CN108955939B - 一种光纤光栅温度传感解调系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光纤光栅温度传感解调系统，是基于马赫曾德干涉仪与光电振荡器的结合而实现的，可解决目前光纤光栅传感系统测量精度不高，及其对环境适应性差的问题，解调系统主要包括：宽谱光源、光纤环形器、光纤光栅、光纤耦合器、单模光纤环、色散光纤环、电光调制器、色散光纤、高速光电探测器、低噪放、微波功分器、频谱仪、计算机。光纤光栅受到温度的变化会引起其发射光波长的移动，使得马赫曾德干涉仪的光程差发生改变，从而改变光电振荡器输出的微波信号的中心频率，根据微波信号中心频率的变化量即得到光纤光栅反射光波长的移动量，最后实现光纤光栅温度传感，该温度传感解调系统不仅精度高，且其测量灵敏度可调、测量结果稳定。
Description
技术领域
本发明属于光纤光栅传感解调领域，特别是涉及一种基于光电振荡器的光纤光栅温度传感解调系统。
背景技术
光纤光栅是一种无源滤波器件，由于具有体积小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点，且其谐波波长对温度、应变物理量等外界环境因素的变化较为敏感，在传感领域得到了广泛应用。光纤光栅传感器通过外界参量对光纤Bragg中心波长的调制来获得传感信息，具有抗电磁干扰、高灵敏度、低成本及与普通光纤的兼容性较好等优点，因而越来越受到关注。
目前光纤光栅传感解调系统主要采用有光谱法、多波长计检测法、边缘滤波法、可调光滤波法、匹配光栅检测法，波长可调谐光源解调法、CCD分光仪检测法和迈克尔逊干涉解调法等方法。但光纤光栅传感系统都是用光学的方法来实现光纤光栅波长变化量的解调，具有精度高等特点，但也存在环境适应性差等特点。温度是工农生产和科学实验中需要常常测量和控制的重要物理量，也是能够直接影响光纤光栅波长变化的因素之一，光纤温度传感器为温度的监测提供了新的有效的解决途径。普通的光纤光栅的温度灵敏度为0.010nm/℃左右，对于工作波长在1550nm的光纤光栅来说，测量温度在100℃范围的波长变化仅为lnm，不能满足实际测量的需要。
本发明提出了一种新的基于光电振荡器的光纤光栅传感解调系统，该光纤光栅传感解调系统的波长分辨率可通过改变马赫曾德干涉仪两臂光时延差以及光电振荡器中色散光纤的长度和色散系数来任意调节。
发明内容
本发明要解决的技术问题克服现有的缺陷，提出一种基于马赫曾德干涉仪和光电振荡器结合的光纤光栅温度传感解调方法和系统。光纤光栅受到温度的变化会引起其发射光波长的移动，该波长的移动会使得马赫曾德干涉仪的光程差发生改变，从而改变光电振荡器输出的微波信号的中心频率，根据微波信号中心频率的变化量来得到光纤光栅反射光波长的移动量，从而实现光纤光栅温度传感。
为解决上述技术问题本发明采用的的技术方案如下：所述一种光纤光栅温度传感解调系统，其硬件平台包括，宽谱光源、光纤环形器、光纤光栅、光纤耦合器、单模光纤环、色散光纤环、电光调制器、色散光纤、高速光电探测器、低噪声放大器、微波功分器、频谱仪、计算机。
所述宽谱光源(可采用高斯型或矩形宽谱光源)经光纤环形器后进入光纤光栅传感器；所述光纤光栅传感器的反射光经光纤环形器后进入一马赫曾德干涉仪中，所述干涉仪由单模光纤耦合器以及单模光纤环和色散光纤环组成；光经该干涉仪后进入一电光调制器，所述电光调制器的输出光进入色散补偿光纤，光经色散补偿光纤后将产生延时，经过延时的光信号通过高速光电探测器实现光电转换并通过低噪声放大器放大，放大后的微波信号经过微波功分器后分成两路，一路注入到电光调制器中，从而将电光调制器、色散补偿光纤、高速光电探测器、低噪声放大器和微波功分器组成一个光电振荡器环路，使得环路有微波信号产生，所述该微波信号的输出频率与马赫曾德干涉仪的两臂光程差有关。
所述光电振荡器产生的微波信号通过电光调制器被调制到光域上，该光载微波信号经过色散补偿光纤后入射到高速光电探测器上，该探测器将光信号装换成微波信号，所述波信号通过低噪声放大器放大后经过一个微波功分器功分后，一部分微波信号注入到电光调制器中，一部分信号通过频谱仪来测量光电振荡器输出微波信号的中心频率，并通过计算机来记录该微波信号中心频率的变化。
为解决上述技术问题本发明采用的的技术方案，进一步阐述本发明采用的工作原理，本发明提出的可调光滤波器波长移动量测量系统的原理如下：
宽谱光源经过马赫曾德干涉仪后，将发生干涉，干涉条纹的输出在频域上可表示为：
其中A为干涉仪输出干涉条纹的可见度，Δω为不同干涉仪光程差时输出干涉条纹的频率间隔，
为干涉仪的相位漂移，ω0为激光器的中心圆频率。Δω可表示为：
Δω＝2π/(DSMFLSMF-DDCFLDCF)Δλ (2)
上式中DSMF和DDCF分别为干涉仪中单模光纤环和待测色散光纤的色散系数，为LSMF和LDCF分别为干涉仪中单模光纤环和待测色散光纤的长度，Δλ为光纤光栅反射光波长的变化量。光纤光栅反射光波长的移动会引起干涉仪输出干涉条纹的变化。
干涉的输出光是与波长相关，其电场可表征为：
E(t)＝∫E(ω)ejωtdω (3)
则光源的光功率谱密度可表示为：
T(ω)＝|E(ω)|2 (4)
干涉仪输出的干涉条纹经过电光调制器后，光谱的每个频率分量E(ω)都被调制，并且由光电振荡器环路产生一频率为ξ的微波信号，电光调制器输出的光场可表示为：
E(ω)＝ejωt(1+ejξt+e-jξt) (5)
光电振荡器中使用色散光纤作为延迟线，该时延线的电场传递函数可表示为：
H(ω)＝|H(ω)|e-jφ(ω) (6)
φ(ω)为色散光纤延迟引入的相位，根据泰勒级数展开，该相位可表示为：
式中，τ(ω0)为中心频率为ω0时的群时延，LDCF为光电振荡器中色散光纤的长度，β为光纤的色散，其单位为ps2/km，β可表示为：
式中D(ps/km/nm)为光纤的色散系数，λ0为光纤光栅反射光中心波长。
根据式(5)——(9)可得光电振荡器响应函数为：
其中
由此可知，光电振荡器输出的微波信号的中心频率可表示为：
根据式(4)和光电振荡器输出微波信号中心频率的变化量Δf0可得光纤光栅反射光波长的移动量为：
由上式可知，根据光电振荡器输出的射频信号的频率，光纤光栅反射光的波长，马赫曾德干涉仪两臂光纤的长度和色散值，色散光纤的色散值和长度就可以得到光纤光栅波长移动量，从而实现光纤光栅温度传感。
本发明的有益效果在于：基于马赫曾德干涉仪和光电振荡器结合的光纤光栅温度传感解调系统，该光纤光栅传感解调系统的波长分辨率可通过改变马赫曾德干涉仪两臂光时延差以及光电振荡器中色散光纤的长度和色散系数来任意调节。传感系统波长分辨率可低于0.0007nm，温度传感精度优于0.1℃，其测量灵敏度可调节，测量精度高、测量方法简单。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明光纤光栅温度传感解调系统框架示意图；
附图中：
101：宽谱光源
102：光纤环形器
103：光纤光栅传感器
104：第一光纤耦合器
105：单模光纤环
106：色散光纤环
107：第二光纤耦合器
108：电光调制器
109：色散补偿光纤
201：高速光电探测器
202：低噪声放大器
203：微波功分器
204：频谱仪
205：计算机
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
一种光纤光栅温度传感解调系统，是在结合了马赫曾德干涉仪和光电振荡器的光纤光栅温度传感解调方法上实现的。光纤光栅受到温度的变化会引起其发射光波长的移动，该波长的移动会使得马赫曾德干涉仪的光程差发生改变，从而改变光电振荡器输出的微波信号的中心频率，根据微波信号中心频率的变化量来得到光纤光栅反射光波长的移动量，从而实现光纤光栅温度传感。其波长分辨率可通过改变马赫曾德干涉仪两臂光时延差以及光电振荡器中色散光纤的长度和色散系数来任意调节。该传感系统波长分辨率可低于0.0007nm，温度传感精度优于0.1℃。
如图1所示，所述一种光纤光栅温度传感解调系统，其硬件平台包括，宽谱光源101、光纤环形器102、光纤光栅传感器103、第一光纤耦合器104、单模光纤环105、色散光纤环106、第二光纤耦合器107、电光调制器108、色散光纤109、高速光电探测器201、低噪声放大器202、微波功分器203、频谱仪204、计算机205。
所述宽谱光源101(可采用高斯型或矩形宽谱光源)经光纤环形器102后进入光纤光栅传感器103；所述光纤光栅传感器103的反射光经光纤环形器后进入一马赫曾德干涉仪中，所述干涉仪由第一光纤耦合器104和第二光纤耦合器107以及单模光纤环105和色散光纤环106组成；光经该干涉仪后进入一电光调制器108，所述电光调制器108的输出光进入色散补偿光纤109，光经色散补偿光纤109后将产生延时，经过延时的光信号通过高速光电探测器201实现光电转换并通过低噪声放大器202放大，放大后的微波信号经过微波功分器203后分成两路，一路注入到电光调制器108中，从而将电光调制器108、色散补偿光纤109、高速光电探测器201、低噪声放大器202和微波功分器203组成一个光电振荡器环路，使得环路有微波信号产生，所述该微波信号的输出频率与马赫曾德干涉仪的两臂光程差有关。
所述光电振荡器产生的微波信号通过电光调制器108被调制到光域上，该光载微波信号经过色散补偿光纤109后入射到高速光电探测器201上，该探测器将光信号装换成微波信号，所述波信号通过低噪声放大器202放大后经过一个微波功分器203功分后，一部分微波信号注入到电光调制器108中，一部分信号通过频谱仪204来测量光电振荡器输出微波信号的中心频率，并通过计算机205来记录该微波信号中心频率的变化。
本发明提出的光纤光栅温度传感解调系统采用的工作原理包括如下：
所述光纤光栅传感器103受到温度的变化会引起其发射光波长的移动，该波长的移动会使得马赫曾德干涉仪的光程差发生改变，从而改变光电振荡器输出的微波信号的中心频率，根据微波信号中心频率的变化量来得到光纤光栅传感器103反射光波长的移动量，最后实现光纤光栅温度传感。
宽谱光源101经过马赫曾德干涉仪后，将发生干涉，干涉条纹的输出在频域上可表示为：
其中A为干涉仪输出干涉条纹的可见度，Δω为不同干涉仪光程差时输出干涉条纹的频率间隔，
为干涉仪的相位漂移，ω0为激光器的中心圆频率。Δω可表示为：
Δω＝2π/(DSMFLSMF-DDCFLDCF)Δλ (2)
上式中DSMF和DDCF分别为干涉仪中单模光纤环105和待测色散光纤109的色散系数，为LSMF和LDCF分别为干涉仪中单模光纤环105和待测色散光纤109的长度，Δλ为光纤光栅传感器103反射光波长的变化量。光纤光栅传感器103反射光波长的移动会引起干涉仪输出干涉条纹的变化。
干涉的输出光是与波长相关，其电场可表征为：
E(t)＝∫E(ω)ejωtdω (3)
则光源的光功率谱密度可表示为：
T(ω)＝|E(ω)|2 (4)
干涉仪输出的干涉条纹经过电光调制器108后，光谱的每个频率分量E(ω)都被调制，并且由光电振荡器环路产生一频率为ξ的微波信号，电光调制器108输出的光场可表示为：
E(ω)＝ejωt(1+ejξt+e-jξt) (5)
光电振荡器中使用色散光纤109作为延迟线，该时延线的电场传递函数可表示为：
H(ω)＝|H(ω)|e-jφ(ω) (6)
φ(ω)为色散光纤109延迟引入的相位，根据泰勒级数展开，该相位可表示为：
式中，τ(ω0)为中心频率为ω0时的群时延，LDCF为光电振荡器中色散光纤109的长度，β为光纤的色散，其单位为ps2/km，β可表示为：
式中D(ps/km/nm)为光纤的色散系数，λ0为光纤光栅传感器103反射光中心波长。
根据式(5)——(9)可得光电振荡器响应函数为：
其中
由此可知，光电振荡器输出的微波信号的中心频率可表示为：
根据式(4)和光电振荡器输出微波信号中心频率的变化量Δf0可得光纤光栅传感器103反射光波长的移动量为：
由上式可知，根据光电振荡器输出的射频信号的频率，光纤光栅传感器103反射光的波长，马赫曾德干涉仪两臂光纤的长度和色散值，色散光纤的色散值和长度就可以得到光纤光栅传感器103波长移动量，从而实现光纤光栅温度传感。
本发明提出的测量方法的关键是需确定好式(11)中的各项参数，即先确定光电振荡器中的色散光纤109的长度和色散值，并调节干涉仪两臂光程差使得光电振荡器输出的微波信号的频率在常用频谱仪测量频段范围内(不失为一般性，一般频谱仪的频率带宽为几十KHz—26.5GHz)。
系统的分辨率可通过设置式(11)中的各项参数来改变，由式(10)可知光电振荡器输出的微波信号的中心频率3dB带宽可达80MHz左右，一般性通过调节干涉仪两臂光程差使得系统输出的微波信号的频率分辨率为100MHz，光电振荡器中色散光纤109为1km，色散系数为-150ps/km/nm时，光纤光栅反射光波长为1550nm，马赫曾德干涉仪中单模光纤和色散光纤的长度各为1km，色散单模光纤的色散系数为17ps/km/nm，色散光纤的色散系数也为-150ps/km/nm，则传感系统的波长分辨率可达0.0007nm，从而超高精度光纤光栅波长解调。
本发明提出的光纤光栅传感解调系统的工作流程如下所示：
1、上电后，调制器驱动板通过程序自动控制强度型光调制器工作在线性工作点。
2、调制器工作点确定后，此时记录光电振荡器输出的微波信号的中心频率为f1。
3、改变光纤光栅的温度，记录光电振荡器输出的微波信号的中心频率为f2。根据式(11)就可以得到光纤光栅的波长移动量。
通过上述方法对光纤光栅温度传感进行标定，来确定不同温度时光电振荡器输出微波信号的中心频率。实际测量时，就可以根据微波信号中心频率的变化来实现温度的直接测量。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (1)
1.一种光纤光栅温度传感解调系统，是基于马赫曾德干涉仪和光电振荡器结合的光纤光栅温度传感解调方法上实现的，其波长分辨率可通过改变马赫曾德干涉仪两臂光时延差以及光电振荡器中色散光纤的长度和色散系数来任意调节，该光纤光栅温度传感解调系统硬件平台包括，宽谱光源(101)、光纤环形器(102)、光纤光栅传感器(103)、第一光纤耦合器(104)、单模光纤环(105)、色散光纤环(106)、第二光纤耦合器(107)、电光调制器(108)、色散补偿光纤(109)、高速光电探测器(201)、低噪声放大器(202)、微波功分器(203)、频谱仪(204)、计算机(205)；其特征在于，宽谱光源(101)经光纤环形器(102)后进入光纤光栅传感器(103)；所述光纤光栅传感器(103)的反射光经光纤环形器后进入一马赫曾德干涉仪中，所述马赫曾德干涉仪由第一光纤耦合器(104)和第二光纤耦合器(107)以及单模光纤环(105)和色散光纤环(106)组成；光经该马赫曾德干涉仪后进入一电光调制器(108)，所述电光调制器(108)的输出光进入色散补偿光纤(109)，光经色散补偿光纤(109)后将产生延时，经过延时的光信号通过高速光电探测器(201)实现光电转换并通过低噪声放大器(202)放大，放大后的微波信号经过微波功分器(203)后分成两路，一路注入到电光调制器(108)中，从而将电光调制器(108)、色散补偿光纤(109)、高速光电探测器(201)、低噪声放大器(202)和微波功分器(203)组成一个光电振荡器环路，使得环路有微波信号产生，所述该微波信号的输出频率与马赫曾德干涉仪的两臂光程差有关，所述光电振荡器产生的微波信号通过电光调制器(108)被调制到光域上，该调制到光域的微波信号经过色散补偿光纤(109)后入射到高速光电探测器(201)上，该探测器将光信号装换成微波信号，所述波信号通过低噪声放大器(202)放大后经过一个微波功分器(203)功分后，一部分微波信号注入到电光调制器(108)中，一部分信号通过频谱仪(204)来测量光电振荡器输出微波信号的中心频率，并通过计算机(205)来记录该微波信号中心频率的变化，光纤光栅传感器(103)受到温度的变化会引起其发射光波长的移动，该波长的移动会使得马赫曾德干涉仪的光程差发生改变，从而改变光电振荡器输出的微波信号的中心频率，根据微波信号中心频率的变化量来得到光纤光栅传感器(103)反射光波长的移动量，从而实现光纤光栅温度传感。
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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 | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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