CN106643841B - 一种弱反fbg-fizeau传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种弱反FBG‑FIZEAU传感装置，包括用于将多个不同波长的扫描激光进行反射的传感端和对传感端反射的光信号进行解调从而得到测量结果的解调端；所述传感端包括光环形器和保偏光纤，每段保偏光纤内设有与扫描激光波长数量相等的弱反FBG‑FIZEAU光纤谐振腔，每段保偏光纤对应设有一个串接的光环形器；所述解调端包括多波长扫描激光器、偏振控制器、线偏器、光开关、波分复用器、光电探测器、信号分析模块。与现有技术相比，通过测量传感信号的条纹对比度实现高精度的解调，对波长扫描激光器的性能要求不高，而且免去了参考传感器，系统简单成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤传感装置，特别是一种基于条纹对比度解调的弱反-FIZEAU传感装置。
背景技术
光纤传感器与电学传感器相比具有尺寸小、适用于恶劣环境、可靠性高、易于长距离通信组网等优势，在大型工程及建筑结构健康监测中得到了广泛的应用。然而，光纤传感器的传感精度受光源功率的抖动和波长的漂移、波长标定模块的漂移等多种解调端因素的影响。以典型光纤布拉格光栅传感器为例，波长扫描滤波器的线性特性及波长重复性的劣化会大大降低布拉格波长的检测精度。
现有提高光纤传感器解调精度的方案主要是基于传感器的特殊设计和解调算法的优化。传感器设计方面，例如，使用DFB(Distributed Feed Back，分布反馈)光纤激光传感器代替FBG(Fiber Bragg Grating，即为光纤光栅)传感器，由于DFB的带宽远远小于FBG，波长分辨率与FBG相比提高6个数量级以上，可大大提高解调精度。再例如，通过特殊光纤结构的设计，例如非本征型光纤 FP(Fabry-perot，法布里泊罗)腔，实现传感信号的增敏，放大待测传感量的灵敏度。解调算法的优化方面，例如，通过高精度的FBG寻峰算法可实现FBG解调精度达到10-6，再例如，以PDH(Pound-Drever-Hall)锁频为代表的高精度解调技术，这种方法通过高精度的激光锁频技术提高FBG-FP传感器解调精度。
其中，DFB光纤传感器由于有源光纤的吸收和熔点的损耗会造成复用容量的降低，另外，DFB的波长漂移的精确测量依然依赖于高精度的解调系统，因此，系统成本较高。
经过特殊光纤结构设计传感器，由于光纤波导结构被破坏，损耗较大，一致性较低，难以实现复用。
FBG寻峰算法容易受光源的波长功率漂移影响，对光源和波长扫描模块稳定性要求较高，因此系统成本高。
基于PDH锁频的解调技术需要复杂的误差信号计算模块，系统较复杂，另外，为了补偿激光器的不稳定性，需要使用参考传感器进行补偿，不利于传感器小型化和封装。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种弱反FBG-FIZEAU传感装置，提高精度同时降低系统复杂度以及成本。
本发明提供了一种弱反FBG-FIZEAU传感装置，包括用于将多个不同波长的扫描激光进行反射的传感端和对传感端反射的光信号进行解调从而得到测量结果的解调端；
所述传感端包括光环行器和保偏光纤，每段保偏光纤内设有与扫描激光波长数量相等的光纤谐振腔，所述光纤谐振腔为弱反FBG-FIZEAU光纤谐振腔，每个光纤谐振腔构成一个传感子单元，保偏光纤中的传感子单元组成一组传感单元，每段保偏光纤对应串接一个光环形器，光环形器的端口2与保偏光纤的前端连接，设置在两段保偏光纤之间的光环形器的端口1与前一段保偏光纤的后端连接；
所述解调端包括产生多个波长的扫描激光输出的多波长扫描激光器、与多波长扫描激光器顺序连接的偏振控制器、线偏器、光开关、波分复用器、与扫描激光波长数量相等的光电探测器、信号分析模块；所述信号分析模块还与多波长扫描激光器、光开关连接，所述传感端中位于首位的光环形器的端口1与线偏器的输出端连接，所述光开关设有与光环形器数量相等的输入端，光开关的输入端分别与光环形器的端口3连接，光开关的输出端与波分复用器连接，每组传感单元中的每个传感子单元反射对应波长的扫描激光形成两路反射光，两路反射光经光环形器、光开关传输出至波分复用器进行波分解，透射光传输至下一个光环形器，波分复用器将反射光进行波分解后通过光电探测器形成传感信号输出至信号分析模块进行解调。
进一步地，每个光纤谐振腔包括设于两端的布拉格光栅以及位于两端的布拉格光栅之间的保偏光纤体部，位于两端的布拉格光栅的布拉格光栅中心波长相等，反射率为5％至10％之间。
进一步地，每组传感单元中传感子单元的布拉格光栅中心波长与多波长扫描激光器发出的多个扫描激光的波长一一对应。
进一步地，所述保偏光纤中的弱反FBG-FIZEAU光纤谐振腔通过相位模板曝光法制得。
进一步地，所述弱反FBG-FIZEAU光纤谐振腔的腔长小于多波长扫描激光器的相干长度。
进一步地，所述信号分析模块的解调为通过测量传感信号的条纹对比度变化从而实现解调。
进一步地，当传感信号带来的条纹对比度变化小于其变化的单调范围时，通过傅立叶变换求得条纹对比度，从而实现传感信号解调。
进一步地，当传感信号带来的条纹对比度变化大于其变化的单调范围时，通过FBG波长漂移对条纹对比度变化周期数进行计算，然后通过傅里叶变换求得条纹对比度，从而实现大范围传感信号解调。进一步地，所述线偏器的偏振方向与保偏光纤的快轴和慢轴的夹角分别为45度。
进一步地，所述保偏光纤与光环形器采用对轴模式熔接。。
本发明与现有技术相比，通过设置多段保偏光纤，并在每段保偏光纤中设置多个弱反FBG-FIZEAU光纤谐振腔，实现多点监测，通过测量传输信号的条纹对比度实现高精度的解调，对波长扫描激光器的性能要求不高，而且免去了参考传感器，系统简单成本低。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明弱反FBG-FIZEAU传感单元的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明的一种弱反FBG-FIZEAU(菲佐)传感装置，包括用于将多个不同波长的扫描激光进行反射的传感端11和对传感端11反射的传感信号进行解调的解调端12；
其中：所述传感端11包括光环形器4、保偏光纤5，相邻两段保偏光纤5 通过光环形器4相互串接在一起，每段保偏光纤5内设有与扫描激光波长数量相等的光纤谐振腔，所述光纤谐振腔为弱反FBG-FIZEAU光纤谐振腔，每个光纤谐振腔构成一个传感子单元，每段保偏光纤5中的传感子单元组成一组传感单元，在每段保偏光纤5上对应设有一个串接的光环形器4，光环形器4设于每根保偏光纤5的前端，光环形器4的端口2与保偏光纤5的前端连接，设置在两段保偏光纤5之间的光环形器4的端口1与前一个保偏光纤5的后端连接；
所述解调端12包括产生多个波长的扫描激光输出的多波长扫描激光器1、与多波长扫描激光器1顺序连接的偏振控制器2、线偏器3、光开关6、波分复用器7、与扫描激光波长数量相等的光电探测器8、信号分析模块9；所述信号分析模块9还与多波长扫描激光器1、光开关6连接，所述传感端11中位于首位的光环形器4的端口1与线偏器3的输出端连接，光开关6设有与光环形器4 数量相等的输入端，光开关6的输入端分别与光环形器4的端口3连接，光开关6的输出端与波分复用器7的公共端连接，波分复用器7的复用端数量与扫描激光波长数量相等，波分复用器7的每个复用端分别与一个光电探测器8连接，保偏光纤5中的传感单元反射对应波长的扫描激光形成两路反射光(在下文对两路反射光进行解释)，两路反射光经光环形器4传输出至光开关6、波分复用器7进行波分解，透射光传输至下一个光环形器4，波分复用器7将反射光进行波分解后通过光电探测器8形成传感(电)信号输出至信号分析模块9进行解调。
如图2所示，每个光纤谐振腔10包括设于两端的布拉格光栅13以及位于两端的布拉格光栅13之间的保偏光纤体部14，位于两端的布拉格光栅13的布拉格光栅中心波长相等，由于每个光纤谐振腔10具有两个布拉格光栅13，因此会形成两路反射光后均共同反射至光环形器4后传输至光开关6。
所述具体工作过程如下：多波长扫描激光器1在三角波信号的驱动下产生多个波长的扫描激光输出，假设扫描激光的波长数量为m个，m个扫描激光经过偏振控制器2、线偏器3实现单偏振输出，到达位于传感端11首位的第一个光环形器4的端口1后进入保偏光纤5中的传感子单元，并通过下一个光环形器4进入下一段保偏光纤5，最终到达最后一段保偏光纤5(即最后一组传感单元)。定义每段保偏光纤5中的多个不同波长的弱反FBG-FIZEAU光纤谐振腔 10为Fij，其中j＝1，2……，m，i为保偏光纤5的序号，j为弱反FBG-FIZEAU 传感子单元序号，多波长扫描激光器1输出的多个不同波长的扫描激光分别进入每段保偏光纤5中的相应波长的传感子单元中进行反射，并形成两路反射光到达传感端11位于首位的第一个光环形器4的端口2，并经过光环形器的端口 3进入光开关6，由于弱反FBG-FIZEAU光纤谐振腔的反射率较低，大部分的光形成透射光继续前往第二个光环形器4，并继续前述步骤，光开关6将输入的反射光输送到波分复用器7中，波分复用器7将反射光分解成与多波长扫描激光器1产生扫描激光波长数量相同的m个光信号，并输入对应的光电探测器8中，光电探测器8将光信号转换为电信号后发送至信号分析模块9进行解调。
本发明的信号分析模块9的解调采用以下方法实现：
由于保偏光纤存在双折射，两个偏振态下的干涉信号存在相位差，相位差为π的偶数倍时，干涉条纹对比度达到极大值，为奇数倍时，干涉条纹对比度达到极小值。如此，在干涉光谱条纹上形成对比度周期性变化的包络。
当外界传感信号作用在弱反FBG-FIZEAU光纤谐振腔上时，包络产生漂移， FBG反射波长处对应的对比度发生周期性变化。
因此，本发明的解调通过测量传感信号的条纹对比度变化来实现。
当传感信号带来的条纹对比度变化小于其变化的单调范围时，信号分析模块8通过傅里叶变换求得精确测量条纹对比度，从而实现微弱传感信号的精确测量；当传感信号变化大于其变化的单调范围时，可通过FBG波长漂移实现条纹对比度变化周期计算，从而提高系统测量范围。
本发明中每组传感单元中传感子单元的布拉格光栅中心波长与多波长扫描激光器1发出的多个扫描激光的波长一一对应。
整个传感器通过波分复用和空分复用实现多点探测。对于每段保偏光纤上的弱反FBG-FIZEAU光纤谐振腔Fij(j＝1,2,...,m)，各腔布拉格光栅中心波长分别对应多波长扫描激光器1的m个波长，最终通过波分复用器7实现解复用。不同组传感单元，通过多个光环形器4进行串接，最终通过光开关6实现空间解复用。信号分析模块9与多波长扫描激光器1、光开关6进行连接，以实现系统状态控制，通过控制光开关6，实现不同段保偏光纤的弱反FBG-FIZEAU 光纤谐振腔的空分复用以及通过控制多波长扫描激光的开关。
作为优选，保偏光纤5中的弱反FBG-FIZEAU光纤谐振腔通过相位模板曝光法制得。每个光纤谐振腔的腔长可根据实际测量环境进行调节，但是光纤谐振腔的小于多波长扫描激光器1的相干长度。
为了提高条纹对比度，本发明中线偏器3的偏振方向与保偏光纤5的快轴和慢轴的夹角分别为45度，通过保偏控制器2对输出偏振态进行调节。
本发明中保偏光纤5与光环形器4采用对轴模式熔接，可以降低偏振扰动噪声和较低的熔接损耗。
本发明与基于PDH锁频的解调技术相比，具有三个优点：
第一，基于PDH锁频的解调方案是通过激光器在FBG-FIZEAU传感器反射产生的误差信号来实现解调的，该方案需对光源进行调制，并进行复杂的计算，整个系统复杂，需要高稳定性的窄线宽激光器和调制器，成本较高。而本发明是通过测量条纹对比度来实现高精度解调，对光源的功率波长漂移不敏感，对激光器扫描模块的线性度不敏感，因此对扫描激光器性能要求不高，系统简单成本较低；
第二，基于PDH锁频的解调技术所产生的误差信号受激光器的漂移的影响，为了补偿激光器的不稳定性，需要使用参考传感器进行补偿，不利于传感器小型化和封装，而本发明不需要参考传感器，在实际封装应用中更具优势；
第三，基于PDH锁频的解调技术对于静态信号解调精度可达10-9，但测量范围限制在10-7以下，而本发明结合条纹对比度解调和布拉格光栅中心波长解调，测量范围可达10-3，大大高于基于PDH锁频的解调技术。
虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。
Claims (10)
1.一种弱反FBG-FIZEAU传感装置，包括用于将多个不同波长的扫描激光进行反射的传感端(11)和对传感端(11)反射的光信号进行解调从而得到测量结果的解调端(12)，其特征在于：
所述传感端(11)包括光环行器(4)和保偏光纤(5)，每段保偏光纤(5)内设有与扫描激光波长数量相等的光纤谐振腔(10)，所述光纤谐振腔(10)为弱反FBG-FIZEAU光纤谐振腔(10)，每个光纤谐振腔(10)构成一个传感子单元，保偏光纤(5)中的传感子单元组成一组传感单元，每段保偏光纤(5)对应串接一个光环形器(4)，光环形器(4)的端口2与保偏光纤(5)的前端连接，设置在两段保偏光纤(5)之间的光环形器(4)的端口1与前一段保偏光纤(5)的后端连接；
所述解调端(12)包括产生多个波长的扫描激光输出的多波长扫描激光器(1)、与多波长扫描激光器(1)顺序连接的偏振控制器(2)、线偏器(3)、光开关(6)、波分复用器(7)、与扫描激光波长数量相等的光电探测器(8)、信号分析模块(9)；所述信号分析模块(9)还与多波长扫描激光器(1)、光开关(6)连接，所述传感端(11)中位于首位的光环形器(4)的端口1与线偏器(3)的输出端连接，所述光开关(6)设有与光环形器(4)数量相等的输入端，光开关(6)的输入端分别与光环形器(4)的端口3连接，光开关(6)的输出端与波分复用器(7)连接，每组传感单元中的每个传感子单元反射对应波长的扫描激光形成两路反射光，两路反射光经光环形器(4)、光开关(6)传输出至波分复用器(7)进行波分解，透射光传输至下一个光环形器(4)，波分复用器(7)将反射光进行波分解后通过光电探测器(8)形成传感信号输出至信号分析模块(9)进行解调。
2.根据权利要求1所述的弱反FBG-FIZEAU传感装置，其特征在于：每个光纤谐振腔(10)包括设于两端的布拉格光栅(13)以及位于两端的布拉格光栅(13)之间的保偏光纤体部(14)，位于两端的布拉格光栅(13)的布拉格光栅中心波长相等，反射率为5％至10％之间。
3.根据权利要求2所述的弱反FBG-FIZEAU传感装置，其特征在于：每组传感单元中传感子单元的布拉格光栅中心波长与多波长扫描激光器(1)发出的多个扫描激光的波长一一对应。
4.根据权利要求3所述的弱反FBG-FIZEAU传感装置，其特征在于：所述保偏光纤(5)中的弱反FBG-FIZEAU光纤谐振腔(10)通过相位模板曝光法制得。
5.根据权利要求4所述的弱反FBG-FIZEAU传感装置，其特征在于：所述弱反FBG-FIZEAU光纤谐振腔(10)的腔长小于多波长扫描激光器(1)的相干长度。
6.根据权利要求1所述的弱反FBG-FIZEAU传感装置，其特征在于：所述信号分析模块(8)通过测量传感信号的条纹对比度变化从而实现解调。
7.根据权利要求6所述的弱反FBG-FIZEAU传感装置，其特征在于：当传感信号带来的条纹对比度变化小于其变化的单调范围时，通过傅立叶变换求得条纹对比度，从而实现传感信号解调。
8.根据权利要求6所述的弱反FBG-FIZEAU传感装置，其特征在于：当传感信号带来的条纹对比度变化大于其变化的单调范围时，通过FBG波长漂移对条纹对比度变化周期数进行计算，然后通过傅里叶变换求得条纹对比度，从而实现大范围传感信号解调。
9.根据权利要求1所述的弱反FBG-FIZEAU传感装置，其特征在于：所述线偏器(3)的偏振方向与保偏光纤(5)的快轴和慢轴的夹角分别为45度。
10.根据权利要求1所述的弱反FBG-FIZEAU传感装置，其特征在于：所述保偏光纤(5)与光环形器(4)采用对轴模式熔接。
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2016
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