的光波长也发生相应的变化，二者存在一定的函数关系。如果测定了反射光波长的变化，也就测定了欲传感的物理量的变化，这个过程称为波长解调。

现有比较成熟的，并实现商用的波长解调装置是采用法布里-珀罗(F-P)干涉仪作为滤波器进行波长解调，其工作过程如图1(a)所示。宽带光源1发出的光经光耦合器2”传到FBG 3，并有波长很窄的一部分光被反射回来，反射光的波长随FBG 3周围被传感物理量的变化而变化。反射光经耦合器2”和第一耦合器2到达受压电陶瓷7控制的F-P滤波器6。锯齿波发生器8产生的电压信号驱动压电陶瓷7，再带动F-P滤波器6，对谐振波长进行扫描。当谐振波长等于FBG 3反射回来的波长时，光又被反射回第一耦合器2，并传到第一PIN光电二极管4转变为电信号。此时，记录下锯齿波的瞬时电压幅度，就能对应出F-P滤波器6的谐振波长，也就是FBG 3的反射波长，从而实现波长解调。

应该强调指出的是，这种方法测量的是电压幅度。一般，幅度量易受外界因素的干扰，测量精度不高。另外，该装置比较复杂，价格昂贵，限制了相应光纤传感的广泛应用。

还有一些已报导的波长解调方法，这些方法都没有进入商用阶段，大多都是将光波长的变化转变成电信号的幅度变化，同样存在易受干扰，测量精度不高的问题。

图1(b)是实验室中常用的用光谱分析仪9直接进行波长解调的方法。这种方法看起来似乎很简单，但光谱分析仪9十分昂贵，且庞大、笨重，不能在实际工程中应用。

发明内容

本发明的目的是提出一种计数的方法进行光纤传感的波长解调，该方法完全避开了通过测量信号的幅度变化来测量波长的变化，具有抗干扰能力强，测量精度高的优点。

本发明提出的光纤传感的波长解调方法是一种在光纤传感测量中，利用对光纤环镜输出信号的计数方法来进行波长解调，利用短双折射光纤环镜的输出光强随波长变化的单调特性，确定长双折射光纤计数的方向的方法。其采用的具体步骤为：

1、将波长变化的光信号经光耦合器分为强度相等的两束光，第一束光经第一光耦合器分为强度相等的两束光并分别沿顺时针方向和逆时针方向绕着由普通光纤、长双折射光纤和偏振控制器组成的同一环路传输，然后返回第一光耦合器，并同时输出到第一PIN光电二极管后转变为电信号。第一PIN光电二极管得到的第一透射率曲线a，如图5所示。第二束光经第二光耦合器分为强度相等的两束光并分别沿顺时针方向和逆时针方向绕着由另一普通光纤、短双折射光纤和偏振控制器组成的同一环路传输，然后返回第二光耦合器，并同时输出到第二PIN光电二极管后转变为电信号。第二PIN光电二极管得到的第二透射率曲线b，如图5所示。其中的短双折射光纤为使第二透射率曲线b小于半个振动周期的双折射光纤。

2、对第一透射率曲线a的上升沿和下降沿都进行计数，利用第二透射率曲线b的单调性判断波长的增减，当第二透射率曲线b随波长单调增时，对第一透射率曲线a的计数增加，当第二透射率曲线b随波长单调减时，对第一透射率曲线a的计数减少。

3、根据对第一透射率曲线a的最终计数值i，利用公式λ＝iΔλ计算出波长的大小，其中，λ为波长，Δλ为两次计数间的波长差；从而确定了波长的变化，完成波长解调。

其中所述的长双折射光纤为使第一透射率曲线a每纳米波长大于5个振动周期的光纤。

其中，步骤2和3可通过由放大器和比较器组成的信号处理电路和单片机来完成，具体步骤为：①、第一PIN光电二极管4、第二PIN光电二极管4’输出的电信号分别经第一放大器18和第二放大器18’进行放大。第一放大器的输出信号同时送给上升沿比较器19和下降沿比较器19’，基准电压20作为两个比较器的比较电压值。当信号电压上升或下降越过基准电压时，两个比较器分别会输出计数信号，单片机5接收到该信号。

②、在单片机5先后收到两个比较器送来的计数信号时，分别先后将放大器18’送来的信号进行两次A/D转换，然后将两次转换的值进行比较，由短双折射光纤环镜输出光强的单调性，可确定是进行加1运算还是减1运算，然后进行运算。

③、单片机可将计数的结果转换为对应的波长值，并驱动显示器21将波长值显示出来。

图3给出了利用双折射光纤环镜进行波长解调的原理图。波长变化的光信号由端口15输入到光耦合器中，在光耦合器的另一端分为强度相等的两束光并分别沿顺时针方向和逆时针方向绕着由普通光纤、双折射光纤和偏振控制器组成的环路传输，然后返回耦合器，并同时输出到PIN光电二极管后转变为电信号。电信号的大小反映了两束光相干涉后光强度的变化，也就是双折射光纤环镜的光强透射率的变化。该透射率的变化是与输入光波长的变化相关的，其函数关系如图4所示。可以看出，光透射率随波长呈周期性变化。理论证明，变化的周期与双折射光纤的长度近似成反比，也就是波长频率与双折射光纤的长度近似成正比。如果采用较长的双折射光纤，就可以得到如图5所示的波长频率变化很快的透射率曲线。在图5中，设测量时波长不断增加，在透射率的上升沿，如16点及下降沿，如17点，我们都进行计数，这样计数的多少就对应了波长的大小，也就是通过计数，能够实现波长解调。应该特别指出的是，上升沿和下降沿的计数点(如图5中的16点和17点)与波长的对应是稳定的，如果由于外界的干扰使透射率的幅度发生变化，则图5中曲线的峰值和谷值会发生改变，而计数点与波长的对应值不会发生改变，所以计数波长解调的方法具有很强的抗干扰能力和很高的测量精确度。

虽然计数的方法具有上述优点，但还需要解决计数增减方向的判断问题。在计数过程中，存在两种情况。一种情况是当波长连续增加或连续减少时，透射率上升沿和下降沿都交替出现，计数值应不断增加或不断减少。另一种情况是当波长值先增后减或先减后增时，透射率上升沿和下降沿也都会交替出现，这种情况的计数方向应是先增后减或先减后增。如何从相同的上升沿和下降沿交替出现的现象中正确判断上述两种情况，使计数值与波长值能正确对应是计数解调方法的关键问题。前面谈到过，光纤环镜透射率的波长周期与双折射光纤的长度近似成反比。采用很短的双折射光纤，另外制作一个光纤环镜，使其透射率曲线在测量波长范围内不能完成半个振动周期，这样，在测量波长范围内，曲线随波长的增减就是单调的了。利用长双折射光纤环镜计数，同时利用短双折射光纤环镜判断计数增减方向。判断的方法是测量并比较相邻两次计数时的短双折射光纤的透射率幅度值，由于透射率曲线随波长的变化是单调的，所以很容易判断波长的增减方向，从而正确调整计数的增减方向。应该说明的是，虽然这里采用了测量透射率幅度的方法，但只是在短时间内定性地判断相邻两次计数时刻的幅度大小，并没有记录幅度的绝对值，所以，幅度量的不稳定性不会在这里造成什么影响。

本发明的波长解调方法完全避开了通过测量信号的幅度变化来测量波长的变化，具有抗干扰能力强，测量精度高的优点。

附图说明

图1(a)：采用法布里-珀罗(F-P)干涉仪作为滤波器进行波长解调的装置

图1(b)：采用光谱分析仪直接进行波长解调的装置

图2：由双光纤环镜构成的传感器计数光波长解调结构

图3：利用双折射光纤环镜进行光纤传感波长解调的原理图

图4：双折射光纤环镜透射率随输入光波长变化的函数关系

图5：长双折射光纤和短双折射光纤分别构成的光纤环镜的输出光强(与透射率成正比)随输入光波长变化的函数关系

图6：单片机控制的电路处理系统结构

图7：单片机程序流程图

图中，1-宽带光源，2-第一光耦合器，2’-第二光耦合器，2”-光耦合器，3-FBG，4-第一PIN光电二极管，4’-第二PIN光电二极管，5-单片机，6-F-P滤波器，7-压电陶瓷，8-锯齿波发生器，9-光谱分析仪，10-长双折射光纤，10’-短双折射光纤，11-第一光纤，11’-第二光纤，12-第一偏振控制器，12’-第二偏振控制器，13-硬纸筒，14-信号处理电路，15-光输入端口，16-上升沿上的点，17-下降沿上的点，18-第一放大器，18’-第二放大器，19-上升沿比较器，19’-下降沿比较器，20-基准电压，21-显示器。

具体实施方式

下面结合附图具体说明本发明的优选实施例。

根据本发明提出的方法所设计的光纤传感的波长解调装置参见图2，为进行FBG传感波长解调的实验结构图。包括将波长变化的光信号分为光强相等的两束光的光耦合器2”、两个类似的光纤环镜并接、PIN光电二极管、信号处理电路14、单片机5及显示器21。环镜包括光耦合器，普通光纤，双折射光纤。第一光纤环镜由第一光耦合器2及第一光纤11、长双折射光纤10、第一偏振控制器12组成的环路构成。第二光纤环境由第二光耦合器2’及第二光纤11’、短双折射光纤10’、第二偏振控制器12’组成的环路构成。由第一、第二环境输出的光信号分别经第一PIN光电二极管4、第二PIN光电二极管4’转变为电信号，两个PIN光电二极管接信号处理电路14，信号处理电路14连接到单片机5上。

信号处理电路14包括两个放大器、两个比较器。其中，第一放大器18接PIN光电二极管4将电信号放大，并输出到上升沿比较器19和下降沿比较器19’，第二放大器18’接单片机5。

双折射光纤环镜的长双折射光纤10的长度为30米，将其绕在一个硬纸筒13上。短双折射光纤环镜的短双折射光纤10’的长度为0.05米。每个环镜都有一个光耦合器分别为第一光耦合器2和第二光耦合器2’及一个绕有3圈普通光纤的第一偏振控制器12和第二偏振控制器12’。两个环镜的输入端并接，共同接收传感器送来的波长变化的信号。它们的输出端分别通过两个PIN光电二极管，将光信号转换为电信号，并通过信号处理电路14送给单片机5，由单片机5对信号进行处理及计数。

利用图2的装置，我们在1530nm到1570nm波长范围内，对FBG 3的传感信号进行了波长解调，其波长分辨率可达0.067nm。采用方法的具体步骤如下：利用波长扫描光源从1530nm到1570nm范围内对光波长进行连续扫描输出，并送入光耦合器2”。光耦合器2”将光分为等强度的两束并分别经两个光纤环镜到达PIN光电二极管4和4’，然后转换为电信号送入信号处理电路14。当第一光电二极管4输出的信号电压增加并越过基准电压20时，上升沿比较器19输出高电平，给单片机5发出计数信号。单片机5立即启动对放大器18’送来的信号的A/D转换。由于PIN光电二极管4输出的是周期增减变化的信号，随后信号电压会减小，并下落越过基准电压20，此时下降沿比较器19’对单片机5输出计数的高电平信号，单片机5随即对放大器18’送来的信号进行第二次A/D转换。如果单片机没有接收到计数信号，则其会不断查询计数信号输入口的状况。以上过程属于流程图7中判断比较器“19和19’是否发出计数信息？”，然后进行相应处理的部分。若单片机相继收到两次计数信号，则其比较两次A/D转换的结果，如果后次转换值大于前次转换值，则计数值i加1，相反，则i减1。这一过程属于流程图7中“比较结果是否符合加1运算？”并进行运算的部分。在解调的过程中，如果需要显示结果，单片机会利用计数值i进行相应运算，并驱动显示器21将传感结果显示出来，同时单片机还会继续查询计数信号输入口，进行新的计数。如果不需要显示结果，单片机就继续计数。这一过程属于流程图7中“是否需要显示结果？并进行相应处理的部分。

由公式Δλ＝λ₀ ²/(LΔn)，可以计算出两次相邻计数所对应的波长间隔(如图5中16、17点所对应的波长差)。式中，Δλ为相邻两次计数所对应的波长差；λ₀为测量波长范围(1530nm到1570nm)的中心波长，这里λ₀＝1550nm；L＝30m，为我们所使用的双折射光纤的长度；Δn＝0.0012，为我们所使用的双折射光纤的折射率差。将相应数据代入公式，可计算出Δλ＝0.067nm，或者说，我们获得了0.067nm的波长解调分辨率。如图5所示，这一结果与实验符合。若要进一步提高分辨率，由公式可知，只需增加双折射光纤10的长度即可。

前面提到，可利用公式λ＝iΔλ，根据某时刻的计数值i，计算出该时刻的测量波长λ，并送显示器21显示。另外，利用测量波长与被传感物理量的特定函数关系，单片机还可计算出被传感物理量的值，并通过显示器显示出来。

Claims

1.光纤传感的波长解调方法，其特征在于：是利用对光纤环镜输出信号的计数方法来进行波长解调，利用短双折射光纤环镜的输出光强随波长变化的单调特性，确定长双折射光纤计数的方向的方法，其采用的具体步骤为：

1)、将波长变化的光信号经光耦合器分为强度相等的两束光，第一束光经第一光耦合器分为强度相等的两束光并分别沿顺时针方向和逆时针方向绕着由普通光纤、长双折射光纤和偏振控制器组成的同一环路传输，然后返回第一光耦合器，并同时输出到第一PIN光电二极管(4)，然后转变为电信号；第一透射率曲线(a)为输入到第一PIN光电二极管(4)的透射率曲线；第二束光经第二光耦合器分为强度相等的两束光并分别沿顺时针方向和逆时针方向绕着由另一普通光纤、短双折射光纤和偏振控制器组成的同一环路传输，然后返回第二光耦合器，并同时输出到第二PIN光电二极管(4’)，然后转变为电信号；第二透射率曲线(b)为输入到第二PIN光电二极管(4’)的透射率曲线，其中的短双折射光纤为使第二透射率曲线(b)小于半个振动周期的双折射光纤；

2)、对第一透射率曲线(a)的上升沿和下降沿都进行计数，利用第二透射率曲线b的单调性判断波长的增减，当第二透射率曲线(b)随波长单调增时，对第一透射率曲线(a)的计数增加，当第二透射率曲线(b)随波长单调减时，对第一透射率曲线(a)的计数减少；

3)、根据对第一透射率曲线(a)的最终计数值i，利用公式λ＝iΔλ计算出波长的大小，其中，λ为波长，Δλ为两次计数间的波长差，从而确定波长的变化，完成波长解调。

2.根据权利要求1所述的光纤传感的波长解调方法，其特征在于：所述的长双折射光纤为使第一透射率曲线(a)每纳米波长大于5个振动周期的光纤。

3.根据权利要求1所述的光纤传感的波长解调方法，其特征在于：所述的步骤2)和3)可通过由放大器和比较器组成的信号处理电路和单片机来完成，具体步骤为：①、第一PIN光电二极管(4)、第二PIN光电二极管(4’)输出的电信号分别经第一放大器(18)和第二放大器(18’)进行放大；第一放大器的输出信号同时送给上升沿比较器(19)和下降沿比较器(19’)，基准电压(20)作为两个比较器的比较电压值；当信号电压上升或下降越过基准电压时，两个比较器分别会输出计数信号，单片机(5)接收到该信号；

②、在单片机(5)先后收到两个比较器送来的计数信号时，分别先后将放大器(18’)送来的信号进行两次A/D转换，然后将两次转换的值进行比较，由短双折射光纤环镜输出光强的单调性，确定是进行加1运算还是减1运算，然后进行运算；

③、单片机将计数的结果转换为对应的波长值，并驱动显示器(21)将波长值显示出来。