CN111521206A - 光纤光栅边缘叠加滤波的波长解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤光栅边缘叠加滤波的波长解调方法，包括以下步骤：S1、宽带光源发出的宽谱光入射到光纤光栅，该光纤光栅为包含多个等间距峰的倾斜光纤光栅，其反射光为多峰梳状光；S2、将经光纤光栅反射的多峰梳状光经过梳状滤波器，每个光纤光栅的反射光谱峰的中心波长位于每个梳状滤波器的透射光谱梳状峰的斜边上，反射光谱和透射光谱的斜边部分重叠，通过该梳状滤波器对多峰梳状光的每个峰进行边缘滤波；S3、将光纤光栅的反射谱函数和经过梳状滤波器边缘滤波的透射谱函数拟合，计算光纤光栅的波长变化量；S4、重复执行步骤S2和S3进行波长的连续解调。本发明实现了高灵敏度边缘滤波及波长解调，增强了系统的信噪比。

Description

光纤光栅边缘叠加滤波的波长解调方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及了一种基于高灵敏度边缘滤波的波长解调方法。

背景技术

光纤光栅由于其特有的光纤内部敏感、波长编码、易于复用、组网等优点而成为光纤传感的一种重要器件。光栅的波长解调是光栅传感的关键技术之一。现有的光栅波长解调技术有光谱法、波长扫描法和传统的边缘滤波法。

波长扫描法分为宽谱光通过可调滤波器扫描法和扫描激光器法。可调谐滤波器解调严重受限于滤波器中的机械调谐机构的响应速度，解调速度慢且价格昂贵。

传统的扫描波长解调法中，如单个传感器的情况下，即只有一个传感光栅，扫描激光器发出的宽谱光一路到达传感光栅，其反射光为以传感光栅中心波长为中心的窄带光，宽谱光的另一路光则通过标准具后被光电探测器接收。只有当反射光的中心波长与 FFP的中心波长相重合时，光电探测器才会探测到一个脉冲信号，同样的道理标准具会探测到一串脉冲，这串脉冲代表了标准具的透射峰的各个峰值。记录光电探测器探测到的传感光栅的最大光强的时刻，与标准具的一串脉冲的各个峰值时刻进行比较（标准具的作用主要是用来校正波长值），通过峰值解调算法可以计算出传感光栅的中心波长值，实现波长解调。多个传感器的情况下，传感器反射回来的光是一个梳状脉冲光谱，具有多个峰，通过与标准具的各个峰值波长进行解调就可以一次计算出多个传感器的多个中心波长值。但是多个传感器之间是相互独立的、不相干，多个传感器可以用于测量不同的量，如果温度传感器，压力传感器等。但是无论单个传感器还是多个传感器，通过扫描波长解调法解调出来的波长精度不高，激光器的跳模会导致波长扫描不连续，因此，输出激光是波长跳跃的，导致激光器控制复杂，信号的处理也复杂，速度也受到限制。而光谱法一般采用CCD探测模块，由于内部采用衍射光栅后端用线阵CCD接收信号，不但价格昂贵，而且其结构精密，对于振动和高温场合难以适应。

边缘滤波解调技术结构简单、可靠性高且速度快，传统的边缘滤波是采用光谱为单峰的滤波器和传统的单峰布拉格光栅构成，受限于光栅的边带倾斜度和滤波器透射光谱边缘的倾斜度，一般单峰边缘陡峭，宽度窄，强度低，因此灵敏度有限，难以满足高灵敏度场合、如振动、声波等应用场合，实用性不足。

发明内容

本发明的目的就是要克服现有光栅波长解调技术的不足，提出了一种利用梳状滤波器实现倾斜光栅波长高灵敏度的波长解调方法。

本发明为达发明目的所采用的技术方案是：

提供一种光纤光栅边缘叠加滤波的波长解调方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、宽带光源发出的宽谱光入射到光纤光栅，该光纤光栅为包含多个等间距峰的倾斜光纤光栅，其反射光为多峰梳状光；

S2、将经光纤光栅反射的多峰梳状光经过梳状滤波器，每个光纤光栅的反射光谱峰的中心波长位于每个梳状滤波器的透射光谱梳状峰的斜边上，反射光谱和透射光谱的斜边部分重叠，通过该梳状滤波器对多峰梳状光的每个峰进行边缘滤波；

S3、将光纤光栅的反射谱函数和经过梳状滤波器边缘滤波的透射谱函数拟合，计算光纤光栅的波长变化量；

S4、重复执行步骤S2和S3进行波长的连续解调。

接上述技术方案，梳状滤波器透射光谱与光纤光栅反射光谱的峰间距相等。

接上述技术方案，梳状滤波器的透射光谱中，每个梳状峰光谱为高斯型光谱。

接上述技术方案，光纤光栅的反射光谱中，每个反射峰为高斯型光谱。

接上述技术方案，梳状滤波器的峰和光纤光栅的峰边缘重合的交点在峰的斜边中点处。

接上述技术方案，该方法还包括步骤S5：通过消除宽带光源自身光功率的变化来校正经边缘滤波后的光信号的光功率。

接上述技术方案，步骤S5具体包括步骤：

将经光纤光栅反射的多峰梳状光分为两路，一路为探测光，另一路为参考光；

探测光经过梳状滤波器，其透射光经过光电转换，产生第一电信号，对第一电信号进行模数转换,获取探测光的光功率，并计算探测光的光功率的变化率；

参考光经光电转换后，产生第二电信号，对第二电信号进行模数转换，获取参考光的光功率，并计算参考光的光功率的变化率；

将探测光的光功率的变化率减去参考光的光功率的变化率，得到校正后的探测光的光功率值；

步骤S3中，透射谱函数拟合后，结合校正后的探测光的光功率值，计算光纤倾斜光栅的波长变化量。

本发明产生的有益效果是：本发明采用梳状滤波器对倾斜光栅进行边缘解调，相比于传统边缘解调法，本发明中有梳状滤波器多个峰与倾斜光栅匹配的多个峰组成多种边缘滤波器，采用多个峰同时做边缘滤波，每增加一个峰其反射面积增加，光强增大，在动态范围不变的情况下，提高了系统的响应，增加了解调的灵敏度。本发明对于探测高频微弱信号、如声波、微弱振动信号等具有较高的灵敏度和信噪比。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例一的光纤光栅边缘叠加滤波的波长解调方法流程图；

图2为本发明实施例二的光纤光栅边缘叠加滤波的波长解调方法流程图；

图3为本发明实施例光纤光栅边缘叠加滤波的波长解调系统结构示意图一；

图4为本发明实施例所述的梳状滤波器透射光谱和探测光路中被测倾斜光栅反射光谱图示意图；

图5为本发明实施例光纤光栅边缘叠加滤波的波长解调系统结构示意图二。

图中：1-宽带光源，2a-光环形器，201a-光环形器第一端口，202a-光环形器第二端口，203a-光环形器第三端口，2b-第一光环形器，201b-第一光环形器第一端口，202b-第一光环形器第二端口，203b-第一光环形器第三端口，3a-光纤倾斜光栅，3b-第一光纤倾斜光栅，4-光纤耦合器，401-光纤耦合器第一端口，402-光纤耦合器第二端口，403-光纤耦合器第三端口，5-梳状滤波器，6-第一光电探测器，7-第二光电探测器，8-信号处理器，801-信号处理器第一端口，802-信号处理器第二端口，803-信号处理器第三端口，9-上位机，10-第二光环形器，1001-第二光环形器第一端口，1002-第二光环形器第二端口，1003-第二光环形器第三端口，11-第二光纤倾斜光栅。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例1的光纤光栅边缘叠加滤波的波长解调方法包括以下步骤：

S1、宽带光源发出的宽谱光入射到光纤光栅，该光纤光栅为包含多个等间距峰的倾斜光纤光栅，其反射光为多峰梳状光；

S2、将经光纤光栅反射的多峰梳状光经过梳状滤波器，每个光纤光栅的反射光谱峰的中心波长位于每个梳状滤波器的透射光谱梳状峰的斜边上，具有重叠部分，通过该梳状滤波器对多峰梳状光的每个峰进行边缘滤波；

S3、将光纤光栅的反射谱函数和经过梳状滤波器边缘滤波的透射谱函数拟合，计算光纤光栅的波长变化量；

S4、判断是否要进行波长的连续解调，若是，则重复执行步骤S2和S3进行波长的连续解调。

本发明的一个优选实施例中，设置梳状滤波器透射光谱与光纤倾斜光栅反射光谱的峰间距相等（理论上不相等也可以，最根本的要求是倾斜光栅和梳状滤波器的峰都能匹配即可，如果间距不等，只要它们两的峰按照相同间距排列即可，即如果光栅间距不等，梳状滤波器间距也按照光栅的间距不等一样排列，也可以实现）。本发明优选通过采用梳状峰间隔与倾斜光栅峰值间隔相同的梳状滤波器对倾斜光栅的反射光进行多个反射峰同时边缘滤波。

进一步地，梳状滤波器的透射光谱中，每个梳状峰光谱为高斯型光谱。

进一步地，光纤倾斜光栅的反射光谱中，每个反射峰为高斯型光谱。

进一步地，光纤倾斜光栅的反射光谱峰的中心波长位于梳状滤波器的透射光谱梳状峰的斜边上，两个峰具有重叠部分。两个峰的斜边交点尽量靠近斜边中点，可实现解调的动态范围大，线性度好。

如图2所示，本发明另一实施例光纤光栅边缘叠加滤波的波长解调方法主要包括以下步骤：

S101、宽带光源发出的宽谱光入射到光纤光栅；

S102、将光纤光栅反射的多峰梳状光分成两路，一路为探测光，另一路为参考光；

S103、探测光经过梳状滤波器，其透射光经过光电转换，产生第一电信号；

S104、参考光经光电转换后，产生第二电信号；

S105、对第一电信号进行模数转换,获取探测光的光功率，并计算探测光的光功率的变化率；该变化率为探测光路当前采样值与初始采样值的比值；

S106、对第二电信号进行模数转换，获取参考光的光功率，并计算参考光的光功率的变化率，该变化率为参考光路当前采样值与初始采样值的比值；

S107、将探测光的光功率的变化率减去参考光的光功率的变化率，得到校正后的探测光的光功率值；

S108、将光纤光栅的反射谱函数和梳状滤波器的透射谱函数拟合，并结合校正后的探测光的光功率值，计算光纤光栅的波长变化量；

S109、重复执行步骤S105-S108进行波长的连续解调。

步骤S108中，倾斜光栅和梳状滤波器的每一个峰函数为高斯函数，多个峰就是多个高斯函数的叠加，用高斯函数直接拟合。校正光功率是用第一光探测器的光功率的变化率减去第二光探测器的光功率的变化率，因为第二光探测器的光功率变化率是光源自身的变化，第一光探测器的光功率是传感器自身变化外加光源功率变化的和，所以直接用它们的变化率相减即可。

其中，梳状滤波器的多个峰与光纤光栅的多个峰的边缘部分重合，对多峰梳状光进行边缘滤波；梳状滤波器可对光纤光栅的反射光进行多个反射峰同时边缘滤波，在不提高系统的复杂度和成本的前提下提高了系统的灵敏度，增强了系统的信噪比。

图3为本发明实施例一的基于高灵敏度边缘滤波的波长解调系统的结构示意图，可实现上述实施例的基于高灵敏度边缘滤波的波长解调方法。边缘滤波波长解调系统包括宽带光源1、光环形器2a、光纤光栅3a、光纤耦合器4、梳状滤波器5、第一光电探测器6、第二光电探测器7、信号处理器8和上位机9。

宽带光源1的输出端连接到光环形器第一端口201a，为解调装置提供宽谱光源，其有效的波长范围大于本装置的测量范围。光环形器第二端口202a连接光纤光栅3a。光环形器第三端口203a连接到光纤耦合器第一端口401。

光纤耦合器第二端口402连接到梳状滤波器5的输入端口，梳状滤波器5为光波导梳状滤波器，梳状滤波器5的透射光谱和光纤光栅3a的反射光谱的相邻谱峰具有相同的波长间隔，每个谱峰的形状满足高斯谱型。

梳状滤波器5的输出端口连接到第一光电探测器6的光学输入端口，第一光电探测器6的电输出端口连接到信号处理器第一端口801，信号处理器第一端口801连接到上位机9。

光纤耦合器第三端口403连接到第二光电探测器7的光学输入端口，第二光电探测器7的电输出端口连接到信号处理器第二端口802；信号处理器第三端口803连接到上位机9。这里的上位机可为系统的终端，个人PC之类，主要是接收传感器的数据，然后作各种应用，如存储，显示等。

利用上述实施例的基于高灵敏度边缘滤波的波长解调系统实现波长解调的方法包括以下步骤：

S201：宽带光源1发出的宽谱光首先耦合到光环形器第一端口201a，然后通过光环形器第二端口202a入射到光纤光栅3a中。经过光纤光栅3a反射的特定波长的多峰梳状光进一步返回到光环形器第二端口202a后，通过光环形器第三端口203a入射到光纤耦合器第一端口401，然后分成两路光，分别为探测光和参考光。

S202：探测光经过光纤耦合器第二端口402输入到光纤梳状滤波器5中，光纤耦合器4分出来的部分光纤光栅3a的反射光谱，如图4所示，经过光纤梳状滤波器5滤波后，其透射光耦合到第一光电探测器6中，如图4阴影部分所示，光电探测器转换的电信号连接到信号处理器第一端口801。梳状滤波器和倾斜光栅各自光谱都有很多个峰，要更好地实现边缘滤波，两个相近波长的峰的斜边需要满足一定的条件，梳状滤波器的峰和倾斜光栅的一个峰在波长上紧挨着，部分重合，且重合的边缘交点尽量靠近斜边的中点，这样会有更好的线性度和动态范围。

光纤光栅3a反射光经过光纤耦合器第三端口403分出来的部分光作为参考光，其经过光纤耦合器第三端口403耦合到第二光电探测器7后，光电探测器转换的电信号连接到信号处理器第二端口802。

S203：信号处理器8对第二光电探测器7输出电信号进行模拟数字转换，计算并获取宽带光源1的输出光功率（即参考光路）的光功率的变化率，为参考光路当前采样值与初始采样值的比值。

S204：信号处理器8对第一光电探测器6输出电信号进行模拟数字转换，计算并获取光纤耦合器第二端口402输出的部分光纤光栅3a反射光经过梳状滤波器5滤波后的探测光的光功率。

S205：用步骤S204中获取的探测光功率的变化率减去的步骤S203中计算获取的参考光路的光功率的变化率，得到校正探测光的光功率值。

S6：通过光纤光栅3a的反射谱函数和梳状滤波器5的透射谱函数拟合结合步骤S5获取的校正后的探测光的光功率值计算光纤光栅3a的波长变化量。

S207：信号处理器8将步骤S206获取的波长变化量发送至上位机9。

S208：重复步骤S203、S204、S205、S206和S207实现光纤光栅3a波长的连续解调。

图5为本发明实施例二的基于高灵敏度边缘滤波的波长解调系统的结构示意图，它组要由宽带光源1、第一光环形器2b、第一光纤光栅3b、光纤耦合器4、梳状滤波器5、第一光电探测器6、第二光电探测器7、信号处理器8、上位机9、第二光环形器10、第二光纤光栅11组成。

宽带光源1的输出端连接到第一光环形器第一端口201b，为解调装置提供宽谱光源，其有效的波长范围大于本装置的测量范围。第一光环形器第二端口202b连接第一光纤光栅3b；第一光环形器第三端口203b连接到光纤耦合器第一端口401，光纤耦合器第二端口402连接到梳状滤波器5的输入端口。

梳状滤波器5包括第二光环形器10和第二光纤光栅11，第二光环形器10包括第二光环形器第一端口1001、第二光环形器第二端口1002和第二光环形器第三端口1003，第二光环形器第一端口1001为梳状滤波装置5的输入口，第二光环形器第二端口1002连接第二光纤光栅11，第二光环形器第三端口1003作为梳状滤波器5的输出端口。该实施例中梳状滤波装置5通过光纤光栅来实现，降低了成本。

此外，为了实现较高质量的边缘滤波，可以设置两个多峰器件的峰间距相等，由于倾斜光栅批量制作时容易制作相同峰间距的器件，所以制作更方便。

梳状滤波器5的输出端口连接到第一光电探测器6的光学输入端口，梳状滤波器5透射光谱和第一光纤光栅3b的反射光谱的相邻谱峰具有相同的波长间隔。梳状滤波器5透射光谱和第一光纤光栅3b的反射光谱每个谱峰的形状满足高斯谱型。第一光电探测器6的电输出端口连接到信号处理器第一端口801。光纤耦合器第三端口403连接到第二光电探测器7的光学输入端口，第二光电探测器7的电输出端口连接到信号处理器第二端口802；信号处理器第三端口803连接到上位机9。

利用上述实施例的基于高灵敏度边缘滤波的解调系统实现波长解调方法包括以下步骤：

S301、宽带光源1发出的宽谱光首先耦合到第一光环形器第一端口201b，然后通过第一光环形器第二端口202b入射到第一光纤光栅3b中；经过第一光纤光栅3b反射的特定波长的多峰梳状光进一步返回到第一光环形器第二端口202b后，通过第一光环形器第三端口203b入射到光纤耦合器第一端口401，然后分成两路光，分别为探测光和参考光。

S302、探测光经过光纤耦合器第二端口402输入到光纤梳状滤波器5中，光纤耦合器4分出来的部分第一光纤光栅3b的反射光谱，如图4所示，经过光纤梳状滤波器5滤波后，其透射光耦合到第一光电探测器6中，如图4阴影部分所示，光电探测器转换的电信号连接到信号处理器第一端口801。

第一光纤光栅3b反射光经过光纤耦合器第三端口403分出来的部分光作为参考光，其经过光纤耦合器第三端口403耦合到第二光电探测器7后，光电探测器转换的电信号连接到信号处理器第二端口802。

S303、信号处理器8对第二光电探测器7输出电信号进行模拟数字转换，计算并获取宽带光源1的输出功率的波动系数k（即参考光路的光功率的变化率），k的大小为参考光路当前采样值与初始采样值的比值。

S304、信号处理器8对第一光电探测器6输出电信号进行模拟数字转换，计算并获取光纤耦合器第二端口402输出的部分第一光纤光栅3b反射光经过梳状滤波器5滤波后的探测光的光功率，并计算探测光的光功率的变化率，具体为探测光路当前采样值与初始采样值的比值。

S305、用步骤S304中获取的探测光的光功率的变化率减去步骤S303中计算获取的宽带光源1的波动系数k，校正探测光的光功率值。

S306、通过第一光纤光栅3b的反射谱函数和梳状滤波器5的透射谱函数拟合结合步骤S305获取的校正后的探测光功率计算第一光纤光栅3b的波长变化量。

S307、信号处理器8将步骤S306获取的波长变化量发送至上位机9。

S308、重复步骤S303、S304、S305、S306和S307实现第一光纤光栅3b波长的连续解调。

综上，本发明利用梳状滤波器解调光纤光栅波长实现基于高灵敏度边缘滤波的波长解调，通过采用梳状峰间隔与倾斜光栅峰值相匹配的梳状滤波器对倾斜光栅的反射光进行多个反射峰同时边缘滤波，实现对倾斜光栅波长变化的边缘滤波解调。由于采用了梳状滤波器匹配倾斜光栅的多个反射峰同时滤波，在不提高系统的复杂度和成本的前提下提高了系统的灵敏度，增强了系统的信噪比，有助于在声波和振动等高灵敏度探测领域的应用。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种光纤光栅边缘叠加滤波的波长解调方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、宽带光源发出的宽谱光入射到光纤光栅，该光纤光栅为包含多个等间距峰的倾斜光纤光栅，其反射光为多峰梳状光；

S2、将经光纤光栅反射的多峰梳状光经过梳状滤波器，梳状滤波器的透射光谱和光纤光栅的反射光谱的相邻谱峰具有相同的波长间隔，且每个光纤光栅的反射光谱峰的中心波长位于每个梳状滤波器的透射光谱梳状峰的斜边上，反射光谱和透射光谱的斜边部分重叠，通过该梳状滤波器对多峰梳状光的每个峰进行边缘滤波；

S3、将光纤光栅的反射谱函数和经过梳状滤波器边缘滤波的透射谱函数拟合，计算光纤光栅的波长变化量；

S4、重复执行步骤S2和S3进行波长的连续解调。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅边缘叠加滤波的波长解调方法，其特征在于，梳状滤波器透射光谱与光纤光栅反射光谱的峰间距相等。

3.根据权利要求1所述的光纤光栅边缘叠加滤波的波长解调方法，其特征在于，梳状滤波器的透射光谱中，每个梳状峰光谱为高斯型光谱。

4.根据权利要求1所述的光纤光栅边缘叠加滤波的波长解调方法，其特征在于，光纤光栅的反射光谱中，每个反射峰为高斯型光谱。

5.根据权利要求1所述的光纤光栅边缘叠加滤波的波长解调方法，其特征在于，梳状滤波器的峰和光纤光栅的峰边缘重合的交点在峰的斜边中点处。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的光纤光栅边缘叠加滤波的波长解调方法，其特征在于，该方法还包括步骤S5：通过消除宽带光源自身光功率的变化来校正经边缘滤波后的光信号的光功率，并重新计算光纤光栅的波长变化量。

7.根据权利要求6所述的光纤光栅边缘叠加滤波的波长解调方法，其特征在于，步骤S5具体包括步骤：

将经光纤光栅反射的多峰梳状光分为两路，一路为探测光，另一路为参考光；

探测光经过梳状滤波器，其透射光经过光电转换，产生第一电信号，对第一电信号进行模数转换,获取探测光的光功率，并计算探测光的光功率的变化率；

参考光经光电转换后，产生第二电信号，对第二电信号进行模数转换，获取参考光的光功率，并计算参考光的光功率的变化率；

将探测光的光功率的变化率减去参考光的光功率的变化率，得到校正后的探测光的光功率值；

透射谱函数拟合后，结合校正后的探测光的光功率值，计算光纤倾斜光栅的波长变化量。

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