CN106153225A - 基于微波光子滤波器的光纤布拉格光栅横向压力传感器系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微波光子滤波器的光纤布拉格光栅横向压力传感器系统及其测量方法。系统包括宽带光源、电光强度调制器、光纤耦合器、光纤布拉格光栅、光纤偏振分束器、可调光纤延时线、可调光纤衰减器、色散补偿光纤、光电探测器和矢量网络分析仪。当光纤布拉格光栅受到横向压力作用时，由于双折射效应会反射两束不同中心波长的光信号，分别对应不同偏振方向。当横向压力发生变化时会引起两束反射光的中心波长差发生变化，从而改变微波光子陷波滤波器的谐振频率。通过矢量网络分析仪测量该滤波器的频率响应曲线得到谐振中心频率来实现对横向压力的测量。本发明具有高分辨率、灵敏度可调并且能够实现防电磁干扰的远距离横向压力测量的优点。

Description

基于微波光子滤波器的光纤布拉格光栅横向压力传感器系统 及测量方法

技术领域

本发明属于光纤传感领域，特别涉及一种基于微波光子滤波器的光纤布拉格光栅横向压力传感系统及其测量方法。

背景技术

光纤布拉格光栅传感器属于一种重要的波长调制型光纤传感器。基于光纤布拉格光栅的传感过程是，当光纤布拉格光栅受到温度及应变作用时，其中心波长会发生线性变化，因此通过检测波长的移动即可还原温度和应变等物理参数的信息。光纤布拉格光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中，对结构同时进行健康检测、冲击检测、以及监测结构的缺陷情况等。与传统的电气传感器相比，光纤布拉格光栅传感器具有不受电磁干扰影响、抗腐蚀性强、灵敏度高、反应速度快、可复用性强、以及探头尺寸小等优势而备受人们关注。

目前大多数光纤布拉格光栅传感器主要用于检测沿着光纤轴向作用的应力，然而在结构健康检测、冲击检测等应用场合，人们还对光纤布拉格光栅用于横向压力的测量提出了要求。然而，在横向压力作用下，光纤布拉格光栅的光谱变化并非简单的波长移动，而是发生展宽或者分裂，理论上通过测量光谱分裂后的两个峰值的中心波长差就可以实现横向压力的测量。然而，由于光纤布拉格光栅的横向压力灵敏度非常低，加之常见的光谱分析仪的波长分辨率只有十几pm，因而传统的采用光谱分析仪的光纤布拉格光栅传感解调方案无法精确地测量横向压力，并且难以实施和实用化。

发明内容

本发明的目的是克服已有技术的不足之处，提供可实现高分辨率横向压力测量的光纤布拉格光栅传感器系统及其测量方法。通过将光纤布拉格光栅因横向压力造成的光域的中心波长差转换成电域的微波陷波滤波器的谐振频率的移动，实现对作用在光纤布拉格光栅上的横向压力的精确测量。与传统的基于光谱分析的横向压力解调方案相比，本发明可以大大提高光纤布拉格光栅传感器的横向压力灵敏度，并具有高分辨率、高信噪比、测量范围大的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于微波光子滤波器的光纤布拉格光栅横向压力传感器系统，包括宽带光源、电光强度调制器、第一光纤耦合器、光纤布拉格光栅、光纤偏振分束器、可调光纤延时线、可调光纤衰减器、第二光纤耦合器、色散补偿光纤、光电探测器和矢量网络分析仪；所述电光强度调制器的光输入端与宽带光源的输出端相连，所述电光强度调制器的输出端口与第一光纤耦合器的一个输入端口相连，所述电光强度调制器的射频输入端与矢量网络分析仪的射频输出端口相连；所述第一光纤耦合器的输出端与光纤布拉格光栅相连，所述第一光纤耦合器的另一个输入端口与光纤偏振分束器的输入端相连；所述光纤偏振分束器的一个输出端连接可调光纤延时线的输入端，另外一个输出端连接可调光纤衰减器的输入端；所述第二光纤耦合器的两个输入端分别连接可调光纤谐延时线的输出端和可调光纤衰减器的输出端，所述第二光纤耦合器的输出端与色散补偿光纤的输入端相连；所述色散补偿光纤的输出端与光电探测器的输入端相连，所述光电探测器的输出端与矢量网络分析仪的输入端相连。

上述基于微波光子滤波器的光纤布拉格光栅横向压力传感器系统的测量方法，包括如下步骤：宽谱光源输出的宽带光谱经过电光强度调制器被矢量网络分析仪所发出的微波信号调制，获得调制信号，随后经过第一光纤耦合器输入到加了横向负载的传感光纤布拉格光栅上；从光纤布拉格光栅反射回来的光信号再次经过第一光纤耦合器，随后输入到光纤偏振分束器，经过光纤偏振分束器的作用将该信号分离成两束对应不同偏振方向的光信号，其中一束光信号沿着可调光纤延时线传输，另一束光信号沿着可调光纤衰减器传输，这两个路径传输的光信号通过第二光纤耦合器再次汇聚到一起并进入到色散补偿光纤进行进一步的采样和时延，最后进入光电探测器恢复得到电信号；通过矢量网络分析仪进行微波电信号频率的扫描，并通过内置的电功率计测量恢复电信号的功率，测量并记录频率响应谱线，获得谐振频率，所述谐振频率为电功率计测得的功率值的极小点所对应的微波电信号频率，根据所述谐振频率的频率移动值与被测横向压力值的对应关系，求取被测横向压力信号的大小。

从上述技术方案可以看出，本发明的效果和益处是：

本发明采用基于光纤布拉格光栅、偏振分束器和色散光纤相结合的结构，实现微波光子陷波滤波器；传感光纤布拉格光栅上作用的横向压力将导致其产生两个不同中心波长的光纤布拉格光栅，分别对应于两个相互正交的偏振态，横向压力的变化将引起上述两个光纤布拉格光栅的中心波长差发生变化，经过长距离的色散补偿光纤的作用后，两个光信号的中心波长差的变化会造成它们传播时延差发生改变，从而改变了该微波光子滤波器的自由光谱范围以及谐振频率。通过光电探测器恢复出电信号并通过矢量网络分析仪测得该谐振频率来最终实现横向压力的测量。本发明是将光域内光纤布拉格光栅反射光谱的中心波长变化的测量转变为电域内微波信号频率的测量，因而具有很高的分辨率，即可探测非常微小的横向压力值。本发明还具有灵敏度高以及方便可调的特点，并且能够实现防电磁干扰的远距离横向压力测量。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明在不同的时延差的条件下产生的微波光子滤波器的频率响应谱线；

图3为本发明在不同横向压力作用下微波光子滤波器的频率响应谱线；

图4为放大后的第一个谐振频率随不同横向压力的变化曲线；

图5为横向压力值与微波光子滤波器的第一个谐振频率之间的关系图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种基于微波光子滤波器的光纤布拉格光栅横向压力传感系统，采用普通单模光纤制作的光纤布拉格光栅作为传感单元，其包括宽带光源1、电光强度调制器2、第一光纤耦合器3、光纤布拉格光栅4、光纤偏振分束器5、可调光纤延时线6、可调光纤衰减器7、第二光纤耦合器8、色散补偿光纤9、光电探测器10和矢量网络分析仪11。

参考图1所示，电光强度调制器2的光输入端与宽带光源1的输出端相连，其输出端口与第一光纤耦合器3的一个输入端口相连，其射频输入端与矢量网络分析仪11的射频输出端口相连；光纤布拉格光栅4与第一光纤耦合器3的输出端相连；光纤偏振分束器5的输入端与第一光纤耦合器3的另一个输入端口相连，光纤偏振分束器5的一个输出端连接可调光纤延时线6的输入端，另外一个输出端连接可调光纤衰减器7的输入端；第二光纤耦合器8的两个输入端分别连接可调光纤谐延时线6的输出端和可调光纤衰减器7的输出端；色散补偿光纤9的输入端与第二光纤耦合器8的输出端相连；光电探测器10的输入端与色散补偿光纤9的输出端相连；矢量网络分析仪11的输入端与光电探测器10的输出端相连。其中光电探测器10与矢量网络分析仪11之间、矢量网络分析仪11与电光强度调制器2之间用标准射频连接线连接，其余器件之间用标准单模光纤连接。

为进一步详细说明本发明的技术方案原理，下面对本发明的工作原理做进一步说明：

宽带光源1产生的光进入电光强度调制器2进行强度调制，调制后的光信号通过第一光纤耦合器3进入光纤布拉格光栅4，当光纤布拉格光栅4受到横向压力作用时，双折射效应会使其反射两束不同中心波长、并且偏振态相互正交的光信号。这两束光信号再次经过第一光纤耦合器3输入到光纤偏振分束器5，经过光纤偏振分束器5后分别沿着不同的路径传输，其中一路光信号输入到可调谐光纤延时线6，由光纤延时线产生预置的时延。另外一路光信号连接可变衰减器7，通过调节可变衰减器以保证两路光信号功率近似相等，目的是获取最大的陷波深度，以提高横向压力传感的分辨率。两路光信号随后在第二光纤耦合器8输出端重新汇聚到一起，并输入到一段色散补偿光纤9当中，经过长距离的色散补偿光纤9的作用，两束光信号的传输时间再次引入新的时延差，显然，横向压力的变化将引起上述两个光纤布拉格光栅的中心波长差发生变化，而两个光信号的中心波长差的变化又会造成他们经过整个链路的时延发差发生改变，从而最终改变了该微波光子滤波器的自由光谱范围和谐振频率。通过光电探测器10恢复出电信号，并利用矢量网络分析仪11进行该滤波器频率响应曲线的测量，通过跟踪谐振频率的变化来实现对被测横向压力的测量。其中，第一个谐振频率的值与横向压力的关系可以按如下方法获得：首先，两个新产生的光纤布拉格光栅其中心波长差与横向压力的关系可以表示为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}=-2n^2{\mathrm{\λ}}_B\frac{1+\mathrm{\υ}}{\mathrm{\π}lbE}(p_{11}-p_{12})\·F---\left(1\right)$

其中，n是光纤的有效折射率，λ_B是光栅的初始中心波长，p₁₁和p₁₂是光纤的弹光系数，E是杨氏模量，υ是柏松比，F是横向压力，l为受力光纤的长度，b是光纤的半径。假设可调光纤延时线6预置的初始时延为ΔT₀，而由色散补偿光纤9造成的时延差为ΔT₁，假设色散补偿光纤的色散量为k(ps/nm)，则两束光信号之间总的时延差可表示为：

ΔT_d＝ΔT₀+ΔT₁＝ΔT₀+k·Δλ (2)

可以看出，这种结构形成了一个典型的2抽头滤波器。将(2)带入(1)，再利用微波光子2抽头滤波器的基本原理可以得到第一个谐振频率的频率移动与横向压力变化的关系为：

${\mathrm{\Δf}}_{notch}=\frac{1}{2}(\frac{1}{{\mathrm{\ΔT}}_d}-\frac{1}{{\mathrm{\ΔT}}_0})\≈\frac{1}{2}\frac{k\·C}{{\left({\mathrm{\ΔT}}_0\right)}^2}F---\left(3\right)$

其中对于公式(3)来说，只要设定初始时延为ΔT₀远大于ΔT₁，就可以获得谐振频率的移动与横向压力成线性关系的特性，从而非常适合传感应用。

图2为系统在不同的预设时延差的条件下产生的滤波器频率响应谱线，可以看到，两个抽头的时延差越大，则自由光谱范围越小，谐振频率的值也越小。事实上，滤波器的谐振频率的大小与时延差成反比关系。

图3为本发明在不同横向压力作用下滤波器的频率响应图，不同的横向压力使光纤布拉格光栅的两个谐振峰之间的波长间隔发生变化，从而造成总的时延发生变化，最终实现了光域的光纤布拉格光栅中心波长差的变化转换成电域的微波光子滤波器的谐振频率的移动。

图4为放大后的滤波器的第一个谐振频率随横向压力的变化曲线，从图中可以看到，随着横向压力的增加，谐振频率会发生红移。理论上来说，在系统工作带宽内的其他更高频率的谐振频率同样会随着横向压力的增加而红移，但是本发明选取第一个谐振频率点作为测量点的好处是它工作在较低的频率处，对系统的器件和仪器的要求比较低。并且，由于长距离光纤传输往往存在色散造成的高频信号的衰减问题，因此选取频率最低的第一个谐振频率作为测量点可以获得更高的稳定性和信噪比，从而获得更好的测量精度。

图5为横向压力与系统产生的滤波器的第一个谐振频率之间的关系图。从关系图看出，通过测得的谐振频率可以得知加载在光纤布拉格光栅上的横向压力大小，即通过微波频率解码实现了传感功能。

应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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，所做的任何修改和替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于微波光子滤波器的光纤布拉格光栅横向压力传感器系统，其特征在于，包括宽带光源、电光强度调制器、第一光纤耦合器、光纤布拉格光栅、光纤偏振分束器、可调光纤延时线、可调光纤衰减器、第二光纤耦合器、色散补偿光纤、光电探测器和矢量网络分析仪；所述电光强度调制器的光输入端与宽带光源的输出端相连，所述电光强度调制器的输出端口与第一光纤耦合器的一个输入端口相连，所述电光强度调制器的射频输入端与矢量网络分析仪的射频输出端口相连；所述第一光纤耦合器的输出端与光纤布拉格光栅相连，所述第一光纤耦合器的另一个输入端口与光纤偏振分束器的输入端相连；所述光纤偏振分束器的一个输出端连接可调光纤延时线的输入端，另外一个输出端连接可调光纤衰减器的输入端；所述第二光纤耦合器的两个输入端分别连接可调光纤谐延时线的输出端和可调光纤衰减器的输出端，所述第二光纤耦合器的输出端与色散补偿光纤的输入端相连；所述色散补偿光纤的输出端与光电探测器的输入端相连，所述光电探测器的输出端与矢量网络分析仪的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的基于微波光子滤波器的光纤布拉格光栅横向压力传感器系统，其特征在于，所述光电探测器与矢量网络分析仪之间、矢量网络分析仪与电光强度调制器之间采用标准射频连接线连接，其余器件之间采用标准单模光纤连接。

3.如权利要求1所述基于微波光子滤波器的光纤布拉格光栅横向压力传感器系统的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

宽谱光源输出的宽带光谱经过电光强度调制器被矢量网络分析仪所发出的微波信号调制，获得调制信号，随后经过第一光纤耦合器输入到加了横向负载的传感光纤布拉格光栅上；从光纤布拉格光栅反射回来的光信号再次经过第一光纤耦合器，随后输入到光纤偏振分束器，经过光纤偏振分束器的作用将该信号分离成两束对应不同偏振方向的光信号，其中一束光信号沿着可调光纤延时线传输，另一束光信号沿着可调光纤衰减器传输，这两个路径传输的光信号通过第二光纤耦合器再次汇聚到一起并进入到色散补偿光纤进行进一步的采样和时延，最后进入光电探测器恢复得到电信号；通过矢量网络分析仪进行微波电信号频率的扫描，并通过内置的电功率计测量恢复电信号的功率，测量并记录频率响应谱线，获得谐振频率，所述谐振频率为电功率计测得的功率值的极小点所对应的微波电信号频率，根据所述谐振频率的频率移动值与被测横向压力值的对应关系，求取被测横向压力信号的大小。

4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，所述谐振频率的频率移动值Δf_notch与被测横向压力值F的对应关系为：

${\mathrm{\Δf}}_{notch}\≈\frac{1}{2}\frac{k\·C}{{\left({\mathrm{\ΔT}}_0\right)}^2}F$

其中n是光纤的有效折射率，λ_B是光栅的初始中心波长，p₁₁和p₁₂是光纤的弹光系数，E是杨氏模量，υ是柏松比，l为受力光纤的长度，b是光纤的半径，ΔT₀为可调光纤延时线预置的初始时延值，k为色散补偿光纤的色散量。