CN108120461B - 一种基于混沌光源的光纤布拉格光栅解调方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于混沌光源的光纤布拉格光栅解调方法及其装置，属于光纤解调技术领域，加入恒温槽和恒温控制电路的辅助，通过混沌光源产生混沌光，对光纤布拉格光栅进行解调；整套装置由半导体激光器、偏振控制器、光纤环行器、可调光衰减器、多个光纤耦合器、光隔离器、F‑P标准具、参考光栅、多个光纤布拉格光栅、恒温控制电路、F‑P滤波器、光电探测器、放大电路、A/D转换器、FPGA采集系统、D/A转换器、锯齿波电压、显示器和恒温槽组成；本发明提高了现有的光纤布拉格光栅解调装置的性能，具有测量范围大、信噪比和分辨率高的优点，适用于温差较大和需要进行超远距离传输的场合。
Description
技术领域
本发明涉及光纤光栅解调技术，具体为一种基于混沌光源的光纤布拉格光栅解调方法及其装置。
背景技术
近年来，光纤布拉格光栅的快速发展为光纤光栅传感技术的应用提供了平台，与一般的光纤传感器相比，光纤布拉格光栅具有结构简单、体积小、高灵敏度等优点，所以在结构健康监测、航空航天等众多领域都得到了应用。其中，基于可调谐滤波法的光纤布拉格光栅解调仪具有测量范围大、测量精度高、解调速度快等优点，适合长距离的检测。但是，光纤布拉格光栅是以光栅的波长作为传感媒介，通过波长的漂移来感知外界物理量的变化，所以想要加宽测量范围就必须采用宽带光源，但是想要提高分辨率就必须压窄反射线宽（这就在很大程度上降低了宽带光源的功率利用率），这样就要求光纤布拉格光栅在应用中必须采用宽带大功率的光源。
发明内容
本发明克服现有技术的不足，目的在于加强光纤布拉格光栅的测量范围、提高分辨率，解决超远距离传输中光源功率过小等问题，从而公开一种将混沌光源融入到可调谐滤波法光纤布拉格光栅解调装置中，同时加入恒温槽和恒温控制电路的技术方案。具有测量范围大、分辨率高、传输距离远、信号检测可靠等优点。适用于对光纤布拉格光栅解调有严格要求、环境温差大、需要进行超远距离传输的场合。
为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。
一种基于混沌光源的光纤布拉格光栅解调方法，加入恒温槽和恒温控制电路的辅助，通过混沌光源产生混沌光，对光纤布拉格光栅进行解调；具体为以下步骤。
半导体激光器发出的连续光经过偏振控制器和光纤环行器输出后进入第一光纤耦合器，经第一光纤耦合器的一端输出后经由可调光衰减器注入光纤环形器，再由光纤环形器输出并注入半导体激光器对其进行扰动，产生混沌光，混沌光再次经过偏振控制器注入光纤环形器的输入端，经光纤环形器输出后进入第一光纤耦合器，最终经过光隔离器后输出，混沌光经过隔离器和第二光纤耦合器分为两束光，其中一束混沌光经由第三光纤耦合器进入由第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅和第三光纤布拉格光栅组合的不同中心波长的光栅阵列中，混沌光经过光栅阵列的反射后又通过第三光纤耦合器进入F-P滤波器中，由第二光纤耦合器发出的另外一束混沌光经过第四光纤耦合器进入F-P标准具到达参考光栅，参考光栅反射回来的混沌光再经过F-P标准具和第四光纤耦合器进入F-P滤波器中，所述参考光栅放在恒温槽中以保持温度恒定；光电探测器探测到由F-P滤波器输出的光信号后转化为电信号输出，再经过放大电路放大和A/D转换器进行模数转换后进入到FPGA采集系统，经FPGA采集系统进行数据处理后，输出到显示器中进行显示，同时FPGA采集系统的数据经D/A转换器进行数模转换后输出锯齿波电压来控制F-P滤波器。
一种基于混沌光源的光纤布拉格光栅解调装置，由光路结构和电路结构两部分组成，所述的光路结构由半导体激光器、偏振控制器、光纤环行器、可调光衰减器、第一光纤耦合器、光隔离器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、第四光纤耦合器、F-P标准具、参考光栅、第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅、第三光纤布拉格光栅、F-P滤波器、和恒温槽构成；所述的电路结构由恒温控制电路、光电探测器、放大电路、A/D转换器、FPGA采集系统、D/A转换器、锯齿波电压和显示器构成。
其中，半导体激光器、偏振控制器、光纤环行器、可调光衰减器和第一光纤耦合器构成混沌光源。
所述的半导体激光器、偏振控制器、光纤环行器顺次连接，所述的光纤环行器输出端a与第一光纤耦合器的输入端c相连接，所述的第一光纤耦合器的输出端d与可调光衰减器的输入端e相连接，所述的可调光衰减器的输出端f与光纤环形器的输入端b相连接；所述的第一光纤耦合器的输出端d与光隔离器相连接，所述的光隔离器与第二光纤耦合器相连接，所述的第二光纤耦合器分为两束光路，第一光路依次连接有第三光纤耦合器、第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅、第三光纤布拉格光栅；第二光路依次连接有第四光纤耦合器、F-P标准具、参考光栅，所述的参考光栅外部设置有恒温槽，所述的第三光纤耦合器的输出端g和第四光纤耦合器的输出端h分别与F-P滤波器的输入端相连接，所述的F-P滤波器的输出端与光电探测器、放大电路、A/D转换器、FPGA采集系统、D/A转换器、锯齿波电压顺次连接，所述的锯齿波电压的输出端与F-P滤波器的输入端相连接，所述的FPGA采集系统连接有显示器，所述的恒温控制电路与恒温槽相连。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：本发明将混沌光源融入到可调谐滤波法解调光纤布拉格光栅并加入恒温槽和恒温控制电路的装置，混沌光源带宽和线宽更宽，可以提高测量范围和分辨率；混沌光源功率更大，提高了信噪比；同时，混沌光源具有低相干性，可以进行超远距离传输。整套装置具有测量范围大、分辨率高、传输距离远、信号检测可靠等优点。适用于对光纤布拉格光栅解调有严格要求、环境温差大、需要进行超远距离传输的场合。
附图说明
图1是本发明基于混沌光源的光纤布拉格光栅解调装置结构示意图。
其中，1-半导体激光器、2-偏振控制器、3-光纤环行器、4-可调光衰减器、5-第一光纤耦合器、6-光隔离器、7-第二光纤耦合器、8-第三光纤耦合器、9-第四光纤耦合器、10-F-P标准具、11-参考光栅、12-第一光纤布拉格光栅、13-第二光纤布拉格光栅、14-第三光纤布拉格光栅、15-恒温控制电路、16- F-P滤波器、17-光电探测器、18-放大电路、19-A/D转换器、 20-FPGA采集系统、21-D/A转换器、22-锯齿波电压、23-显示器、24-恒温槽。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明一种基于混沌光源的光纤布拉格光栅解调装置在混沌光的产生和解调光纤布拉格光栅中的工作原理和应用过程，但保护范围不被此限制。
如图1，一种基于混沌光源的光纤布拉格光栅解调装置，由光路结构和电路结构两部分组成，光路结构由半导体激光器1、偏振控制器2、光纤环行器3、可调光衰减器4、第一光纤耦合器5、光隔离器6、第二光纤耦合器7、第三光纤耦合器8、第四光纤耦合器9、F-P标准具10、参考光栅11、第一光纤布拉格光栅12、第二光纤布拉格光栅13、第三光纤布拉格光栅14、F-P滤波器16和恒温槽24构成；电路结构由恒温控制电路15、光电探测器17、放大电路18、A/D转换器19、FPGA采集系统20、D/A转换器21、锯齿波电压22和显示器23构成。
半导体激光器1、偏振控制器2、光纤环行器3顺次连接，光纤环行器3输出端a与第一光纤耦合器5的输入端c相连接，第一光纤耦合器5的输出端d与可调光衰减器4的输入端e相连接，可调光衰减器4的输出端f与光纤环形器3的输入端b相连接；第一光纤耦合器5的输出端d与光隔离器6相连接，所述的光隔离器6与第二光纤耦合器7相连接，第二光纤耦合器7分为两束光路，第一光路依次连接有第三光纤耦合器8、第一光纤布拉格光栅12、第二光纤布拉格光栅13、第三光纤布拉格光栅14；第二光路依次连接有第四光纤耦合器9、F-P标准具10、参考光栅11，参考光栅11外部设置有恒温槽24，第三光纤耦合器8的输出端g和第四光纤耦合器9的输出端h分别与F-P滤波器16的输入端相连接，F-P滤波器16的输出端与光电探测器17、放大电路18、A/D转换器19、FPGA采集系统20、D/A转换器21、锯齿波电压22顺次连接，锯齿波电压22的输出端与F-P滤波器16的输入端相连接， FPGA采集系统20连接有显示器23，恒温控制电路15与恒温槽24相连。
按照附图1搭建光路和电路结构，将参考光栅11放在恒温槽24中。将半导体激光器1、偏振控制器2、光纤环行器3、可调光衰减器4、第一光纤耦合器5组成混沌光源以产生混沌光。利用光纤环行器3形成的光反馈对半导体激光器1进行扰动后产生混沌光，混沌光在光纤中传输时，其偏振态极易发生改变，因此使用了偏振控制器2，使通过偏振控制器2的混沌光失去偏振特性，因而可以避免偏振态引入的影响。注入光纤的混沌光功率大小由可调节光衰减器4控制，其最大输出光功率为 2W。
其中半导体激光器1发出的连续光经过偏振控制器2和光纤环行器3输出后进入1*2的50/50的第一光纤耦合器5，经第一光纤耦合器5的一端输出后经可调光衰减器4注入光纤环形器3，经由光纤环形器3输出并注入半导体激光器1对其进行扰动，产生混沌光。混沌光再次经过偏振控制器2注入光纤环形器3的输入端，经光纤环形器输出后进入1*2的50/50的第一光纤耦合器5，最终经过光隔离器6后输出。混沌光经过隔离器6和1*2的50/50的第二光纤耦合器7分为两束光进入第三光纤耦合器8和第四光纤耦合器9。其中，进入第三光纤耦合器8的混沌光进入由第一光纤布拉格光栅12、第二光纤布拉格光栅13和第三光纤布拉格光栅14组合的不同中心波长的光栅阵列中，混沌光经过光栅阵列的反射后又通过第三光纤耦合器8进入F-P滤波器16中，由第二光纤耦合器7发出的另外一束混沌光进入第四光纤耦合器9中，经过第四光纤耦合器9进入F-P标准具10到达参考光栅11。参考光栅11反射回来的混沌光再经过F-P标准具10和第四光纤耦合器9进入F-P滤波器16中，其中参考光栅11放在恒温槽24中以保持温度恒定。
其中恒温控制电路15与恒温槽24相连，用于控制恒温槽24的温度，光电探测器17探测到F-P滤波器16输出的光信号并将其转化为电信号，再经过放大电路18、A/D转换器19进入到FPGA采集系统20进行数据处理后，输出到显示器23中进行显示，同时FPGA采集系统20的数据经D/A转换器21进行数模转换后输出锯齿波电压22来控制F-P滤波器16。
1、基于混沌光源的光纤布拉格光栅解调装置对于光路解调的处理过程。
混沌光经过光隔离器6后进入第二光纤耦合器7分为两束光，一束进入第三光纤耦合器8，一束进入第四光纤耦合器9。进入第三光纤耦合器8的混沌光经过由第一光纤布拉格光栅12、第二光纤布拉格光栅13、第三光纤布拉格光栅14组成的不同中心波长的光栅阵列的后，反射回来的混沌光重新进入第三光纤耦合器8，输入到F-P滤波器16中。另一束进入第四光纤耦合器9的混沌光经过F-P标准具10，进入参考光栅11。经过参考光栅11的反射后又经过F-P标准具10和第四光纤耦合器9进入F-P滤波器16中。其中由第一光纤布拉格光栅12、第二光纤布拉格光栅13、第三光纤布拉格光栅14组成的中心波长不同的光栅阵列，由F-P标准具10、参考光栅11、恒温控制电路15、恒温槽24组成的参考系统可以用来对F-P滤波器16进行校准，以消除可调谐 F-P 滤波器16误差对测量精度造成的影响。由于光纤布拉格光栅可能工作在温差较大的场合，对于栅长的变化有一定的影响，所以把参考光栅11放于恒温槽24中，由恒温控制电路15控制恒温槽24的温度，以保持参考光栅11的稳定工作。
2、基于混沌光源的光纤布拉格光栅解调装置对于电路解调的处理过程。
当混沌光进入到F-P滤波器16中， 锯齿波电压22控制F-P滤波器16的透射波长输出，当F-P滤波器16的透射波长与光纤布拉格光栅的反射波长匹配时，光电探测器17可以探测到最大光功率。光电探测器17输出的电信号经过放大电路18后由A/D转换器19进行模数转换，再经FPGA采集系统20进行数据处理后，输出到显示器23中进行显示，同时FPGA采集系统20的数据经D/A转换器21进行数模转换后输出锯齿波电压22来控制F-P滤波器16，当FPGA采集系统20检测到由A/D转换器19采集的电压信号最大时，记录此时D/A转换器21输出的锯齿波电压22，然后根据锯齿波电压22与光纤布拉格光栅波长的关系可以得到反射波长的值，根据温度和中心波长偏移的关系，推算出温度的变化，达到传感信号解调的目的。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (2)
1.一种基于混沌光源的光纤布拉格光栅解调方法，其特征在于，加入恒温槽和恒温控制电路，通过混沌光源产生混沌光，对光纤布拉格光栅进行解调；具体为以下步骤：
半导体激光器（1）发出的连续光经过偏振控制器（2）和光纤环行器（3）输出后进入第一光纤耦合器（5），经第一光纤耦合器（5）的一端输出后经由可调光衰减器（4）注入光纤环形器（3），再由光纤环形器（3）输出并注入半导体激光器（1）对其进行扰动，产生混沌光，混沌光再次经过偏振控制器（2）注入光纤环形器（3）的输入端，经光纤环形器（3）输出后进入第一光纤耦合器（5），最终经过光隔离器（6）后输出，混沌光经过隔离器（6）和第二光纤耦合器（7）分为两束光，其中一束混沌光经由第三光纤耦合器（8）进入由第一光纤布拉格光栅（12）、第二光纤布拉格光栅（13）和第三光纤布拉格光栅（14）组合的不同中心波长的光栅阵列中，混沌光经过光栅阵列的反射后又通过第三光纤耦合器（8）进入F-P滤波器（16）中，由第二光纤耦合器（7）发出的另外一束混沌光经过第四光纤耦合器（9）进入F-P标准具（10）到达参考光栅（11），参考光栅（11）反射回来的混沌光再经过F-P标准具（10）和第四光纤耦合器（9）进入F-P滤波器（16）中，所述参考光栅（11）放在恒温槽（24）中以保持温度恒定；光电探测器（17）探测到由F-P滤波器（16）输出的光信号后转化为电信号输出，再经过放大电路（18）放大和A/D转换器（19）进行模数转换后进入到FPGA采集系统（20），经FPGA采集系统（20）进行数据处理后，输出到显示器（23）中进行显示，同时FPGA采集系统（20）的数据经D/A转换器（21）进行数模转换后输出锯齿波电压（22）来控制F-P滤波器（16），当FPGA采集系统（20）检测到由A/D转换器（19）采集的电压信号最大时，记录此时D/A转换器（21）输出的锯齿波电压（22），然后根据锯齿波电压（22）与光纤布拉格光栅波长的关系，得到反射波长的值，根据温度和中心波长偏移的关系，得到温度的变化，使传感信号得到解调。
2.一种基于混沌光源的光纤布拉格光栅解调装置，由光路结构和电路结构两部分组成，其特征在于，所述的光路结构由半导体激光器（1）、偏振控制器（2）、光纤环行器（3）、可调光衰减器（4）、第一光纤耦合器（5）、光隔离器（6）、第二光纤耦合器（7）、第三光纤耦合器（8）、第四光纤耦合器（9）、F-P标准具（10）、参考光栅（11）、第一光纤布拉格光栅（12）、第二光纤布拉格光栅（13）、第三光纤布拉格光栅（14）、F-P滤波器（16）和恒温槽（24）构成；所述的电路结构由恒温控制电路（15）、光电探测器（17）、放大电路（18）、A/D转换器（19）、FPGA采集系统（20）、D/A转换器（21）、锯齿波电压（22）和显示器（23）构成；
所述的半导体激光器（1）、偏振控制器（2）、光纤环行器（3）顺次连接，所述的光纤环行器（3）输出端a与第一光纤耦合器（5）的输入端c相连接，所述的第一光纤耦合器（5）的输出端d与可调光衰减器（4）的输入端e相连接，所述的可调光衰减器（4）的输出端f与光纤环形器（3）的输入端b相连接；所述的第一光纤耦合器（5）的输出端d与光隔离器（6）相连接，所述的光隔离器（6）与第二光纤耦合器（7）相连接，所述的第二光纤耦合器（7）分为两束光路，第一光路依次连接有第三光纤耦合器（8）、第一光纤布拉格光栅（12）、第二光纤布拉格光栅（13）、第三光纤布拉格光栅（14）；第二光路依次连接有第四光纤耦合器（9）、F-P标准具（10）、参考光栅（11），所述的参考光栅（11）外部设置有恒温槽（24），所述的第三光纤耦合器（8）的输出端g和第四光纤耦合器（9）的输出端h分别与F-P滤波器（16）的输入端相连接，所述的F-P滤波器（16）的输出端与光电探测器（17）、放大电路（18）、A/D转换器（19）、FPGA采集系统（20）、D/A转换器（21）、锯齿波电压（22）顺次连接，所述的锯齿波电压（22）的输出端与F-P滤波器（16）的输入端相连接，所述的FPGA采集系统（20）连接有显示器（23），所述的恒温控制电路（15）与恒温槽（24）相连。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Wang Yu Inventor after: Zhang Hongjuan Inventor after: Wang Dong Inventor after: Wang Yuncai Inventor after: Jin Baoquan Inventor after: Li Ning Inventor after: Zhang Mingjiang Inventor after: Liu Cuan Inventor after: Bai Qing Inventor after: Gao Yan Inventor before: Wang Yu Inventor before: Zhang Hongjuan Inventor before: Liu Cuan Inventor before: Wang Yuncai Inventor before: Jin Baoquan Inventor before: Zhang Mingjiang Inventor before: Song Xiaoda Inventor before: Bai Qing Inventor before: Wang Dong Inventor before: Gao Yan |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |