CN107588927B - 基于频移干涉技术的弱光纤光栅反射率的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于频移干涉技术的弱光纤光栅反射率的测量方法，该方法采用频移干涉技术在线获取阵列中每个弱光纤光栅的反射谱和位置，利用光谱遮蔽校正方法由参考弱光栅的反射率依次实现每个待测弱光纤光栅的反射率测量，测量范围宽，消除了光源不平坦度的影响，并且大大降低了系统成本，能够满足大规模阵列中弱光纤光栅的同步精确测量需求。
Description
技术领域
涉及光谱测量领域，特别涉及一种精确测量弱光纤光栅反射率的方法。
背景技术
公知，光纤光栅具有体积小、灵敏度高、精度高、抗电磁干扰、耐腐蚀以及响应快等优点，已经广泛应用于民用工程、航空航天、石油化工、生物医学以及电力系统检测等领域，在单根光纤上复用多个光纤光栅可形成传感器阵列，以降低系统成本、实现多点探测和分布式传感，已成为了光纤传感领域的研究热点之一。根据反射率的高低，光纤光栅可分为普通光纤光栅(反射率大于1％)和弱光纤光栅(反射率小于1％)。由于弱光纤光栅的反射率低，光谱遮蔽效应与多次反射串扰低，信噪比高，且在线拉制方面工艺简单、制造成本低、串接损耗小，弱光纤光栅比普通光纤光栅更适用于光纤传感系统的组网与扩容。一般来说，光栅的反射率越低，系统的复用容量越大，然而受信噪比的制约，反射率并不是越低越好，而是存在一个最佳优化的值。因此，精确测量反射率的大小，对弱光纤光栅阵列的设计与应用至关重要。
传统光纤光栅反射率的测量是利用光谱仪接收宽带光经过光纤光栅的透射谱，通过分析光谱的谷值深度来计算光栅的反射率。这种方法受限于光谱仪的光强分辨率，最低可测量的光栅反射率为2％，无法实现对弱光纤光栅反射率的探测。目前用于弱光纤光栅反射率的测量方法可以分为以下四种：
一、采用光谱平均法。将弱光纤光栅阵列一端的端面切平整、浸入无水乙醇或去离子水中，另外一端与宽带光源相连。宽带光源发出的光经光栅阵列和光纤末端的共同反射后，采用光谱仪接收光谱。取反射光谱的峰值高度除以光栅个数，即得到弱光纤光栅的反射率。这种方法近似认为阵列中所有弱光纤光栅的反射率相等，测得的结果是平均反射率而不是单个弱光栅真实的反射率，而事实上受拉制过程中拉制速度、张力以及炉温等因素的影响，弱光纤光栅阵列中各光栅的峰值反射率并不完全相同。此外，这种方法没有考虑弱光纤光栅阵列对光纤末端光谱的影响即光谱遮蔽效应，也没有考虑光源的不平坦度对端面反射率的影响，测量的误差较大。
二、采用时分复用技术。通过将无水乙醇中光纤端面的反射率和反射谱峰值高度作为参考，采用时分复用技术和光谱仪逐个测得每个弱光纤光栅反射谱的峰值高度后，根据这三个参数计算出弱光栅的反射率。这种方法能实现每个弱光栅反射率的测量，但需要依次调整脉冲时延以区分每个光栅的反射谱及位置，无法实现弱光纤光栅反射率的同步测量。由于时分复用采用脉冲光，需要脉冲调制、高速探测、高速采集以及多次光放大，这种方法也存在成本高、结构复杂等缺点。此外，这种方法与也容易受光源的不平坦度和功率波动的影响，难以精确测量弱光纤光栅的反射率。
三、采用基于高反射参考光纤光栅的波分复用技术。将反射谱互不重叠的高反射光栅与待测弱光纤光栅串联在一起，用光谱仪记录两光栅的反射谱，减去光源的光谱后得到相对反射谱。在此基础上将相对反射谱的两峰值高度相减，即得到弱光纤光栅的反射率。这种方法克服了光源光谱和参考光栅反射谱遮蔽的影响，可以获得较高的测试精度。但是这种方法要求各光纤光栅的反射谱互不相同，测量的弱光栅数目受限于光源的带宽范围，无法实现大规模阵列中弱光纤光栅的反射率测量，另外也容易受到光源功率波动的影响。
四、采用基于双反射谱的等效反射率法。将弱光纤光栅一端通过分路器分别与宽带光源和光谱仪相连，另一端熔接高回波损耗光纤接头，分别置于两种反射率差值较大的介质中。通过在极短时间内测量两种反射界面下的反射谱，以及利用弱光纤光栅与光纤接头界面之间的等效反射率之比等于两个反射谱在同一波长处的峰值功率之比的关系，计算出弱光纤光栅的反射率。这种方法不仅可以极大地减小光源功率抖动的影响，而且也可以从原理上消除光源的不平坦度对测试结果的影响，能满足精确测量弱光纤光栅反射率的要求。但是这种方法要求弱光栅的反射率高于-40dB以避免光纤端面和光纤接头连接对测量的影响，测量范围有限，并且一次只能测量一个弱光栅的反射率，无法同步测量阵列中弱光纤光栅的反射率。
以上四种所述方法有一个共同的缺陷，即均需要采用价格昂贵的光谱仪观察光栅的光谱，系统的成本高，难以满足大规模光纤传感网络的实际应用需求。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种精确测量弱光纤光栅反射率的方法。该方法采用频移干涉技术在线获取每个弱光纤光栅的反射谱和位置，利用光谱遮蔽校正方法依次由参考弱光栅的反射率迭代计算每个弱光栅的反射率，测量范围宽，消除了光源不平坦度的影响，降低了系统成本，可实现大规模阵列中弱光纤光栅反射率的在线、低成本的同步精确测量。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
基于频移干涉技术的弱光纤光栅反射率的测量方法，该方法包含以下步骤：
步骤1：将参考弱光栅的一端与频移干涉光纤传感系统中第二光纤耦合器7的输出端熔接，并将另外一端的端面切平整后浸入折射率已知的介质中；
步骤2：采用频移干涉技术分别测得参考弱光栅和光纤端面的反射谱，根据反射谱幅度计算参考弱光栅的反射率；
步骤3：保持光路连接固定，迅速将待测弱光纤光栅阵列接入参考弱光栅之后，利用频移干涉技术获取每个弱光纤光栅的反射谱幅度，并识别光栅位置；
步骤4：根据参考弱光栅的反射率和各个弱光纤光栅的反射谱幅度，采用光谱遮蔽效应校正法迭代计算待测弱光纤光栅阵列中所有光栅的反射率。
进一步的，所述的步骤2中通过下列公式计算参考弱光栅的反射率R0(λ)：
其中，Pe(λ)＝Pin(λ)[1-R0(λ)]2Re为光纤端面的反射谱幅度，式中Pin(λ)为参考弱光栅的入射光功率，P0(λ)＝Pin(λ)R0为参考弱光栅的反射谱幅度，Re为浸在介质中的光纤端面反射率。
进一步的，所述Re根据菲涅尔反射定律由下列公式进行计算，
其中n1为单模光纤纤芯的折射率，n2为介质的折射率。
进一步，所述的步骤4中通过以下公式计算待测弱光纤光栅阵列中所有光栅的反射率：
其中，Ri(λ)为第i个弱光栅即FBGi的反射率，Mi(λ)为FBGi的反射谱幅度，正比于其反射功率，
为FBGi反射前后光纤的总传输损耗，其中β为光纤的衰减系数，Li为FBGi的位置，亦即FBGi至第二光纤耦合器7之间的距离。
进一步的，所述的步骤1中所述的频移干涉光纤传感系统，包括可调谐半导体激光器、含数据采集卡的计算机、光纤环形器、平衡探测器、第一光纤耦合器、声光调制器、第二光纤耦合器、待测反射点；所述的可调谐半导体激光器分别与含数据采集卡的计算机、光纤环形器连接；所述的含数据采集卡的计算机分别与平衡探测器、声光调制器连接；所述的光纤环形器分别与平衡探测器、第一光纤耦合器连接；所述的平衡探测器、第一光纤耦合器、声光调制器、第二光纤耦合器、待测反射点依次连接。
本发明的有益效果在于：本发明提供的一种基于频移干涉技术的弱光纤光栅反射率的测量方法，通过获取参考弱光栅和光纤端面的反射谱来计算测量参考弱光栅的反射率，从原理上消除了光源不平坦度对测量的影响；测量过程中始终保持光路连接固定，两次测量光谱的时间间隔很短，可以大大减小光源功率波动的影响；根据频移干涉技术获取阵列中各个弱光栅的反射谱幅度和位置，再采用光谱遮蔽效应校正法快速、在线、准确地计算出每个弱光栅的反射率，弥补了上述方法在测量弱光纤光栅阵列中各光栅反射率时存在的误差大、测量范围小、成本高或无法在线同步测量等的不足。该方法能够满足精确测量大规模阵列中弱光纤光栅反射率的要求。
附图说明
为进一步说明本发明的具体技术内容，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1是本发明提供的基于频移干涉技术的精确测量弱光纤光栅反射率的方法的流程图；
图2是本发明提供的精确测量弱光纤光栅反射率的频移干涉光纤传感系统；
其中1为可调谐半导体激光器，2为含数据采集卡的计算机、3为光纤环形器，4为平衡探测器，5为第一光纤耦合器，6为声光调制器，7为第二光纤耦合器，8为待测反射点，所述待测反射点为光纤端面、单个光纤光栅或多个低反射率的光纤光栅。
图3是依照本发明实施例，采用频移干涉技术测得的参考弱光栅和光纤端面的反射谱；图中横坐标为波长，纵坐标为幅度；
图4是依照本发明实施例，获得的弱光纤光栅反射率随波长变化的曲线，图中横坐标为波长，纵坐标为反射率。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明提供的优选实施例进行详细的描述。
本发明提供的一种基于频移干涉技术的精确测量弱光纤光栅反射率的方法，采用频移干涉技术获取参考弱光栅反射谱、光纤端面反射谱以及阵列中所有弱光纤光栅的反射谱和位置，并结合光谱遮蔽效应校正法实现所有弱光栅反射率的测量，能消除光源不平坦度的影响，减小光源功率抖动的影响，降低系统成本，实现大规模阵列中弱光纤光栅反射率的在线、低成本的同步精确的测量。该方法的流程图如图1所示，具体包括以下步骤：
步骤1：将参考弱光栅的一端与频移干涉光纤传感系统中光纤耦合器7的输出端熔接，并将另外一端的端面切平整后浸入折射率已知的介质中；
其中，频移干涉光纤传感系统的结构及解调原理具体如下：
频移干涉光纤传感系统可分为线性频移干涉仪和待测反射点8两部分，如图2所示。线性频移干涉仪主要由第一光纤耦合器5、第二光纤耦合器7和一个用作频移器的声光调制器(AOM)6组成。待测反射点可以是单个或者是多个，因此频移干涉系统本质上可看作是多个萨格纳克干涉环的叠加。对于每个干涉环，正向传输的光信号先经过反射点反射后再经过AOM后到达平衡探测器(BD)4的一个输入端，而反向传输的光信号先经过AOM再经过反射点反射后到达BD的另一个输入端，故两个相向传输的光信号的相位差正比于各自从AOM传输到BD所形成的光程差，又正比于频移器的频移量。因此，BD处的干涉差分信号强度为：
其中，λ为可调谐激光器(TLS)1的波长，f为AOM的频移量，N为待测反射点的个数，n为单模光纤的有效折射率，c为真空中的光速，L0为一个常量。Li是第i个反射点与耦合器C2之间的距离。Ii(λ)指在波长λ处被i个反射点反射的真实功率。由上式可以看出，差分干涉信号的振幅携带了反射点的反射谱信息，相位携带了反射点的位置信息。当激光输出波长λ固定时，如果对AOM进行线性扫频，就可以得到差分干涉信号随f变化的函数ΔI(f)，对ΔI(f)作快速傅里叶变换(FFT)，就可以得到输入波长为λ时的FFT谱。接着改变TSL的输出波长，就可以得到不同波长下的傅里叶变换谱信息，即二维FFT谱。通过分析提取二维FFT变换谱中各频谱成分的峰值幅度和位置信息就可以获得各个反射点的反射谱和位置。由于每个光纤光栅即为一个反射点，因此频移干涉光纤传感系统既适用于单个光栅的检测，又适用于大规模弱光纤光栅阵列的检测。
步骤2：采用频移干涉技术分别测得参考弱光栅和光纤端面的反射谱，根据反射谱幅度计算参考弱光栅的反射率；
步骤2中通过下列公式计算参考弱光栅的反射率R0(λ)：
其中，Pe(λ)＝Pin(λ)[1-R0(λ)]2Re为光纤端面的反射谱幅度，式中Pin(λ)为参考弱光栅的入射光功率，P0(λ)＝Pin(λ)R0为参考弱光栅的反射谱幅度，Re为浸在介质中的光纤端面反射率。
进一步的，所述Re根据菲涅尔反射定律由下列公式进行计算，
其中n1为单模光纤纤芯的折射率，n2为介质的折射率。
步骤3：保持光路连接固定，迅速将待测弱光纤光栅阵列接入参考弱光栅之后，利用频移干涉技术获取每个弱光纤光栅的反射谱幅度，并识别光栅位置；
步骤4：根据参考弱光栅的反射率和各个弱光纤光栅的反射谱幅度，采用光谱遮蔽效应校正法迭代计算待测弱光纤光栅阵列中所有光栅的反射率。
进一步的，步骤4中通过以下公式计算待测弱光纤光栅阵列中所有光栅的反射率，
其中，Ri(λ)为第i个弱光纤光栅即FBGi的反射率，Mi(λ)为FBGi的反射谱幅度，正比于其反射功率，
为FBGi反射前后光纤的总传输损耗，其中β为光纤的衰减系数，Li为FBGi的位置，亦即FBGi至第二光纤耦合器7之间的距离。
采用以下测试条件，可获得如图3和图4所示的测试结果。
测试条件：可调谐半导体激光器(Santec TSL-510C)、数据采集卡(NI USB-6361)、武汉理工大学光纤中心采用单模光纤在线拉制的参考弱光栅(峰值反射率约为-32dB)和一卷弱光纤光栅阵列(平均反射率约为-26dB，光栅个数为60个)、平衡探测器(New FocusModel 2117)、声光调制器(Brimrose AMM-100-20-25-1550-2FP)，反射介质(无水乙醇)。
由于测量参考弱光栅的反射率只需同步测量参考弱光栅和光纤端面的反射谱幅度就可以得到，不需要测量光源的光谱，从原理上消除了光源的不平坦度对测量结果的影响；另外两次测量光谱的过程中光路连接固定、时间间隔短，也大大减小了光源功率抖动的影响。由频移干涉光纤传感系统的结构可知，该测量系统采用连续光，无需采用高速探测器、高速采集卡、多个光放大器，也无需采用光谱仪等昂贵的仪器，具有显著降低系统成本的优势；频移干涉技术允许光谱重叠、测试光栅个数不受光源带宽限制，同时采用差分探测技术，具有信噪比高、测量范围大的优点。因此，本发明所述方法能够满足快速、在线、低成本、同步精确测量大规模阵列中弱光纤光栅反射率的要求。
最后说明的是，以上优选实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过以上优选实施例已经对本发明进行了进一步详细说明，但本领域技术人员应当理解，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (4)
1.基于频移干涉技术的弱光纤光栅反射率的测量方法，其特征在于：该方法包含以下步骤：
步骤1：将参考弱光栅的一端与频移干涉光纤传感系统中第二光纤耦合器(7)的输出端熔接，并将另外一端的端面切平整后浸入折射率已知的介质中；
步骤2：采用频移干涉技术分别测得参考弱光栅和光纤端面的反射谱，根据反射谱幅度计算参考弱光栅的反射率；
步骤3：保持光路连接固定，迅速将待测弱光纤光栅阵列接入参考弱光栅之后，利用频移干涉技术获取每个弱光纤光栅的反射谱幅度，并识别光栅位置；
步骤4：根据参考弱光栅的反射率和各个弱光纤光栅的反射谱幅度，采用光谱遮蔽效应校正法迭代计算待测弱光纤光栅阵列中所有光栅的反射率。
2.根据权利要求1所述的基于频移干涉技术的弱光纤光栅反射率的测量方法，其特征在于：所述的步骤2中通过下列公式计算参考弱光栅的反射率R0(λ)：
其中，Pe(λ)＝Pin(λ)[1-R0(λ)]2Re为光纤端面的反射谱幅度，式中Pin(λ)为参考弱光栅的入射光功率，P0(λ)＝Pin(λ)R0为参考弱光栅的反射谱幅度，Re为浸在介质中的光纤端面反射率。
3.根据权利要求1所述的基于频移干涉技术的弱光纤光栅反射率的测量方法，其特征在于：所述的步骤4中通过以下公式计算弱光纤光栅阵列中所有光栅的反射率：
其中，Ri(λ)为第i个弱光栅即FBGi的反射率，Mi(λ)为FBGi的反射谱幅度，正比于其反射功率，
为FBGi反射前后光纤的总传输损耗，其中β为光纤的衰减系数，Li为FBGi的位置，亦即FBGi至第二光纤耦合器(7)之间的距离。
4.根据权利要求1所述的基于频移干涉技术的弱光纤光栅反射率的测量方法，其特征在于：所述的步骤1中所述的频移干涉光纤传感系统，包括可调谐半导体激光器(1)、含数据采集卡的计算机(2)、光纤环形器(3)、平衡探测器(4)、第一光纤耦合器(5)、声光调制器(6)、第二光纤耦合器(7)、待测反射点(8)；所述的可调谐半导体激光器(1)分别与含数据采集卡的计算机(2)、光纤环形器(3)连接；所述的含数据采集卡的计算机(2)分别与平衡探测器(4)、声光调制器(6)连接；所述的光纤环形器(3)分别与平衡探测器(4)、第一光纤耦合器(5)连接；所述的平衡探测器(4)、第一光纤耦合器(5)、声光调制器(6)、第二光纤耦合器(7)、待测反射点(8)依次连接。
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Application publication date: 20180116 Assignee: Hubei Jiabei Technology Co.,Ltd. Assignor: HUBEI University OF TECHNOLOGY Contract record no.: X2023980054604 Denomination of invention: Measurement method of weak fiber grating reflectivity based on frequency shift interferometry technology Granted publication date: 20200424 License type: Common License Record date: 20240104 |
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