CN104020627A - 一种光纤布喇格光栅传感网络的波长解调装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用光移频器分别调制两束干涉光频率实现光纤布喇格光栅传感网络的波长解调装置和方法，采用两个光移频器对两路探测光进行单独线性频率调制，通过调节两个光移频器的频率调制差值来实现对布喇格光栅反射光干涉拍频的调谐，通过电子带通滤波器获取欲解调的布喇格光栅反射信号，实现光谱重叠情况下布喇格光栅传感网络的解调；由于不需要采用现有传统频域干涉方法中使用的傅里叶变换算法，提高了系统的实时性和响应速度，降低了系统信号处理设备的复杂性，进而降低了系统成本。

Description

一种光纤布喇格光栅传感网络的波长解调装置与方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及了一种光纤布喇格光栅传感网络的波长解调装置和方法。

背景技术

光纤布喇格光栅(FBG)由于其特有的光纤内部敏感、波长编码、易于组网等优点而成为光纤传感的一种重要器件。光纤布喇格光栅传感网络被广泛用于光纤准分布式传感，如铁路、桥梁、大坝及大型装备等的健康监测，隧道和油库的火灾监测等领域。传统的光栅解调技术包括波分复用(WDM)技术、时分复用(TDM)技术或两者的组合.虽然WDM和TDM都得到了广泛的应用，但是也存在着明显的缺陷：其中，WDM技术需要为复用的每个光栅分配相应宽度的波长带宽，因而限制了光栅阵列中传感器的个数，同时，需要一套相对复杂的波长敏感系统来进行信号的解复用，如可调谐法布里-泊罗滤波器等；而TDM需要窄脉冲和高速的器件，不但成本高，而且传感器复用的数量受限于系统的信噪比，原因在于过窄的脉冲使得光栅反射信号光功率很小。Kazuo Hotate(保利何夫),Momoyo Enyama(圆山百代)等在题为“A multiplexing technique for fibre Bragg grating sensors with the same reflectionwavelength by the synthesis of optical coherence function(基于光相干函数合成法实现波长重叠的光栅阵列的复用技术)”，Meas.Sci.Technol.15,pp.148-153(2004)中通过调制相干窄带光源的频率实现光源相干函数的合成，通过相干峰位置的移动实现不同位置的布喇格光栅的寻址，解决了光谱重叠情况下布喇格光栅网络的复用。但是该方法要求对相干光源调制，所以限于光源的相干长度，测量距离短，难以满足实用要求。Fei Ye(叶菲)和Li Qian(钱黎)在题为“Using Frequency-Shifted Interferometry for Multiplexing a Fiber Bragg Grating Array(移频干涉在布喇格光栅传感阵列复用中的应用)”，IEEE Photon.Technol.Lett.,vol.20,no.17,pp.1488-1490(2008)的论文中描述了在光纤萨格纳克环中的一个非对称位置加入一个声光移频器实现干涉光的频率编码，通过对传感器反射信号的傅里叶变换来实现对布喇格光栅位置的寻址，通过扫描激光器的波长扫描进而实现传感阵列中光栅波长的解调。Bin Zhou(周斌)，Zuguang Guan(管祖光)，Chunsheng Yan(闫春生)及Sailing He(何赛灵)在题为“Interrogationtechnique for a fiber Bragg grating sensing array based on a Sagnac interferometer and anacousto-optic modulator(基于萨格纳克干涉仪和声光调制器的布喇格光栅传感阵列的解调技术)”，Opt.Lett.,vol.33,No.21,pp.2485-2487(2008)的论文和中国专利(CN100576049C)中描述了在萨格纳克光纤干涉仪的非对称位置处加入一个声光移频器来实现干涉信号的频率调制，同样基于传感器反射信号的干涉拍频信号的傅里叶变换实现不同传感器的寻址，通过匹配滤波的方法实现传感器物理感知信号解调。以上两种频域干涉方法都是在光纤萨格纳克环中引入声光移频器来实现干涉信号的频率编码，都是基于傅里叶变换实现传感器的解复用，因此受限于大量数据的采集运算，解调速度慢，实用性不足。

发明内容

本发明的目的就是要克服现有布喇格光栅解调技术的不足，提出了一种利用光学移频器分别调制两束干涉光频率实现光纤布喇格光栅传感网络的波长解调装置和方法。

为实现上述技术目的，本发明所采取的技术方案为：一种光纤布喇格光栅传感网络的波长解调装置，其特征在于：它包括可调谐窄带光源，可调谐窄带光源输出的窄带光经光隔离器后通过第一光纤耦合器分成两束探测光，分别为第一束探测光和第二束探测光；

第一束探测光通过第一连接光纤进入第一光移频器产生频移后通过第二连接光纤入射到第一光环形器的第一端口，第一光环形器的第二端口出射的探测光经第三连接光纤入射到第二光纤耦合器的第一端口；

第二束探测光通过第四连接光纤入射到第二光环形器的第一端口，第二环形器的第二端口出射的探测光经延时光纤进入第二光纤耦合器的第二端口；

第二光纤耦合器将第二光纤耦合器的第一端口和第二端口入射的两束探测光合束后入射到光纤布喇格光栅传感网络；

光纤布喇格光栅传感网络反射的探测光回到第二光纤耦合器后，第二光纤耦合器第一端口的出射光经第三连接光纤回到第一光环形器，从第一光环形器的第三端口出射，并经第五连接光纤进入第二光移频器产生频移，频移后的光经第六连接光纤进入第三光纤耦合器的第一端口；第二光纤耦合器第二端口的出射光经延时光纤进入第二光环形器第二端口，从第二光环形器第三端口出射，并经第七连接光纤进入第三光纤耦合器的第二端口；与第一部分光发生干涉；

第三光纤耦合器第一端口和第二端口入射的光在第三光纤耦合器中发生干涉，第三光纤耦合器的第三端口和第四端口分别连接到平衡探测器的两个光输入端，平衡探测器的电输出口接到电子带通滤波器的输入端，电子带通滤波器的输出端连接均方探测器的输入端，均方探测器的输出口连接到信号处理与控制卡的输入口，信号处理与控制卡的第一控制口连接到第一微波信号源的控制输入口实现对第一微波信号源的频率扫描控制，信号处理与控制卡的第二控制口连接到第二微波信号源的控制输入口实现对第二微波信号源的频率扫描控制，信号处理与控制卡的第三控制口连接到可调谐窄带光源实现对光源波长扫描的控制；

第一微波信号源射频输出口连接到第一光移频器的射频输入口；第二微波信号源射频输出口连接到第二光移频器射频输入端口。

按上述装置，所述的可调谐窄带光源为调谐窄带可调谐激光光源，或采用宽谱光源经可调谐滤波器滤波后实现。

按上述装置，所述的第一光移频器和第二光移频器是电光移频器或声光移频器。

一种利用上述光纤布喇格光栅传感网络的波长解调装置实现的波长解调方法，其特征在于：它包括以下步骤：

1)窄带光经过光隔离器后在第一光纤耦合器发生干涉，分成两束探测光，分别为第一束探测光和第二束探测光；

2)第一束探测光经过第一连接光纤进入第一光移频器产生频移，第一光移频器由第一微波信号源驱动；频移后的光通过第二连接光纤进入第一光环形器，从第一环形器的第二端口出射的探测光经过第三连接光纤进入第二光纤耦合器，再入射到光纤布喇格光栅传感网络中；

入射的探测光被光纤布喇格光栅传感网络上串联的各个布喇格光栅反射，再回到第二光纤耦合器进行分路，其中属于第一束探测光返回的部分从第二光纤耦合器的第二端口通过延时光纤进入第二光环形器，通过第二光环形器第三端口出射，并经第七连接光纤进入第三光纤耦合器中；在光纤布喇格光栅传感网络中，令最接近第二光纤耦合器的布喇格光栅为第1个布喇格光栅，依次排序，第一束探测光被光纤布喇格光栅传感网络上第i个布喇格光栅反射的探测光回到第三光纤耦合器的电场强度表示为：

$E_{1-i}=\exp \left\{j\right[2\mathrm{\π}(f+f_{E1})t-\frac{4\mathrm{\π}{n}_{\mathrm{eff}}(f+f_{E1})L_i}{c}+{\mathrm{\Φ}}_1\left]\right\}---\left(1\right),$

其中，E_1-i为第一束探测光被光纤布喇格光栅传感网络上第i个布喇格光栅反射的探测光回到第三光纤耦合器的电场强度，n_eff为单模光纤的有效折射率，c为真空中光速，f为第i个光纤布喇格光栅反射的窄带光的光频率，f_E1为第一微波信号源驱动频率，L_i为传感网络上第i个布喇格光栅与第二光纤耦合器之间的光纤长度，Φ₁为第一连接光纤、第二连接光纤、第三连接光纤、第七连接光纤以及延时光纤引入的总相移；

第二束探测光通过第四连接光纤进入第二光环形器，再通过延时光纤进入第二光纤耦合器，然后入射到光纤布喇格光栅传感网络中；入射的探测光被光纤布喇格光栅传感网络上串联的各个布喇格光栅反射，反射后的探测光经过第二光纤耦合器分路，其中属于第二束探测光返回的部分从第二光纤耦合器的第一端口通过第三连接光纤回到第一光环形器，从第一光环形器的第三端口出射，并经第五连接光纤进入第二光移频器产生频移，频移后的光经过第六连接光纤进入第三光纤耦合器；第二束探测光被光纤布喇格光栅传感网络上第i个布喇格光栅反射的探测光回到第三光纤耦合器的电场强度表示为：

$E_{2-i}=\exp \left\{j\right[2\mathrm{\π}(f+f_{E2})t-\frac{4\mathrm{\π}{n}_{\mathrm{eff}}{f_{E2}L}_i}{c}+{\mathrm{\Φ}}_2\left]\right\}---\left(2\right),$

其中，E_2-i为第二束探测光被光纤布喇格光栅传感网络上第i个布喇格光栅反射的探测光回到第三光纤耦合器的电场强度，f_E2为第二微波信号源驱动频率，Φ₂为第三连接光纤、第四连接光纤、第五连接光纤、第六连接光纤及延时光纤引入的总相移；

其中延时光纤长度满足如下关系：

L_f8□L_f1+L_f2+L_f3   (3)，

其中，L_f8是延时光纤的长度，L_f1是第一连接光纤的长度，L_f2是第二连接光纤的长度，L_f3是第三连接光纤的长度；

3)两束探测光经光纤布喇格光栅传感网络反射后的探测光在第三光纤耦合器中发生干涉，干涉后的两路探测光在平衡探测器中的响应I_1,2可表示为：

$I_{\mathrm{1,2}}=2\±2\cos [2\mathrm{\π}(f_{E2}-f_{E1})t-\frac{4\mathrm{\π}{n}_{\mathrm{eff}}{f}_{E1}{L}_i}{c}+{\mathrm{\Φ}}_2-{\mathrm{\Φ}}_1]---\left(4\right),$

其中，f_E1＝F₀+γ·t，f_E2＝F₀+ΔF_i+γ·t，γ是频率线性扫描速率，t为扫描时间，F₀是第一光移频器的频率扫描初始值，F₀+ΔF_i是第二光移频器的第i次扫描的频率初始值；ΔF_i为第二光移频器与第一光移频器的第i次扫描的频率初始值之差；

平衡探测器的输出I为：

$I=4\cos \left[2\mathrm{\π}(\mathrm{\Δ}{F}_i-\frac{2n_{\mathrm{eff}}\·\mathrm{\γ}\·L_i}{c})t\right]---\left(5\right),$

这里省略了由F₀和Φ₂-Φ₁引入的恒定相位差；

两束探测光经过的光路满足如下关系：

(L_f1+L_f2+L_f3+2L_i+L_f8+L_f7)-(L_f4+L_f8+2L_i+L_f3+L_f5+L_f6)<L_c   (6)，

其中，(L_f1+L_f2+L_f3+2L_i+L_f8+L_f7)为第一束探测光的光路长度，(L_f4+L_f8+2L_i+L_f3+L_f5+L_f6)为第二束探测光的光路长度，L_c是可调谐窄带光源的相干长度，L_f1是第一连接光纤的长度，L_f2是第二连接光纤的长度，L_f4是第四连接光纤的长度，L_f5是第五连接光纤的长度，L_f6是第六连接光纤的长度，L_f7是第七连接光纤的长度；

4)第一光移频器和第二光移频器的以相同的速度做频率线性调制，第i个布喇格光栅的反射信号产生的拍频信号频率为调节ΔF_i使拍频信号通过带电子通滤波器，然后进入均方探测器；其中，f_BPF为电子带通滤波器的中心频率，取值范围为：

$0<f_{\mathrm{BPF}}<\frac{\mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{L}_{\min }}{2n_{\mathrm{eff}}\&CenterDot;c}---\left(7\right),$

这里，ΔL_min为布喇格光栅之间间距的最小值，f_BW为电子带通滤波器的通带宽度ΔF_i为第一光移频器与第二光移频器第i次频率扫描的初始频率之差；

5)调节ΔF_i使串联的光纤布拉格光栅传感网络上每个布喇格光栅反射光的拍频信号经光电转后依次通过电子带通滤波器，并依次对每个布喇格光栅反射光波长进行扫描，扫描范围覆盖光纤布喇格光栅传感网络反射光谱的波长范围；

均方探测器输出电信号经信号处理与控制卡处理，依次计算得到每个布喇格光栅的中心波长值。

本发明的有益效果为：采用两个光移频器对两路探测光进行单独线性频率调制，通过调节两个光移频器的频率调制差值来实现对布喇格光栅反射光干涉拍频的调谐，通过电子带通滤波器获取欲解调的布喇格光栅反射信号，实现光谱重叠情况下布喇格光栅传感网络的解调；由于不需要采用现有传统频域干涉方法中使用的傅里叶变换算法，提高了系统的实时性和响应速度，降低了系统信号处理设备的复杂性，进而降低了系统成本。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构示意图。

图中：1-可调谐窄带光源，2-光隔离器，3-第一光纤耦合器，301-第一光纤耦合器的输入端，302-第一光纤耦合器的第一输出端，303-第一光纤耦合器的第二输出端，4-第一连接光纤，5-第一光移频器，501-第一光移频器的输入端，502-第一光移频器的输出端，503-第一光移频器的射频输入口，6-第一微波信号源，7-第二连接光纤，8-第一光环形器，801-第一光环形器的第一端口，802-第一光环形器的第二端口，803-第一光环形器的第三端口，9-第三连接光纤，10-第二光纤耦合器，101-第二光纤耦合器的第一端口，102-第二光纤耦合器的第二端口，103-第二光纤耦合器的第三端口，11-布喇格光栅，12-光纤布喇格光栅传感网络，13-延时光纤，14-第二光环形器，141-第二光环形器的第一端口，142-第二光环形器的第二端口，143-第二光环形器的第三端口，15-第四连接光纤，16-第五连接光纤，17-第二光移频器，171-第二光移频器的输入端，172-第二光移频器的输出端，173-第二光移频器的射频输入口，18-第二微波信号源，19-第六连接光纤，20-第七连接光纤，21-第三光纤耦合器，211-第三光纤耦合器的第二端口，212-第三光纤耦合器的第一端口，213-第三光纤耦合器的第三端口，214-第三光纤耦合器的第四端口，22-平衡探测器，23-电子带通滤波器，24-均方探测器，25-信号处理与控制卡，251-信号处理与控制卡的输入端，252-信号处理与控制卡的第一控制口，253-信号处理与控制卡的第二控制口，254-信号处理与控制卡的第三控制口。

具体实施方式

图1为本发明一实施例的结构示意图，它包括可调谐窄带光源1，可调谐窄带光源1输出的窄带光经光隔离器2后通过第一光纤耦合器3分成两束探测光，分别为第一束探测光和第二束探测光；

第一束探测光通过第一连接光纤4进入第一光移频器5产生频移后通过第二连接光纤7入射到第一光环形器8的第一端口801，第一光环形器的第二端口802出射的探测光经第三连接光纤9入射到第二光纤耦合器10的第一端口101；

第二束探测光通过第四连接光纤15入射到第二光环形器14的第一端口141，第二环形器的第二端口142出射的探测光经延时光纤13进入第二光纤耦合器的第二端口102；

第二光纤耦合器10将第二光纤耦合器的第一端口101和第二端口102入射的两束探测光合束后入射到光纤布喇格光栅传感网络12；

光纤布喇格光栅传感网络12反射的探测光回到第二光纤耦合器10后，第二光纤耦合器的第一端口101的出射光经第三连接光纤9回到第一光环形器8，从第一光环形器8的第三端口803出射，并经第五连接光纤16进入第二光移频器17产生频移，频移后的光经第六连接光纤19进入第三光纤耦合器21的第一端口212；第二光纤耦合器第二端口211的出射光经延时光纤13进入第二光环形器14的第二端口142，从第二光环形器的第三端口143出射，并经第七连接光纤20进入第三光纤耦合器21的第二端口211；与第一部分光发生干涉；

第三光纤耦合器21的第一端口212和第二端口211入射的光在第三光纤耦合器21中发生干涉，第三光纤耦合器的第三端口213和第四端口214分别连接到平衡探测器22的两个光输入端，平衡探测器22的电输出口接到电子带通滤波器23的输入端，电子带通滤波器23的输出端连接均方探测器24的输入端，均方探测器24的输出口连接到信号处理与控制卡25的输入口251，信号处理与控制卡的第一控制口252连接到第一微波信号源6的控制输入口实现对第一微波信号源6的频率扫描控制，信号处理与控制卡的第二控制口253连接到第二微波信号源18的控制输入口实现对第二微波信号源18的频率扫描控制，信号处理与控制卡的第三控制口254连接到可调谐窄带光源1实现对光源波长扫描的控制；

第一微波信号源6的射频输出口连接到第一光移频器5的射频输入口503；第二微波信号源18的射频输出口连接到第二光移频器的射频输入端口173。

可调谐窄带光源1为调谐窄带可调谐激光光源，或采用宽谱光源经可调谐滤波器滤波后实现。第一光移频器5和第二光移频器17是电光移频器或声光移频器。

利用上述光纤布喇格光栅传感网络的波长解调装置实现的波长解调方法包括以下步骤：

1)窄带光经过光隔离器2后在第一光纤耦合器3发生干涉，分成两束探测光，分别为第一束探测光(从图中第一光纤耦合器的第一输出端302输出)和第二束探测光(从图中第一光纤耦合器的第二输出端303输出)；

2)第一束探测光经过第一连接光纤4进入第一光移频器5产生频移，第一光移频器5由第一微波信号源6驱动；频移后的光通过第二连接光纤7进入第一光环形器8，从第一环形器的第二端口802出射的探测光经过第三连接光纤9进入第二光纤耦合器10，再入射到光纤布喇格光栅传感网络12中；

入射的探测光被光纤布喇格光栅传感网络12上串联的各个布喇格光栅11反射，再回到第二光纤耦合器10进行分路，其中属于第一束探测光返回的部分从第二光纤耦合器的第二端口102通过延时光纤13进入第二光环形器14，通过第二光环形器的第三端口143出射，并经第七连接光纤20进入第三光纤耦合器21中；在光纤布喇格光栅传感网络12中，令最接近第二光纤耦合器10的布喇格光栅为第1个布喇格光栅，依次排序，第一束探测光被光纤布喇格光栅传感网络上第i个布喇格光栅反射的探测光回到第三光纤耦合器的电场强度表示为：

$E_{1-i}=\exp \left\{j\right[2\mathrm{\&pi;}(f+f_{E1})t-\frac{4\mathrm{\&pi;}{n}_{\mathrm{eff}}(f+f_{E1})L_i}{c}+{\mathrm{\&Phi;}}_1\left]\right\}---\left(8\right),$

其中，E_1-i为第一束探测光被光纤布喇格光栅传感网络上第i个布喇格光栅反射的探测光回到第三光纤耦合器的电场强度，n_eff为单模光纤的有效折射率，c为真空中光速，f为第i个光纤布喇格光栅反射的窄带光的光频率，f_E1为第一微波信号源驱动频率，L_i为传感网络上第i个布喇格光栅与第二光纤耦合器之间的光纤长度，Φ₁为第一连接光纤、第二连接光纤、第三连接光纤、第七连接光纤以及延时光纤引入的总相移；

第二束探测光通过第四连接光纤15进入第二光环形器14，再通过延时光纤13进入第二光纤耦合器10，然后入射到光纤布喇格光栅传感网络12中；入射的探测光被光纤布喇格光栅传感网络12上串联的各个布喇格光栅11反射，反射后的探测光经过第二光纤耦合器10分路，其中属于第二束探测光返回的部分从第二光纤耦合器的第一端口101通过第三连接光纤9回到第一光环形器8，从第一光环形器的第三端口803出射，并经第五连接光纤16进入第二光移频器17产生频移，频移后的光经过第六连接光纤19进入第三光纤耦合器21；第二束探测光被光纤布喇格光栅传感网络上第i个布喇格光栅反射的探测光回到第三光纤耦合器的电场强度表示为：

$E_{2-i}=\exp \left\{j\right[2\mathrm{\&pi;}(f+f_{E2})t-\frac{4\mathrm{\&pi;}{n}_{\mathrm{eff}}{f_{E2}L}_i}{c}+{\mathrm{\&Phi;}}_2\left]\right\}---\left(9\right),$

其中，E_2-i为第二束探测光被光纤布喇格光栅传感网络上第i个布喇格光栅反射的探测光回到第三光纤耦合器的电场强度，f_E2为第二微波信号源驱动频率，Φ₂为第三连接光纤、第四连接光纤、第五连接光纤、第六连接光纤及延时光纤引入的总相移；

其中为避免第一路探测光和第二路探测光在第二光纤耦合器发生干涉，延时光纤长度满足如下关系：

L_f8□L_f1+L_f2+L_f3   (10)，

其中，L_f8是延时光纤13的长度，L_f1是第一连接光纤4的长度，L_f2是第二连接光纤7的长度，L_f3是第三连接光纤9的长度；

3)两束探测光经光纤布喇格光栅传感网络反射后的探测光在第三光纤耦合器21中发生干涉，干涉后的两路探测光在平衡探测器22中的响应I_1,2可表示为：

$I_{\mathrm{1,2}}=2\&PlusMinus;2\cos [2\mathrm{\&pi;}(f_{E2}-f_{E1})t-\frac{4\mathrm{\&pi;}{n}_{\mathrm{eff}}{f}_{E1}{L}_i}{c}+{\mathrm{\&Phi;}}_2-{\mathrm{\&Phi;}}_1]---\left(11\right),$

其中，f_E1＝F₀+γ·t，f_E2＝F₀+ΔF_i+γ·t，γ是频率线性扫描速率，t为扫描时间，F₀是第一光移频器的频率扫描初始值，F₀+ΔF_i是第二光移频器的第i次扫描的频率初始值；ΔF_i为第二光移频器与第一光移频器的第i次扫描的频率初始值之差；

平衡探测器的输出I为：

$I=4\cos \left[2\mathrm{\&pi;}(\mathrm{\&Delta;}{F}_i-\frac{2n_{\mathrm{eff}}\&CenterDot;\mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;L_i}{c})t\right]---\left(12\right),$

这里省略了由F₀和Φ₂-Φ₁引入的恒定相位差；

为使第一路探测光和第二路探测光在第三光纤耦合器发生干涉，两束探测光经过的光路满足如下关系：

(L_f1+L_f2+L_f3+2L_i+L_f8+L_f7)-(L_f4+L_f8+2L_i+L_f3+L_f5+L_f6)<L_c   (13)，

其中，(L_f1+L_f2+L_f3+2L_i+L_f8+L_f7)为第一束探测光的光路长度，(L_f4+L_f8+2L_i+L_f3+L_f5+L_f6)为第二束探测光的光路长度，L_c是可调谐窄带光源的相干长度，L_f1是第一连接光纤4的长度，L_f2是第二连接光纤7的长度，L_f4是第四连接光纤15的长度，L_f5是第五连接光纤16的长度，L_f6是第六连接光纤19的长度，L_f7是第七连接光纤20的长度；

4)第一光移频器5和第二光移频器17的以相同的速度做频率线性调制，第i个布喇格光栅的反射信号产生的拍频信号频率为调节ΔF_i使拍频信号通过带电子通滤波器23，然后进入均方探测器24；其中，f_BPF为电子带通滤波器的中心频率，取值范围为：

$0<f_{\mathrm{BPF}}<\frac{\mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{L}_{\min }}{2n_{\mathrm{eff}}\&CenterDot;c}---\left(14\right),$

这里，ΔL_min为布喇格光栅之间间距的最小值，f_BW为电子带通滤波器的通带宽度ΔF_i为第二光移频器与第一光移频器第i次频率扫描的初始频率之差；

5)通过控制第一微波信号源6和第二微波信号源18的驱动频率来调节ΔF_i使串联的光纤布拉格光栅传感网络上每个布喇格光栅反射光的拍频信号经光电转后依次通过电子带通滤波器23，并依次对每个布喇格光栅反射光波长进行扫描，扫描范围覆盖光纤布喇格光栅传感网络反射光谱的波长范围；这时均方探测器24输出电信号功率对应当前反射光拍频信号的功率，均方探测器24输出电信号经信号处理与控制卡25处理，依次计算得到每个布喇格光栅的中心波长值。

具体的计算方法为：计算可调谐光源扫描一个周期时对应反射光拍频功率最大值所对应的窄带调谐光源输出的波长值，这个波长值即为当前解调的布喇格光栅的中心波长值。

重复以上操作，即可进行长期连续实时解调。

Claims (4)

1.一种光纤布喇格光栅传感网络的波长解调装置，其特征在于：它包括可调谐窄带光源，可调谐窄带光源输出的窄带光经光隔离器后通过第一光纤耦合器分成两束探测光，分别为第一束探测光和第二束探测光；

第一束探测光通过第一连接光纤进入第一光移频器产生频移后通过第二连接光纤入射到第一光环形器的第一端口，第一光环形器的第二端口出射的探测光经第三连接光纤入射到第二光纤耦合器的第一端口；

第二束探测光通过第四连接光纤入射到第二光环形器的第一端口，第二环形器的第二端口出射的探测光经延时光纤进入第二光纤耦合器的第二端口；

第二光纤耦合器将第二光纤耦合器的第一端口和第二端口入射的两束探测光合束后入射到光纤布喇格光栅传感网络；

光纤布喇格传感网络反射的探测光回到第二光纤耦合器后，第二光纤耦合器第一端口的出射光经第三连接光纤回到第一光环形器，从第一光环形器的第三端口出射，并经第五连接光纤进入第二光移频器产生频移，频移后的光经第六连接光纤进入第三光纤耦合器的第一端口；第二光纤耦合器第二端口的出射光经延时光纤进入第二光环形器第二端口，从第二光环形器第三端口出射，并经第七连接光纤进入第三光纤耦合器的第二端口；与第一部分光发生干涉；

第三光纤耦合器第一端口和第二端口入射的光在第三光纤耦合器中发生干涉，第三光纤耦合器的第三端口和第四端口分别连接到平衡探测器的两个光输入端，平衡探测器的电输出口接到电子带通滤波器的输入端，电子带通滤波器的输出端连接均方探测器的输入端，均方探测器的输出口连接到信号处理与控制卡的输入口，信号处理与控制卡的第一控制口连接到第一微波信号源的控制输入口实现对第一微波信号源的频率扫描控制，信号处理与控制卡的第二控制口连接到第二微波信号源的控制输入口实现对第二微波信号源的频率扫描控制，信号处理与控制卡的第三控制口连接到可调谐窄带光源实现对光源波长扫描的控制；

第一微波信号源射频输出口连接到第一光移频器的射频输入口；第二微波信号源射频输出口连接到第二光移频器射频输入端口。

2.根据权利要求1所述的一种光纤布喇格光栅传感网络的波长解调装置，其特征在于：所述的可调谐窄带光源为调谐窄带可调谐激光光源，或采用宽谱光源经可调谐滤波器滤波后实现。

3.根据权利要求1所述的一种光纤布喇格光栅传感网络的波长解调装置，其特征在于：所述的第一光移频器和第二光移频器是电光移频器或声光移频器。

4.一种利用权利要求1至3中任意一项权利要求所述的一种光纤布喇格光栅传感网络的波长解调装置实现的波长解调方法，其特征在于：它包括以下步骤：

1)窄带光经过光隔离器后在第一光纤耦合器分成两束探测光，分别为第一束探测光和第二束探测光；

2)第一束探测光经过第一连接光纤进入第一光移频器产生频移，第一光移频器由第一微波信号源驱动；频移后的光通过第二连接光纤进入第一光环形器，从第一环形器的第二端口出射的探测光经过第三连接光纤进入第二光纤耦合器，再入射到光纤布喇格光栅传感网络中；

入射的探测光被光纤布喇格光栅传感网络上串联的各个布喇格光栅反射，再回到第二光纤耦合器进行分路，其中属于第一束探测光返回的部分从第二光纤耦合器的第二端口通过延时光纤进入第二光环形器，通过第二光环形器第三端口出射，并经第七连接光纤进入第三光纤耦合器中；在光纤布喇格光栅传感网络中，令最接近第二光纤耦合器的布喇格光栅为第1个布喇格光栅，依次排序，第一束探测光被光纤布喇格光栅传感网络上第i个布喇格光栅反射的探测光回到第三光纤耦合器的电场强度表示为：

$E_{1-i}=\exp \left\{j\right[2\mathrm{\&pi;}(f+f_{E1})t-\frac{4\mathrm{\&pi;}{n}_{\mathrm{eff}}(f+f_{E1})L_i}{c}+{\mathrm{\&Phi;}}_1\left]\right\}---\left(1\right),$

其中，E_1-i为第一束探测光被光纤布喇格光栅传感网络上第i个布喇格光栅反射的探测光回到第三光纤耦合器的电场强度，n_eff为单模光纤的有效折射率，c为真空中光速，f为第i个光纤布喇格光栅反射的窄带光的光频率，f_E1为第一微波信号源驱动频率，L_i为传感网络上第i个布喇格光栅与第二光纤耦合器之间的光纤长度，Φ₁为第一连接光纤、第二连接光纤、第三连接光纤、第七连接光纤以及延时光纤引入的总相移；

第二束探测光通过第四连接光纤进入第二光环形器，再通过延时光纤进入第二光纤耦合器，然后入射到光纤布喇格光栅传感网络中；入射的探测光被光纤布喇格光栅传感网络上串联的各个布喇格光栅反射，反射后的探测光经过第二光纤耦合器分路，其中属于第二束探测光返回的部分从第二光纤耦合器的第一端口通过第三连接光纤回到第一光环形器，从第一光环形器的第三端口出射，并经第五连接光纤进入第二光移频器产生频移，频移后的光经过第六连接光纤进入第三光纤耦合器；第二束探测光被光纤布喇格光栅传感网络上第i个布喇格光栅反射的探测光回到第三光纤耦合器的电场强度表示为：

$E_{2-i}=\exp \left\{j\right[2\mathrm{\&pi;}(f+f_{E2})t-\frac{4\mathrm{\&pi;}{n}_{\mathrm{eff}}{f_{E2}L}_i}{c}+{\mathrm{\&Phi;}}_2\left]\right\}---\left(2\right),$

其中，E_2-i为第二束探测光被光纤布喇格光栅传感网络上第i个布喇格光栅反射的探测光回到第三光纤耦合器的电场强度，f_E2为第二微波信号源驱动频率，Φ₂为第三连接光纤、第四连接光纤、第五连接光纤、第六连接光纤及延时光纤引入的总相移；

其中延时光纤长度满足如下关系：

L_f8□L_f1+L_f2+L_f3   (3)，

其中，L_f8是延时光纤的长度，L_f1是第一连接光纤的长度，L_f2是第二连接光纤的长度，L_f3是第三连接光纤的长度；

3)两束探测光经光纤布喇格光栅传感网络反射后的探测光在第三光纤耦合器中发生干涉，干涉后的两路探测光在平衡探测器中的响应I_1,2可表示为：

$I_{\mathrm{1,2}}=2\&PlusMinus;2\cos [2\mathrm{\&pi;}(f_{E2}-f_{E1})t-\frac{4\mathrm{\&pi;}{n}_{\mathrm{eff}}{f}_{E1}{L}_i}{c}+{\mathrm{\&Phi;}}_2-{\mathrm{\&Phi;}}_1]---\left(4\right),$

其中，f_E1＝F₀+γ·t，f_E2＝F₀+ΔF_i+γ·t，γ是频率线性扫描速率，t为扫描时间，F₀是第一光移频器的频率扫描初始值，F₀+ΔF_i是第二光移频器的第i次扫描的频率初始值；ΔF_i为第二光移频器与第一光移频器的第i次扫描的频率初始值之差；

平衡探测器的输出I为：

$I=4\cos \left[2\mathrm{\&pi;}(\mathrm{\&Delta;}{F}_i-\frac{2n_{\mathrm{eff}}\&CenterDot;\mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;L_i}{c})t\right]---\left(5\right),$

这里省略了由F₀和Φ₂-Φ₁引入的恒定相位差；

两束探测光经过的光路满足如下关系：

(L_f1+L_f2+L_f3+2L_i+L_f8+L_f7)-(L_f4+L_f8+2L_i+L_f3+L_f5+L_f6)<L_c   (6)，

其中，(L_f1+L_f2+L_f3+2L_i+L_f8+L_f7)为第一束探测光的光路长度，(L_f4+L_f8+2L_i+L_f3+L_f5+L_f6)为第二束探测光的光路长度，L_c是可调谐窄带光源的相干长度，L_f1是第一连接光纤的长度，L_f2是第二连接光纤的长度，L_f4是第四连接光纤的长度，L_f5是第五连接光纤的长度，L_f6是第六连接光纤的长度，L_f7是第七连接光纤的长度；

4)第一光移频器和第二光移频器的以相同的速度做频率线性调制，第i个布喇格光栅的反射信号产生的拍频信号频率为调节ΔF_i使拍频信号通过带电子通滤波器，然后进入均方探测器；其中，f_BPF为电子带通滤波器的中心频率，取值范围为：

$0<f_{\mathrm{BPF}}<\frac{\mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{L}_{\min }}{2n_{\mathrm{eff}}\&CenterDot;c}---\left(7\right),$

这里，ΔL_min为布喇格光栅之间间距的最小值，f_BW为电子带通滤波器的通带宽度ΔF_i为第一光移频器与第二光移频器第i次频率扫描的初始值之差；

5)调节ΔF_i使串联的光纤布拉格光栅传感网络上每个布喇格光栅反射光的拍频信号经光电转后依次通过电子带通滤波器，并依次对每个布喇格光栅反射光波长进行扫描，扫描范围覆盖光纤布喇格光栅传感网络反射光谱的波长范围；

均方探测器输出电信号经信号处理与控制卡处理，依次计算得到每个布喇格光栅的中心波长值。