CN101211089B - 用滤光片和旋光晶体实现的光纤光栅传感查询解调方法 - Google Patents

Abstract

用滤光片和旋光晶体实现的光纤光栅传感查询解调方法，光纤光栅传感网络今后发展的主要目标是进一步增加光源和查询解调装置的工作带宽，以便增加敏感光纤光栅的复用数目，与此同时，还要保证解调装置有高的解调分辨率和精度，为实现此目的，本发明由查询装置中的滤光片组对传感网络中的敏感光栅逐一进行查询，每查到一个光栅，则将相应的光信号送入解调装置中，利用旋光晶体的旋光色散效应进行解调，由查询装置依次查询传感网络中的每个光栅，并由解调装置依次进行解调，从而完成对整个传感网络的查询解调。本发明适用于光纤传感器技术领域。

Description

用滤光片和旋光晶体实现的光纤光栅传感查询解调方法

技术领域：

本发明涉及光纤传感器技术领域，具体涉及一种用滤光片组实现对光纤光栅传感网络的查询和利用旋光晶体对敏感光栅进行解调的方法及其装置。

背景技术：

准分布式的光纤光栅传感网络在国防、工业、建筑物的健康监测等方面有着非常重要的应用价值，受到国内外有关学者的广泛关注，光纤光栅传感器是以波长编码的方式工作的，是通过外界被测参量对光纤光栅布喇格中心波长的调制来获取传感信息的。被测参量的变化幅度与敏感光栅布喇格中心波长的平移量之间有着一一对应的关系，确定了波长移位量就确定了被测参量。在光纤光栅传感网络中，对一列串接敏感光纤光栅波长移位的检测被称为光纤光栅传感查询解调技术，是光纤光栅传感网络中关键的技术环节，也是近年来该领域的研究热点，目前在实际中应用最广泛的是F-P腔滤波器法，国内外均有产品出售，这主要是由于F-P腔滤波器法的工作波段比较宽，能与目前传感网络中宽带光源的带宽很好地匹配，光纤光栅传感网络今后发展的主要目标是进一步增加光源的带宽，以便增加敏感光纤光栅的复用数目，这就要求查询解调装置的工作波段也要加宽，以便与光源的带宽相匹配，与此同时还要保持高的解调分辨率和解调精度。

发明内容：

本发明的目的是提供一种使光纤光栅传感网络的查询解调装置的工作波段加宽，同时还能够保持高的解调分辨率和解调精度的光纤光栅传感查询解调方法。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

用滤光片和旋光晶体实现的光纤光栅传感查询解调方法，由查询装置中的滤光片组对传感网络中的敏感光栅逐一进行查询，每查到一个光栅，则将相应的光信号送入解调装置中，利用旋光晶体的旋光色散效应进行解调，由查询装置依次查询传感网络中的每个光栅，并由解调装置依次进行解调，从而完成对整个传感网络的查询解调。

上述的用滤光片和旋光晶体实现的光纤光栅传感查询解调方法中所述的查询装置，其组成包括：一组滤光片，所述的滤光片被镶在由伺服马达驱动的圆盘上，所述的伺服马达按照程序驱动圆盘以步进方式转动。

上述的查询装置，所述的滤光片与被其查询的光纤光栅间一一相对应，每一个滤光片用于去查询波长与之对应的某一个光纤光栅，每个滤光片都与被其查询的光纤光栅工作波段相匹配，使每个滤光片依次对准传感网络的输出光束，从而完成对所有敏感光栅的查询。

上述的用滤光片和旋光晶体实现的光纤光栅传感查询解调方法中所述的解调装置，其组成依次包括：由伺服马达驱动的起偏器、旋光晶体、渥拉斯顿棱镜、光电探测器和控制与信号处理单元，所述的伺服马达、光电探测器通过导线与控制与信号处理单元相连。

上述的解调装置，所述的起偏器把敏感光纤光栅反射的光变成线偏振光，该线偏振光继而通过所述的旋光晶体，当敏感光纤光栅反射光的布喇格波长发生移位时，与其对应的线偏振光通过旋光晶体后，由于旋光色散效应，其偏振面旋转的角度也会发生相应的变化，由测得的线偏振光偏振面旋转的角度值来确定敏感光纤光栅布喇格波长的移位量，它们之间有着一一对应关系。

上述的解调装置，其特征是：对每一个敏感光纤光栅进行解调时，所述的伺服马达在程序控制下将驱动起偏器旋转一个相应的角度，以保证在解调每一个敏感光纤光栅时，解调系统都处于正交偏置状态。

这个技术方案有以下有益效果：

1.本项发明中提出的查询解调装置的工作波段可达到400nm，远远高于目前报导的各种方案，与此同时，解调分辨率仍能保证不低于0.1pm。

2.参照图2，当敏感光栅布喇格波长发生移位时，由于旋光色散效应，载有波长变化信息的偏振光通过旋光晶体5后，其偏振面偏转的角度将会随波长变化而变。检测出由晶体5出射光偏振面的偏转角度值，则可确定敏感光栅布喇格波长的移位量；

3.本产品工作时，伺服马达3在程序控制下驱使圆盘2转动，当圆盘2上滤光片组1中某一个滤光片与传感网络输出光的准直器对准时，伺服马达3停止转动，此时只有与该滤光片对应的敏感光纤光栅的输出光能够通过此滤光片，并入射到解调系统进行解调，由某一敏感光栅反射的光，经起偏器4起偏后通过旋光晶体5，由于旋光色散效应，载有波长变化信息的偏振光通过晶体5后，其偏振面偏转的角度将会随波长变化而变，检测出由晶体5出射光偏振面的偏转角度值，则可确定敏感光栅布喇格波长的移位量，解调完毕后，伺服马达3重新启动，并且再次重复上述过程，盘圆2转动一周，将完成对光纤光栅传感网络中串接的全部敏感光纤光栅的查询和解调；

解调系统的工作带宽是由起偏器4的工作光谱范围所限定的，目前为400nm，由查询系统出射的光束经过起偏器4后成为线偏振光，该线偏振光沿旋光晶体5的光轴方向行进。此线偏振光从旋光晶体5出射时，其偏振面相对于起偏器4的通光轴方向会产生一个偏转角θ(λ)：

θ(λ)＝α(λ)d                    (1)

式中α(λ)是旋光晶体5在不同波长λ下的旋光率，单位是度/毫米。d是旋光晶体5的长度，一般情况下α(λ)与1/λ²成正比。本项发明就是利用这种旋光色散效应对敏感光纤光栅波长移位进行解调的。敏感光纤光栅在外界被测参量的作用下，其布喇格中心波长会发生平移。由(1)式可见，载有波长变化信息的偏振光经过旋光晶体5后，其偏振面偏转的角度θ(λ)也会发生相应的变化。布喇格中心波长的平移量与偏转角θ(λ)之间有着一一对应的关系。光纤光栅作为传感器时，其布喇格中心波长的最大平移量在几个纳米量级。在这样一个小的波长范围内，旋光率α(λ)与波长λ之间具有非常好的线性关系。

附图说明：

附图1为本发明所述的光纤光栅传感查询装置的结构示意图；

附图2为本发明述的敏感光纤光栅解调装置的结构示意图；

附图3为本发明用滤光片和旋光晶体实现光纤光栅传感网络查询解调的传输示意图；

附图4为石英晶体在波长为1285nm～1340nm时旋光率α(λ)与波长λ间的关系曲线。

本发明的具体实施方式：

实施例1：

如图1所示，所述的光纤光栅查询装置，其组成包括：一组滤光片，所述的滤光片1被镶在由伺服马达3驱动的圆盘2上，所述的伺服马达3按照程序驱动圆盘2以步进方式转动；

如图2所示，所述的敏感光纤光栅解调装置，其组成依次包括：由伺服马达9驱动的起偏器4、旋光晶体5、渥拉斯顿棱镜6、光电探测器7、8和控制与信号处理单元10，所述的伺服马达、光电探测器通过导线与控制与信号处理单元10相连；

如图3所示，用滤光片和旋光晶体实现光纤光栅传感网络查询解调的方法为，与被查询的敏感光纤光栅数目相等的一组窄带滤光片1被镶在一个可转动的圆盘2上，滤光片工作波段与被查询的敏感光栅之间有着一一对应关系，每一个滤光片用于去查询传感网络中与其波长对应的一个敏感光纤光栅，每个滤光片的透射光谱范围由被其所查询的敏感光栅的工作光谱范围所决定.

实施例2：

如图4所示，石英晶体在波长为1285nm～1340nm时旋光率α(λ)与波长λ间的关系曲线。为获得对θ(λ)变化的最大灵敏度和最好的线性度，解调系统应处于正交偏置状态。下面以石英晶体为例说明如何实现正交偏置。假定某一敏感光纤光栅的布喇格中心波长变化范围为1308.5nm～1311.5nm，那么应该选取中间值1310nm波长为参考点。对于波长1310nm的线偏振光，经过石英晶体后，其偏振面应与渥拉斯顿棱镜6的特征方向成±45°角。这一点可以通过改变起偏器4的通光轴的方位来实现。当查询系统查询到某一敏感光纤光栅时，控制与信号处理单元10将发出指令，按程序使伺服马达9带动起偏器4旋转一个相应的角度，确保解调系统在解调任何一个敏感光纤光栅时都处于正交偏置状态。在正交偏置情况下，斯顿棱镜[6]输出的振动方向相互垂直的两偏振光的光功率分别为：

$J_1=\frac{1}{2}{J}_0[1+\sin \left(2\mathrm{\θ}\left(\mathrm{\λ}\right)\right)]---\left(2\right)$

$J_2=\frac{1}{2}{J}_0[1-\sin \left(2\mathrm{\θ}\left(\mathrm{\λ}\right)\right)]---\left(3\right)$

式中J₀为由晶体[5]出射的线偏振光的光功率。光电探测器[7]和[8]分别把J₁和J₂转换成相应的电信号I₁和I₂。由控制与信号处理单元[10]实现如下运算：

$Y=\frac{I_1-I_2}{I_1+I_2}=\sin \left[2\mathrm{\θ}\left(\mathrm{\λ}\right)\right]---\left(4\right)$

在小角度近似情况下有：

Y＝sin[2θ(λ)]≈2θ(λ)                        (5)

由前面的讨论可知，当λ变化范围为几个纳米时，旋光率α(λ)与λ之间有很好的线性关系。由(1)式可知θ(λ)与λ之间也具有很好的线性关系。公式(5)表明，系统的测量精度还取决于由2θ(λ)代替sin[2θ(λ)]引起的误差。在正交偏置情况下，当θ(λ)的最大值θ_max(λ)为±2.5°时，这个误差为万分之一，这也是在整个量程中的最大误差。下面讨论在假定θ_max(λ)＝±2.5°情况下检测系统的分辩率，我们将利用一组实测数据进行说明。实验中光源为C波段ASE光源，输出功率为20mw，由带宽为0.2nm的光纤光栅反射的光经过解调系统起偏器后其光功率为125μw。利用公式(2)和(3)，经计算可知，当反射光栅布拉格波长变化0.1pm时，引起J₁和J₂的光功率变化为0.36nw，这在测量上是没有任何问题的。因此本申请的解调方案，很容易做到0.1pm的分辩率。

Claims (6)

1.一种用滤光片和旋光晶体实现的光纤光栅传感查询解调方法，其特征是：

由查询装置中的滤光片组对传感网络中的敏感光栅逐一进行查询，每查到一个光栅，则将相应的光信号送入解调装置中，利用旋光晶体的旋光色散效应进行解调，由查询装置依次查询传感网络中的每个光栅，并由解调装置依次进行解调，从而完成对整个传感网络的查询解调。

2.一种权利要求1所述的用滤光片和旋光晶体实现的光纤光栅传感查询解调方法中所述的查询装置，其组成包括：一组滤光片，其特征是：所述的滤光片被镶在由伺服马达驱动的圆盘上，所述的伺服马达按照程序驱动圆盘以步进方式转动。

3.根据权利要求2所述的查询装置，其特征是：所述的滤光片与被其查询的光纤光栅间一一相对应，每一个滤光片用于去查询波长与之对应的某一个光纤光栅，每个滤光片都与被其查询的光纤光栅工作波段相匹配，使每个滤光片依次对准传感网络的输出光束，从而完成对所有敏感光栅的查询。

4.一种权利要求1所述的用滤光片和旋光晶体实现的光纤光栅传感查询解调方法中所述的解调装置，其组成依次包括：由伺服马达驱动的起偏器、旋光晶体、渥拉斯顿棱镜、光电探测器和控制与信号处理单元，其特征是：所述的伺服马达、光电探测器通过导线与控制与信号处理单元相连。

5.根据权利要求4所述的解调装置，其特征是：所述的起偏器把敏感光纤光栅反射的光变成线偏振光，该线偏振光继而通过所述的旋光晶体，当敏感光纤光栅反射光的布喇格波长发生移位时，与其对应的线偏振光通过旋光晶体后，由于旋光色散效应，其偏振面旋转的角度也会发生相应的变化，由测得的线偏振光偏振面旋转的角度值来确定敏感光纤光栅布喇格波长的移位量，它们之间有着一一对应关系。

6.根据权利要求4或5所述的解调装置，其特征是：对每一个敏感光纤光栅进行解调时，所述的伺服马达在程序控制下将驱动起偏器旋转一个相应的角度，以保证在解调每一个敏感光纤光栅时，解调系统都处于正交偏置状态。

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