CN108444676A - 一种光纤光栅中心波长的测量和补偿系统及补偿方法 - Google Patents

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    • G01M11/30—Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides

Abstract

本发明公开了一种光纤光栅中心波长的测量和补偿系统及补偿方法，测量和补偿系统包括高速光纤光栅解调设备、低速光纤光栅解调设备、转接光缆、多点光纤光栅阵列及补偿模块。补偿方法如下：先将多点光纤光栅阵列接入低速光纤光栅解调设备，得到中心波长A，并以此为该多点光纤光栅阵列的中心波长测量基准；再将多点光纤光栅阵列接入高速光纤光栅解调设备，得到中心波长B，根据中心波长A、B及环境因素，得到补偿参数，用该参数补偿高速光纤光栅解调设备输出的中心波长B，降低多点光纤光栅阵列的中心波长在高速测量过程中受传输光缆时延的影响,提高高速光纤光栅解调设备对多点光纤光栅阵列中心波长的测量精度。

Description

一种光纤光栅中心波长的测量和补偿系统及补偿方法
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种光纤光栅中心波长的测量和补偿系统及补偿方法。
背景技术
光纤光栅传感器属于全光纤测量系统，具有本质安全、抗电磁干扰能力强、体积小、重量轻，易于实现多点准分布式测量，在结构健康监测中具有重要的应用，例如飞机、火箭、桥梁、楼宇等的健康监测。
光纤光栅中心波长的高速测量通常采用可调谐激光器的方法，激光器发出的光信号经过若干无源光纤器件输入到光纤光栅中，光纤光栅再将光谱信号反射到探测器中，经过信号采集、处理后，输出光纤光栅中心波长，再经中心波长-物理量转换，实现待测物理量的测量，一般可达到1KHz～10KHz。
由于在实际使用过程中激光器与光纤光栅之间有长短不一的转接光缆和传输光纤，光信号经光纤传输会有一定的时延，当测量速度较高时，光信号的时延会导致光纤光栅中心波长测量精度降低，影响光纤光栅传感系统的性能指标。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对高速光纤光栅解调设备测量不同光纤光栅受传输光纤时延影响的问题，提供一种光纤光栅中心波长的测量和补偿系统及补偿方法，解决了高速光纤光栅解调设备中心波长测量精度受传输光缆时延影响的问题。
本发明的技术解决方案是：一种光纤光栅中心波长的测量和补偿系统，包括：高速光纤光栅解调设备、低速光纤光栅解调设备、转接光缆及多点光纤光栅阵列、补偿模块；
多点光纤光栅阵列通过转接光缆接入低速光纤光栅解调设备，低速光纤光栅解调设备测量多点光纤光栅阵列的中心波长A，将该中心波长作为测量基准；
多点光纤光栅阵列通过转接光缆接入高速光纤光栅解调设备，高速光纤光栅解调设备测量多点光纤光栅阵列的中心波长B；
补偿模块，根据中心波长A、中心波长B和环境因素，确定补偿参数，用该补偿参数补偿中心波长B，得到补偿后的光纤光栅中心波长C。
低速光纤光栅解调设备中心波长测量精度受转接光缆长度的影响可忽略。
高速光纤光栅解调设备测量频率不低于1000Hz。
低速光纤光栅解调设备测量频率为1Hz～10Hz。
若高速光纤光栅阵列在测量过程中受外界环境条件扰动影响，根据中心波长A和中心波长B以及外界环境条件扰动影响，确定光纤光栅中心波长。
高速光纤光栅解调设备，采用可调谐高速光纤光栅解调设备，波长可调谐范围为1510nm～1590nm。
转接光缆的插入损耗小于1dB,回波损耗大于40dB。
低速光纤光栅解调设备，采用低速可调谐光纤光栅解调设备,波长可调谐范围为1510nm～1590nm。
补偿模块使补偿后的光纤光栅中心波长C的测量精度在-10pm～10pm。
一种受传输光纤时延影响的高速光纤光栅中心波长补偿方法，步骤如下：
(1)将多点光纤光栅阵列通过转接光缆接入低速光纤光栅解调设备，低速光纤光栅解调设备测量多点光纤光栅阵列的中心波长A，将该中心波长作为测量基准；
(2)将多点光纤光栅阵列通过转接光缆接入高速光纤光栅解调设备，高速光纤光栅解调设备测量多点光纤光栅阵列的中心波长B；
(3)根据中心波长A、中心波长B和环境因素，确定补偿参数，用该补偿参数补偿中心波长B，得到补偿后的光纤光栅中心波长C。
本发明相对于现有技术的有益效果在于：
(1)本发明的一种光纤光栅中心波长的测量和补偿系统及补偿方法，采用低速光纤光栅解调设备，利用其测量频率低，中心波长测量准确的特点，为高速光纤光栅解调设备提供中心波长基准。
(2)本发明的一种光纤光栅中心波长的测量和补偿系统及补偿方法，不受光缆长度限制，操作简单。
(3)本发明的一种光纤光栅中心波长的测量和补偿系统及补偿方法，不受光纤光栅数量的限制，可实现多点光纤光栅阵列中心波长补偿，提高效率。
(4)本发明的一种光纤光栅中心波长的测量和补偿系统及补偿方法，可以降低多点光纤光栅受外界环境扰动的影响，补偿方法环境适应性强。
(5)本发明的补偿方法将高速解调设备中心波长测量偏差由39pm降低到2pm，显著补偿了高速光纤光栅解调设备中心波长测量精度受传输光缆时延影响，提高了中心波长测量精度。
附图说明
图1为本发明的光纤光栅中心波长的测量和补偿系统结构示意图；
图2为本发明的补偿方法流程图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明。
本发明公开了一种光纤光栅中心波长的测量和补偿系统及补偿方法，测量和补偿系统包括高速光纤光栅解调设备、低速光纤光栅解调设备、转接光缆、多点光纤光栅阵列及补偿模块。补偿方法如下：先将多点光纤光栅阵列接入低速光纤光栅解调设备，得到中心波长A，并以此为该多点光纤光栅阵列的中心波长测量基准；再将多点光纤光栅阵列接入高速光纤光栅解调设备，得到中心波长B，根据中心波长A、B及环境因素，得到补偿参数，用该参数补偿高速光纤光栅解调设备输出的中心波长B，降低多点光纤光栅阵列的中心波长在高速测量过程中受传输光缆时延的影响,提高高速光纤光栅解调设备对多点光纤光栅阵列中心波长的测量精度。
如图1和图2所示，一种光纤光栅中心波长的测量和补偿系统，包括：高速光纤光栅解调设备、低速光纤光栅解调设备、转接光缆及多点光纤光栅阵列、补偿模块；多点光纤光栅阵列通过转接光缆接入低速光纤光栅解调设备，低速光纤光栅解调设备测量多点光纤光栅阵列的中心波长A，将该中心波长作为测量基准；多点光纤光栅阵列通过转接光缆接入高速光纤光栅解调设备，高速光纤光栅解调设备测量多点光纤光栅阵列的中心波长B；根据中心波长A、中心波长B和环境因素，确定补偿参数，用该补偿参数补偿中心波长B，得到补偿后的光纤光栅中心波长C。要求低速光纤光栅解调设备测量频率为1Hz～10Hz，其中心波长测量精度受转接光缆长度的影响小，可忽略，将该中心波长作为测量基准。高速光纤光栅解调设备测量频率不低于1000Hz，其中心波长测量精度受转接光缆长度的影响大，需补偿，若高速光纤光栅阵列在测量过程中受外界环境条件扰动影响，根据中心波长A和中心波长B以及外界环境条件扰动影响，确定光纤光栅中心波长。高速光纤光栅解调设备，优选采用可调谐高速光纤光栅解调设备，波长可调谐范围优选为1510nm～1590nm。优选的转接光缆的插入损耗小于1dB,优选的回波损耗大于40dB。低速光纤光栅解调设备，优选采用低速可调谐光纤光栅解调设备,波长可调谐范围优选为1510nm～1590nm。补偿模块使补偿后的光纤光栅中心波长C的测量精度优选在-10pm～10pm。
多点光纤光栅阵列的行数优选4的倍数，且每行相邻的两个光纤光栅的中心波长间隔大于2nm。
如图1所示，附图标记说明如下：1…传输光纤一，2…光纤光栅一，3…传输光纤二，4…光纤光栅二，5…光纤光栅N，6…多点光纤光栅阵列，7…转接光缆，8…低速光纤光栅解调设备，9…高速光纤光栅解调设备；
如说明书附图1所示，本发明公开的一种光纤光栅中心波长的测量和补偿系统由多点光栅阵列(6)、转接光缆(7)、低速光纤光栅解调设备(8)和高速光纤光栅解调设备(9)组成。高/低速光纤光栅解调设备为光纤光栅中心波长测量设备，经适当的参数设置后，可直接输出接入光纤光栅的中心波长；转接/传输光缆作用是将多点光纤光栅阵列接入光纤光栅解调仪，传输光信号，一般由多个光纤光栅温度/应变传感器组成，测量待测结构的温度、应变等信息。多点光纤光栅阵列(6)共m行传感器,m为大于0的整数，每行传感器数量为p，p为大于0的整数，且每行传感器的中心波长各不相同；光纤光栅之间的差异主要是中心波长及传输光缆长度不同，其补偿原理一致。以传输光纤一(1)、光纤光栅一(2)为例，传输光纤一(1)和光纤光栅一(2)经转接光缆(7)接入低速光纤光栅解调设备(8)，测得光纤光栅一(1)的中心波长，以此为波长基准。将传输光纤一(1)和光纤光栅一(2)经转接光缆(7)接入高速光纤光栅解调设备(9)，测得的中心波长，得到补偿参数，以此补偿光纤光栅中心波长在高速测量过程中受传输光纤时延的影响。高速光纤光栅解调设备测量频率优选不低于1000Hz。低速光纤光栅解调设备测量频率优选为1Hz～10Hz。若高速光纤光栅阵列在测量过程中受外界环境条件扰动影响，根据中心波长A和中心波长B以及外界环境条件扰动影响，确定光纤光栅中心波长。高速光纤光栅解调设备，优选采用可调谐高速光纤光栅解调设备，波长可调谐范围优选为1510nm～1590nm。
优选的转接光缆的插入损耗小于1dB,优选的回波损耗大于40dB。低速光纤光栅解调设备，优选采用低速可调谐光纤光栅解调设备,波长可调谐范围优选为1510nm～1590nm。补偿模块使补偿后的光纤光栅中心波长C的测量精度优选在-10pm～10pm。
如图2所示，附图标记说明如下：11…低速光纤光栅解调设备经转接光缆测试多点光纤光栅阵列，12…中心波长A，13…高速光纤光栅解调设备经转接光缆测试多点光纤光栅阵列，14…中心波长B，15…环境因素，16…补偿参数，17…高速光纤光栅解调设备经转接光缆测试多点光纤光栅阵列，18…补偿后的中心波长C；
如图2所示，补偿模块，根据中心波长A、中心波长B和环境因素，确定补偿参数，用该补偿参数补偿中心波长B，得到补偿后的光纤光栅中心波长C，具体如下：
假设ΔL为转接光缆的长度变化，n为光纤纤芯折射率，c为光速，光谱扫描速度(与光谱范围和测量频率相关)，ΔT、Δε分别为环境因素中的温度变化、应变变化(指随温度变化产生的应变变化)，那么，补偿后的高速光纤光栅解调设备中心波长按公式(1)计算：
式中：k1、k2、k3为特征参数，k1、k2、k3选取后补偿后的光纤光栅中心波长C达到需要的补偿精度。优选但不局限于取k1大于0且小于2；k2取大于等于10且小于等于12，k2取大于1且小于等于1.4。
对于一个具体实施例，假设低速光纤光栅解调设备测量频率为1Hz，高速光纤光栅解调设备测量频率为5000Hz，高/低速解调设备波长调谐范围均为1510nm～1590nm，忽略高/低速解调设备受内部光纤长度及不同光纤光栅中心波长波段等因素的影响，转接光缆和传输光纤长度和均为10m，环境因素中温度和应变不变，光纤光栅一中心波长标准值为1550.000nm。将光纤光栅经转接光缆接入低速光纤光栅解调设备，测得中心波长约为1550.000，以该中心波长为基准；再将光纤光栅经转接光缆接入高速光纤光栅解调设备，测得中心波长约为1550.039nm。补偿前，高速解调设备测得的中心波长与基准偏差约为39pm。补偿后，按公式(1)计算高速光纤光栅解调设备测得的中心波长约为1550.002nm，与基准偏差约为2pm。
本发明的一种受传输光纤时延影响的高速光纤光栅中心波长补偿方法，其特征在于步骤如下：
(1)将多点光纤光栅阵列通过转接光缆接入低速光纤光栅解调设备，低速光纤光栅解调设备测量多点光纤光栅阵列的中心波长A，将该中心波长作为测量基准；高速光纤光栅解调设备测量频率优选不低于1000Hz。低速光纤光栅解调设备测量频率优选为1Hz～10Hz。高速光纤光栅解调设备，优选采用可调谐高速光纤光栅解调设备，波长可调谐范围优选为1510nm～1590nm。优选的转接光缆的插入损耗小于1dB,优选的回波损耗大于40dB。低速光纤光栅解调设备，优选采用低速可调谐光纤光栅解调设备,波长可调谐范围优选为1510nm～1590nm。
(2)将多点光纤光栅阵列通过转接光缆接入高速光纤光栅解调设备，高速光纤光栅解调设备测量多点光纤光栅阵列的中心波长B；
(3)根据中心波长A、中心波长B和环境因素，确定补偿参数，用该补偿参数补偿中心波长B，得到补偿后的光纤光栅中心波长C。若高速光纤光栅阵列在测量过程中受外界环境条件扰动影响，根据中心波长A和中心波长B以及外界环境条件扰动影响，确定光纤光栅中心波长。补偿模块使补偿后的光纤光栅中心波长C的测量精度优选在-10pm～10pm。
如图2所示，根据中心波长A、中心波长B和环境因素，确定补偿参数，用该补偿参数补偿中心波长B，得到补偿后的光纤光栅中心波长C的方法优选如下：
假设ΔL为转接光缆的长度变化，n为光纤纤芯折射率，c为光速，光谱扫描速度(与光谱范围和测量频率相关)，ΔT、Δε分别为环境因素中的温度变化、应变变化(指随温度变化产生的应变变化)，那么，补偿后的高速光纤光栅解调设备中心波长按公式(1)计算：
式中：k1、k2、k3为特征参数，k1优选大于0且小于2；k2优选大于等于10且小于等于12，k2优选大于1且小于等于1.4。
由此可见，本发明的补偿方法将高速解调设备中心波长测量偏差由39pm降低到2pm，显著补偿了高速光纤光栅解调设备中心波长测量精度受传输光缆时延影响，提高了中心波长测量精度。
本发明采用低速光纤光栅解调设备，利用其测量频率低，中心波长测量准确的特点，为高速光纤光栅解调设备提供中心波长基准，且本发明不受光缆长度限制，操作简单，不受光纤光栅数量的限制，可实现多点光纤光栅阵列中心波长补偿，提高效率。
本发明可以降低多点光纤光栅受外界环境扰动的影响，补偿方法环境适应性强，并且将高速解调设备中心波长测量偏差由39pm降低到2pm，显著补偿了高速光纤光栅解调设备中心波长测量精度受传输光缆时延影响，提高了中心波长测量精度。

Claims (10)

1.一种光纤光栅中心波长的测量和补偿系统，其特征在于包括：高速光纤光栅解调设备、低速光纤光栅解调设备、转接光缆及多点光纤光栅阵列、补偿模块；
多点光纤光栅阵列通过转接光缆接入低速光纤光栅解调设备，低速光纤光栅解调设备测量多点光纤光栅阵列的中心波长A，将该中心波长作为测量基准；
多点光纤光栅阵列通过转接光缆接入高速光纤光栅解调设备，高速光纤光栅解调设备测量多点光纤光栅阵列的中心波长B；
补偿模块，根据中心波长A、中心波长B和环境因素，确定补偿参数，用该补偿参数补偿中心波长B，得到补偿后的光纤光栅中心波长C。
2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅中心波长的测量和补偿系统，其特征在于：低速光纤光栅解调设备中心波长测量精度受转接光缆长度的影响可忽略。
3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅中心波长的测量和补偿系统，其特征在于：高速光纤光栅解调设备测量频率不低于1000Hz。
4.根据权利要求1所述的一种光纤光栅中心波长的测量和补偿系统，其特征在于：低速光纤光栅解调设备测量频率为1Hz～10Hz。
5.根据权利要求1所述的一种光纤光栅中心波长的测量和补偿系统，其特征在于：若高速光纤光栅阵列在测量过程中受外界环境条件扰动影响，根据中心波长A和中心波长B以及外界环境条件扰动影响，确定光纤光栅中心波长。
6.根据权利要求1所述的一种光纤光栅中心波长的测量和补偿系统，其特征在于：高速光纤光栅解调设备，采用可调谐高速光纤光栅解调设备，波长可调谐范围为1510nm～1590nm。
7.根据权利要求1所述的一种光纤光栅中心波长的测量和补偿系统，其特征在于：转接光缆的插入损耗小于1dB,回波损耗大于40dB。
8.根据权利要求1所述的一种光纤光栅中心波长的测量和补偿系统，其特征在于：低速光纤光栅解调设备，采用低速可调谐光纤光栅解调设备,波长可调谐范围为1510nm～1590nm。
9.根据权利要求1所述的一种光纤光栅中心波长的测量和补偿系统，其特征在于：补偿模块使补偿后的光纤光栅中心波长C的测量精度在-10pm～10pm。
10.一种受传输光纤时延影响的高速光纤光栅中心波长补偿方法，其特征在于步骤如下：
(1)将多点光纤光栅阵列通过转接光缆接入低速光纤光栅解调设备，低速光纤光栅解调设备测量多点光纤光栅阵列的中心波长A，将该中心波长作为测量基准；
(2)将多点光纤光栅阵列通过转接光缆接入高速光纤光栅解调设备，高速光纤光栅解调设备测量多点光纤光栅阵列的中心波长B；
(3)根据中心波长A、中心波长B和环境因素，确定补偿参数，用该补偿参数补偿中心波长B，得到补偿后的光纤光栅中心波长C。
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