CN101881634A - 基于awg的高速多通道光纤光栅传感解调系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统及方法，其中，该系统包括光源、光纤光栅基准、多路光开关、FBG探头、双窗口的AWG、光电二极管探测器阵列、信号放大和A/D变换器组、信号解调处理器；该方法包括：采集载有待测物理量变化信息的光强信号，沿原光路反射；接收反射回来的光强信号，进行信号解调，获取对应的波长漂移量；基于所述的波长漂移量，进行计算，获取对应的待测物理量的变化量。本发明所述系统及方法，可以克服现有技术中成本高、实用性差、可靠性差、分辨率低、解调速度慢等缺陷，以实现成本低、实用性强、可靠性高、分辨率高、解调速度快、结构简单和波长范围宽。

Description

基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统及方法

技术领域

本发明涉及通信领域中的光纤传感技术，具体地，涉及一种基于阵列波导光栅(AWG)的高速多通道光纤光栅传感解调系统及方法。

背景技术

光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，简称FBG)是80年代后期产生的一种光纤传感器。FBG的传感原理是：基于光纤光栅布拉格波长漂移理论，先将待测信息变化量转化为波长漂移量，再通过解调波长漂移量判断待测信息变化量，是一种波长调制型光纤传感器；与传统的机电类传感器相比，在传感网络应用中具有显著的技术优势。

但是，目前的波长解调难度大，系统成本高，实用性不强；因此，在传感网络应用领域需要出现一种实用性较强、成本较低的信号解调技术。迄今为止，已出现许多光纤光栅信号解调的方法，如光谱仪法、干涉法、可调F-P滤波器解调法、边缘滤波解调法、匹配FBG可调滤波解调法等；每种解调方法都有其特点和优点，也存在诸多的局限性。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

(1)成本高：如光谱仪法，信息明确直观但价格昂贵；

(2)实用性差：非平衡Mach-Zehnder干涉仪法，具有较高的测量灵敏度，但仅适于动态检测，不适于检测静态量；

(3)可靠性差、分辨率低：可调F-P滤波器解调法，具有较宽的调谐范围，可大大提高测量范围和传感光栅复用个数，但由于光纤F-P腔可调谐滤波器的重复性不好，对最终传感量的测量精度影响比较大；

(4)解调速度慢：匹配FBG可调滤波检测法，它虽具有较高分辨率，但光路中需使用较多的耦合器，使系统信噪比比较低。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中成本高、实用性差、可靠性差、分辨率低、解调速度慢的缺陷，提出一种基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统，以实现成本低、实用性强、可靠性高、分辨率高、解调速度快、结构简单和波长范围宽。

本发明的另一目的是针对现有技术中成本高、实用性差、可靠性差、分辨率低、解调速度慢的缺陷，提出一种基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调方法，以实现成本低、实用性强、可靠性高、分辨率高、解调速度快、结构简单和波长范围宽。

为实现上述目的，本发明的一个方面，提供了一种基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统。

根据本发明实施例的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统，包括：光源，用于产生激励光信号；光纤光栅基准，用于产生所述系统的波长基准；多路光开关，用于对入射的激励光信号进行空分复用；FBG探头，用于采集载有待测物理量变化信息的光强信号，沿原光路反射；双窗口的AWG，用于接收反射回来的光强信号，并分成2N个不同波长的窄带光；光电二极管探测器阵列，用于基于所述2N个窄带光的光信号，进行光电转换，获取对应的电信号；信号放大和A/D变换器组，用于基于所述2N个窄带光的电信号，进行信号放大和模数转换，获取对应的数字信号；信号解调处理器，用于基于所述2N个窄带光的数字信号，进行信号解调，获取对应的待测物理量的变化量。

以上所述的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统，所述信号解调处理器包括：解调单元，用于基于所述2N个窄带光的数字信号，进行差值计算，获取对应的波长漂移量；计算单元，用于基于所述波长漂移量，求取所述双窗口的AWG相邻光通道的输出光的波长比的对数。

以上所述的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统，该系统还包括：隔离器，用于传输所述光源产生的激励光信号，并阻止反射回来的光强信号所述光源的影响；2×2分路器，用于将隔离器输出的激励光信号分束，并分别射入所述光纤光栅基准和所述多路光开关；1×2分路器：用于将反射回来的光强信号分束，再分别射入所述双窗口的AWG。

以上所述的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统，所述多路光开关为高速光开关。

以上所述的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统，所述FBG探头由N个通过单模光纤串接而成的FBG探头串组成。

以上所述的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统，该系统还包括：N个FBG探头连接器，用于将多路光开关的N个输出端分别连接到对应的FBG探头中的FBG探头串。

为实现上述另一目的，根据本发明的另一个方面，提供了一种基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调方法。

根据本发明实施例的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调方法，包括：中心波长为1-N的光纤布拉格光栅FBG探头采集载有待测物理量变化信息的光强信号，沿原光路反射；其中，N为自然数；接收反射回来的光强信号，进行信号解调，获取对应的波长漂移量；基于所述的波长漂移量，进行计算，获取对应的待测物理量的变化量。

以上所述的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调方法，所述接收反射回来的光强信号，进行信号解调，获取对应的波长漂移量的步骤包括：双窗口的AWG接收反射回来的光强信号，并分成2N个不同波长的窄带光；基于所述2N个窄带光的光信号，进行光电转换，获取对应的电信号；基于所述2N个窄带光的电信号，进行信号放大和模数转换，获取对应的数字信号；基于所述2N个窄带光的数字信号，进行差值计算，获取对应的波长漂移量。

以上所述的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调方法，基于所述的波长漂移量，进行计算，获取对应的待测物理量的变化量的步骤包括：当载有待测物理量变化信息的光强信号反射回双窗口的AWG时，求取双窗口的AWG相邻光通道的输出光的波长比的对数，便得到对应的待测物理量的变化量。

以上所述的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调方法，所述双窗口的AWG的工作在C波段和/或L波段和/或C+L波段。

本发明各实施例的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统及方法，可以将FBG探头置于待测物理场中，当待测物理量发生变化时，FBG探头会将载有待测物理量变化信息的光强信号按原光路反射，反射回来的光强信号经双窗口的AWG分成不同波长的窄带光，再将每个窄带光经光电转换、信号放大和A/D转换，得到对应的波长漂移量，再基于得到的波长漂移量求取解调函数的值，即可得到对应的待测物理量的变化量；从而可以克服现有技术中成本高、实用性差、可靠性差、分辨率低、解调速度慢的缺陷，以实现成本低、实用性强、可靠性高、分辨率高、解调速度快、结构简单和波长范围宽。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为根据本发明实施例的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调方法的流程示意图；

图2为根据本发明实施例的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调方法的又一流程示意图；

图3为根据本发明实施例的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统的原理框图；

图4为根据本发明实施例的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统中AWG传输光谱和FBG反射光谱的解调波形示意图；

图5为根据本发明实施例的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统中单个FBG波长各自在AWG两个相邻通道波长范围内的变化图；

图6为根据本发明实施例的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统的又一原理框图；

图7为根据本发明实施例的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统中40通道的AWG器件的C波段光谱图；

图8为根据本发明实施例的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统中AWG器件的C波段部分波长参数表图；

图9a为根据本发明实施例的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统中FBG探头反射波长和温度的变化关系图之一；

图9b为根据本发明实施例的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统中FBG探头反射波长和温度的变化关系图之二；

图10为根据本发明实施例的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统中16通道的AWG器件的L波段光谱图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的基本思想是：宽带光源产生激励光信号，经隔离器射入2×2分路器；2×2分路器将射入的激励光信号分束，并分别射入光纤光栅基准和多路光开关；光纤光栅基准基于射入的激励光信号产生基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统的波长基准；多路光开关对射入的激励光信号空分复用为N路，并经FBG探头连接器，射入FBG探头中对应的FBG探头串；FBG探头串所测物理量发生变化时，FBG探头串相应地发生波长漂移，并将载有被测物理量的变化信息的光强信号按原光路反射，依次经FBG探头连接器、多路光开关、2×2分路器和1×2分路器；1×2分路器将反射回来的光强信号分束，并反射到双窗口的AWG；双窗口的AWG将反射回来的光强信号分成不同波长的窄带光，并导入光电二极管探测器阵列的对应通道；光电二极管探测器阵列将导入的窄带光的光信号转换为对应的电信号，再经信号放大和A/D变换器组，将窄带光的电信号由模拟量转换为数字量，然后经信号解调处理器，基于窄带光对应的数字信号，进行差值计算，获取对应的波长漂移量，再基于对应的波长漂移量，求取双窗口的AWG相邻光通道的输出光的波长比的对数，便得到对应的待测物理量的变化量。

方法实施例

实施例一

根据本发明实施例，提供了一种基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调方法。图1为根据本发明基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调方法的流程示意图。如图1所示，本实施例包括：

步骤101：采集载有待测物理量变化信息的光强信号，并沿原光路反射；具体的：

将FBG探头置于待测物理场中，当待测物理场中的待测物理量发生变化时，FBG探头收到的激励光信号发生波长漂移，并将载有待测物理量变化信息的光强信号沿原光路反射；

步骤102：接收步骤101中反射回来的光强信号，进行信号解调，获取对应的波长漂移量；具体的：

双窗口的AWG接收步骤101中FBG探头反射回来的载有待测物理量变化信息的光强信号，并分成不同波长的窄带光；每个窄带光经光电转换，得到对应的电信号；每个窄带光的电信号经信号放大和A/D转换，得到对应的数字信号；基于每个窄带光对应的数字信号，进行差值计算，得到对应的波长漂移量；

步骤103：基于步骤102中得到的波长漂移量，进行计算，获取对应的待测物理量的变化量；具体的：

基于步骤102中得到的波长漂移量，求取双窗口的AWG相邻光通道的输出光的波长比的对数，便可得到待测物理量的变化量。

实施例二

图2为根据本发明基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调方法的又一流程示意图。如图2所示，本实施例包括：

步骤201：采集载有待测物理量变化信息的光强信号，并沿原光路反射；

步骤202：双窗口的AWG接收步骤201中反射回来的光强信号，并分成多个不同波长的窄带光；

步骤203：将步骤202中的窄带光进行光电转换，获取每个窄带光对应的电信号；

步骤204：将步骤203种的电信号进行信号放大和A/D转换，获取每个窄带光对应的数字信号；

步骤205：基于步骤204中的数字信号，进行差值计算，获取每个窄带光对应的波长漂移量；

步骤206：基于步骤205中的波长漂移量，求取双窗口的AWG相邻光通道的输出光的波长比的对数，便可获取对应的待测物理量的变化量。

AWG作解调器用时，由复合波长λ1、λ2......λn组成的信号输入到阵列波导中。在本实施例中，由于通过AWG的任意两个相邻通道来解调一个光纤光栅传感信号时，这个光纤光栅传感信号的波长变化范围在AWG两个相邻通道的中心波长之间；所以，在获取待测物理量的变化量之前或之后，需要对AWG通道进行管理。具体的，需要确定和标记每个FBG探头光栅与AWG的哪两个相邻通道相对应，以及确定通道间的边界和信号变化范围，并确定各通道的信号、波长和传感信息之间的关系。

在本实施例中，多路光开关对多路FBG探头组成的传感器进行空分复用，这样系统可同时连接多根光纤，每根光纤又可波分复用多只光纤布拉格光栅传感器，使得系统可以同时解调上千只光纤布拉格光栅传感器，以满足大型工程传感网络的实时监测。具体的，信号处理器通过对应的接口获知置于待测物理场中的FBG探头的数量、位置、编号，为解调器分配光开关通道，分时进行光开关通道切换和管理，进行所有通道的数据查询，从而获知FBG探头的传感信息。

在本实施例中，在测量时，还可以进行设备及其功能的检查。具体的，可以根据接收的通道探头个数判断是否有探头丢失，根据接收的探头传感数据判断探头工作状态是否正确，获知设备及其功能的实时状态，从而可以通过通讯网络，实现无人值守或远程操作。

在上述各方法实施例中，将成熟的AWG光纤通信技术转化为AWG光纤传感监测中。在上述各方法中，FBG波长的解调技术是FBG传感器实用化的关键，相比正在研究的解调方法，研究经费较低。

上述各方法采用AWG的波分复用特性对光纤光栅传感信号进行解调。具体的，准分布的多个FBG，通过不同FBG的反射光波长(如λ1，.....λn)，与待测量沿程各测量点(如1，......n)相对应，分别感受待测量沿线分布各测量点的条件变化，而当外界的温度或压力等改变时，都会导致FBG的λi发生变化；从而可以通过测量FBG的中心反射波长的变化，探知待测量的变化。

上述各方法首先采用AWG的波分特性对FBG的反射波长进行波分，将反射回来的一束光分解成不同波长的窄带光导入到多个通道中，同时采用AWG任意两个相邻通道来解调一个光纤光栅传感信号，这个光纤光栅传感信号变化范围在AWG两个相邻通道的中心波长之间。通过测量相邻通道反射的光强信号获知FBG反射的中心波长的变化，可以进一步探知待测量的变化。

具体的，可以求取AWG相邻光通道的输出光的波长比的对数，得到对应的待测物理量的变化量。当载有传感信息的FBG反射光波长通过两个相邻的光通道时，由于信道的特征不同，输出的光特征也不同，理论上输出光谱等于输人光谱和所通过信道特征的卷积。我们定义AWG相邻两通道的输出比的对数为解调函数，即：

$F\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{bi}}\right)=\log \frac{{\mathrm{OUT}}_{m+1}\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{bi}}\right)}{{\mathrm{OUT}}_m\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{bi}}\right)}$

其中λbi为第i个光纤布拉格光栅的反射波长。光纤布拉格光栅反射谱与阵列波导光栅通道的透射谱均可以很好地近似为高斯函数，光纤布拉格光栅反射谱与阵列波导光栅通道透射谱的重叠部分决定了阵列波导光栅通道输出光强的大小。阵列波导光栅相邻通道强度比值对数与光纤布拉格光栅波长在高斯近似下呈线性关系。

进一步的，上述方法采用双窗口的AWG来进行光纤光栅传感信号的解调，AWG可以根据应用需要分别选择C波段、L波段或C+L波段，实现宽范围多波长解调，使基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统的波长解调范围跨越C波段、L波段，超过80nm以上。

上述各方法与现有技术主要区别点在于采用阵列波导光栅AWG波分复用技术对FBG波长进行解调，并且，该方法的实施成本低，实施方式灵活；以并行的方式同时对FBG的多个反射波长进行波分，大大提高了解调速度，具有滤波特性好、性能稳定、串扰小、解调速度快的优点.适合于解调大容量的波长信息；另外，采用求取AWG相邻光通道的输出光的波长比的对数，得到对应的待测物理量的变化量。具有传感检测效率高，易于形成传感网络的优点，为其实际应用开辟了广阔的前景。

本发明上述各方法实施例，可以将FBG探头置于待测物理场中，当待测物理量发生变化时，FBG探头会将载有待测物理量变化信息的光强信号按原光路反射，反射回来的光强信号经双窗口的AWG分成不同波长的窄带光，再将每个窄带光经光电转换、信号处理和A/D转换，得到对应的波长漂移量，再基于得到的波长漂移量求取解调函数的值，即可得到对应的待测物理量的变化量；将双窗口的AWG型波分复用/解复用器用于传感信号的解调，当置于待测物理场中的FBG探头受物理量变化的影响而发生波长漂移时，检测解调出该波长漂移量的大小，从而计算出对应的待测物理量的变化量；从而可以克服现有技术中成本高、实用性差、可靠性差、分辨率低、解调速度慢的缺陷，以实现成本低、实用性强、可靠性高、分辨率高、解调速度快、结构简单和波长范围宽。

系统实施例

实施例一

根据本发明实施例，提供了一种基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统。

图3为根据本发明基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统的结构框图。如图3所示，本实施例包括：光源301、隔离器302、2×2分路器303、1×2分路器304、光纤光栅基准305、多路光开关306、FBG探头309及对应的FBG探头连接器、第一AWG310、第二AWG311、第一光电二极管探测器阵列312、第二光电二极管探测器阵列313、信号放大和A/D变换器组314、信号解调处理器315，其中，FBG探头由N个通过单模光纤串接而成的FBG探头串组成，每个探头串通过对应的FBG探头连接器连接在多路光开关306的对应输出端；如第一FBG探头连接器307和第N FBG探头连接器308分别用于连接多路光开关306的对应输出端与FBG探头309中对应的FBG探头串。这里，N为自然数。

其中，第一AWG310和第二AWG311组成双窗口的AWG。

光源301作为FBG探头309的激励光源，为FBG探头产生激励光信号，与隔离器302的输入端连接。

在本实施例中，光源301可以是宽带光源。

隔离器302可以单方向传输激励光信号，同时阻止反射回来的光强信号影响光源301，隔离器302的输出端与2×2分路器303的第一输入端连接，2×2分路器303的第一输出端与光纤光栅基准305连接、第二输出端与多路光开关306连接，2×2分路器303对经隔离器302的激励光信号进行分束，使得一小部分激励光信号进入光纤光栅基准305，从而为本实施例的传感解调系统产生波长基准，同时大部分激励光信号经过多路光开关306射入FBG探头309。

多路光开关306对射入的激励光信号进行空分复用，使得本实施例的传感解调系统可以同时解调上千只FBG探头探测得到的物理量，从而可以满足大型工程传感网络的实时监测。

2×2分路器303的第二输入端与1×2分路器304的输入端连接，1×2分路器304的第一输出端与第一AWG310的公共端连接，1×2分路器304的第二输出端与第二AWG311的公共端连接；第一AWG310和第二AWG311的容量均为1XN，即均有一个公共端作为输入端和N个输出端，能够将射入的光强信号分成不同波长的窄带，并将光导入到多个光电二极管探测器阵列通道中，实现波分复用。

多路光开关306的每一个输出端分别经对应的FBG探头连接器与FBG探头309中对应的FBG探头连接；每个FBG探头串的一端通过传输光缆316与对应的FBG探头连接器连接、另一端可以安置在待测物理场中的待测位置上；第一AWG310的多个输出端分别与第一光电二极管探测器阵列312的对应输入端连接，第二AWG311的多个输出端分别与第二光电二极管探测器阵列313的对应输入端连接；第一光电二极管探测器阵列312和第二光电二极管探测器阵列313的多个输出端分别与信号放大和A/D变换器组314的对应输入端连接；信号放大和A/D变换器组314的输出端与信号解调处理器315的输入端相连。

在本实施例中，还可以包括显示装置317。显示装置317可以连接在信号解调处理器315的输出端，用于显示信号解调处理器315的处理结果。

使用本实施例的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统，将FBG探头309置于待测物理场中，当待测物理场中的某物理量发生变化时，将引起FBG探头309发生波长漂移；FBG探头309将载有该物理信息的光强信号沿原光路反射，反射的光强信号依次经FBG探测连接器、多路光开关306、2×2分路器303和1×2分路器304，并进入双窗口的AWG，即分别进入第一AWG310和第二AWG311；双窗口的AWG将反射回来的光强信号分成2N个窄带光，每个窄带光分别反射回第一光电二极管探测器阵列312和第二光电二极管探测器阵列313的对应通道；第一光电二极管探测器阵列312和第二光电二极管探测器阵列313可以将反射回来的窄带光由光信号转换为电信号。

这样，反射回来的波长漂移光强信号能够导致第一AWG310和第二AWG311各通道内光强信号的变化；第一AWG310和第二AWG311各通道内光强信号的变化，引起第一光电二极管探测器阵列312和第二光电二极管探测器阵列313的对应通道电信号的流变化，再分别经信号放大和A/D变换器组314进行A/D转换，得到对应的数字信号；信号解调处理器315可以包括解调单元和计算单元，其中，解调单元根据该数字信号，经差值计算得到反射回来的光强信号的波长漂移量；计算单元基于该波长漂移量，求取双窗口的AWG相邻光通道的输出光的波长比的对数，即可得到待测物理量的变化量。

由于采用多路光开关306将激励光信号分成N束，分别射入N个FBG探头串组成的FBG探头309；FBG探头309中每个FBG探头可以编号，分别置于待测物理场中的待测位置，当待测物理量发生变化时，对应的FBG探头串发生波长漂移，并将载有待测物理量变化信息的光强信号沿原光路反射；反射回来的光强信号进入双窗口的AWG，在对应通道经光电转换、信号放大、A/D转换和信号解调处理，得到对应待测物理量的变化量；从而可以实现多个FBG探头串的高速解调。

图4为根据本发明实施例的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统中AWG传输光谱和FBG反射光谱的解调波形示意图。

如图4所示，AWG的传感解调原理如下：AWG是一种平面集成光波导无源器件，是利用平面波导技术在芯片衬底上制作的阵列波导光栅；当AWG作解复用器时，其工作原理为：由复合波长λ1、λ2......λn组成的信号光耦合到输入波导的中心波导上并在输入平板波导内产生衍射，衍射的高斯光束耦合到阵列波导中。由于相邻的阵列波导以相同长度差排列，于是不同波长的光波产生了不同的光程差，这样经过阵列波导传输后就被聚焦在不同的输出波导位置，完成了解复用的功能；当AWG作复用器时，原理与之相反。可见，AWG波分复用/解复用的特点和作用正好适用于光纤光栅传感信号的解调。

本实施例采用双窗口AWG的任意两个相邻通道来解调一个光纤光栅传感信号，这个光纤光栅传感信号变化范围在AWG的两个相邻通道的中心波长之间。

对于容量为1XN的AWG，可以将任意频段内的入射光分成不同波长的窄带光导入到多个通道中，实现波分复用。在实际应用中，可以将每个FBG探头串的中心波长定义为1-N，每个FBG探头光栅与AWG的两个相邻通道相对应，FBG探头光栅波长随被测参量如温度或应力等而变化，变化范围在AWG两个邻近通道的中心波长之间。

图5为根据本发明实施例的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统中单个FBG波长各自在AWG两个相邻通道波长范围内的变化图。

如图5所示，当载有传感信息的FBG反射光波长通过两个相邻的光通道时，由于信道的特征不同，输出的光特征也不同，理论上输出光谱等于输人光谱和所通过信道特征的卷积。

可以将AWG的相邻两通道的输出比的对数定义为解调函数，即：

$F\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{bi}}\right)=\log \frac{{\mathrm{OUT}}_{m+1}\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{bi}}\right)}{{\mathrm{OUT}}_m\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{bi}}\right)}$

其中λ_bi为第i个FBG的反射波长。FBG反射谱与AWG通道的透射谱均可以近似为高斯函数，FBG反射谱与AWG通道透射谱的重叠部分决定了AWG通道输出光强的大小。AWG相邻通道强度比值对数与FBG波长在高斯近似下呈线性关系。

显然，AWG相邻两通道的输出值可通过测量得到，再通过后期的数据处理可以得到波长值。这就是阵列波导光栅AWG波长检测的原理。

FBG探头可安装于被测物体和材料内部，对渗压、温度、应力、应变、流速、流量等各种物理量进行检测，当由于各种不同的因素导致FBG探头周围环境个件发生变化时，将导致FBG反射波长位移Δλ，通过监测这些光谱变化情况，即可获得被测物理量的变化状况，达到检测目的。

实施例二

图6为根据本发明基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统的又一结构框图。

如图6所示，本实施例包括：光源601、隔离器602、2×2分路器603、1×2分路器604、光纤光栅基准605、多路光开关606、FBG探头609及对应的FBG探头连接器、第一AWG610、第二AWG611、第一光电二极管探测器阵列612、第二光电二极管探测器阵列613、信号放大和A/D变换器组614、信号解调处理器615和显示屏617。

其中，光源601、隔离器602和2×2分路器603单向连接，2×2分路器603的输出端分别与光纤光栅基准605和1×8路光开关606的输入端连接，1×8路光开关606的输出端分别经第一FBG探头连接器607至第八FBG探头连接器608与FBG探头609中对应的FBG探头串连接。这里，FBG探头连接器通过传输光缆616与FBG探头串连接。

FBG探头609可以安置于待测物理场中，反射回来的载有待测物理量变换信息的光强信号依次经第一FBG探头连接器607至第八FBG探头连接器608、1×8路光开关606和2×2分路器603，再经1×2分路器604分别反射到双窗口的AWG，即AWG-C610和AWG-L611。

AWG-C610和AWG-L611分别将反射到其中的光强信号分成2N个不同波长的窄带光，并导入到第一光电二极管探测器阵列612和第二光电二极管探测器阵列613的对应通道，经光电转换，得到的电信号导入到信号放大和A/D变换器组614的对应通道，经信号放大和A/D转换，得到对应的数字信号，再经信号解调处理器615，经信号解调处理，得到对应的待测物理量的变化量，并通过显示屏617显示测量结果。

在本实施例中，各元器件的作用可参见图3的相关说明。将双窗口的AWG型波分复用/解复用器件用于解调传感信号，具体做法：将FBG探头置于待测物理场中，当待测物理场中的物理量发生变化时，FBG探头受该物理量变化的影响发生波长漂移，通过该基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统可以检测解调出FBG探头的波长漂移量的大小；根据该波长漂移量的大小，通过计算，可以得到被测物理量的变化量。

在本实施例中，信号解调处理器615可以包含解调单元和计算单元，其中，解调单元用于根据A/D变换器组614输出的数字信号，进行差值计算，获取反射回来的光强信号的波长漂移量；计算单元用于根据波长漂移量，求取双窗口的AWG相邻光通道的输出光的波长比的对数，即可得到待测物理量的变化量。

在上述各实施例中，将两个分别工作在C波段和L波段的两个窗口、同时窗口边沿相重合的AWG型波分复用/解复用器用于解调传感信号，即：AWG可以根据应用需要分别选择C波段、L波段或C+L波段，实现宽范围多波长解调，使基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统的波长解调范围跨越C波段、L波段，超过80nm以上。

AWG每个通道的接收函数或传输光谱采用高斯型分别，采用两个相邻通道解调一个光纤光栅传感信号，每串FBG探头的中心波长定义为1-N，它们随被测参量如温度或应力变化，变化范围在AWG两个邻近通道的中心波长之间；当载有传感信息的FBG反射光波长通过相邻的光通道时，可以定义AWG相邻两通道的输出比的对数为解调函数。

上述宽带光源可以采用C波段、L波段或C+L波段的宽谱激光光源，使系统的波长解调范围达80nm以上。

对分别工作在C波段和L波段两个窗口的第一AWG和第二AWG的输出波长进行编码检测，以确定探测点探头的位置；当系统同时连接多根光纤时，每根光纤又可波分复用多只FBG传感器，使得系统可以同时解调上千只FBG传感器，满足大型工程传感网络的实时监测。

另外，上述各实施例中的多路光开关均可以采用高速光开关。

实施例三

在本实施例中，光源601可以是光谱范围为1527～1562nm的C波段宽带光源；2×2分路器603的分束比可以为10∶90；1×2分路器604可以是3db的耦合器，其分束比为50∶50；FBG探头609可以包含两个串联的FBG温度探头；AWG可以包含40个输出通道，光谱范围为1528.55～1560.61nm，信道间隔100GHz/0.8nm，高斯分布，1dB通道带宽0.24nm，3dB通道带宽0.40nm，插损5.36～6.28dB，相邻通道串扰32.56～37.20dB；A/D变换器组614可以是MCU单片机。

将光纤光栅基准605置于恒温箱中，恒温精度为0.1℃。为了提高系统精确度和分辨率，光纤光栅基准605可以采用切趾光纤光栅。

图7为根据本发明实施例的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统中40通道的AWG器件的C波段光谱图，图8为根据本发明实施例的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统中AWG器件的C波段部分波长参数表图。

如图7和图8所示，本实施例的两个FBG温度探头的中心波长分别为：λ1＝1534.6401nm，λ2＝1536.9850nm，间距为2.3449，其中：λ1＝1534.6401nm，位于40通道的阵列波导光栅AWG的第6-7通道之间，λ2＝1536.9850nm，位于40通道的阵列波导光栅AWG的第9-10通道之间。光电二极管探测器的精度为0.001dBm。

根据实验值，在2h内温度和波长的标准偏差分别为0.05℃和0.5pm，最大漂移范围约0.18℃和2pm。

图9a为根据本发明实施例的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统中FBG探头反射波长和温度的变化关系图之一；图9b为根据本发明实施例的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统中FBG探头反射波长和温度的变化关系图之二。

如图9a和图9b所示，FBG之间的串扰对解调系统有一些影响，实质上是由于串扰变化将对相邻光纤布拉格光栅解调通道的探测光强造成干扰，从而产生解调测量误差。实例中测量了FBG2因传感温度变化，如25℃到105℃，对其相邻的FBG1解调通道的串扰变化以及传感测量误差。获得FBG2串扰变化引起FBG1对应的AWG双通道强度比(即对数值)的变化范围为-0.382～0.244dBm，相应的标准偏差为0.126dB，结合测得的系统波长和温度的灵敏度，计算得到波长和温度的标准偏差为2pm。

实施例四

本实施例中各元器件及其连接关系可参见实施例二。

具体的，在本实施例中，包括：C+L波段宽带光源，光谱范围为1528～1601nm；2×2分路器的分束比为10∶90；1×2分路器可以是3db耦合器，分束比为50∶50；一个串联FBG渗压传感探头，量程为250kPa；一个16通道的AWG，光谱范围为1574.213～1599.541nm，采用高斯分布，光谱范围信道间隔50GHz/1.5nm，1dB通道带宽0.420nm，3dB通道带宽0.640nm，插损5.56～6.68dB，相邻通道串扰32.16～37.70dB。

在本实施例中，采用MCU单片机代替上述图3或图6中的A/D变换器组。

图10为根据本发明实施例的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统中16通道的AWG器件的L波段光谱图。

如图10所示，本实施例采用的一个FBG渗压传感探头量程为250kPa，对应25米液位量程，该渗压传感探头中有两个FBG，一个应变光栅，一个温度补偿光栅，其中心波长分别为：λ1＝1576.541nm，λ2＝1582.522nm。波长间距5.981nm，渗压传感探头中的λ1＝1576.541nm，位于16通道的AWG的第2-3通道之间，λ2＝1582.522nm，位于16通道的AWG的第6-7通道之间，液位试验管的控制范围为0.5m～2m，在1.5m范围内液位最大漂移范围约2mm。

光电二极管探测器的精度为0.001dBm。

根据实验值，本实施例相应波长的标准偏差为2pm，液位最大漂移范围约2cm，优于总量程的千分之二。

在本发明各实施例中，可以设置外部通讯接口，例如RS232/RS485、USB和RJ45等，用户可以选择对应的接口，进行接口管理，与上位机建立通讯联系，从通讯接口接受上位机发来的命令，向上位机发送系统中各个通道的传感信息，报警信息，通过对相应端口的操作点亮相应通道的指示灯。

使用本发明各实施例的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统，可以对一些危险场合的参数采用电子手段测量如光信号到电信号的转换、光波长信号的解调、预报警监测、实现了现场环境的参数测量，安全性较高。

本发明各实施例将AWG型波分复用/解复用器件用于传感信号的解调，类似一个基于阵列波导光栅强度解调技术的准分布式FBG高速、高精度的传感器，具有结构相对简单、成本低、波长分辨率高、解调速度快、使用稳定等优点；另外，采用波长编码技术、波分复用技术实现了分布式、大容量光纤光栅传感解调，充分利用了资源，保证了系统的可靠性要求。

综上所述，本发明各实施例可以将双窗口的AWG型波分复用/解复用器件用于传感信号的解调，当置于待测物理场中的FBG探头受物理量变化的影响而发生波长漂移时，通过本系统可检测解调出该波长漂移量的大小，从而计算出该物理量的变化；AWG在还不具有100以上更多通道工艺的今天，采用双窗口的AWG并行工作，其中第一AWG工作在C波段，第二AWG工作在L波段，并且两波段的边缘相重合，可以实现C+L波段的宽范围波长解调；同时AWG每两个相邻通道可对应一个传感探头的中心波长，每个通道中光强的大小反应通过的信号波长的大小，与现有技术相比，具有成本低、实用性强、可靠性高、分辨率高、解调速度快、结构简单和波长范围宽的优点。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于阵列波导光栅AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统，其特征在于，包括：

光源，用于产生激励光信号；

光纤光栅基准，用于产生所述系统的波长基准；

多路光开关，用于对入射的激励光信号进行空分复用；

FBG探头，用于采集载有待测物理量变化信息的光强信号，沿原光路反射；

双窗口的AWG，用于接收反射回来的光强信号，并分成2N个不同波长的窄带光；

光电二极管探测器阵列，用于基于所述2N个窄带光的光信号，进行光电转换，获取对应的电信号；

信号放大和A/D变换器组，用于基于所述2N个窄带光的电信号，进行信号放大和模数转换，获取对应的数字信号；

信号解调处理器，用于基于所述2N个窄带光的数字信号，进行信号解调，获取对应的待测物理量的变化量。

2.根据权利要求1所述的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统，其特征在于，所述信号解调处理器包括：

解调单元，用于基于所述2N个窄带光的数字信号，进行差值计算，获取对应的波长漂移量；

计算单元，用于基于所述波长漂移量，求取所述双窗口的AWG相邻光通道的输出光的波长比的对数。

3.根据权利要求1所述的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统，其特征在于，该系统还包括：

隔离器，用于传输所述光源产生的激励光信号，并阻止反射回来的光强信号所述光源的影响；

2×2分路器，用于将隔离器输出的激励光信号分束，并分别射入所述光纤光栅基准和所述多路光开关；

1×2分路器：用于将反射回来的光强信号分束，再分别射入所述双窗口的AWG。

4.根据权利要求1所述的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统，其特征在于，所述多路光开关为高速光开关。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统，其特征在于，所述FBG探头由N个通过单模光纤串接而成的FBG探头串组成。

6.根据权利要求5所述的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调系统，其特征在于，该系统还包括：

N个FBG探头连接器，用于将多路光开关的N个输出端分别连接到对应的FBG探头中的FBG探头串。

7.一种基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调方法，其特征在于，包括：

中心波长为1-N的光纤布拉格光栅FBG探头采集载有待测物理量变化信息的光强信号，沿原光路反射；其中，N为自然数；

接收反射回来的光强信号，进行信号解调，获取对应的波长漂移量；

基于所述的波长漂移量，进行计算，获取对应的待测物理量的变化量。

8.根据权利要求7所述的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调方法，其特征在于，所述接收反射回来的光强信号，进行信号解调，获取对应的波长漂移量的步骤包括：

双窗口的AWG接收反射回来的光强信号，并分成2N个不同波长的窄带光；

基于所述2N个窄带光的光信号，进行光电转换，获取对应的电信号；

基于所述2N个窄带光的电信号，进行信号放大和模数转换，获取对应的数字信号；

基于所述2N个窄带光的数字信号，进行差值计算，获取对应的波长漂移量。

9.根据权利要求8所述的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调方法，其特征在于，基于所述的波长漂移量，进行计算，获取对应的待测物理量的变化量的步骤包括：

当载有待测物理量变化信息的光强信号反射回双窗口的AWG时，求取双窗口的AWG相邻光通道的输出光的波长比的对数，便得到对应的待测物理量的变化量。

10.根据权利要求8或9所述的基于AWG的高速多通道光纤光栅传感解调方法，其特征在于，所述双窗口的AWG的工作在C波段和/或L波段和/或C+L波段。

Images