CN109752032B - 基于光强的光纤光栅解调系统、方法与结构损伤监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光强的光纤光栅解调系统，包括依次连接的半导体光放大器、环形器、光耦合器、光纤F‑P滤波器与隔离器，隔离器的输出端与半导体光放大器的输入端连接，从而形成能够对光信号进行循环滤波与放大的环形激光腔；环形激光腔通过环形器向光纤光栅发射光源信号，并接收光纤光栅的反射光信号；环形激光腔通过光耦合器向波长解析模块输出解调激光信号；波长解析模块用于根据解调激光信号的光强变化频率解析出光纤光栅反射谱中心波长的移动频率。还公开了一种基于光强的光纤光栅解调方法与一种实时监测高频动态应变的结构损伤监测系统，均采用本发明的解调系统。本发明能够解调1kHZ到10MHz范围的高频动态应变信号，能够大大降低解调系统成本。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及一种基于光强的光纤光栅解调系统，以及一种基于光强的光纤光栅解调方法。
背景技术
自第一根光纤光栅问世以来，经过了几十年的发展，光纤光栅制作工艺的日渐成熟使得其在光纤传感领域有着巨大的应用价值，光纤光栅也逐渐发展成为最为迅速、应用最为广泛的光无源器件之一。
在世界范围内，各种航空航天器、大型海上平台、高层建筑以及大跨度桥梁等这些承受荷载的结构在服役期间遭受大的应力或压力、地震、洪水、飓风、爆炸等自然或人为灾害以及长期使用时，都会引起材料、强度和刚度等力学参数的降低，从而在结构上积累起裂缝腐蚀和变形等损伤，而没有检测出的损伤会引起结构的破坏，使结构体系发生故障甚至失效。在变形、损伤等过程中，材料或结构会产生动态应变信号(如超过20kHz的高频动态应变)，所以如何及时探测和监测这种动态应变信号显然是十分重要的。
结构的损伤健康监测系统建立，有助于在一定程度上消除隐患及避免灾难性事故的发生。在光纤光栅传感器出现以前，结构健康监测系统对结构对象的数据采集主要是经过将表征结构特征的物理量通过传感器变送器和模数转换器转化为计算机可以接受的数字量。这样的测量方式存在一定的缺陷，如对测量距离、测量环境有一定的要求，测量数据容易带入干扰信号。而一个成功的监测系统的前提条件就是要获取实时的精确的一定数量的数据，因此，选择什么样的传感系统对健康监测系统的整体性能尤为重要。传感器技术是现代信息技术的重要支柱，是国际上发展最快的高新技术与产业之一，具有广泛的应用。光纤光栅传感器作为一种新型的传感器件，具有不受电磁干扰、本质防爆、灵敏度高、动态范围宽、耐腐蚀、质量轻、体积小和易于埋入材料中构成智能材料与结构等一系列优点。所以利用光纤传感系统对动态应变信号进行探测在无损结构健康监测中具有十分重要的意义。
近年来，人们提出了很多种基于光纤的传感系统，其主要利用的解调方法有干涉解调技术、线性边缘滤波技术，匹配滤波解调技术，可调谐滤波解调技术等。但是上述的解调技术也存在一些问题，例如在解调过程中使用可调谐的光纤F-P滤波器和窄带滤波器，这使得系统的成本变得昂贵且解调范围也并非很理想。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种基于光强的光纤光栅解调系统，解决现有技术中解调范围窄的技术问题，尤其是对高频动态应变信号的解调效果差的技术问题，能够解调1kHZ到10MHz范围的高频动态应变信号，能够大大降低解调系统成本，能够不受电磁干扰，能够提高解调精确性。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种基于光强的光纤光栅解调系统，包括依次连接的半导体光放大器、环形器、光耦合器、光纤F-P滤波器与隔离器，所述隔离器的输出端与半导体光放大器的输入端连接，从而形成能够对光信号进行循环滤波与放大的环形激光腔；所述半导体光放大器能够发射光源并对光信号进行放大；所述光纤F-P滤波器为光谱固定的不可调法布里-珀罗滤波器，光纤F-P滤波器中滤波光谱的光谱范围包含半导体光放大器的光源信号的光谱范围，并且光纤F-P滤波器具有若干中心波长不相同的滤波通道，从而能够对不同中心波长的光纤光栅反射光进行光谱滤波；所述环形激光腔能够通过环形器向光纤光栅发射光源信号，并接收光纤光栅的反射光信号；所述环形激光腔能够通过光耦合器向波长解析模块输出反射光经滤波与放大后形成的解调激光信号；所述波长解析模块用于根据解调激光信号的光强变化频率解析出光纤光栅反射谱中心波长的移动频率。
优选的，所述光纤F-P滤波器的通道间隔为50GHz或100GHz，工作波长为C波段，带宽80nm。
优选的，所述半导体光放大器为宽带光源为C波段的半导体光放大器，其工作波长为1528～1562nm，中心波长为1550nm，小信号增益系数≥20dB，饱和输出功率≥9dB，半导体光放大器可以发出宽谱光，同时可以对输入的光信号进行放大。
优选的，光耦合器的耦合比为80：20或90：10或95：5。
优选的，包括n个依次串联的光纤光栅，n≥1；所述波长解析模块包括n-1个带通滤波器、n个光电探测器与一个数据采集模块；各带通滤波器依次串联连接，并且各带通滤波器的通带各不相同，从而形成能够分离出对应各光纤光栅的解调激光信号的逐级滤波器；所述逐级滤波器的输入前端通过光耦合器接收环形激光腔的解调激光信号；前n-1光电探测器分别与所述n-1个带通滤波器一一对应连接，第n个光电探测器与逐级滤波器的输出末端连接；各光电探测器分别与数据采集模块连接；所述光电探测器能够将解调激光信号的光强变化频率转化为电信号并输出给数据采集模块；所述数据采集模块能够根据电信号解析出光纤光栅反射谱中心波长的移动频率。
一种基于光强的光纤光栅解调方法，采用本发明的基于光强的光纤光栅解调系统，包括以下步骤：
步骤1：半导体光放大器发射的初始光源信号通过环形器入射到光纤光栅上；
步骤2：光纤光栅通过环形器反射与光纤光栅当前中心波长对应的反射光信号至环形激光腔中；
步骤3：环形激光腔对反射光信号进行循环滤波与放大之后，环形激光腔通过光耦合器向波长解析模块输出反射光经滤波与放大后形成的解调激光信号；
步骤4：波长解析模块将解调激光信号转化为电信号，并将电信号转化为光纤光栅反射谱中心波长的移动频率。
优选的，环形激光腔对反射光的循环滤波与放大过程如下，并包括以下步骤：
步骤3.1：反射光经环形器进入到光耦合器；
步骤3.2：光耦合器根据耦合比将反射光信号分别输出给光纤F-P滤波器与波长解析模块；
步骤3.3：光纤F-P滤波器对反射光信号进行光谱滤波：反射光信号的光谱与滤波光谱的重叠区域所对应的反射光信号从光纤F-P滤波器中透射出来；
步骤3.4：经光谱滤波得到的反射光信号通过隔离器进入到半导体光放大器，半导体光放大器对经光谱滤波得到的反射光信号进行放大，并作为当前光源信号；
步骤3.5：半导体光放大器发射的当前光源信号通过环形器入射到光纤光栅上；
步骤3.6：重复步骤3.1至3.5，当达到共振饱和时，半导体光放大器达到放大极限，同时反射光信号在环形激光腔中经多次循环滤波与放大形成解调激光信号。
一种实时监测高频动态应变的结构损伤监测系统，采用本发明的基于光强的光纤光栅解调系统，并且n个光纤光栅分布在不同监测位置，所述波长解析模块通过无线通信模块将解析得到的各个光纤光栅反射谱中心波长的移动频率上传至上位机，上位机内配置有应变解析程序，用于根据光纤光栅反射谱中心波长的移动频率解析出监测位置发生的应变频率。
优选的，光纤光栅的数量为1-20个，带通滤波器的数量为0-19个。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明的基于光纤F-P的多通道光纤光栅解调系统中，半导体光放大器作为光源的同时也作为光放大器，与隔离器、光纤F-P滤波器，光耦合器和环行器首尾相连形成环形激光腔，不仅能作为光源，也可以对光信号进行循环放大形成激光。
2、该传感系统使用的的解调方法为强度解调方法，该方法具有较强的抗干扰效果，系统的解调结果直接响应其所接受的光强变化。
3、本发明中的光纤F-P滤波器位于环形激光腔的内部，采用这种连接方式可以得到更加稳定的光信号的输出，增加系统解调的精确性。
4、该系统的传感部分的1～20个光纤布拉格光栅分别对应解调部分的0～19个光纤带通滤波器，光纤带通滤波器会将输出的不在自身滤波范围的光信号返回，其余范围的光信号会继续传输下去，从而达到逐级滤波的作用。同时，传感部分连接着不同中心波长的光纤布拉格光栅也能实现系统的复用解调功能，即对多点或者多变量信号的实时复用解调。
5、本发明的传感装置作为一种新的传感技术具有不受电磁干扰、灵敏度高、响应速度快、动态范围宽、重量轻、结构紧凑、使用灵活、适于在高温、腐蚀性或危险性环境应用等优点。因此，本发明的传感装置可适用于快速、稳定地解调动态应变信号。
附图说明
图1为本具体实施方式中基于光强的光纤光栅解调系统的结构示意图；
图2为不同中心波长反射谱通过不同滤波通道进入光纤F-P滤波器的原理示意图；
图3为光纤F-P滤波器进行光谱滤波的原理示意图；
图4为光纤F-P滤波器的通道间隔分别为50GHz与100GHz的解调范围对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
参考图1所示，一种基于光强的光纤光栅解调系统，包括依次连接的半导体光放大器10101、环形器10105、光耦合器10104、光纤F-P滤波器10103与隔离器10102(隔离器10102保证了光信号在环形激光腔内101的单向传输)，所述隔离器10102的输出端与半导体光放大器10101的输入端连接，从而形成能够对光信号进行循环滤波与放大的环形激光腔101；所述半导体光放大器10101能够发射光源并对光信号进行放大；所述光纤F-P滤波器10103为光谱固定的不可调法布里-珀罗滤波器，光纤F-P滤波器中滤波光谱的光谱范围包含半导体光放大器的光源信号的光谱范围，并且光纤F-P滤波器具有若干中心波长不相同的滤波通道，从而能够对不同中心波长的光纤光栅反射光进行光谱滤波；所述环形激光腔101能够通过环形器10105向光纤光栅发射光源信号，并接收光纤光栅的反射光信号；所述环形激光腔101能够通过光耦合器10104向波长解析模块输出反射光经滤波与放大后形成的解调激光信号；所述波长解析模块用于根据解调激光信号的光强变化频率解析出光纤光栅反射谱中心波长的移动频率。
光纤光栅是敏感器件，能够感应到微小动态应变信号(例如由冲击或声发射引起的信号)，动态应变则会引起光纤光纤反射谱中心波长的移动，因此监测光纤光纤反射谱中心波长的移动便能监测到动态应变信号。
本具体实施方式中，包括n个依次串联的光纤光栅(参考图1中FBG1至FBG4，本具体实施方式只示例性的画出4个)，n≥1；所述波长解析模块包括n-1个带通滤波器(参考图1中BPF1至BPF3，本具体实施方式只示例性的画出3个))、n个光电探测器(参考图1中PD1至PD4，本具体实施方式只示例性的画出4个)与一个数据采集模块；所述光纤带通滤波器的通道3dB带宽为1～4nm；所述光电探测器是InGaAs光电探测器，操作波长范围800-1700nm。各带通滤波器依次串联连接，并且各带通滤波器的通带各不相同，从而形成能够分离出对应各光纤光栅的解调激光信号的逐级滤波器；所述逐级滤波器输入前端通过光耦合器接收环形激光腔的解调激光信号；前n-1光电探测器分别与所述n-1个带通滤波器一一对应连接，第n个光电探测器与逐级滤波器的输出末端连接；各光电探测器分别与数据采集模块连接；所述光电探测器能够将解调激光信号的光强变化频率转化为电信号并输出给数据采集模块；所述数据采集模块能够根据电信号解析出光纤光栅反射谱中心波长的移动频率。
光纤F-P滤波器具有若干中心波长不相同的滤波通道，从而能够对不同中心波长的光纤光栅反射光进行光谱滤波。光纤光栅反射谱中心波长移动到不同位置，就能从光纤F-P滤波器的不同滤波通道进入光纤F-P滤波器进行光谱滤波，滤波通道为冗余设计，参考如2所示，图中通道间隔为50GHz的光纤F-P滤波器的滤波光谱上波峰的数量即为滤波通道的数量。另外，在具有多个光纤光栅时，多个光纤光栅的反射谱中心波长各不相同，便从不同的滤波通道进入光纤F-P滤波器进行光谱滤波。
本具体实施方式中，所述半导体光放大器为宽带光源为C波段的半导体光放大器，其工作波长为1528～1562nm，中心波长为1550nm，小信号增益系数≥20dB，饱和输出功率≥9dB，半导体光放大器可以发出宽谱光，同时可以对输入的光信号进行放大。
本具体实施方式中，光耦合器的耦合比为80：20或90：10或95：5，这样就使得光纤光栅反射光信号中80～95％的光信号继续在环形激光腔中传输，20～5％的光信号从环形激光腔中耦合输出给波长解析模块。
光纤F-P滤波器的光谱滤波原理如图3所示：光纤光栅的中心波长为λBi(i＝1～20)，其3dB带宽为Δλi；图3描述的光纤F-P滤波器的相邻三个谐振峰的中心波长分别为λk-1、λk和λk+1。其中光纤F-P滤波器第k个谐振峰与光纤光栅反射谱中心波长相近的两个波长差为：
|δλ|＝|λBi-λk| (1)
其中，λk表示与光纤布拉格光栅中心波长最相近的光纤F-P滤波器第k个谐振波长的位置。
经计算，针对不同带宽的光纤布拉格光栅，其解调优化范围和波长差之间的关系满足如下方程：
Δλ/10＜|δλ|＜Δλ (2)
其中，Δλ为光纤布拉格光栅的3dB带宽。鉴于高频动态应变的引起的波长移动非常微小(一般地，低于数十皮米)，本具体实施方式中，所使用的光纤布拉格光栅典型的带宽Δλ为0.2nm时，根据(2)式得到可解调的波长差范围为0.02nm<|δλ|<0.2nm。此式表明：波长差小于0.02nm时候，解调出现倍频失真；波长差超过0.2nm时，信号极其微弱以至于不能正常解调。
本具体实施方式中，所述光纤F-P滤波器的滤波通道的通道间隔为50GHz或100GHz，工作波长为C波段，带宽80nm。
针对不同通道间隔的光纤F-P滤波器的可解调范围如图4所示：图中阴影部分为解调优化范围，通道间隔为50GHz的解调区间远大于通道间隔为100GHz的解调区间。因此，针对通道间隔为50GHz的光纤F-P滤波器，本发明的可解调范围几乎涵盖了光纤F-P滤波器的整个光谱范围。针对通道间隔为100GHz的光纤F-P滤波器，本发明的光纤光栅可解调范围仅限于光纤F-P滤波器各个谐振峰光谱附近区域。实验测试表明，本发明的基于光纤F-P滤波器的多通道动态应变光纤光栅解调系统能够解调从1kHz到高达10MHz的高频动态应变。
一种基于光强的光纤光栅解调方法，采用本具体实施方式中的基于光强的光纤光栅解调系统，包括以下步骤：
步骤1：半导体光放大器发射的初始光源信号通过环形器入射到光纤光栅上；
步骤2：光纤光栅通过环形器反射与光纤光栅当前中心波长对应的反射光信号至环形激光腔中；
步骤3：环形激光腔对反射光信号进行循环滤波与放大之后，环形激光腔通过光耦合器向波长解析模块输出反射光经滤波与放大后形成的解调激光信号；
步骤4：波长解析模块将解调激光信号转化为电信号，并将电信号转化为光纤光栅反射谱中心波长的移动频率。
步骤3中环形激光腔对反射光的循环滤波与放大过程如下，并包括以下步骤：
步骤3.1：反射光经环形器进入到光耦合器。
步骤3.2：光耦合器根据耦合比将反射光信号分别输出给光纤F-P滤波器与波长解析模块。
步骤3.3：光纤F-P滤波器对反射光信号进行光谱滤波：反射光信号的光谱与滤波光谱的重叠区域所对应的反射光信号从光纤F-P滤波器中透射出来；该重叠区域参考图3中阴影部分所示，在光纤F-P滤波器的解调优化范围内的反射光信号才能从透射出来，阴影部分面积的大小反应了光强的大小，面积的变化频率反应了光强的变化频率，因此，光电探测器探测到光强的变化快慢就能探测到光纤光栅反射谱中心波长的移动频率。
步骤3.4：经光谱滤波得到的反射光信号通过隔离器进入到半导体光放大器，半导体光放大器对经光谱滤波得到的反射光信号进行放大，并作为当前光源信号。
步骤3.5：半导体光放大器发射的当前光源信号通过环形器入射到光纤光栅上。
步骤3.6：重复步骤3.1至3.5，当达到共振饱和时，半导体光放大器达到放大极限，同时反射光信号在环形激光腔中经多次循环滤波与放大形成解调激光信号。
一种实时监测高频动态应变的结构损伤监测系统，采用本具体实施方式中的基于光强的光纤光栅解调系统，并且n个光纤光栅分布在不同监测位置，所述波长解析模块通过无线通信模块将解析得到的各个光纤光栅反射谱中心波长的移动频率上传至上位机，上位机内配置有应变解析程序，用于根据光纤光栅反射谱中心波长的移动频率解析出监测位置的应变量；光纤光栅的数量为1-20个，带通滤波器的数量为0-19个。
Claims (6)
1.一种基于光强的光纤光栅解调方法，其特征在于：采用基于光强的光纤光栅解调系统，所述基于光强的光纤光栅解调系统包括依次连接的半导体光放大器、环形器、光耦合器、光纤F-P滤波器与隔离器，所述隔离器的输出端与半导体光放大器的输入端连接，从而形成能够对光信号进行循环滤波与放大的环形激光腔；所述半导体光放大器能够发射光源并对光信号进行放大；所述光纤F-P滤波器为光谱固定的不可调法布里-珀罗滤波器，光纤F-P滤波器中滤波光谱的光谱范围包含半导体光放大器的光源信号的光谱范围，并且光纤F-P滤波器具有若干中心波长不相同的滤波通道，从而能够对不同中心波长的光纤光栅反射光进行光谱滤波；所述环形激光腔能够通过环形器向光纤光栅发射光源信号，并接收光纤光栅的反射光信号；所述环形激光腔能够通过光耦合器向波长解析模块输出反射光经滤波与放大后形成的解调激光信号；所述波长解析模块用于根据解调激光信号的光强变化频率解析出光纤光栅反射谱中心波长的移动频率；
包括以下步骤：
步骤1：半导体光放大器发射的初始光源信号通过环形器入射到光纤光栅上；
步骤2：光纤光栅通过环形器反射与光纤光栅当前中心波长对应的反射光信号至环形激光腔中；
步骤3：环形激光腔对反射光信号进行循环滤波与放大之后，环形激光腔通过光耦合器向波长解析模块输出反射光经滤波与放大后形成的解调激光信号；
环形激光腔对反射光的循环滤波与放大过程如下，并包括以下步骤：
步骤3.1：反射光经环形器进入到光耦合器；
步骤3.2：光耦合器根据耦合比将反射光信号分别输出给光纤F-P滤波器与波长解析模块；
步骤3.3：光纤F-P滤波器对反射光信号进行光谱滤波：反射光信号的光谱与滤波光谱的重叠区域所对应的反射光信号从光纤F-P滤波器中透射出来；
步骤3.4：经光谱滤波得到的反射光信号通过隔离器进入到半导体光放大器，半导体光放大器对经光谱滤波得到的反射光信号进行放大，并作为当前光源信号；
步骤3.5：半导体光放大器发射的当前光源信号通过环形器入射到光纤光栅上；
步骤3.6：重复步骤3.1至3.5，直到半导体光放大器达到共振饱和，则半导体光放大器达到放大极限，同时反射光信号在环形激光腔中经多次循环滤波与放大形成解调激光信号；
步骤4：波长解析模块将解调激光信号转化为电信号，并将电信号转化为光纤光栅反射谱中心波长的移动频率。
2.根据权利要求1所述的基于光强的光纤光栅解调方法，其特征在于：所述光纤F-P滤波器的滤波通道的通道间隔为50GHz或100GHz，工作波长为C波段，带宽80nm。
3.根据权利要求1所述的基于光强的光纤光栅解调方法，其特征在于：所述半导体光放大器为宽带光源为C波段的半导体光放大器，其工作波长为1528～1562nm，中心波长为1550nm，小信号增益系数≥20dB，饱和输出功率≥9dB，半导体光放大器可以发出宽谱光，同时可以对输入的光信号进行放大。
4.根据权利要求1所述的基于光强的光纤光栅解调方法，其特征在于：光耦合器的耦合比为80：20或90：10或95：5。
5.根据权利要求1所述的基于光强的光纤光栅解调方法，其特征在于：包括n个依次串联的光纤光栅，n≥1；所述波长解析模块包括n-1个带通滤波器、n个光电探测器与一个数据采集模块；各带通滤波器依次串联连接，并且各带通滤波器的通带各不相同，从而形成能够分离出对应各光纤光栅的解调激光信号的逐级滤波器；所述逐级滤波器的输入前端通过光耦合器接收环形激光腔的解调激光信号；前n-1光电探测器分别与所述n-1个带通滤波器一一对应连接，第n个光电探测器与逐级滤波器的输出末端连接；各光电探测器分别与数据采集模块连接；所述光电探测器能够将解调激光信号的光强变化频率转化为电信号并输出给数据采集模块；所述数据采集模块能够根据电信号解析出光纤光栅反射谱中心波长的移动频率。
6.根据权利要求5所述的基于光强的光纤光栅解调方法，其特征在于：所述光纤带通滤波器的通道3dB带宽为1～4nm；所述光电探测器是InGaAs光电探测器，操作波长范围800-1700nm。
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| US9019998B1 (en) * | 2014-04-02 | 2015-04-28 | King Fahd University Of Petroleum And Minerals | Tunable fiber ring laser with a gain clamped semiconductor optical amplifier |
| CN105827320A (zh) * | 2016-05-11 | 2016-08-03 | 中天宽带技术有限公司 | 一种用于wdm-pon中的基于ffp滤波器和ffp-soa的超窄带谱切分非相干光源的传输装置 |
Non-Patent Citations (7)
| Title |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109752032A (zh) | 2019-05-14 |
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