CN104613988B - 一种基于fbg光纤的中心波长稳定装置与方法 - Google Patents

Abstract

基于FBG光纤的中心波长稳定装置与方法属于振动信号检测领域；该装置包括ASE光源，沿ASE光源的出射光路依次设置第一光环形器、F‑P传感器、第二光环形器和FBG光纤，FBG光纤的反/透射光路通过第一/二光电转换器连接除法器，除法器依次连接ADC、FPGA、DAC和控制FBG光纤温度的温度控制器；该方法按照时间顺序，依次采集振动信号、提取窄带光、去噪、控制信号转换、调整FBG光纤反射光路的中心波长；本发明由于将FFP‑TF替换成了FBG光纤，并将FBG光纤设置于F‑P传感器的反射光路上，因此不仅降低了对光源的要求，而且提高了强度解调系统的分辨力、量程和信噪比，同时有利于实现仪器小型化，降低成本。

Description

一种基于 FBG 光纤的中心波长稳定装置与方法

技术领域

一种基于FBG光纤的中心波长稳定装置与方法属于振动信号检测领域。

背景技术

由于F-P传感器可用于感受振动量，因此可以测量能够引起振动的温度、声波、压强等信号，同时，F-P传感器又具有结构简单、灵敏度高、成本低、安装方便，因此在微机电系统、超声测量、生物医学等领域具有广阔的应用。

F-P传感器应用于强度解调系统，而强度解调系统的解调精度受F-P传感器的影响。由于F-P传感器的静态腔长受外界干扰而发生变化，因此导致强度解调的中心波长偏离中心位置，进而影响强度解调系统的测量精度。为了解决上述问题，需要稳定强度解调的中心波长。

目前，在强度解调系统中用于稳定中心波长的方法主要有以下四种：

第一、利用密集波分复用器产生两束相位正交的波长来稳定中心波长；

第二、通过调整F-P工作腔中的气压来稳定F-P腔的腔长，进而稳定中心波长；

第三、利用可调谐激光器稳定中心波长；

第四、利用FFP-TF稳定中心波长。

以上四种方法中，由于前两种方法所对应的装置结构复杂，调节难度大，第三种方法硬件成本过高，第四种方法所对应的装置结构简单，容易调节，硬件成本低，因而应用广泛，但是，这种方法由于将FFP-TF设置于F-P传感器前方，因此存在以下两方面缺陷：

第一、光源的出射光路只有部分进入到F-P传感器，降低了强度解调系统的分辨力、量程和信噪比。

第二、难以做到FFP-TF的出射光路和透射光路等光程，降低了强度解调系统的信噪比。

发明内容

为了解决上述问题，本发明公开了一种基于FBG光纤的中心波长稳定装置与方法，本发明可以提高强度解调系统的分辨力、量程和信噪比。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于FBG光纤的中心波长稳定装置，包括ASE光源、第一光环形器、F-P传感器、第二光环形器、FBG光纤、第一光电转换器、第二光电转换器、除法器、ADC、FPGA、DAC和温度控制器；

ASE光源的出射光经过第一光环形器后，入射到F-P传感器进行调制并反射，再依次经过第一光环形器、第二光环形器和FBG光纤后分成反射光路和透射光路，反射光路再次经过第二光环形器后，由第一光电转换器转换为第一路电压信号，透射光路由与反射光路等价的光纤传输后，由第二光电转换器转换为第二路电压信号，第一路电压信号与第二路电压信号共同接入除法器，所述除法器将第一路电压信号除以第二路电压信号，所得结果经ADC转换后，输入给FPGA，所述FPGA将ADC转换后的结果转换为控制信号，经过DAC转换后，输入给温度控制器，控制FBG光纤温度。

上述基于FBG光纤的中心波长稳定装置，所述的F-P传感器包括一个固定的半反半透面，和一个随振动信号发生振动的透射率小于10%的反射面；ASE光源的出射光经过第一光环形器后，先入射到半反半透面。

上述基于FBG光纤的中心波长稳定装置，还包括PC，所述PC与FPGA通信。

一种在上述基于FBG光纤的中心波长稳定装置上实现的基于FBG光纤的中心波长稳定方法，包括以下步骤：

S1、采集振动信号

F-P传感器的反射面随声波振动，改变从半反半透面透射再经过反射面反射到半反半透面的光束的相位，使半反半透面前端的干涉光承载振动信息；

S2、提取窄带光

FBG光纤的透射光路与入射光路光频率成分相同，反射光路只包含入射光路光频率成分的一部分，在反射光路减小带宽；

S3、去噪

利用FBG光纤反射光路转换得到的电压信号除以FBG光纤透射光路转换得到的电压信号，去掉从ASE光源到除法器之间，信号传输所产生的噪声；

S4、控制信号转换

将除法器的输出结果进行数学转换，转换成温度控制器的控制信号；

S5、调整FBG光纤反射光路的中心波长

利用步骤S4得到的控制信号，控制温度控制器，调整FBG光纤温度，进而调整FBG光纤反射光路的中心波长。

上述基于FBG光纤的中心波长稳定方法，步骤S3所述的信号包括：

第一、从ASE光源到FBG光纤、FBG光纤到第一光电转换器和FBG光纤到第二光电转换器的光信号；

第二、从第一光电转换器到除法器和第二光电转换器到除法器的电信号。

有益效果：

同现有技术相比，本发明利用FBG光纤替换FFP-TF，并将FBG光纤设置于F-P传感器的反射光路上，使得光源的出射光路在进入F-P传感器前，不经过其它光学元件，因此会带来以下两方面有益效果：

第一、光源进入F-P传感器的光束几乎没有损耗，不仅降低了对光源的要求，而且提高了强度解调系统的分辨力、量程和信噪比；

第二、FBG光纤的透射光路和反射光路更容易做到等光程，降低了强度解调系统的信噪比；

第三、基于温度控制的FBG光纤同基于腔长控制的FFP-TF相比，光损耗更小，同样可以降低对光源的要求，提高强度解调系统的分辨力、量程和信噪比；

第四、FBG光纤同FFP-TF相比，体积更小，更容易实现仪器小型化，而且价格更低廉。

附图说明

图1是本发明基于FBG光纤的中心波长稳定装置的结构示意图。

图2是F-P传感器的结构示意图。

图3是本发明基于FBG光纤的中心波长稳定方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。

具体实施例一

本实施例为本发明的装置实施例。

本实施例的基于FBG光纤的中心波长稳定装置，结构示意图如图1所示。该装置包括ASE光源、第一光环形器、F-P传感器、第二光环形器、FBG光纤、第一光电转换器、第二光电转换器、除法器、ADC、FPGA、DAC和温度控制器；

ASE光源的出射光经过第一光环形器后，入射到F-P传感器进行调制并反射，再依次经过第一光环形器、第二光环形器和FBG光纤后分成反射光路和透射光路，反射光路再次经过第二光环形器后，由第一光电转换器转换为第一路电压信号，透射光路由与反射光路等价的光纤传输后，由第二光电转换器转换为第二路电压信号，第一路电压信号与第二路电压信号共同接入除法器，所述除法器将第一路电压信号除以第二路电压信号，所得结果经ADC转换后，输入给FPGA，所述FPGA将ADC转换后的结果转换为控制信号，经过DAC转换后，输入给温度控制器，控制FBG光纤温度。

上述基于FBG光纤的中心波长稳定装置，所述的F-P传感器的结构示意图如图2所示。该F-P传感器包括一个固定的半反半透面，和一个随振动信号发生振动的透射率小于10%的反射面；ASE光源的出射光经过第一光环形器后，先入射到半反半透面。

上述基于FBG光纤的中心波长稳定装置，还包括PC，所述PC与FPGA通信。

具体实施例二

本实施例为本发明的方法实施例。

本实施例的基于FBG光纤的中心波长稳定方法，流程图如图3所示。该方法包括以下步骤：

S1、采集振动信号

F-P传感器的反射面随声波振动，改变从半反半透面透射再经过反射面反射到半反半透面的光束的相位，使半反半透面前端的干涉光承载振动信息；

S2、提取窄带光

FBG光纤的透射光路与入射光路光频率成分相同，反射光路只包含入射光路光频率成分的一部分，在反射光路减小带宽；

FBG光纤能够实现以下功能，透射光与入射光所包含的频率成分相同，反射光只包含入射光频率成分的一部分；在此功能下，反射光相对于透射光与入射光来说，带宽更窄，在反射光路实现提取窄带光；

S3、去噪

利用FBG光纤反射光路转换得到的电压信号除以FBG光纤透射光路转换得到的电压信号，去掉从ASE光源到除法器之间，信号传输所产生的噪声；

本步骤所提到的信号，包括以下两个部分：

第一、从ASE光源到FBG光纤、FBG光纤到第一光电转换器和FBG光纤到第二光电转换器的光信号；

第二、从第一光电转换器到除法器和第二光电转换器到除法器的电信号。

S4、控制信号转换

将除法器的输出结果进行数学转换，转换成温度控制器的控制信号；

需要说明的是，本步骤所提到的数学转换，其具体算法可以根据实际需要进行调整，本领域技术人员完全可以确定具体的运算规则，在本申请中不做具体限定。

S5、调整FBG光纤反射光路的中心波长

利用步骤S4得到的控制信号，控制温度控制器，调整FBG光纤温度，进而调整FBG光纤反射光路的中心波长。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化或方法改进，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于FBG光纤的中心波长稳定装置，其特征在于，包括ASE光源、第一光环形器、F-P传感器、第二光环形器、FBG光纤、第一光电转换器、第二光电转换器、除法器、ADC、FPGA、DAC和温度控制器；

ASE光源的出射光经过第一光环形器后，入射到F-P传感器进行调制并反射，再依次经过第一光环形器、第二光环形器和FBG光纤后分成反射光路和透射光路，反射光路再次经过第二光环形器后，由第一光电转换器转换为第一路电压信号，透射光路由与反射光路等价的光纤传输后，由第二光电转换器转换为第二路电压信号，第一路电压信号与第二路电压信号共同接入除法器，所述除法器将第一路电压信号除以第二路电压信号，所得结果经ADC转换后，输入给FPGA，所述FPGA将ADC转换后的结果转换为控制信号，经过DAC转换后，输入给温度控制器，控制FBG光纤温度。

2.根据权利要求1所述的基于FBG光纤的中心波长稳定装置，其特征在于，所述的F-P传感器包括一个固定的半反半透面和一个随振动信号发生振动的透射率小于10％的反射面；ASE光源的出射光经过第一光环形器后，先入射到半反半透面。

3.根据权利要求1所述的基于FBG光纤的中心波长稳定装置，其特征在于，还包括PC，所述PC与FPGA通信。

4.一种在权利要求2所述基于FBG光纤的中心波长稳定装置上实现的基于FBG光纤的中心波长稳定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、采集振动信号

F-P传感器的反射面随声波振动，改变从半反半透面透射再经过反射面反射到半反半透面的光束的相位，使半反半透面前端的干涉光承载振动信息；

S2、提取窄带光

FBG光纤的透射光路与入射光路光频率成分相同，反射光路只包含入射光路光频率成分的一部分，在反射光路减小带宽；

S3、去噪

利用FBG光纤反射光路转换得到的第一路电压信号除以FBG光纤透射光路转换得到的第二路电压信号，去掉从ASE光源到除法器之间，信号传输所产生的噪声；

S4、控制信号转换

将除法器的输出结果进行数学转换，转换成温度控制器的控制信号；

S5、调整FBG光纤反射光路的中心波长

利用步骤S4得到的控制信号，控制温度控制器，调整FBG光纤温度，进而调整FBG光纤反射光路的中心波长。

5.根据权利要求4所述的基于FBG光纤的中心波长稳定方法，其特征在于，步骤S3所述的信号包括：

第一、从ASE光源到FBG光纤、FBG光纤到第一光电转换器和FBG光纤到第二光电转换器的光信号；

第二、从第一光电转换器到除法器和第二光电转换器到除法器的电信号。