CN105241592A - 基于多通道dwdm技术的新型波长解调器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多通道DWDM技术的新型波长解调器，包括压力校验台、光纤光栅弹簧管压力传感器、八通道DWDM、光电探测与显示系统、数据处理系统、反射光纤光栅、光纤光谱分析仪(OSA)和宽带光源。本发明以8通道50G密集型波分复用器作为光纤光栅压力传感器中的解调工具，依据各个通道的中心波长作为波长的标定基准，利用从各通道中获得的光功率输出值获得光纤光栅反射光谱分布曲线的包络，并以高斯多项式拟合法作为光纤光栅波长寻峰算法，最终获得光纤光栅反射光谱的中心波长的准确位置，从而实现结构简洁、成本低廉、全光纤的波长解调系统。

Description

基于多通道DWDM技术的新型波长解调器

技术领域

本发明涉及波长调节器领域，具体涉及一种基于多通道DWDM技术的新型波长解调器。

背景技术

压力仪表在工业生产中具有重要作用和地位。在研究各类压力测量仪表中光纤光栅压力传感器的研制与开发对于石油、石化等对安全防爆等级要求高的行业具有特殊的作用和价值。多年来围绕光纤光栅压力传感器的研制与开发中一项核心技术就是选择与这种传感器相适应的解调方式。围绕解调方式，国内外专家先后提出了可调法布里-珀罗(F-P)滤波器法、可调谐激光器波长扫描法、非平衡马赫-曾德尔干涉仪解调法、压电陶瓷(PZT)匹配光纤光栅滤波法等多种波长解调方法。这些解调方案有不同的优缺点，但整体来讲系统成本高、技术复杂是共性的问题，这在一定程度上制约了光纤光栅类仪表的发展。近年来作为结构简单、低成本解调方法的边缘解调被广泛加以采用，重庆大学饶云江、中科院半导体所田珂珂、浙江大学乔文、哈尔滨理工大学张剑、承德石油高等专科学校的杨洋等先后提出利用长周期光纤光栅、带通滤波器、波分复用器(WDM)作为解调器，并进行了一些尝试，这类解调方式具有操作简单和价格低廉等优点，但波分复用器解调从本质上是一种强度解调，与真正意义上的波长解调相比，这种强度解调受外界环境及光源等测试系统影响较大，相对于波长解调方式，测量精度较低，其研究成果大多只能停留在实验室内，很难实现产品的工业化生产。长期以来在实现波长解调同时实现低成本的解调方式成为对于科技工作者来说是一件具有挑战性的研究内容。

光纤光栅压力传感器中波长解调的最核心内容就是通过一定的方式获得光纤光栅反射光谱的中心波长。实验显示，作为光纤光栅反射窄带光谱本身也有一定的谱宽度，当它对应密集波分复用器DWDM时，当窄带光谱的中心波长移动到DWDM某一个信道端口时，在这个信道端口上可以得到最大的光功率输出，因此DWDM对光纤光栅反射的窄带光谱的中心波长首先具有波长选择性探测器的作用；但当两个相邻信道的波长间隔较小时，就会出现当某一信道出现主极大强度时，作为其相邻信道端口会出现次极大和再次极大强度，而那些远离的信道端口也会有一定的强度输出。因此借助DWDM，还可以得到各个信道中所出现的强度分布的作用。伴随着压力的改变，FBG反射光谱中心波长会产生移动，DWDM的各个信道强度分布会随着发生改变，此时所形成的新的包络中心应该与反射窄带光谱的中心是一致的。因此如果借助DWDM来获得8个信道中出现的反射光谱的强度分布，并能通过一定的方式来找到强度分布曲线的峰值位置就实现了反射光谱中心波长精确测量的目的。

显然要实现上述目的，一是波分复用器要信道间隔要尽量小，二是光纤光栅反射光谱宽度不能太窄。因此选择合理的DWDM参数及光纤光栅参数就成为实现波长解调的关键因素。

发明内容

本发明提供了一种结构简洁、成本低廉、全光纤的基于多通道DWDM技术的新型波长解调器，并提供了一种新型波长解调方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

基于多通道DWDM技术的新型波长解调器，包括压力校验台、光纤光栅弹簧管压力传感器、八通道DWDM、光电探测与显示系统、数据处理系统、反射光纤光栅、光纤光谱分析仪(OSA)和宽带光源，反射光纤光栅安装在光纤光栅弹簧管压力传感器内，并构成光纤光栅弹簧管压力传感器，光纤光栅弹簧管压力传感器安装在压力校验台上方，压力校验台上还安装有一标准压力表，标准压力表与光纤光栅弹簧管压力测试系统的内部相连通，因此可以根据实验需要得到加在光纤光栅压力传感器上的压力，当压力较验台上的标准压力表中的压力从0开始，每次增加0.3MPa，直至6MPa时，反射光纤光栅通过耦合器与宽带光源、八通道DWDM相连，光纤光谱分析仪(OSA)用来监测从反射光纤光栅返回且进入八通道DWDM之前的光信号的波长移动情况，八通道DWDM的8个端口与光电探测与显示系统相连，数据处理系统接收光电探测与显示系统的检测信息进行数据分析，并通过高斯多项式拟合法作为光纤光栅波长寻峰算法获得光纤光栅反射中心波长和所对应的压力值。

其中，八通道DWDM的8个端口的中心波长分别为1552.6nm，1552.2nm，1551.8nm，1551.3nm，1550.96nm，1550.51nm，1550.11nm，1549.75nm。

其中，宽度光源采用功率为100mw的ASE宽带光源。

其中，反射光纤光栅的反射谱半宽度B_w＝0.52nm，压力从0到6MPa时所对应的光纤光栅反射光谱中心波长从1552.37nm移动到1550.69nm。

本发明具有以下有益效果：

以8通道50G密集型波分复用器作为光纤光栅压力传感器中的解调工具，依据各个通道的中心波长作为波长的标定基准，利用从各通道中获得的光功率输出值获得光纤光栅反射光谱分布曲线的包络，并以高斯多项式拟合法作为光纤光栅波长寻峰算法，最终获得光纤光栅反射光谱的中心波长的准确位置，从而实现结构简洁、成本低廉、全光纤的波长解调系统。

附图说明

图1为本发明实施例基于多通道DWDM技术的新型波长解调器的结构框图。

图2为本发明实施例中压力在5.7MPa所对应的拟合曲线。

图3为本发明实施例中压力2.7MPa所对应的拟合曲线。

图4为本发明实施例中压力在1.5MPa所对应的拟合曲线。

图5为本发明实施例中压力2.5MPa所对应的拟合曲线。

图6为本发明实施例中传感器1的压力与波长变化关系曲线。

图7为本发明实施例中传感器2的压力与波长变化关系曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合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。

如图1所示，本发明实施例提供了基于多通道DWDM技术的新型波长解调器，包括压力校验台、光纤光栅弹簧管压力传感器、八通道DWDM、光电探测与显示系统、数据处理系统、反射光纤光栅、光纤光谱分析仪(OSA)和宽带光源，反射光纤光栅安装在光纤光栅弹簧管压力传感器内，并构成光纤光栅弹簧管压力传感器，光纤光栅弹簧管压力传感器安装在压力校验台上方，压力校验台上还安装有一标准压力表，标准压力表与光纤光栅弹簧管压力测试系统的内部相连通，因此可以根据实验需要得到加在光纤光栅压力传感器上的压力，当压力较验台上的标准压力表中的压力从0开始，每次增加0.3MPa，直至6MPa时，反射光纤光栅通过耦合器与宽带光源、八通道DWDM相连，光纤光谱分析仪用来监测从反射光纤光栅返回且进入八通道DWDM之前的光信号的波长移动情况，八通道DWDM的8个端口与光电探测与显示系统相连，数据处理系统接收光电探测与显示系统的检测信息进行数据分析，并通过高斯多项式拟合法作为光纤光栅波长寻峰算法获得光纤光栅反射中心波长和所对应的压力值。

本具体实施中光纤光栅波长寻峰算法所采用的是高斯多项式拟合法，原理如下：

设定光纤光栅的反射光功率密度谱曲线可以用高斯函数近似表示：

R(λ，λ₀)＝R₀exp[-α(λ-λ₀)²](1)

式中：R₀为峰值反射率，α＝4ln2/h²为FBG常数，h为FBG半宽度，λ₀为FBG中心波长，也就是图2中主峰的横坐标位置。

对(1)式两边取对数后有：

y＝lnR(2)

并定义：a＝-4ln2/h²b＝8ln2λ₀/h²c＝lnR₀-4ln2(λ₀/h)²

则(1)式可化为：

y＝aλ²+bλ+c(3)

再利用多项式拟合法，得到

${\mathrm{\λ}}_0=-\frac{b}{2a}---\left(4\right)$

显然，通过对数变换，原来的对数分布变成了一个以波长为横坐标，光强度为纵坐标的一个二次多项式的抛物线方程，而这个抛物线方程的极值位置就是中心波长值。

实施例

第一个传感器的测试数据如表1所示。

表1传感器1实验测试数据

图2-3是依据表1中的实验数据得到压力在5.7MPa和2.7MPa时利用高斯多项式拟合法所获得的拟合曲线。其中纵坐标的单位是nw取对数。

为了进一步说明这种方法的有效性，这里改用另一个传感器2，使其结构参数、初始条件和步长都做了相应的改变，但光纤光栅不变，也就是反射光谱的半宽度不变，压力从0到，3MPa时所对应的光纤光栅反射光谱中心波长从1551.06nm移动到1550.05nm。表2给出了实验测试数据：

表2传感器2测试数据

如图4、图5是依据表2中的实验数据得到传感器2在压力为1.5MPa和2.5MPa时利用高斯多项式拟合法所获得的拟合曲线。

为了考察波长随压力变化的整体关系，我们用图6、图7分别给出波长随压力变化的关系曲线：

图中两条曲线的线性回归方程分别为：

y＝-0.3x+1552.3(5)

y＝-0.3x+1551.0(6)

上述两条实验曲线的线性拟合度分别为0.9965和0.9921。

为了定量检验这种解调方法的准确性和可靠性，这里通过表3和表4的测试结果对其进行验证，表3和表4分别给出了传感器1、2测试中光谱仪所显示的波长值和通过这一解调系统所获得实验结果的波长值。表中波长移动值都是相对于压强为OMPa时所对应的初始波长值的。

表3传感器1的实验测试结果

表4传感器2的实验测试结果

显然，上述四组实验结果的最大引用误差为2.7％。

实验研究表明，8个信道的输出功率值一般达到0.7nw以上的数据才能被称为有效数据，而当数据小于0.7nw以下的数据中很大一部分是噪声部分，对实验曲线的确定基本不起作用，因此属于非有效数据，也正因为如此一方面在表1中小于0.7nw的实验数据一般只取两位即可，另一方面在图3～6中实验曲线一般只取有效数据；此外，过去当我们选用的半宽度为0.1～0.2nm时光纤光栅时，8个信道的输出功率值中一般只有2～3个是有效的，而在本次实验中调整了光纤光栅的半宽度在0.52nm后，使得8个信道的输出功率值中一般可以有4个以上是有效的，这对于利用高斯多项式进行曲线拟合从而获得极值位置，也就是光纤光栅反射中心波长的位置是非常重要的；实验还显示有效数据点与高斯多项式拟合法所得到的抛物线方程高度吻合；表1、表2的实验数据还显示，改变传感器的技术参数不会影响这种解调方式的有效性；无论是表1还是表2中的实验数据均显示波长改变值与压力成比较好的线性关系，说明用这种方法实现解调是可行的，实验结果显示引用误差不超过3％。

与传统的波长解调方法相比，这种新型解调方法的最大的优势在于不需要通过电控扫描方式实现F-P腔、压电陶瓷、可调谐激光器方式等解调过程，从而使得解调部分完全不需要任何电信号，同时具有结构简单、成本低廉的特点；而与强度解调WDM相比，由于是波长解调，因此这种新型解调方式不用担心由于强度的波动而影响测试结果，同时也不会因传感器的参数及初始条件的改变而需要经常对传感器进行重新定标。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.基于多通道DWDM技术的新型波长解调器，其特征在于，包括压力校验台、光纤光栅弹簧管压力传感器、八通道DWDM、光电探测与显示系统、数据处理系统、反射光纤光栅、光纤光谱分析仪和宽带光源，反射光纤光栅安装在光纤光栅弹簧管压力传感器内，并构成光纤光栅弹簧管压力传感器，光纤光栅弹簧管压力传感器安装在压力校验台上方，压力校验台上还安装有一标准压力表，标准压力表与光纤光栅弹簧管压力测试系统的内部相连通，反射光纤光栅通过耦合器与宽带光源、八通道DWDM相连，光纤光谱分析仪用来监测从反射光纤光栅返回且进入八通道DWDM之前的光信号的波长移动情况，八通道DWDM的8个端口与光电探测与显示系统相连，数据处理系统接收光电探测与显示系统的检测信息进行数据分析，并通过高斯多项式拟合法作为光纤光栅波长寻峰算法获得光纤光栅反射中心波长和所对应的压力值。

2.根据权利要求1所述的基于多通道DWDM技术的新型波长解调器，其特征在于，八通道DWDM的8个端口的中心波长分别为1552.6nm，1552.2nm，1551.8nm，1551.3nm，1550.96nm，1550.51nm，1550.11nm，1549.75nm。

3.根据权利要求1所述的基于多通道DWDM技术的新型波长解调器，其特征在于，宽度光源采用功率为100mw的ASE宽带光源。

4.根据权利要求1所述的基于多通道DWDM技术的新型波长解调器，其特征在于，反射光纤光栅的反射谱半宽度B_w＝0.52nm，压力从0到6MPa时所对应的光纤光栅反射光谱中心波长从1552.37nm移动到1550.69nm。