CN106840221A - 基于色散马赫曾德尔干涉的光纤光栅解调装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于色散马赫曾德尔干涉的光纤光栅解调装置，它包括宽带光源、窄线宽扫频激光器、第一光开关、光隔离器、半导体光放大器、脉冲数字信号源、光环形器、第二光开关、参考光栅、传感光栅阵列、法拉第旋镜、第一光耦合器、色散补偿光纤、单模光纤、第二光耦合器、光电探测器组、数据采集卡和上位机。本发明将光纤色散效应与传统马赫曾德尔干涉相结合，构建色散马赫曾德尔干涉，利用色散效应引起的光程差来实现相位增敏，通过高速时域光脉冲记录准分布光纤光栅阵列中各光栅的干涉信息，采用多相位解调技术处理时域干涉信号，实现了光纤光栅阵列的灵敏度高速解调，且解调装置具有抗干扰能力强、可实现分布式测量等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光纤光栅解调技术领域，具体涉及一种基于色散马赫曾德尔干涉的光纤光栅解调装置及方法。
背景技术
近年来，光纤光栅因具有体积小、耐腐蚀、抗电磁辐射干扰、传输损耗小、重量轻、易于组建大规模分布式传感网络等优点，被广泛应用于铁路、桥梁、航空、工业、军事等领域进行温度、应变、振动、加速度等物理量测量，以及建筑桥梁的结构健康监测。但在超声波探伤、航空发动机旋转监测、气体管道泄漏检测等特殊场合，需进行高速、高灵敏度的信号检测，光纤光栅的应用受制于传统波长解调技术。为使光纤光栅传感技术在上述特殊领域实用化，迫切需要超高灵敏度的光纤光栅高速解调技术与装置。
目前，光纤光栅阵列的解调方法主要有傅里叶锁模(Fourier Domain ModeLocking，FDML)扫频激光法、可调谐法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)滤波器法、匹配光栅解调法、非平衡M-Z干涉解调法、光纤色散效应解调法等等。但此类解调方法应用时存在局限性，难以同时兼顾高速解调与高灵敏度探测的需求。如FDML扫频激光法，采用环状结构激光谐振腔，输出窄带扫频光信号，根据扫频光波长与光栅中心波长重合时，光电探测器接收光强最强实现光纤光栅中心波长解调，但此法扫频激光谐振腔较长，易受外界环境干扰，光栅解调速度受限于光源扫频速率，且解调灵敏度一般；可调谐F-P滤波器法与FDML扫频法类似，其核心为法布里-珀罗滤波器，通过控制电路产生调谐信号驱动压电陶瓷改变F-P腔长，实现光源的光谱调谐，此法同样受限于F-P调谐速率，解调速率一般为几百赫兹到几千赫兹；匹配光栅解调法利用与传感光栅波长相匹配的光纤光栅作为参考，在驱动单元作用下匹配光栅跟踪传感光栅的波长变化，通过测量驱动元件的驱动信号，反向推导出传感光栅中心波长，此法解调速率也受限于驱动匹配光栅的速度，且一个匹配光栅仅对应一个传感光栅，难以应用于大规模光栅复用系统解调；非平衡M-Z干涉解调法的基本原理是光栅反射光通过两臂差不等的M-Z干涉仪时会发生干涉，当光纤光栅波长变化时，干涉信号的相位发生改变，产生干涉光相位调制，通过检测干涉仪相位变化即可解调光纤光栅中心波长，此方法具有较高的检测灵敏度，但极易受外界扰动影响，稳定性不足，仅适用于动态解调；光纤色散效应解调法利用不同波长的高速脉冲光在光纤中的时间延时不同解调，具有很高的解调速率，但需要高采样率的高速示波器，难以工程实用化，且受限于时域时延测量精度，解调灵敏度较一般。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于色散马赫曾德尔干涉的光纤光栅解调装置及方法，该装置和方法通过将光纤色散效应与传统M-Z干涉相结合，利用光栅波长变化时产生的色散效应显著改变M-Z干涉信号的相位，并由高速光脉冲记录时域干涉信号相位变化，采用3×3多相位解调技术求解相位变化，实现光纤光栅阵列的超高灵敏度高速解调。
为解决上述技术问题，本发明公开的一种基于色散马赫曾德尔干涉的光纤光栅解调装置，它包括宽带光源、窄线宽扫频激光器、第一光开关、光隔离器、半导体光放大器、脉冲数字信号源、光环形器、第二光开关、参考光栅、传感光栅阵列、法拉第旋镜、第一光耦合器、色散补偿光纤、单模光纤、第二光耦合器、光电探测器组、数据采集卡和上位机，其中，所述宽带光源的宽带光信号输出端连接第一光开关的前端第一光信号通信端，窄线宽扫频激光器的扫频激光信号输出端连接第一光开关的前端第二光信号通信端，第一光开关的后端光信号通信端通过光隔离器连接半导体光放大器的光信号输入端，半导体光放大器的光信号输出端连接光环形器的第一光信号接口，光环形器的第二光信号接口连接第二光开关的前端光信号通信端，第二光开关的后端第一光信号通信端连接参考光栅的一端，参考光栅的另一端连接传感光栅阵列，第二光开关的后端第二光信号通信端连接法拉第旋镜的光通信端；
光环形器的第三光信号接口连接第一光耦合器的光信号输入端，第一光耦合器的第一光信号输出端连接单模光纤的一端，第一光耦合器的第二光信号输出端连接色散补偿光纤的一端，单模光纤的另一端连接第二光耦合器的第一输入端，第二光耦合器的第二输入端连接色散补偿光纤的另一端，第二光耦合器的第一输出端、第二输出端和第三输出端连接光电探测器组的光信号输入端，光电探测器组的电信号输出端连接数据采集卡的信号输入端，数据采集卡的信号输出端连接上位机的信号输入端；
所述上位机的扫频激光器控制信号输出端连接窄线宽扫频激光器的控制端，上位机的第一光开关控制信号输出端连接第一光开关的控制端，上位机的第二光开关控制信号输出端连接第二光开关的控制端，脉冲数字信号源的信号输出端连接半导体光放大器的驱动信号输入端。
一种利用上述装置的光纤光栅解调方法，它包括如下步骤：
步骤1：上位机控制第一光开关和第二光开关，使窄线宽扫频激光器的输出端与光隔离器接通，同时，使光环形器的第二光信号接口与法拉第旋镜接通，上位机发出指令，开启窄线宽扫频激光器，窄线宽扫频激光器发出扫频光信号，扫频光信号通过第一光开关和光隔离器，进入半导体光放大器中；
步骤2：脉冲数字信号源驱动半导体光放大器对扫频光信号进行脉冲调制，产生扫频光脉冲信号，该扫频光脉冲信号通过光环形器进入法拉第旋镜，并由法拉第旋镜改变传播路径，使扫频光脉冲信号由光环形器进入第一光耦合器；
第一光耦合器的第一光信号输出端向单模光纤输送扫频光脉冲信号；第一光耦合器的第二光信号输出端向色散补偿光纤输送扫频光脉冲信号；
扫频光脉冲信号在单模光纤和色散补偿光纤中进行传输并在第二光耦合器发生干涉形成马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光，马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光的光程差随着扫频光脉冲信号波长的变化而改变；
步骤3：第二光耦合器分别向光电探测器组输出三个马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光信号，分别为第一马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光信号、第二马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光信号和第三马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光信号，三个干涉光信号中相邻两个的马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光信号的相位差为120°，光电探测器组分别向上位机输送三个电信号，第一个电信号包含了第一马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光相位信息，第二个电信号包含了第二马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光相位信息，第三个电信号包含了第三马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光相位信息；
步骤4：上位机分别对步骤3中的三个电信号，进行相位解调，得到干涉信号对应相位，形成扫频光脉冲信号波长与相位对比关系；根据扫频光脉冲信号波长与相位对比关系求得扫频光脉冲信号波长变化时的相位差，根据传感光栅反射光波长与参考光栅反射光波长的相位关系式分别得到扫频光脉冲信号在单模光纤的色散值和色散补偿光纤的色散值，完成光纤色散测量；
步骤5：将传感光栅阵列贴在待测物上，上位机控制第一光开关和第二光开关，使宽带光源的输出端与光隔离器接通，同时，使光环形器的第二光信号接口与参考光栅接通，宽带光源输出连续宽带光信号，连续宽带光信号依次经过第一光开关和光隔离器进入半导体光放大器中；
步骤6：脉冲数字信号源驱动半导体光放大器对宽带光进行脉冲调制，产生宽带光脉冲信号，该宽带光脉冲信号通过光环形器进入参考光栅和传感光栅阵列，参考光栅输出的反射光为与参考光栅波长相匹配的光信号，传感光栅阵列输出的反射光为与传感光栅阵列波长相匹配的光信号；
步骤7：与参考光栅波长相匹配的光信号和与传感光栅阵列波长相匹配的光信号通过光环形器进入第一光耦合器；
第一光耦合器的第一光信号输出端向单模光纤输送与参考光栅波长相匹配的光信号和与传感光栅阵列波长相匹配的光信号；
第一光耦合器的第二光信号输出端向色散补偿光纤输送与参考光栅波长相匹配的光信号以及与传感光栅阵列波长相匹配的光信号；
步骤8：与参考光栅波长相匹配的光信号和与传感光栅阵列波长相匹配的光信号分别在单模光纤和色散补偿光纤中进行传输并在第二光耦合器各自发生干涉形成对应的多个干涉脉冲光，当待测物振动使传感光栅阵列的反射光波长改变时，由于色散补偿光纤的色散造成干涉光的光程差增大；
步骤9：第二光耦合器分别向光电探测器组输出三个干涉光信号，分别为第一干涉光信号、第二干涉光信号和第三干涉光信号，三个干涉光信号中相邻两个的干涉光信号的相位差为120°，光电探测器组分别向上位机输送包含第一干涉光相位的电信号、包含第二干涉光相位的电信号和包含第三干涉光相位的电信号；上位机利用相位解调算法对上述包含第一干涉光相位的电信号、包含第二干涉光相位的电信号和包含第三干涉光相位的电信号进行解调得到步骤8中各个干涉脉冲光的相位值，根据上述各个干涉脉冲光的相位值得到传感光栅阵列中各个传感光栅的反射光与参考光栅反射光的相位差，对传感光栅阵列中各个传感光栅的反射光与参考光栅反射光的相位差利用传感光栅反射光波长与参考光栅反射光波长的相位关系式以及扫频光脉冲信号在单模光纤的色散值和色散补偿光纤的色散值计算得到传感光栅阵列中各个传感光栅的反射光的波长值；
步骤10：上位机对传感光栅阵列中每一个传感光栅的反射波长进行傅里叶变换，即可获得所有传感光栅监测点的待测物振动频率。
本发明的原理为：当解调装置工作时，高速光脉冲经光环形器进入光纤光栅阵列，各光栅的反射光脉冲返回光环形器后经第一光耦合器(1×2光耦合器)进入色散马赫曾德尔干涉模块的两臂。本发明将光纤色散效应与马赫曾德尔干涉(M-Z干涉)相互结合，使用色散补偿光纤与普通单模光纤构建干涉模块的两条干涉臂。对于光栅反射光脉冲进入色散M-Z干涉模块，根据干涉理论，干涉光强表达式为：
式1中，IDCF与ISMF分别为色散补偿光纤与普通单模光纤中的脉冲光单独到达两臂交汇处的光强，余弦函数为干涉项，其中表示干涉仪的初始相噪。对于本发明构成的干涉系统，可表示为：
式2中，d为两干涉臂存在的固定光程差，dD(λ)为两干涉臂色散效应导致的光程差，λ为光纤光栅(参考光栅和传感光栅阵列)反射光波长，n为光纤纤芯(单模光纤)有效折射率。又由光纤色散效应原理可知：
式3中，c为真空中的光速，λ0为光纤光栅反射光初始波长，Ddcf与Dsmf分别为色散补偿光纤与普通单模光纤的色散值。因这两种光纤在反常色散区的色散系数异号，光脉冲在两干涉臂中传播至交汇处时的总色散值为Ddcf-Dsmf，故波长变化时由干涉臂色散效应导致的时间延时为(λ-λ0)(Ddcf-Dsmf)。则由公式2和3可知，波长变化Δλ时相位的移动量为：
式4中，前一项为波长变化时因干涉仪两臂固定光程差导致的相位变化，后一项为波长变化时因干涉臂色散效应引起的相位改变。对于公式4，设光纤光栅从初始波长λ0开始变化Δλi＝(λi-λ0)，则相位的改变量为：
又根据干涉原理，当光纤光栅的反射光作为干涉仪输入光时，为使反射光能相干，则干涉仪的光程差应小于相干长度，即：
式6中，Δs为光栅的3dB谱宽。对于一般的中心波长1550nm，3dB谱宽0.2nm的光栅，则其相干长度为12mm。设只存在两臂固有光程差12mm时，则由式5，1pm的波长变化引起的相位移动仅为0.046rad。若只存在色散效应引起的光程差12mm时，为保证光栅在一般应用中2nm的波长变化量，由式6计算出总色散值Ddcf-Dsmf为-29ps/nm，则代入式5中，1pm光栅波长变化时导致的相位移动为35.249rad。显然色散效应比固有光程差导致的相位变化大很多。因此，结合公式5和6分析可知，当干涉臂的固有光程差d与色散效应引起的光程差dD(λ)之和需小于相干长度时，减小d增大dD(λ)，可大大改变相位移动量。对于本发明的色散M-Z干涉模块，减小d增大dD(λ)时，因色散导致的光程差可以尽量大，解调装置的灵敏度得到提升的同时，即使外界扰动因素影响使干涉臂出现微小光程差，相对于色散效应引起的相位移动也很小，因此解调装置的抗干扰能力得到增强。在现有干涉相位解调技术检测精度一定的情况下，通过将色散效应与传统M-Z干涉相结合，使得单位波长变化下的相位移动量大大增加，提升了可探测波长的灵敏度。
本发明装置在解调准分布式光纤光栅阵列时，以中心波长λ0的光栅为参考光栅，并恒温控制其波长不漂移。在参考光栅后接入分布式传感光栅阵列，则光脉冲生成模块发出一个高速光脉冲后，各光栅的反射信号经色散M-Z干涉模块后被记录在时域信息中。因参考光栅与传感光栅信号在通过干涉模块时，均受到外界温度变化等扰动因素的影响，通过引入参考光栅，参考传感光栅与参考光栅的相位差值解调，可削弱外界扰动的影响，进一步增强了解调装置的抗干扰能力。为避免出现相位衰落现象，采用第二光耦合器(3×3耦合器)多相位解调技术处理光栅时域干涉信号。根据公式5可知，当固有光程差d近似为零时，传感光栅波长可表示为λi＝λ0+Δλi，即：
因此，由式7知，在利用3×3多相位解调技术求得干涉信号相位后，尚需对M-Z干涉模块的总色散值Ddcf-Dsmf进行标定，才能完成传感光栅波长解调。
本发明同时提出了一种扫频法测量超短光纤色散的方法，即根据窄线宽扫频激光器对色散M-Z干涉结构进行波长扫描时产生的相位变化，实现超短光纤色散值的测量。对于同等条件下的上述色散M-Z干涉解调装置，将光开关切换至窄线宽扫频激光器和法拉第旋镜开启状态；设置窄线宽激光器从波长λ0开始以微小的波长变化扫频，记录下每次波长变化后的时域干涉信号；利用3×3多相位解调技术求解每个波长下的时域干涉信号相位，形成波长-相位比对关系；根据公式7，由波长-相位比对关系，可求得相位差后反解出每个波长对应的色散值，实现超短光纤色散值的测量。本发明提出的M-Z干涉模块，仅需对其进行一次色散值的标定，后续解调过程中，依据单一高速光脉冲下记录的光栅时域干涉信息，利用3×3多相位解调技术求解分布式阵列中的各个传感光栅与参考光栅的相位差值，由公式7相位差值与色散值的关系，即可实现准分布式是光栅阵列的超高灵敏度高速解调。
本发明的有益效果：
相较于传统光纤光栅解调技术难以兼顾高速高灵敏解调的问题，本发明将光纤色散效应与传统马赫-曾德尔干涉相结合，构建色散马赫-曾德尔干涉，利用色散效应引起的光程差来实现相位增敏，通过高速时域光脉冲记录准分布光纤光栅阵列中各光栅的干涉信息，采用多相位解调技术处理时域干涉信号，实现了光纤光栅阵列的超高灵敏度高速解调，且解调装置具有结构简单、抗干扰能力强、可实现分布式测量等优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
其中，1—宽带光源、2—窄线宽扫频激光器、3—第一光开关、4—光隔离器、5—半导体光放大器、6—脉冲数字信号源、7—光环形器、8—第二光开关、9—参考光栅、10—传感光栅阵列、11—恒温装置、12—法拉第旋镜、13—第一光耦合器、14—色散补偿光纤、15—单模光纤、16—第二光耦合器、17—光电探测器组、17.1—第一光电探测器、17.2—第二光电探测器、17.3—第三光电探测器、18—数据采集卡、19—上位机。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
本发明的所设计的一种基于色散马赫曾德尔干涉的光纤光栅解调装置，它包括宽带光源1、窄线宽扫频激光器2、第一光开关3、光隔离器4、半导体光放大器5、脉冲数字信号源6、光环形器7、第二光开关8、参考光栅9、传感光栅阵列10、法拉第旋镜12、第一光耦合器13、色散补偿光纤14、单模光纤15、第二光耦合器16、光电探测器组17、数据采集卡18和上位机19，其中，所述宽带光源1的宽带光信号输出端连接第一光开关3的前端第一光信号通信端，窄线宽扫频激光器2的扫频激光信号输出端连接第一光开关3的前端第二光信号通信端，第一光开关3的后端光信号通信端通过光隔离器4连接半导体光放大器5的光信号输入端，半导体光放大器5的光信号输出端连接光环形器7的第一光信号接口，光环形器7的第二光信号接口连接第二光开关8的前端光信号通信端，第二光开关8的后端第一光信号通信端连接参考光栅9的一端，参考光栅9的另一端连接传感光栅阵列10，第二光开关8的后端第二光信号通信端连接法拉第旋镜12的光通信端；
光环形器7的第三光信号接口连接第一光耦合器13的光信号输入端，第一光耦合器13的第一光信号输出端连接单模光纤15的一端，第一光耦合器13的第二光信号输出端连接色散补偿光纤14的一端，单模光纤15的另一端连接第二光耦合器16的第一输入端，第二光耦合器16的第二输入端连接色散补偿光纤14的另一端，第二光耦合器16的第一输出端、第二输出端和第三输出端连接光电探测器组17的光信号输入端，光电探测器组17的电信号输出端连接数据采集卡18的信号输入端，数据采集卡18的信号输出端连接上位机19的信号输入端；
所述上位机19的扫频激光器控制信号输出端连接窄线宽扫频激光器2的控制端，上位机19的第一光开关控制信号输出端连接第一光开关3的控制端，上位机19的第二光开关控制信号输出端连接第二光开关8的控制端，脉冲数字信号源6的信号输出端连接半导体光放大器5的驱动信号输入端。
上述技术方案中，所述传感光栅阵列10由多个光栅采用时分复用或波分复用的方式构成。
上述技术方案中，基于色散马赫曾德尔干涉的光纤光栅解调装置还包括恒温装置11，所述参考光栅9置于所述恒温装置11内。所述恒温装置11保证参考光栅9处于20℃的环境中。确保中心波长不漂移。
上述技术方案中，所述第二光耦合器16的三个输出端分别输出相位不同的干涉光信号，且第二光耦合器16的第一输出端输出的干涉光信号与第二输出端输出的干涉光信号之间的相位差为120°，第二光耦合器16的第二输出端输出的干涉光信号与第三输出端输出的干涉光信号之间的相位差为120°，第二光耦合器16的第三输出端输出的干涉光信号与第一输出端输出的干涉光信号之间的相位差为120°。
上述技术方案中，所述光电探测器组17包括第一光电探测器17.1、第二光电探测器17.2和第三光电探测器17.3，所述第二光耦合器16的第一输出端连接第一光电探测器17.1的光信号输入端，第一光电探测器17.1的电信号输出端连接数据采集卡18的信号输入端，第二光耦合器16的第二信号输出端连接第二光电探测器17.2的光信号输入端，第二光电探测器17.2的电信号输出端连接连接数据采集卡18的信号输入端，第二光耦合器16的第三输出端连接第三光电探测器17.3的光信号输入端，第三光电探测器17.3的电信号输出端连接数据采集卡18的信号输入端。
上述技术方案中，所述宽带光源1用于输出连续宽带光，窄线宽扫频激光器2用于输出窄线宽扫频光。连续宽带光的波长范围为1530～1570nm，窄线宽扫频光的波长范围1510～1630nm，扫频精度0.1pm。
一种利用上述装置的光纤光栅解调方法，它包括如下步骤：
步骤1：上位机19控制第一光开关3和第二光开关8，使窄线宽扫频激光器2的输出端与光隔离器4接通，同时，使光环形器7的第二光信号接口与法拉第旋镜12接通，上位机19发出指令，开启窄线宽扫频激光器2，窄线宽扫频激光器2发出扫频光信号，扫频光信号通过第一光开关3和光隔离器4，进入半导体光放大器5中；
步骤2：脉冲数字信号源6驱动半导体光放大器5对扫频光信号进行脉冲调制，产生扫频光脉冲信号，该扫频光脉冲信号通过光环形器7进入法拉第旋镜12，并由法拉第旋镜12改变传播路径，使扫频光脉冲信号由光环形器7进入第一光耦合器13；
第一光耦合器13的第一光信号输出端向单模光纤15输送扫频光脉冲信号；第一光耦合器13的第二光信号输出端向色散补偿光纤14输送扫频光脉冲信号；
扫频光脉冲信号在单模光纤15和色散补偿光纤14中进行传输并在第二光耦合器16发生干涉形成马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光，马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光的光程差随着扫频光脉冲信号波长的变化而改变；
步骤3：第二光耦合器16分别向光电探测器组17输出三个马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光信号，分别为第一马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光信号、第二马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光信号和第三马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光信号，三个干涉光信号中相邻两个的马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光信号的相位差为120°，光电探测器组17分别向上位机19输送三个电信号，第一个电信号包含了第一马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光相位信息，第二个电信号包含了第二马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光相位信息，第三个电信号包含了第三马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光相位信息；
步骤4：上位机19分别对步骤3中的三个电信号，进行相位解调，得到干涉信号对应相位，形成扫频光脉冲信号波长与相位对比关系；根据扫频光脉冲信号波长与相位对比关系求得扫频光脉冲信号波长变化时的相位差，根据传感光栅反射光波长与参考光栅反射光波长的相位关系式分别得到扫频光脉冲信号在单模光纤15的色散值和色散补偿光纤14的色散值，完成光纤色散测量；
步骤5：将传感光栅阵列10贴在待测物上，上位机19控制第一光开关3和第二光开关8，使宽带光源1的输出端与光隔离器4接通，同时，使光环形器7的第二光信号接口与参考光栅9接通，宽带光源1输出连续宽带光信号，连续宽带光信号依次经过第一光开关3和光隔离器4进入半导体光放大器5中；
步骤6：脉冲数字信号源6驱动半导体光放大器5对宽带光进行脉冲调制，产生宽带光脉冲信号，该宽带光脉冲信号通过光环形器7进入参考光栅9和传感光栅阵列10，参考光栅9输出的反射光为与参考光栅9波长相匹配的光信号，传感光栅阵列10输出的反射光为与传感光栅阵列10波长相匹配的光信号；
步骤7：与参考光栅9波长相匹配的光信号和与传感光栅阵列10波长相匹配的光信号通过光环形器7进入第一光耦合器13；
第一光耦合器13的第一光信号输出端向单模光纤15输送与参考光栅9波长相匹配的光信号和与传感光栅阵列10波长相匹配的光信号；
第一光耦合器13的第二光信号输出端向色散补偿光纤14输送与参考光栅9波长相匹配的光信号以及与传感光栅阵列10波长相匹配的光信号；
步骤8：与参考光栅9波长相匹配的光信号和与传感光栅阵列10波长相匹配的光信号分别在单模光纤15和色散补偿光纤14中进行传输并在第二光耦合器16各自发生干涉形成对应的多个干涉脉冲光，当待测物振动使传感光栅阵列10的反射光波长改变时，由于色散补偿光纤14的色散造成干涉光的光程差增大(单模光纤和色散光纤都只是传输介质，光只是在里面传输。其中光栅反射的同一波长的光，经两臂(单模光纤15和色散补偿光纤14)到达交汇点时，光程差在相干长度内，出现干涉。当上述波长改变时，由于色散光纤有色散延时，两臂到交汇点的时间不同，出现了新的光程差，形成新干涉)；
步骤9：第二光耦合器16分别向光电探测器组17输出三个干涉光信号，分别为第一干涉光信号、第二干涉光信号和第三干涉光信号，三个干涉光信号中相邻两个的干涉光信号的相位差为120°，光电探测器组17分别向上位机19输送包含第一干涉光相位的电信号、包含第二干涉光相位的电信号和包含第三干涉光相位的电信号；上位机19利用相位解调算法对上述包含第一干涉光相位的电信号、包含第二干涉光相位的电信号和包含第三干涉光相位的电信号进行解调得到步骤8中各个干涉脉冲光的相位值，根据上述各个干涉脉冲光的相位值得到传感光栅阵列10中各个传感光栅的反射光与参考光栅9反射光的相位差，对传感光栅阵列10中各个传感光栅的反射光与参考光栅9反射光的相位差利用传感光栅反射光波长与参考光栅反射光波长的相位关系式以及扫频光脉冲信号在单模光纤15的色散值和色散补偿光纤14的色散值计算得到传感光栅阵列10中各个传感光栅的反射光的波长值；
步骤10：上位机19对传感光栅阵列10中每一个传感光栅的反射波长进行傅里叶变换，即可获得所有传感光栅监测点的待测物振动频率。
上述技术方案中，利用传感光栅阵列10的反射光波长与光程差的关系，根据振动测量灵敏度确定的所需光程差，由光纤出厂标注的色散系数，得到所述单模光纤15和色散补偿光纤14的长度。
上述技术方案的步骤3中，扫频光信号波长每改变一次，上位机19采集一次电信号。
本发明利用色散补偿光纤与普通单模光纤构建色散M-Z干涉仪的两个干涉臂，利用波长变化时色散效应引起的巨大相位变化实现相位增敏，通过高速时域光脉冲记录光栅阵列中的各光栅干涉信息，采用3×3多相位解调技术处理时域干涉信号，实现了光纤光栅阵列的超高灵敏度高速解调，且解调装置具有结构简单、抗干扰能力强、可实现分布式测量等优点。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种基于色散马赫曾德尔干涉的光纤光栅解调装置，其特征在于：它包括宽带光源(1)、窄线宽扫频激光器(2)、第一光开关(3)、光隔离器(4)、半导体光放大器(5)、脉冲数字信号源(6)、光环形器(7)、第二光开关(8)、参考光栅(9)、传感光栅阵列(10)、法拉第旋镜(12)、第一光耦合器(13)、色散补偿光纤(14)、单模光纤(15)、第二光耦合器(16)、光电探测器组(17)、数据采集卡(18)和上位机(19)，其中，所述宽带光源(1)的宽带光信号输出端连接第一光开关(3)的前端第一光信号通信端，窄线宽扫频激光器(2)的扫频激光信号输出端连接第一光开关(3)的前端第二光信号通信端，第一光开关(3)的后端光信号通信端通过光隔离器(4)连接半导体光放大器(5)的光信号输入端，半导体光放大器(5)的光信号输出端连接光环形器(7)的第一光信号接口，光环形器(7)的第二光信号接口连接第二光开关(8)的前端光信号通信端，第二光开关(8)的后端第一光信号通信端连接参考光栅(9)的一端，参考光栅(9)的另一端连接传感光栅阵列(10)，第二光开关(8)的后端第二光信号通信端连接法拉第旋镜(12)的光通信端；
光环形器(7)的第三光信号接口连接第一光耦合器(13)的光信号输入端，第一光耦合器(13)的第一光信号输出端连接单模光纤(15)的一端，第一光耦合器(13)的第二光信号输出端连接色散补偿光纤(14)的一端，单模光纤(15)的另一端连接第二光耦合器(16)的第一输入端，第二光耦合器(16)的第二输入端连接色散补偿光纤(14)的另一端，第二光耦合器(16)的第一输出端、第二输出端和第三输出端连接光电探测器组(17)的光信号输入端，光电探测器组(17)的电信号输出端连接数据采集卡(18)的信号输入端，数据采集卡(18)的信号输出端连接上位机(19)的信号输入端；
所述上位机(19)的扫频激光器控制信号输出端连接窄线宽扫频激光器(2)的控制端，上位机(19)的第一光开关控制信号输出端连接第一光开关(3)的控制端，上位机(19)的第二光开关控制信号输出端连接第二光开关(8)的控制端，脉冲数字信号源(6)的信号输出端连接半导体光放大器(5)的驱动信号输入端。
2.根据权利要求1所述的基于色散马赫曾德尔干涉的光纤光栅解调装置，其特征在于：所述传感光栅阵列(10)由多个光栅采用时分复用或波分复用的方式构成。
3.根据权利要求1所述的基于色散马赫曾德尔干涉的光纤光栅解调装置，其特征在于：它还包括恒温装置(11)，所述参考光栅(9)置于所述恒温装置(11)内。
4.根据权利要求3所述的基于色散马赫曾德尔干涉的光纤光栅解调装置，其特征在于：所述恒温装置(11)保证参考光栅(9)处于20℃的环境中。
5.根据权利要求1所述的基于色散马赫曾德尔干涉的光纤光栅解调装置，其特征在于：所述第二光耦合器(16)的三个输出端分别输出相位不同的干涉光信号，且第二光耦合器(16)的第一输出端输出的干涉光信号与第二输出端输出的干涉光信号之间的相位差为120°，第二光耦合器(16)的第二输出端输出的干涉光信号与第三输出端输出的干涉光信号之间的相位差为120°，第二光耦合器(16)的第三输出端输出的干涉光信号与第一输出端输出的干涉光信号之间的相位差为120°。
6.根据权利要求5所述的基于色散马赫曾德尔干涉的光纤光栅解调装置，其特征在于：所述光电探测器组(17)包括第一光电探测器(17.1)、第二光电探测器(17.2)和第三光电探测器(17.3)，所述第二光耦合器(16)的第一输出端连接第一光电探测器(17.1)的光信号输入端，第一光电探测器(17.1)的电信号输出端连接数据采集卡(18)的信号输入端，第二光耦合器(16)的第二信号输出端连接第二光电探测器(17.2)的光信号输入端，第二光电探测器(17.2)的电信号输出端连接连接数据采集卡(18)的信号输入端，第二光耦合器(16)的第三输出端连接第三光电探测器(17.3)的光信号输入端，第三光电探测器(17.3)的电信号输出端连接数据采集卡(18)的信号输入端。
7.根据权利要求1所述的基于色散马赫曾德尔干涉的光纤光栅解调装置，其特征在于：所述宽带光源(1)用于输出连续宽带光，窄线宽扫频激光器(2)用于输出窄线宽扫频光。
8.一种利用权利要求1所述装置的光纤光栅解调方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：上位机(19)控制第一光开关(3)和第二光开关(8)，使窄线宽扫频激光器(2)的输出端与光隔离器(4)接通，同时，使光环形器(7)的第二光信号接口与法拉第旋镜(12)接通，上位机(19)发出指令，开启窄线宽扫频激光器(2)，窄线宽扫频激光器(2)发出扫频光信号，扫频光信号通过第一光开关(3)和光隔离器(4)，进入半导体光放大器(5)中；
步骤2：脉冲数字信号源(6)驱动半导体光放大器(5)对扫频光信号进行脉冲调制，产生扫频光脉冲信号，该扫频光脉冲信号通过光环形器(7)进入法拉第旋镜(12)，并由法拉第旋镜(12)改变传播路径，使扫频光脉冲信号由光环形器(7)进入第一光耦合器(13)；
第一光耦合器(13)的第一光信号输出端向单模光纤(15)输送扫频光脉冲信号；第一光耦合器(13)的第二光信号输出端向色散补偿光纤(14)输送扫频光脉冲信号；
扫频光脉冲信号在单模光纤(15)和色散补偿光纤(14)中进行传输并在第二光耦合器(16)发生干涉形成马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光，马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光的光程差随着扫频光脉冲信号波长的变化而改变；
步骤3：第二光耦合器(16)分别向光电探测器组(17)输出三个马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光信号，分别为第一马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光信号、第二马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光信号和第三马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光信号，三个干涉光信号中相邻两个的马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光信号的相位差为120°，光电探测器组(17)分别向上位机(19)输送三个电信号，第一个电信号包含了第一马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光相位信息，第二个电信号包含了第二马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光相位信息，第三个电信号包含了第三马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光相位信息；
步骤4：上位机(19)分别对步骤3中的三个电信号，进行相位解调，得到干涉信号对应相位，形成扫频光脉冲信号波长与相位对比关系；根据扫频光脉冲信号波长与相位对比关系求得扫频光脉冲信号波长变化时的相位差，根据传感光栅反射光波长与参考光栅反射光波长的相位关系式分别得到扫频光脉冲信号在单模光纤(15)的色散值和色散补偿光纤(14)的色散值，完成光纤色散测量；
步骤5：将传感光栅阵列(10)贴在待测物上，上位机(19)控制第一光开关(3)和第二光开关(8)，使宽带光源(1)的输出端与光隔离器(4)接通，同时，使光环形器(7)的第二光信号接口与参考光栅(9)接通，宽带光源(1)输出连续宽带光信号，连续宽带光信号依次经过第一光开关(3)和光隔离器(4)进入半导体光放大器(5)中；
步骤6：脉冲数字信号源(6)驱动半导体光放大器(5)对宽带光进行脉冲调制，产生宽带光脉冲信号，该宽带光脉冲信号通过光环形器(7)进入参考光栅(9)和传感光栅阵列(10)，参考光栅(9)输出的反射光为与参考光栅(9)波长相匹配的光信号，传感光栅阵列(10)输出的反射光为与传感光栅阵列(10)波长相匹配的光信号；
步骤7：与参考光栅(9)波长相匹配的光信号和与传感光栅阵列(10)波长相匹配的光信号通过光环形器(7)进入第一光耦合器(13)；
第一光耦合器(13)的第一光信号输出端向单模光纤(15)输送与参考光栅(9)波长相匹配的光信号和与传感光栅阵列(10)波长相匹配的光信号；
第一光耦合器(13)的第二光信号输出端向色散补偿光纤(14)输送与参考光栅(9)波长相匹配的光信号以及与传感光栅阵列(10)波长相匹配的光信号；
步骤8：与参考光栅(9)波长相匹配的光信号和与传感光栅阵列(10)波长相匹配的光信号分别在单模光纤(15)和色散补偿光纤(14)中进行传输并在第二光耦合器(16)各自发生干涉形成对应的多个干涉脉冲光，当待测物振动使传感光栅阵列(10)的反射光波长改变时，由于色散补偿光纤(14)的色散造成干涉光的光程差增大；
步骤9：第二光耦合器(16)分别向光电探测器组(17)输出三个干涉光信号，分别为第一干涉光信号、第二干涉光信号和第三干涉光信号，三个干涉光信号中相邻两个的干涉光信号的相位差为120°，光电探测器组(17)分别向上位机(19)输送包含第一干涉光相位的电信号、包含第二干涉光相位的电信号和包含第三干涉光相位的电信号；上位机(19)利用相位解调算法对上述包含第一干涉光相位的电信号、包含第二干涉光相位的电信号和包含第三干涉光相位的电信号进行解调得到步骤8中各个干涉脉冲光的相位值，根据上述各个干涉脉冲光的相位值得到传感光栅阵列(10)中各个传感光栅的反射光与参考光栅(9)反射光的相位差，对传感光栅阵列(10)中各个传感光栅的反射光与参考光栅(9)反射光的相位差利用传感光栅反射光波长与参考光栅反射光波长的相位关系式以及扫频光脉冲信号在单模光纤(15)的色散值和色散补偿光纤(14)的色散值计算得到传感光栅阵列(10)中各个传感光栅的反射光的波长值；
步骤10：上位机(19)对传感光栅阵列(10)中每一个传感光栅的反射波长进行傅里叶变换，即可获得所有传感光栅监测点的待测物振动频率。
9.根据权利要求8所述的光纤光栅解调方法，其特征在于：利用传感光栅阵列(10)的反射光波长与光程差的关系，根据振动测量灵敏度确定的所需光程差，由光纤出厂标注的色散系数，得到所述单模光纤(15)和色散补偿光纤(14)的长度。
10.根据权利要求8所述的光纤光栅解调方法，其特征在于：所述步骤3中，扫频光信号波长每改变一次，上位机(19)采集一次电信号。
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