CN109489698B - 一种基于稳定干涉仪的fbg解调系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于稳定干涉仪的FBG解调系统，为了解决FBG传感器的传感量的测量问题，本发明通过延迟光纤来得到时域上不同的脉冲信号，通过对不同信号的运算可以实现FBG传感器波长的解调、空间定位；本发明的解调系统测量范围大、灵敏度高、成本低、应用广泛；并且本发明还通过迈克尔逊干涉仪的一端反射臂上的相位调制器来调节外界干扰对解调系统造成的影响，使得本发明的系统对外界的干扰具有较强的抗干扰能力。

Description

一种基于稳定干涉仪的FBG解调系统
技术领域
本发明属于光纤传感领域，特别涉及一种光纤传感器传感量检测技术。
背景技术
近年来，在光纤通讯迅猛发展的带动下，光纤传感作为传感器家族年轻的一员。以其在抗电磁干扰，轻巧，灵敏度等方面独一无二的优势迅速打开了国际市场。随着FBG传感器走向实际应用，FBG波长解调技术成为了FBG传感器应用的关键点。由于有波长解码、易构成分布式结构、抗电磁干扰强、并且便于利用复用波分、时分、空分技术等诸多传统传感器无法比拟的优点,可以用来测量应变、温度、压力以及一切可以转换为应变温度的物理量，在民用工程、航空航天、船舶、电力和石油等领域的安全监测方面有着广阔的应用前景。
由于传感器的传感量主要是以波长的微小位移为载体，需要精密的波长或波长变化检测装置对波长编码信号解调，而造成系统成本高，在普通领域难以接受。光纤光栅传感是将外界环境，如温度、应变等变化量转化成波长漂移量，于是只能利用高成本的光谱仪进行检测。但是现有的光谱分析仪由于体积大、重量重、价格高、测量分辨率低，不能满足实际测量的需要，不适合在实际工程中应用。有必要找到精度高、价格低、稳定性好的测量光纤光栅布拉格波长移动量的方法，即对每个波长编码的信号实现解调。为此，国内外已经提出了多种检测方案。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种基于稳定干涉仪的FBG解调系统，通过对FBG传感器反射回来的不同时谐的信号波进行组合运算，从而解调出FBG的波长变化。
本发明采用的技术方案为：一种基于稳定干涉仪的FBG解调系统，包括：第一光源、第二光源、第一环形器、第二环形器、第三环形器、第一耦合器、第二耦合器、第一光电探测器、波分复用器、迈克尔逊干涉仪、FGB传感器以及信号采集和处理系统；
所述第一光源从第一环形器第一端进入，第一环形器第二端接波分复用器第一端，波分复用器第二端接第一耦合器第一端，第一耦合器第二端接迈克尔逊干涉仪；
所述第二光源从第二环形器第一端进入，第二环形器第二端接波分复用器第三端，第二环形器第三端接第二耦合器第一端，第二耦合器第二端接第三环形器第一端，第三环形器第二端接FBG传感器，第三环形器第三端接第一光电探测器第一端，第一光电探测器第二端接信号采集与处理系统；第一耦合器第三端接第二耦合器第三端，第一耦合器第四端接第二耦合器第四端；
第二环形器第三端通过第一延迟光纤接第二耦合器第一端；第一耦合器第三端通过第二延迟光纤接第二耦合器第三端；
FBG传感器包括若干个光纤布拉格光栅。
本发明系统中第一光源为高稳的窄带光源；第二光源为脉冲光源。
本发明系统中脉冲光源的宽度λ0～λ1远远大于FBG传感器的带宽，其脉冲宽度所覆盖的光纤长度大于干涉仪的光程差，FBG之间的间距大于最长的延迟光纤的长度。
本发明还包括：对迈克尔逊干涉仪的输出光实时的监测运算，通过迈克尔逊干涉仪的一端反射臂上的相位调制器来调节外界干扰对解调系统造成的影响，极大的增强了解调系统的抗干扰能力。
本发明通过脉冲光源组合一个稳定的干涉仪以及延迟光路，用来延迟干涉仪各个输出端口的脉冲，使各个输出端口的信号在时域上互不重叠，那么延迟脉冲打入接有FBG的传感光路当中，被反射回来进入光电探测器；FBG的波长变化可以通过脉冲之间的运算关系来进行解调；并且本发明通过迈克尔逊干涉仪的反馈电路，极大的增强了本发明解调系统的抗干扰能力；本发明具有：对制作的要求不高、解调系统简单、分辨率高、抗干扰能力强、稳定性好、测量范围大、成本低、应用广泛等优点。
附图说明
图1本发明实施例提供的一种基于稳定干涉仪的FBG解调系统的原理示意图；
其中，1为高稳窄带光源，2为第一环形器，3为第二光电探测器，4为PDH稳频器或者PID控制器，5为相位调制器，6为脉冲光源，7为第二环形器，8为波分复用器，9为3*3的耦合器，10为1*3的耦合器，11为第三环形器，12为第一光电探测器，13为A/D转换器，14为数字运算处理系统，15、16分别是两个反射镜，17、18、19分别三个FBG传感器。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
本发明的一种基于稳定干涉仪的FBG解调系统，通过脉冲光源组合一个稳定的干涉仪以及延迟光路，用来延迟干涉仪各个输出端口的脉冲，使各个输出端口的信号在时域上互不重叠，那么延迟脉冲打入接有FBG的传感光路当中，被反射回来进入光电探测器。FBG的波长变化可以通过脉冲之间的运算关系来进行解调。
本发明的FBG解调系统可以解调若干个光纤布拉格光栅，本领域的技术人员应注意，这里的若干个也包括一个光纤布拉格光栅的情况；如图1所示，本实施例以三个光纤布拉格光栅(FBG)为例进行说明，具体内容如下：
本发明的一种基于稳定干涉仪的FBG解调系统，包括两个光源，其中一个为普通的脉冲光源6，另一个为高稳光源1；FBG传感器(包括三个光纤布拉格光栅17、18、19)；三个环形器(2、7、11)；两个耦合器(9、10)；一个波分复用8和相位调制器5，第一光电探测器12以及数据采集和处理系统；该数据采集和处理系统至少包括：A/D转换器13、数字运算处理系统14。
本发明的工作原理为，脉冲光源6发出光脉冲进入第二环形器7，高稳光源1也发出光脉冲经第一环形器2，与脉冲光源6发出的光脉冲一起通过波分复用器8，然后通过第一耦合器9，通过迈克尔逊干涉仪的两端发生干涉后经不同的光路流向第二耦合器10，然后经第三环形器11，进入接有FBG传感器的光路，反射光回来经第三环形器11流向信号采集和处理系统。
在本发明的解调系统中，分别有三路在时域上有延迟的光脉冲通过第三环形器11进入到接有FBG传感器的光路，反射回来的三路不同时谐的光脉冲经过第三环形器11然后通过第一光电探测器12和数据采集和处理系统对三路信号进行组合运算，从而解调出FBG传感器的波长变化。
本发明系统中脉冲光源6的宽度λ0～λ1应远远大于FBG传感器的带宽，其脉冲宽度所覆盖的光纤长度大于干涉仪的光程差，FBG之间的间距大于最长的延迟光纤的长度。
高稳光源1发出的光通过第一环形器2和波分复用器8进入到迈克尔逊干涉仪中，反射回来的光经第一环形器2、第二光电探测器3相连接，在通过PDH稳频器4或者PID控制器4与迈克尔逊干涉仪的一个反射臂上的相位调制器5相连；当受到外界干扰时，干涉仪反射回来的光通过第一环形器2进入第二光电探测器3接收然后再通过PDH稳频器4或者PID控制器4对外界的干扰信号进行分析运算，然后通过控制干涉仪一臂上的相位调制器5对外界扰动进行反馈调节，使本发明系统能够实时自动的弥补外界干扰造成的影响。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种基于稳定干涉仪的FBG解调系统，包括：第一光源、第二光源、第一环形器、第二环形器、第三环形器、第一耦合器、第一光电探测器、波分复用器、迈克尔逊干涉仪、FGB传感器以及信号采集和处理系统，FBG传感器包括若干个光纤布拉格光栅，其特征在于，还包括第二耦合器；
所述第一光源从第一环形器第一端进入，第一环形器第二端接波分复用器第一端，波分复用器第二端接第一耦合器第一端，第一耦合器第二端接迈克尔逊干涉仪；
所述第二光源从第二环形器第一端进入，第二环形器第二端接波分复用器第三端，第二环形器第三端接第二耦合器第一端，第二耦合器第二端接第三环形器第一端，第三环形器第二端接FBG传感器，第三环形器第三端接第一光电探测器第一端，第一光电探测器第二端接信号采集与处理系统；第一耦合器第三端接第二耦合器第三端，第一耦合器第四端接第二耦合器第四端；
第二环形器第三端通过第一延迟光纤接第二耦合器第一端；第一耦合器第三端通过第二延迟光纤接第二耦合器第三端。
2.根据权利要求1所述的一种基于稳定干涉仪的FBG解调系统，其特征在于，第一光源为高稳的窄带光源；第二光源为脉冲光源。
3.根据权利要求2所述的一种基于稳定干涉仪的FBG解调系统，其特征在于，脉冲光源光谱宽度远大于FBG传感器的带宽。
4.根据权利要求3所述的一种基于稳定干涉仪的FBG解调系统，其特征在于，脉冲光源的脉冲宽度所覆盖的光纤长度大于迈克尔逊干涉仪的光程差。
5.根据权利要求4所述的一种基于稳定干涉仪的FBG解调系统，其特征在于，第一延迟光纤、第二延迟光纤的长度均小于两相邻光纤布拉格光栅之间的间距。
6.根据权利要求5所述的一种基于稳定干涉仪的FBG解调系统，其特征在于，第一耦合器为3*3的耦合器，第二耦合器为1*3的耦合器。
7.根据权利要求1至6任一权利要求所述的一种基于稳定干涉仪的FBG解调系统，其特征在于，还包括：迈克尔逊干涉仪的反馈电路。
8.根据权利要求7所述的一种基于稳定干涉仪的FBG解调系统，其特征在于，所述反馈电路包括：第二光电探测器、PID控制器；所述第二光电探测器第一端与第一环形器第三端相连，第二光电探测器第二端接PID控制器的输入端，PID控制器输出端接迈克尔逊干涉仪其中一臂上的相位调制器。
9.根据权利要求8所述的一种基于稳定干涉仪的FBG解调系统，其特征在于，将PID控制器替换为PDH稳频器。
10.根据权利要求1至6任一权利要求所述的一种基于稳定干涉仪的FBG解调系统，其特征在于，信号采集和处理系统至少包括：模数转换器与运算处理器。
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