CN106643840A - 一种基于双阵列波导光栅的光纤光栅传感器解调装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双阵列波导光栅的光纤光栅传感器解调装置，包括：光源、光环形器、光分路器、第一阵列波导光栅、第二阵列波导光栅、第一光信号探测器、第二光信号探测器和信号采集处理单元；所述第一阵列波导光栅包括n个通道，每个通道与其相对应的第一光信号探测器相连接，n个第一光信号探测器与所述信号采集处理单元相连接；所述第二阵列波导光栅包括n个通道，每个通道与其相对应的第二光信号探测器相连接，n个第二光信号探测器与所述信号采集处理单元相连接。本发明能够实现高动态范围的连续波长解调。
Description
技术领域
本发明涉及传感器解调技术领域，尤其涉及一种基于双阵列波导光栅的光纤光栅传感器解调装置。
背景技术
FBG传感系统已广泛应用于建筑物健康状态、复合材料工作状态的实时检测，电缆、管道的遥感测试，电力系统中的电磁测量等诸多领域。其中，FBG解调仪是FBG传感系统中的核心设备，其性能直接影响FBG传感系统的测量精度、测量范围、采样频率。基于阵列波导光栅(AWG)的FBG解调设备通过AWG芯片相邻通道输出光信号强度比得到对应的FBG中心波长，可以高精度、高速实现FBG中心波长解调，同时具有很强的波分复用能力，是一种新兴的FBG解调装置。但该AWG解调装置不能实现高动态范围的连续波长解调：当FBG中心波长靠近AWG通道中心波长时，仅能在AWG芯片一个通道输出端测量得到光信号，不能实现波长解调；导致在多个AWG通道构成的解调范围内存在多个盲区，限制了AWG解调设备的动态解调范围。
发明内容
本发明解决的技术问题是：相比于现有技术，提供了一种基于双阵列波导光栅的光纤光栅传感器解调装置，能够实现高动态范围的连续波长解调。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种基于双阵列波导光栅的光纤光栅传感器解调装置，包括：光源、光环形器、光分路器、第一阵列波导光栅、第二阵列波导光栅、第一光信号探测器、第二光信号探测器和信号采集处理单元；其中，所述第一阵列波导光栅的相邻通道间隔和所述第二阵列波导光栅的相邻通道间隔都为L，所述第一阵列波导光栅和所述第二阵列波导光栅的通道中心波长偏移量为L/2～L/10；所述光源发出的光信号经所述光环形器入射至FBG传感器，FBG传感器将入射光信号变为反射光信号传输给所述光环形器，所述光环形器将反射光信号传输给所述光分路器，被所述光分路器均匀分成第一路光和第二路光，第一路光进入第一阵列波导光栅，第二路光进入第二阵列波导光栅；当FBG传感器反射光信号的中心波长位于第一阵列波导光栅的通道N的中心波长和通道N+1的中心波长之间时，反射光信号分别由第一阵列波导光栅通道N和通道N+1输出，与通道N相对应的第一光信号探测器探测出通道N输出的光强，并将通道N输出的光强转换为第一电压，与通道N+1相对应的第一光信号探测器探测出通道N+1输出的光强，并将通道N+1输出的光强转换为第二电压，然后通过所述信号采集处理单元采集到第一电压和第二电压，根据第一电压和第二电压得到相邻通道输出光强对数比，并根据已知的相邻通道输出光强对数比与FBG传感器反射光信号中心波长间的关系得到FBG传感器反射光信号中心波长；其中，N＝1、2、……n-1；当FBG传感器反射光信号的中心波长位于第一阵列波导光栅的通道N的中心波长时，由所述第一阵列波导光栅和所述第二阵列波导光栅的通道中心波长偏移量为L/2～L/10可知，FBG传感器反射光信号的中心波长位于第二阵列波导光栅的通道N的中心波长和通道N+1的中心波长之间，反射光信号分别由第二阵列波导光栅通道N和通道N+1输出，与第二阵列波导光栅的通道N相对应的第二光信号探测器探测出通道N输出的光强，并将第二阵列波导光栅的通道N输出的光强转换为第三电压，与第二阵列波导光栅的通道N+1相对应的第二光信号探测器探测出通道N+1输出的光强，并将第二阵列波导光栅的通道N+1输出的光强转换为第四电压，然后通过所述信号采集处理单元采集到第三电压和第四电压，根据第三电压和第四电压得到相邻通道输出光强对数比，并根据已知的相邻通道输出光强对数比与FBG传感器反射光信号中心波长间的关系得到FBG传感器反射光信号中心波长；其中，N＝1、2、……n-1。
上述基于双阵列波导光栅的光纤光栅传感器解调装置中，所述第一阵列波导光栅包括n个通道，每个通道与其相对应的第一光信号探测器相连接，n个第一光信号探测器与所述信号采集处理单元相连接；所述第二阵列波导光栅包括n个通道，每个通道与其相对应的第二光信号探测器相连接，n个第二光信号探测器与所述信号采集处理单元相连接。
上述基于双阵列波导光栅的光纤光栅传感器解调装置中，所述光源与所述光环形器的A端相连接，所述光环形器的C端与光分路器的输入端相连接，光分路器的一个输出端与第一阵列波导光栅相连接，光分路器的另一个输出端与第二阵列波导光栅相连接，所述光环形器的B端与FBG传感器相连接。
上述基于双阵列波导光栅的光纤光栅传感器解调装置中，所述光源为宽带光源，用于提供近红外波段的宽带光信号。
上述基于双阵列波导光栅的光纤光栅传感器解调装置中，所述第一阵列波导光栅为高斯型阵列波导光栅或平坦型阵列波导光栅。
上述基于双阵列波导光栅的光纤光栅传感器解调装置中，所述第二阵列波导光栅为高斯型阵列波导光栅或平坦型阵列波导光栅。
上述基于双阵列波导光栅的光纤光栅传感器解调装置中，所述第一光信号探测器为光电二极管构成的探测器或CCD。
上述基于双阵列波导光栅的光纤光栅传感器解调装置中，所述第二光信号探测器为光电二极管构成的探测器或CCD。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明采用两个通道中心波长偏移量不同的AWG，其分别对应的多段梳状波长解调范围相互衔接，组成连续谱带，能够覆盖整个波长解调范围；
(2)本发明在确定FBG传感器的反射光信号中心波长所在区域后，即可采用该区域对应的AWG的两个相邻通道对单个FBG传感器进行波长解调，继承了AWG解调方法的高精度、高速特性，也能够通过两个AWG解调范围的互补，由多个AWG相邻通道提高FBG传感器解调动态范围。
附图说明
图1是本发明的基于双阵列波导光栅的光纤光栅传感器解调装置的示意图；
图2是本发明的第一阵列波导光栅部分通道透射光谱分布示意图；
图3是本发明的阵列波导光栅相邻通道透射谱与FBG传感器反射谱示意图；
图4是本发明的阵列波导光栅相邻通道输出光强对数比随FBG传感器反射光信号中心波长分布；
图5是本发明的第一阵列波导光栅和第二阵列波导光栅部分通道透射光谱示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
图1是本发明的基于双阵列波导光栅的光纤光栅传感器解调装置的示意图。如图1所示，该基于双阵列波导光栅的光纤光栅传感器解调装置包括：光源1、光环形器2、光分路器3、第一阵列波导光栅4、第二阵列波导光栅5、第一光信号探测器61、第二光信号探测器62、信号采集处理单元7和FBG传感器8。具体实施时，光分路器3为Y分支波导，为光源1为宽带光源，用于提供近红外波段的宽带光信号。第一阵列波导光栅4和第二阵列波导光栅5均为高斯型阵列波导光栅或平坦型阵列波导光栅。第一光信号探测器61和第二光信号探测器62均为光电二极管构成的探测器或CCD。需要说明的是，光分路器3还可以为光开关、1×2光纤耦合器等。其中，
光源1与光环形器2的A端相连接，光环形器2的C端与Y分支波导3的输入端相连接，Y分支波导3的一个输出端与第一阵列波导光栅4相连接，Y分支波导3的另一个输出端与第二阵列波导光栅5相连接，光环形器2的B端与FBG传感器8相连接。
第一阵列波导光栅4包括n个通道，每个通道与其相对应的第一光信号探测器61相连接，n个第一光信号探测器61与信号采集处理单元7相连接；
第二阵列波导光栅5包括n个通道，每个通道与其相对应的第二光信号探测器62相连接，n个第二光信号探测器62与信号采集处理单元7相连接；
第一阵列波导光栅4的相邻通道间隔和第二阵列波导光栅5的相邻通道间隔都为L，第一阵列波导光栅4和第二阵列波导光栅5的通道中心波长偏移量为L/2～L/10；
光源1发出的光信号经所述光环形器2入射至所述FBG传感器8，FBG传感器8将入射光信号变为反射光信号传输给光环形器2，光环形器2将反射光信号传输给Y分支波导3，被Y分支波导3均匀分成第一路光和第二路光，第一路光进入第一阵列波导光栅4，第二路光进入第二阵列波导光栅5；
当FBG传感器8反射光信号的中心波长位于第一阵列波导光栅4的通道N的中心波长和通道N+1的中心波长之间时，反射光信号分别由第一阵列波导光栅4通道N和通道N+1输出，与通道N相对应的第一光信号探测器61探测出通道N输出的光强，并将通道N输出的光强转换为第一电压，与通道N+1相对应的第一光信号探测器61探测出通道N+1输出的光强，并将通道N+1输出的光强转换为第二电压，然后通过信号采集处理单元7采集到第一电压和第二电压，根据第一电压和第二电压得到相邻通道输出光强对数比，并根据已知的相邻通道输出光强对数比与FBG传感器8反射光信号中心波长间的关系得到FBG传感器8反射光信号中心波长；其中，N＝1、2、……n-1；
当FBG传感器8反射光信号的中心波长位于第一阵列波导光栅4的通道N的中心波长时，由第一阵列波导光栅4和第二阵列波导光栅5的通道中心波长偏移量为L/2～L/10可知FBG传感器8反射光信号的中心波长位于第二阵列波导光栅5的通道N的中心波长和通道N+1的中心波长之间，反射光信号分别由第二阵列波导光栅5通道N和通道N+1输出，与第二阵列波导光栅5的通道N相对应的第二光信号探测器62探测出通道N输出的光强，并将第二阵列波导光栅5的通道N输出的光强转换为第三电压，与第二阵列波导光栅5的通道N+1相对应的第二光信号探测器62探测出通道N+1输出的光强，并将第二阵列波导光栅5的通道N+1输出的光强转换为第四电压，然后通过信号采集处理单元7采集到第三电压和第四电压，根据第三电压和第四电压得到相邻通道输出光强对数比，并根据已知的相邻通道输出光强对数比与FBG传感器8反射光信号中心波长间的关系得到FBG传感器8反射光信号中心波长；其中，N＝1、2、……n-1。
本实施例AWG相邻通道两两构成双边缘滤波器，该系列滤波器组合对应的波长解调范围为多段梳状；本实施例采用两个通道中心波长偏移量不同的AWG，其分别对应的多段梳状波长解调范围相互衔接，组成连续谱带，能够覆盖整个波长解调范围；本实施例在确定FBG传感器的反射光信号中心波长所在区域后，即可采用该区域对应的AWG的两个相邻通道对单个FBG传感器进行波长解调，继承了AWG解调方法的高精度、高速特性，也能够通过两个AWG解调范围的互补，由多个AWG相邻通道提高FBG传感器解调动态范围。
具体的，如图1所示，提出了一种基于双阵列波导光栅的光纤光栅传感器解调装置，其包括：宽带光源1、光环形器2、Y分支波导3、通道中心波长偏移量相差0.4nm的48通道100Hz高斯型第一阵列波导光栅4和第二阵列波导光栅5、第一光信号探测器61、第二光信号探测器62、信号采集处理单元7。该解调装置用于对FBG传感器8进行解调。宽带光源1发出的近红外宽带光信号经光环形器2入射至FBG传感器8，FBG传感器8反射光信号经光环形器2后进入Y分支波导3，被均匀分成两路后分别进入高斯型第一阵列波导光栅4和高斯型第二阵列波导光栅5。
高斯型第一阵列波导光栅4部分通道透射光谱如图2所示。当FBG传感器8反射光信号中心波长位于第一阵列波导光栅4的通道N和通道N+1之间时(见图3)，反射光信号分别由第一阵列波导光栅4的通道N和通道N+1输出，这里需要说明的是，图1中的第一阵列波导光栅4总共包括48个通道，这里的N为1、2、……、47。当FBG传感器8中心波长发生变化时，上述两通道输出光强随之变化。根据已知的相邻通道输出光强对数比与FBG传感器8反射光信号中心波长间的一一对应关系(见图4)，由第一光信号探测器61测量出光强并转换为电压后发送给采集处理单元7，通过采集处理单元7获取电压，并通过电压得到光强对数比，即可得到FBG8中心波长。
但是，当FBG传感器8中心波长靠近第一阵列波导光栅4的通道N中心波长时，通道N+1输出光信号十分微弱以至于不能进行有效探测，导致由第一阵列波导光栅4通道N与通道N+1构成的双边缘滤波器解调范围有限。第一阵列波导光栅4和第二阵列波导光栅5的通道中心波长偏移量相差0.4nm，其对应通道透射谱如图5所示。可以看出，当FBG传感器8反射光信号的中心波长靠近第一阵列波导光栅4的通道N中心波长时，该波长位于第二阵列波导光栅5相邻两个通道间隔中央部分，表明FBG传感器8反射光信号的中心波长能够由第二阵列波导光栅5相邻通道输出光强对数比很好地进行解调，从而有效地拓展了FBG传感器8的反射光信号中心波长解调动态范围。
本发明公开的基于双AWG的FBG传感器解调装置中，AWG相邻通道构成双边缘滤波器：当FBG传感器的反射光信号中心波长在相邻通道中心波长间隔内变化时，相邻通道输出光信号强度随之变化，通过已知的建立相邻通道输出光强比与FBG中心波长间的一一对应关系，即可以由输出光强比得到对应FBG的中心波长；AWG相邻通道两两构成双边缘滤波器，该系列滤波器组合对应的波长解调范围为多段梳状。本发明采用两个通道中心波长偏移量不同的AWG，其分别对应的多段梳状波长解调范围相互衔接，组成连续谱带，能够覆盖整个波长解调范围。本发明在确定FBG传感器的反射光信号中心波长所在区域后，即可采用该区域对应的AWG的两个相邻通道对单个FBG传感器进行波长解调，继承了AWG解调方法的高精度、高速特性，也能够通过两个AWG解调范围的互补，由多个AWG相邻通道提高FBG传感器解调动态范围。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于双阵列波导光栅的光纤光栅传感器解调装置，其特征在于包括：光源(1)、光环形器(2)、光分路器(3)、第一阵列波导光栅(4)、第二阵列波导光栅(5)、第一光信号探测器(61)、第二光信号探测器(62)和信号采集处理单元(7)；其中，
所述第一阵列波导光栅(4)的相邻通道间隔和所述第二阵列波导光栅(5)的相邻通道间隔都为L，所述第一阵列波导光栅(4)和所述第二阵列波导光栅(5)的通道中心波长偏移量为L/2～L/10；
所述光源(1)发出的光信号经所述光环形器(2)入射至FBG传感器(8)，FBG传感器(8)将入射光信号变为反射光信号传输给所述光环形器(2)，所述光环形器(2)将反射光信号传输给所述光分路器(3)，被所述光分路器(3)均匀分成第一路光和第二路光，第一路光进入第一阵列波导光栅(4)，第二路光进入第二阵列波导光栅(5)；
当FBG传感器(8)反射光信号的中心波长位于第一阵列波导光栅(4)的通道N的中心波长和通道N+1的中心波长之间时，反射光信号分别由第一阵列波导光栅(4)通道N和通道N+1输出，与通道N相对应的第一光信号探测器(61)探测出通道N输出的光强，并将通道N输出的光强转换为第一电压，与通道N+1相对应的第一光信号探测器(61)探测出通道N+1输出的光强，并将通道N+1输出的光强转换为第二电压，然后通过所述信号采集处理单元(7)采集到第一电压和第二电压，根据第一电压和第二电压得到相邻通道输出光强对数比，并根据已知的相邻通道输出光强对数比与FBG传感器(8)反射光信号中心波长间的关系得到FBG传感器(8)反射光信号中心波长；其中，N＝1、2、……n-1；
当FBG传感器(8)反射光信号的中心波长位于第一阵列波导光栅(4)的通道N的中心波长时，由所述第一阵列波导光栅(4)和所述第二阵列波导光栅(5)的通道中心波长偏移量为L/2～L/10可知，FBG传感器(8)反射光信号的中心波长位于第二阵列波导光栅(5)的通道N的中心波长和通道N+1的中心波长之间，反射光信号分别由第二阵列波导光栅(5)通道N和通道N+1输出，与第二阵列波导光栅(5)的通道N相对应的第二光信号探测器(62)探测出通道N输出的光强，并将第二阵列波导光栅(5)的通道N输出的光强转换为第三电压，与第二阵列波导光栅(5)的通道N+1相对应的第二光信号探测器(62)探测出通道N+1输出的光强，并将第二阵列波导光栅(5)的通道N+1输出的光强转换为第四电压，然后通过所述信号采集处理单元(7)采集到第三电压和第四电压，根据第三电压和第四电压得到相邻通道输出光强对数比，并根据已知的相邻通道输出光强对数比与FBG传感器(8)反射光信号中心波长间的关系得到FBG传感器(8)反射光信号中心波长；其中，N＝1、2、……n-1。
2.根据权利要求1所述的基于双阵列波导光栅的光纤光栅传感器解调装置，其特征在于：所述第一阵列波导光栅(4)包括n个通道，每个通道与其相对应的第一光信号探测器(61)相连接，n个第一光信号探测器(61)与所述信号采集处理单元(7)相连接；
所述第二阵列波导光栅(5)包括n个通道，每个通道与其相对应的第二光信号探测器(62)相连接，n个第二光信号探测器(62)与所述信号采集处理单元(7)相连接。
3.根据权利要求1所述的基于双阵列波导光栅的光纤光栅传感器解调装置，其特征在于：所述光源(1)与所述光环形器(2)的A端相连接，所述光环形器(2)的C端与光分路器(3)的输入端相连接，光分路器(3)的一个输出端与第一阵列波导光栅(4)相连接，光分路器(3)的另一个输出端与第二阵列波导光栅(5)相连接，所述光环形器(2)的B端与FBG传感器(8)相连接。
4.根据权利要求1所述的基于双阵列波导光栅的光纤光栅传感器解调装置，其特征在于：所述光源(1)为宽带光源，用于提供近红外波段的宽带光信号。
5.根据权利要求1所述的基于双阵列波导光栅的光纤光栅传感器解调装置，其特征在于：所述第一阵列波导光栅(4)为高斯型阵列波导光栅或平坦型阵列波导光栅。
6.根据权利要求1所述的基于双阵列波导光栅的光纤光栅传感器解调装置，其特征在于：所述第二阵列波导光栅(5)为高斯型阵列波导光栅或平坦型阵列波导光栅。
7.根据权利要求1所述的基于双阵列波导光栅的光纤光栅传感器解调装置，其特征在于：所述第一光信号探测器(61)为光电二极管构成的探测器或CCD。
8.根据权利要求1所述的基于双阵列波导光栅的光纤光栅传感器解调装置，其特征在于：所述第二光信号探测器(62)为光电二极管构成的探测器或CCD。
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