CN102735270B - 一种基于波长扫描的主动式光纤光栅时域解调装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波长扫描的主动式光纤光栅时域解调装置，在F-P腔时间扫描的基础上，采用若干已知反射波长的FBG对F-P腔的扫描区域进行实时的划分、定标，根据扫描过程中传感光路反射信号的时间信息就能推算出该信号所对应的波长，实现对FBG传感网络的解调，具有结构简单、体积小、容量大等特点，并且有效克服了F-P腔扫描中存在的重复性及非线性问题，提高了解调精度。

Description

一种基于波长扫描的主动式光纤光栅时域解调装置

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种光纤光栅（FBG）时域解调装置，尤其涉及一种基于波长扫描的主动式光纤光栅时域解调装置。

背景技术

光纤光栅传感是利用光纤光栅本身谐振波长的变化来反映外界相关物理量的变化。因此，对光纤光栅波长的解调是实现光纤光栅传感的关键。一般应用中，光纤光栅波长的漂移都在pm量级，所以就要求解调方法有较高的波长分辨率。另外，为了适应现场应用，解调装置还要具有便携，易于操作、维修等特点。

目前，由各种各样针对光纤光栅的解调方法，如CCD分光计法、光纤光栅匹配法、干涉仪检测法和F-P腔滤波法等。从解调系统所采用的光源可以将各种解调方法分为宽带光源法和可调谐光源法两大类。随着可调谐滤波器的不断发展，可调谐光源法已经具有与宽带光源法相同的扫描宽度，但是在信噪比以及灵敏度等方面则优势明显。

2002年，韩国Chi-Young Ryu等人在“Development of fiber Bragg grating sensorsystem using wavelength-swept fiber laser”一文中提出了一种采用基于可调谐F-P腔的波长扫描激光器作为光源，利用F-P标准具对扫描范围进行划分、定标，并使用一个参考FBG用作温度补偿的波长解调系统。该方法能够准确的对FBG波长进行解调，且系统信噪比高、解调精度高。但是，由于F-P标准具的谐振波长与参考FBG反射波长不重合，因此对波长的定标就比较困难；当温度发生变化时，F-P标准具的谐振波长间隔就会相应的发生变化，定标就会产生很大的误差；此外，该系统只能给出传感FBG波长变化的相对值，而无法给出绝对值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种简易的光纤光栅时域解调装置，解决现有解调装置中存在的结构复杂，解调精度不高，难以给出波长绝对值等的不足。

本发明的技术解决方案为：

一种基于波长扫描的主动式光纤光栅时域解调装置，包括可调谐激光器、测量光路、参考光路和光电探测单元，其中光电探测单元包括一只光电探测器及与光电探测器输出端相连的电信号测量装置；测量光路包括一只测量光纤环形器和间隔分布在测量光纤环形器信号端的n只测量光纤光栅，其中n只测量光纤光栅的中心波长分别为λx₁～λx_n；参考光路包括一只参考光纤环形器和间隔分布在参考光纤环形器参考端的m只参考光纤光栅，其中m只参考光纤光栅的中心波长分别为λ₁～λ_m，可调谐激光器输出激光至两只光纤环形器的输入端，两只光纤环形器的输出端输出激光至光电探测器的光敏元；光纤光栅中心波长满足下列条件：

min{λx₁,λx_n}≥min{λ₁,λ_m}且max{λx₁,λx_n}≤max{λ₁,λ_m}。

上述基于波长扫描的主动式光纤光栅时域解调装置中，可调谐激光器输出端经1×2光纤分束器与两只光纤环形器输入端相连。

上述基于波长扫描的主动式光纤光栅时域解调装置中，两只光纤环形器输出端经2×1光纤合束器与光电探测器相连。

上述基于波长扫描的主动式光纤光栅时域解调装置中，可调谐激光器为环形腔光纤激光器或直线腔光纤激光器，采用可调谐F-P腔实现波长调谐。

上述基于波长扫描的主动式光纤光栅时域解调装置中，参考光纤光栅设置在恒温装置中。

上述基于波长扫描的主动式光纤光栅时域解调装置中，可调谐激光器的输出波长为1.5μm波段，调谐范围不小于50nm，可调谐F-P腔的扫描频率为0.5-1.5kHz。

上述基于波长扫描的主动式光纤光栅时域解调装置中，测量光纤光栅以等光程均布在测量光纤环形器信号端，参考光纤光栅以等光程均布在测量光纤环形器参考端。

上述基于波长扫描的主动式光纤光栅时域解调装置中，参考光纤通道F-P腔扫描线性区域内对应光纤光栅的波长间隔大于在F-P腔扫描非线性区域内对应光纤光栅的波长间隔。

上述基于波长扫描的主动式光纤光栅时域解调装置中，可调谐F-P腔由函数发生器驱动，其扫描方式为锯齿波扫描或三角波扫描。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明的测量装置实现了对FBG反射波长的绝对解调，且解调精度高，可达亚皮米量级。

2、本发明的测量装置采用波长扫描方式进行解调，与被动式的棱镜分光或体光栅分光解调方法相比，信噪比高，FBG容量高，且解调装置结构简单、体积小、成本低。

3、本发明的测量装置通过参考FBG对波长进行实时标定，有效的解决了F-P腔扫描重复性较差的问题。

4、本发明的测量装置将F-P腔扫描范围划分为一系列线性区间，同时相邻参考FBG波长间隔的选取可采用F-P腔扫描的线性区内选取较疏的波长间隔，而在F-P腔扫描的非线性区内采用较密波长间隔的方案，可有效改善F-P腔扫描的非线性问题，简化了数据处理和运算，提高了解调精度。

附图说明

图1为本发明的解调装置原理示意图；

图2为本发明解调装置的一种实施例图；

图3为本发明可调谐光源的一种技术方案；

图4为本发明中参考光路光纤光栅在F-P腔调谐一个周期内的示波器信号显示例图；

图5为本发明测量光路、参考光路在F-P腔调谐一个周期内的示波器信号显示例图；

图中：1—可调谐激光器；2—光纤分束器；31—测量光纤环形器；32—参考光纤环形器；4-参考光路；5-测量光路；6-光电探测器；7-示波器；8-传感网络；91-测量光纤光栅；92-参考光纤光栅；10-波分复用器；11-增益光纤；12-隔离器；13-可调谐F-P腔；14-函数发生器；15-泵浦源；16-光纤合束器。

具体实施方式

本发明的基本思路是在F-P腔时间扫描的基础上，采用若干已知反射波长的FBG对F-P腔的扫描区域进行实时的划分、定标。这样，根据扫描过程中传感光路反射信号的时间信息就能推算出该信号所对应的波长。

如图1所示，本发明的基于波长扫描的主动式光纤光栅时域解调装置包括可调谐激光器1、测量光路5、参考光路4和光电探测单元，光电探测单元包括一只光电探测器6及与光电探测器6输出端相连的电信号测量装置，如示波器7等；测量光路5包括一只测量光纤环形器31和设置在测量光纤环形器31信号端的n只测量光纤光栅91，其中n只测量光纤光栅91的中心波长分别为λx₁～λx_n；参考光路4包括一只参考光纤环形器32和设置在参考光纤环形器32参考端的m只测量光纤光栅92，其中m只测量光纤光栅92的中心波长分别为λ₁～λ_m；为了实时得到有效参考数据，要求测量的光纤光栅波长均在测量光纤光栅92波长所包含的范围内，即min{λx₁,λx_n}≥min{λ₁,λ_m}且max{λx₁,λx_n}≤max{λ₁,λ_m}。

其中可调谐激光器1可以直接输出激光至两只光纤环形器的输入端（如图1所示），也可以经1×2的光纤分束器2进入到两只光纤环形器输入端（如图2所示）；两只光纤环形器的输出端可直接输出激光至光电探测器6的光敏元（如图1所示），也可以经2×1的光纤合束器16进入光电探测器6（如图2所示）；

可调谐激光器可以是直线腔光纤激光器或图3所示的环形腔光纤激光器，并采用可调谐F-P腔13实现波长调谐。图3中可调谐光纤激光器由泵浦源15、可调谐F-P腔13、波分复用器10；掺铒光纤11；隔离器12以及函数发生器14搭建而成；可调谐环形腔光纤激光器的扫描频率、扫描范围由函数发生器14通过可调谐F-P腔13进行控制，且在允许范围内连续可调。可调谐F-P腔13的扫描方式为锯齿波扫描或三角波扫描，目前的可调谐范围>50nm，线宽<55pm，扫描频率约为0.5-1.5kHz。

本发明解调装置的工作原理是：

如图4所示，在F-P腔13半个扫描周期中，在时间序列上会依次扫出参考光路4上的所有已知波长的FBG。在示波器7上就会出现不同时间t₁、t₂、t₃…对应的不同波长λ₁、λ₂、λ₃…的信号序列，这样就将时间与波长进行了对应。设定在相邻的两个FBG之间，F-P腔13扫描波长随时间线性变化；

如图5所示，在时间区间[t_k，t_k+1]内的某时间t_x出现传感光路中某一信号时（其中，k为正整数），该信号所对应的FBG波长λ_x为：

${\mathrm{\&lambda;}}_x={\mathrm{\&lambda;}}_k+(t_x-t_k)\&times;\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_k-{\mathrm{\&lambda;}}_{k+1}}{t_k-t_{k+1}}.---\left(1\right)$

其中图5中所对应的的两个被测量波长分别为：

${\mathrm{\&lambda;}}_{x1}={\mathrm{\&lambda;}}_1+(t_{x1}-t_1)\&times;\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_1-{\mathrm{\&lambda;}}_2}{t_1-t_2}$

${\mathrm{\&lambda;}}_{x2}={\mathrm{\&lambda;}}_3+(t_{x2}-t_1)\&times;\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_3-{\mathrm{\&lambda;}}_4}{t_3-t_4}$

这样就可以确定在F-P腔13扫描范围内任意信号所对应的波长，从而实现波长解调。

由于一般的示波器7都具有ns量级的分辨率，所以该解调方法可以实现很高的解调精度。设参考光路4中相邻两个已知反射波长的FBG波长间隔均为Δλ=1nm左右，F-P腔13扫描范围为Λ=60nm，扫描周期为T=2ms（锯齿波扫描）。则公式(1)就变为：

λ_x=λ_k+k(t_x-t_k).            (2)

设示波器7最小时间分辨率为Δt_min=2ns，则该解调装置最小波长分辨率为可见，该装置在理论上有着极高的解调精度。

本发明的基于波长扫描的主动式光纤光栅时域解调方法在使用前需要对参考光路4中每只光纤光栅的特性参数进行检测，以确定其中心波长，并且在工作中测量光纤光栅92设置在恒温装置中，克服环境变化对其参数的影响。

在采用压电陶瓷等驱动部件对F-P腔进行扫描时，即使加载重复性较好的周期脉冲驱动信号，F-P腔也会出现扫描重复性差、线性度不佳等问题，影响到滤波波长的精确性。本发明采用一系列参考FBG对F-P腔扫描范围进行实时定标，解决了F-P腔扫描重复性较差的问题；同时相邻参考FBG波长间隔的选取可采用F-P腔扫描的线性区内选取较疏的波长间隔，而在F-P腔扫描的非线性区内采用较密波长间隔的方案，结合对参考FBG的准确波长定标，可有效改善F-P腔扫描的非线性问题，简化了数据处理和运算，提高了解调精度。

如图2所示，本发明测量光路5并不局限于图1中所示的FBG单路布置方式，可以连接各种复用结构的FBG传感网络8，其解调计算方法根据FBG的复用方式而定。

Claims (9)

1.一种基于波长扫描的主动式光纤光栅时域解调装置，其特征在于：包括可调谐激光器(1)、测量光路(5)、参考光路(4)和光电探测单元，所述的光电探测单元包括一只光电探测器(6)及与光电探测器(6)输出端相连的电信号测量装置；所述的测量光路(5)包括一只测量光纤环形器(31)和间隔分布在测量光纤环形器(31)信号端的n只测量光纤光栅(91)，所述n只测量光纤光栅(91)的中心波长分别为λx₁～λx_n；所述的参考光路(4)包括一只参考光纤环形器(32)和间隔分布在参考光纤环形器(32)信号端的m只参考光纤光栅(92)，所述m只参考光纤光栅(92)的中心波长分别为λ₁～λ_m，所述可调谐激光器(1)输出激光至测量光纤环形器(31)和参考光纤环形器(32)输入端，测量光纤环形器(31)和参考光纤环形器(32)的输出端分别输出激光至光电探测器(6)的光敏元；所述测量光纤光栅(91)、参考光纤光栅(92)中心波长满足下列条件：

min{λx₁,λx_n}≥min{λ₁,λ_m}且max{λx₁,λx_n}≤max{λ₁,λ_m}；

所述的m只参考光纤光栅(92)在可调谐激光器(1)调谐过程中对调谐波长区域进行实时划分和定标，并根据光电探测单元获得的信号的时间信息计算得到测量光线光栅(91)所对应的波长。

2.根据权利要求1所述的基于波长扫描的主动式光纤光栅时域解调装置，其特征在于：还包括1×2光纤分束器(2)；所述可调谐激光器(1)输出端经1×2光纤分束器(2)与测量光纤环形器(31)和参考光纤环形器(32)输入端相连。

3.根据权利要求1或2所述的基于波长扫描的主动式光纤光栅时域解调装置，其特征在于：还包括2×1光纤合束器(16)；所述测量光纤环形器(31)和参考光纤环形器(32)输出端经2×1光纤合束器(16)与光电探测器(6)相连。

4.根据权利要求3所述的基于波长扫描的主动式光纤光栅时域解调装置，其特征在于：所述的可调谐激光器(1)为环形腔光纤激光器或直线腔光纤激光器，采用可调谐F-P腔(13)实现波长调谐。

5.根据权利要求4所述的基于波长扫描的主动式光纤光栅时域解调装置，其特征在于：所述可调谐激光器(1)的输出波长为1.5μm波段，调谐范围不小于50nm，可调谐F-P腔(13)的扫描频率为0.5-1.5kHz。

6.根据权利要求4所述的基于波长扫描的主动式光纤光栅时域解调装置，其特征在于：所述参考光纤光栅(92)设置在恒温装置中。

7.根据权利要求6所述的基于波长扫描的主动式光纤光栅时域解调装置，其特征在于：所述测量光纤光栅(91)以等光程均布在测量光纤环形器(31)信号端，所述参考光纤光栅(92)以等光程均布在参考光纤环形器(32)参考端。

8.根据权利要求4所述的一种基于波长扫描的主动式光纤光栅时域解调装置，其特征在于：在所述参考光纤通道中，F-P腔扫描线性区域内对应光纤光栅的波长间隔大于在F-P腔扫描非线性区域内对应光纤光栅的波长间隔。

9.根据权利要求4所述的基于波长扫描的主动式光纤光栅时域解调装置，其特征在于：可调谐F-P腔(13)由函数发生器(14)驱动，其扫描方式为锯齿波扫描或三角波扫描。