CN101364023A - 一种光纤光栅调制和解调的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种光纤光栅调制和解调的方法及其装置，属光纤光栅传感技术领域，利用窄带光源对光纤光栅的反射谱进行采样，将外界环境的参数信息造成的光纤光栅反射波长变化转化为光强的变化，实现了光信号的调制和解调；本发明装置包括光源、光纤光栅、连接光源和光纤光栅的环形器，在环形器出射口处放置光电探测器，光电探测器通过微处理器接口和微处理器相连接；光源连接驱动电路以用来驱动光源发光；光源还连接温度控制电路以控制光源的输出波长。本发明具备高精度，大的动态范围，高灵敏度的特点，它的体积可以做的更小，成本大大降低，操作更简便。另外，由于该传感器的横向输出特性近似线性，因此大大降低了信号处理的难度。

Description

一种光纤光栅调制和解调的方法及其装置

(一)技术领域

本发明涉及一种光纤光栅调制和解调的方法及其装置，属光纤光栅传感技术领域。

(二)背景技术

各种传感器，包括振动传感器、温度传感器等正被广泛应用在国民经济的各部门，然而，电子基的传感器体积大，易受电磁干扰，传感部件有电流与电压的存在，这大大限制了其应用范围，例如大型机电设备在工作时会产生强电磁场及存在易燃、易爆气体的场所，因此体积小、抗电磁干扰能力强、易于多点复用、传感组件探头不需带电的光纤光栅传感器正成为研究的热点。光纤光栅传感器从工作方式分有两种类型：强度调制型和波长调制型。强度调制型传感器结构简单，解调方法相对容易，但也存在着精度低，受外界干扰大的严重问题。光纤光栅的出现，以其比较高的灵敏度，较大的动态范围，很高的精度，非常小的体积，为波长调制型光纤振动传感器的研究奠定了基础。波长调制型传感器的解调方法是基于将波长变化转换成为强度变化的原理，具体分为光谱仪(波长计)解调，干涉法解调，波长可调光源解调，光栅色散法解调和滤波器解调。如2007年第11期的《光通信技术》杂志第42页到第44页所提的即是上述几种解调方法。这些方法都是利用宽带光源配合专用解调器件来实现解调，普遍存在着成本高，解调系统复杂，操作和实现难度大等问题，迫切需要一种简单易行的解调方式来解决上述问题。

(三)发明内容

为克服现有技术的缺陷和不足，本发明提出了一种光纤光栅调制和解调的方法及其装置。

一种光纤光栅调制和解调的方法，步骤如下：

开启光源的驱动电路给光源供电，光源产生激光；

调整温度控制电路的电流工作点改变光源的输出光波长，使其输出光波长一直位于光纤光栅反射谱峰值的-3dB处；

将由光纤光栅组成的探头放置在测量环境内进行测量；

测量结果内含有外部被测环境的信息，光纤光栅的含有测量结果信息的反射谱经环形器被传输到环形器出射口，入射到光电探测器上；

光电探测器将入射光信号转换成电信号，通过微处理器处理后解调出外部被测环境的信息，包括振动、压力、加速度，温度等信息。

本发明选用光源是DFB半导体激光器，该光源频宽同光纤光栅反射谱相比较可视为线状谱光线，在选用石英布拉格光纤光栅时，光源频宽只相当于光纤光栅反射谱的万分之一。光源的输出光波长调整在一直位于光纤光栅反射谱峰值的-3dB处，此时光纤光栅传感器有着最大的动态范围，而且采样位置正好位于光纤光栅反射光谱的线性区，其灵敏度也是最高。当外部被测环境的信息发生变化时，光纤光栅反射光谱相对于光源光线产生整体偏移，其偏移量即为探测外部被测环境的信息的基础。

所述步骤

中的光纤光栅组成的探头是由光纤光栅组成的各种传感器探头，包括振动、压力、加速度，温度等传感器探头。

一种用于上述光纤光栅调制和解调方法的装置，其特征在于它包括光源、光纤光栅、连接光源和光纤光栅的环形器，在环形器出射口处放置光电探测器，光电探测器通过微处理器接口和微处理器相连接；光源连接驱动电路以用来驱动光源发光；光源还连接温度控制电路以控制光源的输出波长。

所述光纤光栅是石英布拉格光纤光栅，其反射谱的中心波长在1550nm。

所述光源是DFB半导体激光器，可通过调整温度控制电路的电流工作点改变光源的输出光波长。

本发明装置在使用时，由于分布回馈半导体激光器(DFB-LD)内部含有一个光纤光栅，输出光的波长是受光纤光栅的光栅周期影响的，而随着周围温度的变化和激光器自身工作时温度的提高，其内部的光纤光栅会受温度变化的影响使得输出光的波长产生漂移，因此在使用时要先通过调整温度控制电路的电流，调整DFB-LD的输出波长，使得输出光波长一直位于光纤光栅反射谱-3dB处，此时光纤光栅传感器有着最大的动态范围，而且采样位置正好位于光纤光栅反射光谱的线性区，其灵敏度也是最高的。输出光通过环形器入射到光纤光栅处，由于在外部被测环境的信息作用时，光纤光栅会产生形变，使得光纤光栅的光栅周期发生变化，从而造成反射谱线的整体位移，但其形状保持不变。因此此时输出光波长处所对应的反射率也会发生变化，反射回的光信号强度就会发生变化。由于采样位置正好位于光纤光栅反射光谱的线性区，所得到的反射光的光功率是随着波长的变化呈线性变化的。这样，反射光中就包含了外界被测环境的信息。信号光通过光电探测器转化为电信号，再进入信号处理模块中进行处理，得到外部被测环境的信息，包括振动、压力、加速度，温度等信息。

本发明采用了基于窄带光源采样解调技术的方法，直接利用窄带光源对光纤光栅的反射谱进行采样，从而很轻易的将外界环境的参数信息造成的光纤光栅反射波长变化转化为光强的变化，实现了光信号的解调。直流工作点的调整可以大大改善传感器的灵敏度，波长型传感方式克服了光回路损耗的变化带来的噪声，采样用的窄带光源的线宽远小于光纤光栅的反射谱，因此分辨率可以做的很高。提高了其灵敏度，成熟的时分复用技术使这类传感器非常容易组成数组。基于窄带光源采样解调技术的光纤光栅传感器的发明及应用能大大促进光纤光栅传感系统的发展。

本发明的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于所述对称分布回馈半导体激光器(DFB-LD)输出光有极窄的线宽(约为光纤光栅反射谱宽的万分之一)，可以直接对光纤光栅的反射谱进行采样，没有采用任何专用解调器件就实现了波长变化到光强变化的解调，除了具备传统的波长调制型传感器所具有的高精度，大的动态范围，高灵敏度外，它的体积可以做的更小，成本也大大降低，操作更简便。另外，由于用该方法制作的传感器的输出特性近似线性，因此大大降低了信号处理的难度。采用波分复用技术可实现传感器的组阵技术，可以大大提高传感器的应用范围和场合。

(四)附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

其中：1、光源(DFB-LD)，2、驱动电路，3、温度控制电路，4、环形器，5、光纤光栅，6、光电探测器，7、信号处理，10、环形器出射口。

图2是分布回馈半导体激光器(DFB-LD)采样光谱和光纤光栅反射光谱示意图，横坐标表示波长，纵坐标表示光功率。其中：8、光纤光栅反射谱，9、窄带光源(DFB-LD)光谱。

(五)具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

本发明所用装置的实施例如图1所示，其特征在于它包括光源1、光纤光栅5、连接光源1和光纤光栅5的环形器4，在环形器出射口10处放置光电探测器6，光电探测器6通过微处理器接口和微处理器7相连接；光源1连接驱动电路2以用来驱动光源1发光；光源1还连接温度控制电路3以控制光源1的输出波长。

所述光纤光栅5是石英布拉格光纤光栅，其反射谱的中心波长在1550nm。

所述光源1是DFB半导体激光器，可通过调整温度控制电路3的电流工作点改变光源1的输出光波长。

实施例2：

一种光纤光栅调制和解调的方法，步骤如下：

开启光源1的驱动电路2给光源1供电，光源1产生激光；

调整温度控制电路3的电流工作点改变光源1的输出光波长，使其输出光波长一直位于光纤光栅反射谱8的峰值的-3dB处；

将由光纤光栅5组成的探头放置在测量环境内进行测量；

测量结果内含有外部被测环境的信息，光纤光栅5的含有测量结果信息的反射谱经环形器4被传输到环形器出射口10，入射到光电探测器6上；

光电探测器6将入射光信号转换成电信号，通过微处理器7处理后解调出外部被测环境的信息，包括振动、压力、加速度，温度等信息。

Claims (4)

1.一种光纤光栅调制和解调的方法，步骤如下：

开启光源的驱动电路给光源供电，光源产生激光；

调整温度控制电路的电流工作点改变光源的输出光波长，使其输出光波长一直位于光纤光栅反射谱峰值的-3dB处；

将由光纤光栅组成的探头放置在测量环境内进行测量；

测量结果内含有外部被测环境的信息，光纤光栅的含有测量结果信息的反射谱经环形器被传输到环形器出射口，入射到光电探测器上；

光电探测器将入射光信号转换成电信号，通过微处理器处理后解调出外部被测环境的信息。

2.一种用于权利要求1所述光纤光栅调制和解调的方法的装置，其特征在于它包括光源、光纤光栅、连接光源和光纤光栅的环形器，在环形器出射口处放置光电探测器，光电探测器通过微处理器接口和微处理器相连接；光源连接驱动电路以用来驱动光源发光；光源还连接温度控制电路以控制光源的输出波长。

3.如权利要求2所述的一种装置，其特征在于所述的光纤光栅是石英布拉格光纤光栅，其反射谱的中心波长在1550nm。

4.如权利要求2所述的一种装置，其特征在于所述光源是DFB半导体激光器。