CN104848879A - 基于线性工作匹配光栅法的光纤布拉格光栅传感器信号解调方法 - Google Patents

Abstract

基于线性工作匹配光栅法的光纤布拉格光栅传感器信号解调方法属于光纤传感技术领域；待测光纤光栅反射信号通过待测光纤光栅反射信号输入端口经隔离器和50∶50光纤耦合器后一部分进入光功率探测器A，另一部分经过参考光纤光栅后，两光谱重叠部分被反射，反射信号再经50∶50光纤耦合器进入光功率探测器B，光功率计将光功率探测器A、B的信号做除法计算后转化为光功率比值电信号，送入测量计算机，建立待测光纤光栅反射信号光谱中心波长与光功率比值的关系，使待测光纤光栅反射信号光谱中心波长与光功率比值的关系是线性的，实现无温度耦合的光纤布拉格光栅传感器信号解调；本发明具有信号处理简单、分辨力高、解调速度快的优点。

Description

基于线性工作匹配光栅法的光纤布拉格光栅传感器信号解调方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及一种基于线性工作匹配光栅法的光纤布拉格光栅传感器信号解调方法。

背景技术

光纤布拉格光栅传感器由于其灵敏度与精度高、可利用波长编码实现绝对测量、可实现点或分布式测量等性质，是目前使用范围较广的一种光纤传感器，并在光纤通信和光纤传感领域得到了广泛的关注，获得了极大的发展。

随着光纤光栅传感器的应用日益广泛，光纤光栅传感器信号解调技术作为光纤光栅传感应用中至关重要的组成部分，近年来也迅猛发展着。光纤光栅解调最直接的方法是利用光谱仪，这种解调方法使用方便，但结构复杂，造价高，体积大，仅适于实验室使用，无法满足动态测量与高分辨力的需求。其它常见的解调方法主要包括以下几种：

1.1992年，由A.D.Kersey等人提出了非平衡M-Z干涉法，其实质是利用非平衡M-Z干涉仪将测量光栅的反射谱中心波长变化量转化为相位变化量，通过检测干涉仪输出的相位信号，便可得到中心波长的变化信息，提高了系统的灵敏度。但由于M-Z干涉仪易受外界扰动产生误差，从而导致系统的稳定性降低。

2.韩国首尔国立大学利用环形镜滤波器的双光束干涉原理使其透射光谱函数为正弦函数，用透射谱的线性段作为边缘滤波器进行解调。高折射环形镜的作用是利用环形镜透射光谱和反射光谱的线性段与布拉格反射光进行卷积。当布拉格光纤光栅传感器的反射峰随着待测物理量的变化出现漂移时，由于受到边缘滤波器的调制，反射峰的强度产生变化，这种变化可以通过光电接收装置检测，通过数据处理算出反射峰的漂移，可得到待测物理量的信息，达到解调制的目的。

综上，光纤光栅传感器的解调方式多种多样，基本围绕着波长、相位和功率解调等方法，并利用其传感信息波长编码这一特点，最终转化为其反射光谱中心波长的变化，从而获取其传感信息。但目前的常见的方法存在对环境要求高、解调速度慢，解调分辨力与系统简易度不可兼得等问题。

发明内容

为克服上述现有光纤光栅解调方法的不足，本发明提出了一种基于线性工作匹配光栅法的光纤布拉格光栅传感器信号解调方法，提高了光谱分辨力和信号解调速率，抑制了环境温度和光源功率波动对测量结果的影响；同时基于匹配光栅法的光纤布拉格光栅传感器信号解调方法具有线性输出响应，简化解调过程中的信号处理流程，达到了信号处理简单、分辨力高、解调速度快的目的。

本发明的技术解决方案是：

一种基于线性工作匹配光栅法的光纤布拉格光栅传感器信号解调方法，该方法是：待测光纤光栅反射信号通过待测光纤光栅反射信号输入端口经过隔离器和50∶50光纤耦合器后，一部分直接进入光功率探测器A，另一部分进入参考光纤光栅后，待测光纤光栅反射信号光谱与参考光纤光栅反射光谱重叠部分被反射，反射信号再次经50∶50光纤耦合器进入光功率探测器B，光功率计将光功率探测器A和光功率探测器B的信号做除法计算后转化为光功率比值电信号后送入测量计算机，在待测光纤光栅反射信号的中心波长变化时，测量计算机中的光功率比值随之改变，从而建立待测光纤光栅反射信号光谱中心波长变化与光功率比值变化的关系；在测量前，参考光纤光栅的初始反射光谱中心波长λ₂应小于待测光纤光栅反射信号的反射光谱中心波长λ₁，通过预应力调整装置对参考光纤光栅施加拉力，改变参考光纤光栅的反射光谱中心波长至λ₃，满足使测量计算机中的光功率比值信号与待测光纤光栅反射信号的中心波长的变化关系是线性的，光功率计将光功率探测器A和光功率探测器B的信号做除法计算后抑制环境温度漂移对测量的影响，实现无温度耦合的光纤布拉格光栅传感器信号解调。

本发明的优点是：

1.利用光功率比值获取光纤光栅反射谱中心波长的关系，相比于传统的直接波长解调，将光谱转化为光功率，易于提高光谱分辨力和解调速度，从而满足动态测量的需求。

2.根据线性工作匹配光栅法中参考光纤光栅与测量光纤光栅中心波长需满足的关系对参考光纤光栅施加预应力以调节其中心波长，使基于线性工作匹配光栅法的光纤布拉格光栅传感器信号解调方法具有线性输出响应，简化了解调过程中的信号处理流程。

3.对于光纤光栅解调过程中的温度漂移，由于参考光纤光栅与测量光纤光栅处于同一环境中，受温度影响的作用效果相同，因此，该方法可以抑制温度漂移带来的共模干扰。

附图说明

图1是基于线性工作匹配光栅法的光纤布拉格光栅传感器信号解调方法示意图；

图2是光纤光栅功率解调原理图；

图3是光功率比值与待测光纤光栅反射信号光谱中心波长的关系曲线；

图4是光功率比值与待测光纤光栅反射信号光谱中心波长线性关系区域曲线；

图中：1.待测光纤光栅反射信号输入端口，2.隔离器，3.50∶50光纤耦合器，4.预应力调整装置，5.参考光纤光栅，6a.光功率探测器A，6b.光功率探测器B，7.光功率计，8.测量计算机。

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：

一种基于线性工作匹配光栅法的光纤布拉格光栅传感器信号解调方法，该方法是：待测光纤光栅反射信号通过待测光纤光栅反射信号输入端口1经过隔离器2和50∶50光纤耦合器3后，一部分直接进入光功率探测器A6a，另一部分进入参考光纤光栅5后，待测光纤光栅反射信号光谱与参考光纤光栅反射光谱重叠部分被反射，反射信号再次经50∶50光纤耦合器3进入光功率探测器B6b，光功率计7将光功率探测器A6a和光功率探测器B6b的信号做除法计算后转化为光功率比值电信号后送入测量计算机8，在待测光纤光栅反射信号的中心波长变化时，测量计算机8中的光功率比值随之改变，从而建立待测光纤光栅反射信号光谱中心波长变化与光功率比值变化的关系；在测量前，参考光纤光栅5的初始反射光谱中心波长λ₂应小于待测光纤光栅反射信号的反射光谱中心波长λ₁，通过预应力调整装置4对参考光纤光栅5施加拉力，改变参考光纤光栅5的反射光谱中心波长至λ₃，满足使测量计算机8中的光功率比值信号与待测光纤光栅反射信号的中心波长的变化关系是线性的，光功率计7将光功率探测器A6a和光功率探测器B6b的信号做除法计算后抑制环境温度漂移对测量的影响，实现无温度耦合的光纤布拉格光栅传感器信号解调。

本发明的工作过程如下：

进入待测光纤光栅反射信号输入端口1的待测光纤光栅反射信号(反射光谱中心波长λ₁)可以表示为：

其中，λ₁是待测光纤光栅反射信号反射光谱中心波长；Δλ₁是待测光纤光栅反射信号反射光谱半高宽。

因此，待测光纤光栅反射信号的功率为：

$\begin{array}{c}{I}_1={\∫}_{-\∞}^{+\∞}\exp [-4\ln 2{\left(\frac{\mathrm{\λ}{-\mathrm{\λ}}_1}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1}\right)}^2]\mathrm{d\λ}\\ =\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{4\ln 2}}\end{array}$

待测光纤光栅反射信号经过隔离器2和50∶50光纤耦合器3，进入光功率探测器A6a的光功率进入参考光纤光栅5(初始反射光谱中心波长λ₂)的光功率被参考光纤光栅5，待测光纤光栅反射信号与待测光纤光栅反射信号的重叠部分被反射。参考光纤光栅5反射的反射光谱为：

$I_2\left(\mathrm{\λ}\right)=\exp [-4\ln 2{\left(\frac{\mathrm{\λ}{-\mathrm{\λ}}_2}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2}\right)}^2]$

其中，λ₂是参考光纤光栅5的反射光谱中心波长；Δλ₂是参考光纤光栅5的反射光谱半高宽。

因此，参考光纤光栅5反射的光信号功率为：

$\begin{array}{c}{I}_2={\∫}_{-\∞}^{+\∞}\exp [-4\ln 2{\left(\frac{\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_1}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1}\right)}^2]\exp [-4\ln 2{\left(\frac{\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_2}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2}\right)}^2]\mathrm{d\λ}\\ =\frac{\exp --4\ln 2\frac{{({\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2)}^2}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1^2+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2^2}}{\sqrt{4\ln 2(\frac{1}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1^2}+\frac{1}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2^2})}}\end{array}$

经参考光纤光栅5反射的光信号经过50∶50光纤耦合器3进入光功率探测器B6b，则光功率探测器B6b接收的光信号的功率为：

$I_B=\frac{1}{2}\frac{\exp [-4\ln 2\frac{{({\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2)}^2}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1^2+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2^2}]}{\sqrt{4\ln 2(\frac{1}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1^2}+\frac{1}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2^2})}}$

光功率计7将光功率探测器A6a接收信号的光功率I_A和光功率探测器B6b接收信号的光功率I_B的信号做除法计算，得到光功率比值：

$R=({\mathrm{\λ}}_1,{\mathrm{\λ}}_2)=\frac{p({\mathrm{\λ}}_1,{\mathrm{\λ}}_2)}{I}=\frac{\exp [-4\ln 2\frac{{({\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2)}^2}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1^2+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2^2}]}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1\sqrt{(\frac{1}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1^2}+\frac{1}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2^2})}}$

光功率计7将光功率比值的电信号送入测量计算机8，在待测光纤光栅反射信号的中心波长变化时，测量计算机8中的光功率比值随之改变，如图3所示，在未做待测光纤光栅反射信号光谱中心波长λ₁和参考光纤光栅5的反射光谱中心波长λ₂作匹配时，测量计算机8中的光功率比值与待测光纤光栅反射信号光谱中心波长λ₁的函数关系是非线性的，而且，光功率比值与待测光纤光栅反射信号光谱中心波长λ₁不是单值对应的关系，不利于后期信号处理。

但是，图3所示的光功率比值与待测光纤光栅反射信号光谱中心波长λ₁的函数曲线显示该曲线存在一个近似线性的区域，而且该区域中光功率比值对待测光纤光栅反射信号光谱中心波长λ₁变化的灵敏度最大即曲线一阶导数有极值、二阶导数为零。因此，令光功率比值函数的二阶导数为零：

$\frac{{\∂}^{2}R({\mathrm{\λ}}_1,{\mathrm{\λ}}_2)}{\∂{\mathrm{\λ}}_2^2}=8\ln 2\frac{[8\ln {({\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2)}^2-(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1^2+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2^2)]\exp [-4\ln 2\frac{{({\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2)}^2}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1^2+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2^2}}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1^2+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2^2)\sqrt{(\frac{1}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1^2}+\frac{1}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2^2})}}$

令得到基于匹配光栅法的光纤布拉格光栅传感器信号解调方法的最佳线性工作匹配条件

在最佳线性工作匹配条件的上下20％的范围内，仍具有很好的线性输出响应，因此通过预应力调整装置4对参考光纤光栅5施加拉力，改变参考光纤光栅5的反射光谱中心波长至λ₃并使则相应的基于线性工作匹配光栅法的光纤布拉格光栅传感器信号解调方法具有线性输出响应，输出响应如图4所示。

当待测光纤光栅反射信号受待测物理量的作用，其反射光谱中心波长会发生改变，进而影响光功率探测器A6a接收到的待测光纤光栅反射信号的光功率I_A和光功率探测器B6b接收到的待测光纤光栅反射信号光谱与参考光纤光栅5反射光谱重叠部分信号的光功率I_B。利用光功率计7将光功率探测器A6a测量结果I_A和光功率探测器B6b测量结果I_B做除法计算后得到的光功率比值电信号传输至测量计算机8，完成光谱信息到光功率的转化，从而得待测光纤光栅反射信号的反射谱中心波长的变化。而且，两路光功率做除法运算可以抑制环境温度和光源功率波动对测量结果的影响。

基于线性工作匹配光栅法的光纤布拉格光栅传感器信号解调方法的创新点和技术效果是：将光纤布拉格光栅传感器的光谱信号转化为可以高速处理的光功率，与传统的基于光谱解调原理的光纤布拉格光栅传感器信号解调方法相比大幅提升了信号处理速度和光谱分辨力，可以解决传统光纤布拉格光栅传感器信号解调方法动态分辨力不足的问题，特别适合测量微弱、快速变化的光纤布拉格光栅传感器信号；本发明中，参考光纤光栅5与测量光纤光栅处于同一环境中，受温度影响的作用效果相同，因而可以抑制温度漂移带来的共模干扰，与传统光纤布拉格光栅传感器信号解调方法相比，解决了光纤布拉格光栅传感器在测量中容易受到测量环境温度改变所带来的干扰问题；本发明在测量前，通过预应力调整装置4对参考光纤光栅5施加拉力，改变参考光纤光栅5的反射光谱中心波长至λ₃，并与待测光纤光栅反射信号的反射光谱中心波长λ₁满足使测量计算机8中的光功率比值信号与待测光纤光栅反射信号的中心波长的变化关系是线性的，与传统的基于匹配光栅法的光纤布拉格光栅传感器信号解调方法相比，简化了信号处理过程，进一步提升了解调速度、分辨力和精度；本发明的技术效果突出。

Claims (1)

1.一种基于线性工作匹配光栅法的光纤布拉格光栅传感器信号解调方法，其特征在于：所述方法是：待测光纤光栅反射信号通过待测光纤光栅反射信号输入端口经过隔离器和50∶50光纤耦合器后，一部分直接进入光功率探测器A，另一部分进入参考光纤光栅后，待测光纤光栅反射信号光谱与参考光纤光栅反射光谱重叠部分被反射，反射信号再次经50∶50光纤耦合器进入光功率探测器B，光功率计将光功率探测器A和光功率探测器B的信号做除法计算后转化为光功率比值电信号后送入测量计算机，在待测光纤光栅反射信号的中心波长变化时，测量计算机中的光功率比值随之改变，从而建立待测光纤光栅反射信号光谱中心波长变化与光功率比值变化的关系；在测量前，参考光纤光栅的初始反射光谱中心波长λ₂应小于待测光纤光栅反射信号的反射光谱中心波长λ₁，通过预应力调整装置对参考光纤光栅施加拉力，改变参考光纤光栅的反射光谱中心波长至λ₃，满足使测量计算机中的光功率比值信号与待测光纤光栅反射信号的中心波长的变化关系是线性的，光功率计将光功率探测器A和光功率探测器B的信号做除法计算后抑制环境温度漂移对测量的影响，实现无温度耦合的光纤布拉格光栅传感器信号解调。