CN104568219A - 一种基于单通带微波光子滤波器的温度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单通带微波光子滤波器的温度测量装置，其采用基于马赫-曾德尔光纤干涉仪光谱分割和色散光纤相结合的结构，实现单通带微波光子滤波器；马赫-曾德尔光纤干涉仪其中一臂接传感光纤，另一臂接参考光纤；传感光纤上作用的温度信号引起马赫-曾德尔光纤干涉仪两臂光程差改变，从而改变单通带微波光子滤波器通带中心频率；扫描调制微波信号频率，通过光电探测器恢复电信号功率的测量得到通带中心频率来实现对被测温度的测量。本发明公开了一种基于单通带微波光子滤波器的温度测量方法。本发明能够实现防电磁干扰的远距离温度测量，大大降低了温度测量的成本和复杂度。

Description

一种基于单通带微波光子滤波器的温度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及温度测量技术领域，具体涉及一种基于单通带微波光子滤波器的温度测量装置及方法。

背景技术

光纤传感器凭借体积小、重量轻、易于实现远距离和分布式测量、防爆、电绝缘以及防电磁干扰等诸多优点，广泛应用于温度、应力和折射率的远距离测量领域。

光纤温度传感器大多采用马赫-曾德尔光纤干涉仪的结构，通过测量干涉光谱中波长的变化来测量温度变化。而传统的光纤传感波长解调方法常采用光学滤波器，如可调谐F-P滤波法及匹配光栅法等。这些方法或者对光学滤波器的性能要求较高，成本较高；或者需要较多的光学滤波器，成本较高且结构复杂，比较难实用化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于单通带微波光子滤波器的温度测量装置，其结构简单，大大降低了温度测量的成本和复杂度；本发明同时提供了一种基于单通带微波光子滤波器的温度测量方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于单通带微波光子滤波器的温度测量装置，包括宽带光源、马赫-曾德尔光纤干涉仪、电光调制器、光纤放大器、微波信号源、色散光纤、光电探测器及电功率计，所述马赫-曾德尔光纤干涉仪的输入端口连接所述宽带光源，所述电光调制器的输入端口与所述马赫-曾德尔光纤干涉仪的输出端口相连，其输出端口与光纤放大器的输入端口相连，其电驱动端口与所述微波信号源相连，所述色散光纤的一端与所述光纤放大器的输出端口相连，另一端与所述光电探测器的输入端口相连，所述电功率计的输入端口与所述光电探测器的输出端口电性连接。

优选地，所述马赫-曾德尔光纤干涉仪包括第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、传感光纤及参考光纤，所述第一光纤耦合器的一个输入端口连接所述宽带光源，所述第一光纤耦合器的一个输出端口通过所述传感光纤与第二光纤耦合器的一个输入端口相连，所述第一光纤耦合器的另一输出端口通过所述参考光纤与第二光纤耦合器的另一输入端口相连，所述第二光纤耦合器的一个输出端口与所述电光调制器的输入端口相连。

优选地，所述第一光纤耦合器和第二光纤耦合器均采用3dB四端口光纤耦合器。

一种基于单通带微波光子滤波器的温度测量方法，包括以下步骤：

S1、打开宽带光源，马赫-曾德尔光纤干涉仪对宽带光源发射的光进行光谱分割，形成梳状滤波谱，此时被测温度信号作用于马赫-曾德尔光纤干涉仪的传感光纤上；

S2、梳状滤波谱经过电光调制器被微波信号源所发出的微波信号调制，获得调制信号，并通过光纤放大器对调制信号进行放大；

S3、放大后的调制信号进入色散光纤进行采样、时延后，进入光电探测器恢复得到电信号；

S4、扫描微波信号源所发射微波信号频率，通过电功率计测量恢复电信号的功率，获得通带中心频率，所述通带中心频率为电功率计测得的功率值最大时对应的微波信号频率，得到功率最大时的微波信号频率，根据对应关系计算被测温度信号的温度变化量；

S5、根据中心频率与被测温度信号的温度变化量的对应关系，求取被测温度信号的温度变化量。

优选地，所述中心频率与被测温度信号的温度变化量的对应关系为：

f_c＝[n+ξΔT]ΔL/(Dλ²)

其中，n为光纤有效折射率，ξ为光纤材料的热光系数，ΔL为马赫-曾德尔光纤干涉仪两臂长度差，D为单位波长之间的时延，λ为中心波长，f_c为中心频率，ΔT为被测温度信号的温度变化量。

采用上述技术方案后，本发明与背景技术相比，具有如下优点：

本发明采用基于马赫-曾德尔光纤干涉仪光谱分割和色散光纤相结合的结构，实现单通带微波光子滤波器；马赫-曾德尔光纤干涉仪其中一臂接传感光纤，另外一臂接参考光纤；传感光纤上作用的温度信号引起马赫-曾德尔光纤干涉仪两臂光程差改变，从而改变单通带微波光子滤波器通带中心频率；扫描调制微波信号频率，通过光电探测器恢复电信号功率的测量得到通带中心频率来实现对被测温度的测量。本发明能够实现防电磁干扰的远距离温度测量，相比于其他传统测量方案，有着带宽大、防电磁干扰、适于远距离测量和低损耗等突出优势，大大降低了温度测量的成本和复杂度。

附图说明

图1为本发明温度测量装置的结构示意图。

图2为本发明温度测量方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

请参阅图1，本发明公开了一种基于单通带微波光子滤波器的温度测量装置，其包括宽带光源1、马赫-曾德尔光纤干涉仪2、电光调制器3、微波信号源4、光纤放大器5、色散光纤6、光电探测器7及电功率计8，其中：

参考图1所示，马赫-曾德尔光纤干涉仪2的输入端口连接宽带光源1，电光调制器3的输入端口与马赫-曾德尔光纤干涉仪2的输出端口相连，其输出端口与光纤放大器5的输入端口相连，其电驱动端口与微波信号源4相连，色散光纤6的一端与光纤放大器5的输出端口相连，另一端与光电探测器7的输入端口相连，电功率计8的输入端口与光电探测器7的输出端口电性连接。

马赫-曾德尔光纤干涉仪2包括第一光纤耦合器21、第二光纤耦合器22、传感光纤23及参考光纤24，其中：

第一光纤耦合器21的一个输入端口连接宽带光源1，第一光纤耦合器21的一个输出端口通过传感光纤23与第二光纤耦合器22的一个输入端口相连，第一光纤耦合器21的另一输出端口通过参考光纤24与第二光纤耦合器22的另一输入端口相连，第二光纤耦合器22的一个输出端口与电光调制器3的输入端口相连。

在本实施例中，第一光纤耦合器21和第二光纤耦合器22均采用3dB四端口光纤耦合器。

实施例二

配合图1和图2所示，本发明公开了一种基于单通带微波光子滤波器的温度测量方法，该方法采用实施例一的基于单通带微波光子滤波器的温度测量装置，具体通过以下步骤实现：

S1、光谱分割

打开宽带光源1，马赫-曾德尔光纤干涉仪2对宽带光源1发射的光进行光谱分割，形成梳状滤波谱，此时被测温度信号作用于马赫-曾德尔光纤干涉仪2的传感光纤23上。

S2、信号调制与放大

梳状滤波谱经过电光调制器3被微波信号源4所发出的微波信号调制，获得调制信号，并通过光纤放大器5对调制信号进行放大；

S3、信号采样与时延

放大后的调制信号进入色散光纤6进行采样、时延后，进入光电探测器7恢复得到电信号；

S4、获取中心频率

扫描微波信号源4所发射微波信号频率，通过电功率计8测量恢复电信号的功率，获得通带中心频率，通带中心频率为电功率计8测得的功率值最大时对应的微波信号频率。

S5、计算温度变化量

根据中心频率与被测温度信号的温度变化量的对应关系，求取被测温度信号的温度变化量。该对应关系为：

f_c＝[n+ξΔT]ΔL/(Dλ²)

其中，n为光纤有效折射率，ξ为光纤材料的热光系数，ΔL为马赫-曾德尔光纤干涉仪2两臂长度差，D为单位波长之间的时延，λ为中心波长，f_c为中心频率，ΔT为被测温度信号的温度变化量。

为了便于更好的理解本发明，下面对本发明的原理做进一步说明。

本发明采用光纤马赫-曾德尔干涉仪进行光谱分割，结合色散光纤实现单通带微波光子滤波器。在光纤马赫-曾德尔干涉仪的一臂设置传感光纤，另一臂设置参考光纤，被测温度信号作用于马赫-曾德尔光纤干涉仪的传感光纤上，由于热光效应传感光纤的折射率会变化，从而影响光纤马赫-曾德尔干涉仪两臂的光程差，相应的光纤马赫-曾德尔干涉仪的梳状滤波谱波长间隔和单通带微波光子滤波器的通带中心频率也会发生变化。当该中心频率与微波信号源微波信号频率相等时，在光电探测器上得到最大的电功率的输出，这样扫描调制信号频率，并通过电功率计测量功率值，就可以得到功率值最大时对应的调制信号频率(即中心频率)，从而求得被测温度信号的温度变化量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于单通带微波光子滤波器的温度测量装置，其特征在于：包括宽带光源、马赫-曾德尔光纤干涉仪、电光调制器、光纤放大器、微波信号源、色散光纤、光电探测器及电功率计，所述马赫-曾德尔光纤干涉仪的输入端口连接所述宽带光源，所述电光调制器的输入端口与所述马赫-曾德尔光纤干涉仪的输出端口相连，其输出端口与光纤放大器的输入端口相连，其电驱动端口与所述微波信号源相连，所述色散光纤的一端与所述光纤放大器的输出端口相连，另一端与所述光电探测器的输入端口相连，所述电功率计的输入端口与所述光电探测器的输出端口电性连接。

2.如权利要求1所述的一种基于单通带微波光子滤波器的温度测量装置，其特征在于：所述马赫-曾德尔光纤干涉仪包括第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、传感光纤及参考光纤，所述第一光纤耦合器的一个输入端口连接所述宽带光源，所述第一光纤耦合器的一个输出端口通过所述传感光纤与第二光纤耦合器的一个输入端口相连，所述第一光纤耦合器的另一输出端口通过所述参考光纤与第二光纤耦合器的另一输入端口相连，所述第二光纤耦合器的一个输出端口与所述电光调制器的输入端口相连。

3.如权利要求2所述的一种基于单通带微波光子滤波器的温度测量装置，其特征在于：所述第一光纤耦合器和第二光纤耦合器均采用3dB四端口光纤耦合器。

4.一种基于单通带微波光子滤波器的温度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、打开宽带光源，马赫-曾德尔光纤干涉仪对宽带光源发射的光进行光谱分割，形成梳状滤波谱，此时被测温度信号作用于马赫-曾德尔光纤干涉仪的传感光纤上；

S2、梳状滤波谱经过电光调制器被微波信号源所发出的微波信号调制，获得调制信号，并通过光纤放大器对调制信号进行放大；

S3、放大后的调制信号进入色散光纤进行采样、时延后，进入光电探测器恢复得到电信号；

S4、扫描微波信号源所发射微波信号频率，通过电功率计测量恢复电信号的功率，获得通带中心频率，所述通带中心频率为电功率计测得的功率值最大时对应的微波信号频率；

S5、根据中心频率与被测温度信号的温度变化量的对应关系，求取被测温度信号的温度变化量。

5.如权利要求4所述的一种基于单通带微波光子滤波器的温度测量装置及方法的制备方法，其特征在于，所述中心频率与被测温度信号的温度变化量的对应关系为：

f_c＝[n+ξΔT]ΔL/(Dλ²)

其中，n为光纤有效折射率，ξ为光纤材料的热光系数，ΔL为马赫-曾德尔光纤干涉仪两臂长度差，D为单位波长之间的时延，λ为中心波长，f_c为中心频率，ΔT为被测温度信号的温度变化量。