CN101769762B - 一种光纤啁啾光栅传感解调系统 - Google Patents

Abstract

一种光纤啁啾光栅传感解调系统。它主要由传感和解调两部分组成，该系统的传感原理是：当外界物理参量发生变化时，会引起用于传感光纤啁啾光栅的反射谱包络面积的变化；解调部分是一种强度型的解调装置，主要由宽带光源、解调光路、光电转换和信号处理电路组成。光信号由宽带光源发出，被传感光栅部分反射回入解调装置中，反射回的光信号经由分路器分成两路，一路直接送至光电探测器中，另一路由参考光栅再次反射后，再由另一光电探测器接收。最后两路电信号经过信号处理电路处理得到系统的输出结果，该输出不受光源及传输光路光功率波动的影响，达到了提高系统精度的目的。同时本发明还具有结构简单，成本低廉，动态和静态测量均适用的特点。

Description

一种光纤啁啾光栅传感解调系统

技术领域

本发明属于光纤传感领域，特别用于光纤啁啾光栅传感器的强度解调；该传感解调系统对物理参量动态和静态的测量均适用，能实现高速解调。

背景技术

光纤光栅传感器具有可靠性高、抗电磁干扰、抗腐蚀等特点，在工程领域有着广泛的应用。光纤光栅传感技术涉及材料、物理、化学、机电、信息等多个学科，限制其大规模工程应用的最关键的技术之一是光纤光栅传感解调技术。目前，在工程应用中占主导地位的解调技术是基于F-P滤波器的FBG波长解调技术。该技术有许多优点：波长绝对参量测量，不受光强影响；精度高；易于复用。但是高精细度的F-P滤波器的价格十分昂贵，故对单点或较少点进行检测用该技术是在成本上不合算的，其内部的机械部件致使其解调速度受到限制。

光纤啁啾光栅拥有宽带宽的反射谱，可达数纳米，在相同强度的入射光的作用下，其反射光强是光纤Bragg光栅的数倍，乃至数十倍。因此，光纤啁啾光栅适合被制作成为强度型的传感系统。由于光强可由光电探测器直接检测，省去了昂贵的F-P滤波器，极大降低了制作难度和成本。同时，光电转换模块的转换速度非常快，从而使光强型解调系统可以有比波长型更快的解调速度。但是，光强检测存在着易受干扰、精度低。这是因为光源光功率不易稳定，且随时间的推移会导致衰减损耗；另外，实际使用中的传输光缆的损耗是不可预测的，这些不利因素都会影响到光强检测的精度，甚至可能发生干扰信号湮没检测信号的情况。因此，如果要在实际工程监测中应用强度传感解调方案，就必须解决强度解调方式受光源光功率波动和传输光路光强损耗影响的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术中的不足，提供一种利用光纤啁啾光栅作为传感系统的敏感元件，采用结构简单，成本低廉的强度解调方式实现物理参量的检测，解决了强度解调方式受光源光功率波动和传输光路光强损耗影响的问题，实现了强度型解调的高精度测量。

本发明采用的技术方案是：光纤啁啾光栅传感解调系统，它主要由传感部分和解调部分组成，其中传感部分由光纤啁啾光栅1与光纤啁啾光栅2串接在一起，两传感光栅形成的反射谱包络面积会随外界物理参量(如应变)发生变化，当准确的检测到反射谱包络面积的变化时，就能实现对外界物理量的测量，这就是光纤啁啾光栅的传感原理。解调部分是一种强度型的解调装置，主要由宽带光源、解调光路、光电转换和信号处理电路组成。解调部分的工作原理是：由宽带光源向传感部分光栅提供信号源，令传感光栅反射光强为

I＝KρS    式1

式1中，ρ为宽带光源的光强密度(w/nm)，K为与光功率波动相关的系数，S为传感光栅的反射谱归一化包络面积。要求宽带光源带宽要远大于传感光栅的反射谱带宽，则可以认为在啁啾光栅的频谱变化范围内ρ是均匀的，为定值。

在解调光路中的第一光分路器、第二光分路器、第三光分路器均为3dBY型光分路器，第一光电转换模块和第二光电转换模块的入射光强分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_1=\frac{1}{4}\mathrm{K\ρS}\\ I_2=\frac{1}{8}\mathrm{K\ρ}{S}_{\mathrm{re}}\end{array}\right.$ 式2

式2中，S_re为参考光栅的反射谱的包络面积。

将I₁与I₂作比值运算，得到目标函数：

$R=f\left(S\right)=\frac{I_1}{I_2}=\frac{2}{S_{\mathrm{re}}}S$ 式3

显然，从上式3可以看出，目标函数R＝f(S)是一个与光功率波动系数K无关的函数，并且与传感光栅反射谱的包络面积呈线性关系。因此，可以利用目标函数来实现光参量的准确调制，然后通过标定实现被测物理参量精确的计量检测。

解调系统中的光电转换及信号处理电路有两种方案。方案一是：解调光路发出的光信号分别通过第一光电转换模块和第二光电转换模块，再经第一电流-电压转换电路和第二电流-电压转换电路以及第一模拟-数字转换器件和第二模拟-数字转换器件，最终变为数字信号送至微处理器，两路数字信号的数值大小分别与两路光信号成正比。微处理器将两路数字信号作比值运算，这样得到的电信号输出结果就是与传感光栅反射谱的归一化包络面积呈线性关系，而与光源光功率波动和传输光路损耗无关。

第二种方案是：解调光路发出的光信号分别通过第一光电转换模块和第二光电转换模块将传感和参考光信号转化为电流信号，接着通过对数放大器转化为相应的对数值，再利用差值运算电路求出两路信号的差值，该差值输出同样只是传感光栅反射谱归一化包络面积的函数，而与光源光功率波动和传输光路损耗无关。通过模拟-数字转换成数字信号，最后利用微处理器实现数字信号的处理和输出。

本发明的具体方案是：光纤啁啾光栅1与光纤啁啾光栅2串接在一起，两光栅作为传感器的敏感元件将解调系统中的宽带光源4的入射光部分地反射回解调光路中。传感器的反射光经第一分路器10回入解调系统的检测光路中，又利用第二分路器9将反射光一分为二，一路由第一光电转换模块5直接处理，另一路经第三分路器7进入用于参考光栅6中。参考光栅6的反射谱比传感光栅的合成反射谱窄，且在第一传感光栅和第二传感光栅合成反射谱的带宽范围内。通过第二光电转换模块8检测参考光栅6的反射光强，该反射光强用来作参考。由于两传感光栅形成的反射谱包络面积会随外界物理参量(如应变)发生变化。而且反射谱的带宽远小于光源的带宽，且在传感器带宽及其附近数纳米的波长范围内，入射光强是均匀分布的。因此，当进入传感光栅的入射光强稳定且传输光路无损耗时，则检测到的光强信号的幅度就直接与感知的物理参量呈线性关系。但实际上光源的光功率存在着波动和衰减，传输光路也会产生随机损耗，为了解决该问题，引入参考光栅，参考光栅的反射谱比传感的窄，并且在传感反射谱带宽范围内，从而实现对传感光栅的反射光强进行取样。由于参考光栅处于静置的状态，它的反射谱包络面积稳定，故参考光栅的反射光强与光源光功率变化和传输光路影响直接相关。这样，将检测到的传感光强和参考光强值作比值，或取对数作减法，最终信号将能够消除反射光强与光源光功率不稳定和传输光路随机损耗的影响，仅仅与传感光栅反射谱的包络面积呈线性关系。

本发明提高了强度解调系统的抗干扰能力，从而使其具备高精度的特点，同时本系统对动态和静态的测量均适用，结构简单，成本低廉，另外从结构上看该系统在解调时不存在任何机械移动部分，能实现比扫描式解调方法更快的解调速度。

附图说明

图1光纤啁啾光栅传感解调系统框图

图2传感光栅示意图

图3解调光路示意图

图4光电转换及信号处理电路方案一

图5光电转换及信号处理电路方案二

图1中1.第一传感光栅2.第二传感光栅3.传输光缆4.宽带光源5.第一光电转换模块6.参考光栅7.第三光分路器8.第二光电转换模块9.第二光分路器10.第一光分路器

具体实施方式

参考图1、图2、图3详细说明本发明的具体实施方案。

光纤啁啾光栅1与光纤啁啾光栅2两光栅作为传感器的敏感元件，解调部分是一种强度型的解调装置，主要由宽带光源、解调光路、光电转换和信号处理电路组成。工作时光纤啁啾光栅1与光纤啁啾光栅2串接在一起，解调系统中的宽带光源4的入射光部分地反射回解调光路中。传感器的反射光经第一分路器10回入解调系统的检测光路中，又利用第二分路器9将反射光一分为二，一路由第一光电转换模块5直接处理，另一路经第三分路器7进入用于参考光栅6中。参考光栅6的反射谱比传感光栅的合成反射谱窄，且在第一传感光栅和第二传感光栅合成反射谱的带宽范围内。通过第二光电转换模块8检测参考光栅6的反射光强，该反射光强用来作参考。由于两传感光栅形成的反射谱包络面积会随外界物理参量(如应变)发生变化。而且反射谱的带宽远小于光源的带宽，且在传感器带宽及其附近数纳米的波长范围内，入射光强是均匀分布的。因此，当进入传感光栅的入射光强稳定且传输光路无损耗时，则检测到的光强信号的幅度就直接与感知的物理参量呈线性关系。但实际上光源的光功率存在着波动和衰减，传输光路也会产生随机损耗，为了解决该问题，引入参考光栅，参考光栅的反射谱比传感的窄，并且在传感反射谱带宽范围内，从而实现对传感光栅的反射光强进行取样。由于参考光栅处于静置的状态，它的反射谱包络面积稳定，故参考光栅的反射光强与光源光功率变化和传输光路影响直接相关。这样，将检测到的传感光强和参考光强值作比值，或取对数作减法，最终信号将能够消除反射光强与光源光功率不稳定和传输光路随机损耗的影响，仅仅与传感光栅反射谱的包络面积呈线性关系。

本发明提高了强度解调系统的抗干扰能力，从而使其具备高精度的特点，同时本系统对动态和静态的测量均适用，结构简单，成本低廉，另外从结构上看该系统在解调时不存在任何机械移动部分，能实现比扫描式解调方法更快的解调速度。

Claims (3)

1.一种光纤啁啾光栅传感解调系统，其特征在于：系统由传感和解调两部分组成，其中传感部分由第一传感光栅(1)与第二传感光栅(2)组成，所述传感光栅为光纤啁啾光栅，用以感知外界物理参量的变化，解调部分是一种强度型的解调装置，主要由宽带光源、解调光路、光电转换模块和信号处理电路组成；第一传感光栅(1)与第二传感光栅(2)串接在一起，两光栅作为传感器的敏感元件将解调系统中的宽带光源(4)的入射光部分反射回解调光路中，传感器的反射光经第一分路器(10)回入解调系统的检测光路中，又利用第二分路器(9)将反射光一分为二，一路由第一光电转换模块(5)进行光电转换处理，另一路经第三分路器(7)进入参考光栅(6)中，参考光栅(6)的反射谱比传感光栅的合成反射谱窄，且在第一传感光栅和第二传感光栅合成反射谱的带宽范围内，通过第二光电转换模块(8)检测参考光栅(6)的反射光强，由宽带光源(4)发出，被传感光栅部分反射，经第一分路器(10)返回解调装置中，再利用第二分路器(9)将反射光一分为二，一路由第一光电转换模块(5)直接处理，另一路经第三分路器(7)进入用于光强补偿的参考光栅(6)中，该反射光强用来做参考，最后两个光电转换模块检测到的电信号经过信号处理电路输出结果。

2.根据权利要求1所述的光纤啁啾光栅传感解调系统，其特征在于：用于传感的第一传感光栅(1)与第二传感光栅(2)的中心波长要求相近，带宽宽度也要求相近。

3.根据权利要求1所述的光纤啁啾光栅传感解调系统，其特征在于：所述信号处理电路的信号处理方法为下述两种方法中的一种：第一种方法是传感和参考两路光信号分别通过光电转换模块，电流-电压转换以及模拟-数字转换器件，变为数字信号后送至微处理器，微处理器将两路数字信号作比值运算，最终得到系统的输出；第二种方法：光电转换模块将传感和参考光信号转化为电流信号，接着通过对数放大器转化为相应的对数值，再利用差值运算电路求出两路信号的差值，通过模拟-数字转换成数字信号后，利用微处理器实现数字信号的处理，最终得到系统的输出。

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