CN111537129B - 一种高速大动态范围光纤光栅解调系统及解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速大动态范围光纤光栅解调系统，包括宽带光源、三端口光纤环行器、分光比50:50的光纤耦合器、第一窄带滤波器、第二窄带滤波器、第一光电探测器、第二光电探测器和数据采集处理单元；所述的宽带光源输出光谱形状为具有线性长斜边的高斯型，光谱具有单峰性，利用宽带光源输出光谱中的左右两个近线性的长斜边来进行光纤光栅的高速解调，将光栅的波长变化转换为光栅输出的反射光功率的变化。本发明还提供了使用以上所述的高速大动态范围光纤光栅解调系统进行光纤光栅传感器解调的方法。本发明的解调系统具有解调速度快、测量范围宽、解调精度高、对光栅波长限制小等优点，适于爆炸冲击波压力等瞬态大变量的测试。

Description

一种高速大动态范围光纤光栅解调系统及解调方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术，具体是一种高速大动态范围光纤光栅解调系统及解调方法。

背景技术

爆炸冲击波压力测量一直是武器爆炸工程效应研究和工程防护科研试验研究中一个十分重要的问题。由于爆炸环境恶劣，目前可用于爆炸冲击波压力测量的传感器不仅可选择的种类少，而且这些可选范围内的传感器也存在抗干扰能力差、适应场合少等缺点。近年来，将光纤传感技术引入爆炸效应参数测量领域研制光纤式冲击波压力传感器为爆炸冲击波压力测量提供了一种新手段。其中，基于光纤布拉格光栅(FBG，Fiber BraggGrating)的爆炸冲击波压力传感器以其结构简单、成本低、性能优异、易于组网等突出优势而极具应用前景。但FBG是一种波长编码型光纤无源器件，其解调技术的本质是准确获取FBG的中心波长值，相应的波长解调技术直接限制了整个FBG传感系统的检测精度、测量范围、解调速度等，这是FBG传感系统实用化的关键部分之一。目前，可用于爆炸冲击波压力测量的高速动态FBG解调方法主要是不用扫描的自参考无源解调方法，如线性滤波器法、匹配光栅法等。光滤波法的核心是选择具有较宽线性范围的波长相关元件，利用它实现光纤波长编码的解调。目前光纤光栅解调中常用的线性波长相关元件主要采用斜边滤波器方案，如光纤F-P干涉仪、长周期光纤光栅、波分复用器等的透射谱或反射谱上一段接近线性的斜边，虽然可以达到较高的解调速度，但受限于滤波元件的线性波长范围较小，一般不超过3nm，导致测量范围较小；受滤波元件的稳定性影响，导致传感器的标定灵敏度不稳定，解调精度不高。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明的目的是提出一种高速大动态范围光纤光栅解调系统及解调方法，可实现双光纤光栅的同时解调，具有解调速度快、测量范围宽、解调精度高等优点，非常适于爆炸冲击波压力等瞬态大变量的测试。

本发明的目的可采用如下技术方案来实现：

一种高速大动态范围光纤光栅解调系统，包括宽带光源、三端口光纤环行器、分光比50:50的光纤耦合器、第一窄带滤波器、第二窄带滤波器、第一光电探测器、第二光电探测器和数据采集处理单元，所述的宽带光源与光纤环行器第一端口连接，光纤环行器的第二端口用于连接光纤光栅传感器，光纤环行器的第三端口连接光纤耦合器的第一端口，光纤耦合器的第二端口通过第一窄带滤波器与第一光电探测器的输入端连接，光纤耦合器的第三端口通过第二窄带滤波器与第二光电探测器的输入端连接，第一光电探测器输出端、第二光电探测器输出端分别与数据采集处理单元连接；

所述的宽带光源其输出光谱形状为具有线性长斜边的高斯型或近似高斯型的三角形，光谱具有单峰性，线性长斜边分布于输出光谱的最大峰值波长两侧，分为短波长段线性区和长波长段线性区；

所述的第一窄带滤波器其中心波长位于所述的宽带光源的短波长段线性区中间位置，所述的第二窄带滤波器其中心波长位于所述的宽带光源的长波长段线性区中间位置，第一窄带滤波器、第二窄带滤波器的滤波带宽不重叠且均大于等于所在的宽带光源的线性斜边区域长度。

所述的宽带光源的线性斜边区域长度不小于10nm。

所述的第一窄带滤波器和第二窄带滤波器均为光纤波分复用器。

所述的第一光电探测器和第二光电探测器的带宽均大于200kHz，具有低噪声、高增益等特点。

所述的数据采集处理单元采样通道数大于等于2，且多通道同时采样率大于等于1MHz。

本发明还提供了使用以上所述的高速大动态范围光纤光栅解调系统进行光纤光栅解调的方法，包括以下步骤：

第一步、选取初始中心波长分别为λ₁、λ₂的两个光纤光栅传感器，依次串接至所述的光纤环形器的第二端口；λ₁位于宽带光源(1)的短波长段线性区，λ₂位于宽带光源(1)的长波长段线性区；

第二步、宽带光源发出的光波经所述的三端口光纤环行器注入两个光纤光栅传感器，当光纤光栅传感器测量外部信号时，外部信号使光纤光栅传感器的中心波长发生变化，从两个光纤光栅传感器反射的光波再次经光纤环形器后，经由50:50的光纤耦合器一分为二，这两束光波分别注入第一窄带滤波器和第二窄带滤波器，中心波长为λ₁的信号光通过第一窄带滤波器和第一光电探测器，中心波长为λ₂的信号光通过第二窄带滤波器和第二光电探测器，完成两光纤光栅反射信号的分离，这两束光波经光电转换为电压信号后分别送入数据采集处理单元进行信号的采集、处理、存储和显示；

第三步，对于每一个光纤光栅传感器，记录其测量过程中整个解调系统采集到的随时间变化的电压信号为V(t)，初始时刻光栅信号对应的电压值为V₀，定义D＝log₁₀(V(t)/V₀)作为有效信号来标定传感器并进行传感信号解调，光纤光栅传感器灵敏度以dB来表示。

上述光栅解调系统的原理是：使用具有线性长斜边的宽带光源，该光源既做整个解调系统的光源，又充当光栅波长解调的线性滤波元件，将光栅的波长变化直接转换为光栅反射光强度变化，来实现高速、大动态范围的相对变化量的传感。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：利用现有波形整形技术很容易获得线性斜边长度超过10nm的宽带光源，这使得能够解调的光栅波长范围达到了±5nm以上，解调系统的动态范围远超现有线性斜边滤波器方案；由于所述宽带光源输出光谱通常在对数坐标下呈现较好的线性，且输出光谱形状的稳定性易于控制，利用该解调系统，使用求对数的数据处理方法，可以较好地消除光源输出光功率波动和光路功率波动对测量结果的影响，传感器的标定灵敏度较稳定，可大大提高系统的测量精度；由于所述宽带光源有两段线性长斜边区域，可同时解调两支光纤光栅，据此可实现单参量或双参量的准确测量；可通过空分复用的方式共用同一宽带光源，方便拓展整个解调系统的测试通道数，大大提高系统的测试能力的同时又不显著增加系统成本。因此，本发明所述的光纤光栅解调系统具有解调速度快、测量范围宽、解调精度高、对光栅波长限制小等优点，非常适于爆炸冲击波压力等瞬态大变量的测试。

附图说明

图1为本发明的结构原理图。

图2为实施例1中具有高斯型输出光谱的宽带光源在不同输出光功率下的对数坐标系的输出光谱。

图3为宽带光源输出光功率分别为2.286dBm和-0.525dBm时，FBG的绝对反射输出信号电压随挂重的变化曲线图。

图4为宽带光源输出光功率分别为2.286dBm和-0.525dBm时，FBG的相对反射输出随挂重的变化曲线图。

图5为基于输出光谱为高斯型或近似高斯型的宽带光源的光纤光栅解调原理示意图。

图6为线性斜边滤波器的解调原理示意图。

图中，1、宽带光源，2、三端口光纤环行器，3、分光比50:50的光纤耦合器，4、第一窄带滤波器，5、第一光电探测器，6、第二窄带滤波器，7、第二光电探测器，8、数据采集处理单元；

21、光纤环行器第一端口，22、光纤环行器第二端口，23、光纤环行器第三端口，31、光纤耦合器第一端口，32、光纤耦合器第二端口，33、光纤耦合器第三端口。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

如图1所示：本发明的一种高速大动态范围光纤光栅解调系统，包括宽带光源1、三端口光纤环行器2、分光比50:50的光纤耦合器3、第一窄带滤波器4、第一光电探测器5、第二窄带滤波器6、第二光电探测器7、数据采集处理单元 8，所述的宽带光源1与光纤环行器2的第一端口21连接，光纤环行器2的第二端口22用于连接光纤光栅传感器，光纤环行器2的第三端口23连接光纤耦合器3的第一端口31，光纤耦合器3的第二端口32依次连接第一窄带滤波器4、第一光电探测器5和数据采集处理单元8，光纤耦合器3的第三端口33依次连接第二窄带滤波器6、第二光电探测器7和数据采集处理单元8；

所述的宽带光源1其输出光谱形状为具有线性长斜边的高斯型，其不同输出光功率时的输出光谱如图2所示，光谱具有单峰性，在峰值波长两侧的光谱斜边区域内，光功率谱密度与波长成线性关系的波长范围较大；宽带光源1其中短波长线性斜边对应的波长范围为13nm(1545nm～1558nm)，不同输出光功率下的拟合直线斜率约为0.968dB/nm，线性拟合相关系数均大于0.998；右侧线性斜边对应的波长范围为13nm(1566nm～1579nm)，不同输出光功率下的拟合直线斜率约为-1.345dB/nm，线性拟合相关系数均大于0.997，宽带光源1的线性斜边的长度均超过了10nm，且线性较好；即使ASE光源的输出光功率改变，对数坐标下的线性区域的拟合直线斜率差别较小，也即是说利用所述宽带光源斜边直接进行FBG解调时，采用对数坐标FBG的解调将不受光源功率波动和传感器与解调仪之间连接光缆损耗不同的影响；

所述的第一窄带滤波器4中心波长位于所述的宽带光源1的短波长段线性区中间位置，第二窄带滤波器6中心波长位于所述的宽带光源的长波长段线性区中间位置，两者的滤波带宽均大于等于所在的宽带光源的线性斜边区域长度且不重叠。

所述的宽带光源的线性斜边区域长度不小于10nm。

所述的第一窄带滤波器和第二窄带滤波器均为光纤波分复用器。

所述的光电探测器带宽大于200kHz，具有低噪声、高增益等特点。

所述的数据采集处理单元采样通道数大于等于2，且多通道同时采样率大于等于1MHz。

本发明还提供了使用以上所述的高速大动态范围光纤光栅解调系统进行光纤光栅的解调方法，采用下面的步骤：

第一步，选取初始中心波长为1551nm的光纤光栅传感器记为FBG1，初始中心波长为1572nm的光纤光栅传感器记为FBG2，将这两支光纤光栅传感器依次串接至所述的光纤环形器2的第二端口22；FBG1中心波长位于所述的宽带光源1的短波长段线性区，FBG2中心波长位于所述宽带光源1的长波长段线性区；

第二步，所述的宽带光源1发出的光波经所述的光纤环行器2依次注入FBG1和FBG2，从FBG1和FBG2返回的信号光再次经所述的光纤环形器2后经由所述的光纤耦合器3一分为二，这两束光波分别注入两个窄带滤波器，所述的第一窄带滤波器4只允许FBG1的信号光通过，注入所述的第一光电探测器5，所述的第二窄带滤波器6只允许FBG2的信号光通过，注入所述的第二光电探测器7，这两束光波经光电转换后送入所述的数据采集处理单元8进行信号的采集、处理、存储和显示；

第三步，对于每一个光纤光栅传感器，记录整个解调系统采集到的随时间变化的光栅传感信号为V_(t)，初始时刻光栅信号对应的电压值为V₀，定义 D＝log₁₀(V_(t)/V₀)作为有效信号来标定传感器和进行传感信号解调，可有效消除光源或光路输出功率波动带来的影响，提高解调灵敏度。利用该方法标定的光纤光栅传感器灵敏度以dB来表示，如光纤光栅传感器用于测量爆炸冲击波压力时，则其标定灵敏度单位为dB/MPa。

在实施例1中，以FBG1为例来进一步说明本发明所述的光纤光栅解调方法，具体地，在FBG1下部悬挂重物，改变悬挂重物的重量进而改变FBG1的中心波长；在所述的宽带光源1输出光功率分别为2.286dBm和-0.525dBm时，记录FBG1的反射输出光经光电转换后对应的输出电压值随挂重的变化，如图3 所示；由于光电管的输出电压与注入光功率成线性关系，而高斯型宽带光源的线性斜边是在对数坐标下才成立，因此，必须对图3中的数据进行对数处理才能得到FBG1随挂重变化的线性响应输出。

具体处理方法如下：假设注入光电转换电路的FBG1反射光功率为P(单位： mW)，则光电管的输出电压为V＝P*A*R，其中A为光电管的转换系数，单位一般为mA/mW，R为负载电阻。若挂重为g，则有log₁₀P∝g，P∝V，因此有 log₁₀V∝g。为了消除注入FBG1的不同光源光功率的影响，也即只求光栅随挂重的相对变化量，则有log₁₀P-log₁₀P₀＝log₁₀(P/P₀)∝g，对于光电转换之后的电压则有log₁₀(V/V₀)∝g，其中P₀为挂重为0时FBG1的反射输出光功率，V₀为对应的光电转换之后的输出电压。

那么，将图3中所得的电压数据按照上述对数关系处理后示于图4中，即消除了注入光栅的初始宽带光源光功率的不同对测试结果的影响，由图4可知，利用该方法解调光栅，光栅的响应灵敏度单位是dB/g。

上述光栅解调系统的原理是：

具有高斯型输出光谱或者近似高斯型输出光谱的宽带ASE光源的输出光谱示意图如图5所示，利用其输出光谱中的左右两个近线性的长斜边来进行光纤光栅的高速解调，将光栅的波长变化转换为光栅输出的反射光功率的变化，通过直接检测反射光功率的变化实现光纤光栅的高速解调；

对于高斯型宽带光源的任一线性段，光源功率谱密度P与波长λ的关系为：

p(λ)＝kλ+B (1)

反射率为R₀的FBG的反射光谱R(λ)近似为高斯型，即：

R(λ,λ₀)＝R₀exp-[α(λ-λ₀)²] (2)

(2)式中，

为常数，b为FBG的半峰值全宽，λ₀为FBG的中心波长；

当FBG的中心波长位于宽带光源输出光谱的线性区域时，也即使用该宽带光源照射FBG时，FBG的反射光强为：

将(1)、(2)两式代入(3)式可得：

由(4)式可知，若光源的光功率谱为线性时，经FBG反射的光强I(λ₀) 与FBG的中心波长λ₀的关系也是线性的。当FBG受到扰动时，其中心波长变为λ₀+△λ，其中心波长变化量△λ与反射光强变化量△I的关系也是线性的，即：

由于FBG的中心波长随其所受温度和应变的变化也是线性的，将外界待测参量如爆炸冲击波压力变化等通过传感器设计转化为FBG的应变变化，因此通过检测FBG的反射光功率变化即可实现外界参量传感。

实质上，这种解调方案属于线性斜边滤波器方案，以宽带光源的长波长斜边为例，简化为如图6所示的光栅动态信号解调原理示意图来分析该方案实现光纤光栅的高速大动态解调的可行性；将光栅的中心波长λ₀选定在宽带光源线性边带范围内，当外界的瞬态变化量作用于光栅上时，导致光栅的中心波长λ₀随之发生变化，宽带光源的作用是将光栅的波长变化转化为光功率的变化，如果光源斜边的线性较好且范围够大，外界瞬变信号就被无失真地转化为可直接检测的光功率信号。同时，由图6也可以看到，宽带光源输出光谱中的线性斜边越长也即对应的波长范围越宽，能够获得的测量范围也越大；斜边的斜率影响着光栅解调的分辨率。

综上所述，本发明所述的光纤光栅高速大动态范围解调系统和解调方法非常适于爆炸冲击波压力等瞬态相对变化量的测量。

本发明未详述部分为现有技术。

Claims (6)

1.一种高速大动态范围光纤光栅解调系统，包括宽带光源(1)、三端口光纤环行器(2)、分光比50:50的光纤耦合器(3)、第一窄带滤波器(4)、第二窄带滤波器(6)、第一光电探测器(5)、第二光电探测器(7)和数据采集处理单元(8)，其特征是：所述的宽带光源(1)与三端口光纤环行器(2)第一端口(21)连接，三端口光纤环行器(2)的第二端口(22)用于连接光纤光栅传感器，三端口光纤环行器(2)的第三端口(23)连接光纤耦合器(3)的第一端口(31)，光纤耦合器(3)的第二端口(32)通过第一窄带滤波器(4)与第一光电探测器(5)的输入端连接，光纤耦合器(3)的第三端口(33)通过第二窄带滤波器(6)与第二光电探测器(7)的输入端连接，第一光电探测器(5)输出端、第二光电探测器(7)输出端分别与数据采集处理单元(8)连接；

所述的宽带光源(1)其输出光谱形状为具有线性长斜边的高斯型，光谱具有单峰性，线性长斜边分布于输出光谱的最大峰值波长两侧，分为短波长段线性区和长波长段线性区；

所述的第一窄带滤波器(4)其中心波长位于所述的宽带光源(1)的短波长段线性区中间位置，所述的第二窄带滤波器(6)其中心波长位于所述的宽带光源(1)的长波长段线性区中间位置，第一窄带滤波器(4)、第二窄带滤波器(6)的滤波带宽不重叠且均大于等于所在的宽带光源(1)的线性斜边区域长度。

2.根据权利要求1所述的一种高速大动态范围光纤光栅解调系统，其特征是：所述的宽带光源(1)的线性斜边区域长度不小于10nm。

3.根据权利要求1所述的一种高速大动态范围光纤光栅解调系统，其特征是：所述的第一窄带滤波器(4)和第二窄带滤波器(6)均为光纤波分复用器。

4.根据权利要求1所述的一种高速大动态范围光纤光栅解调系统，其特征是：所述的第一光电探测器(5)和第二光电探测器(7)的带宽均大于200kHz。

5.根据权利要求1所述的一种高速大动态范围光纤光栅解调系统，其特征是：所述的数据采集处理单元(8)其采样通道数大于等于2，且多通道同时采样率大于等于1MHz。

6.一种使用如权利要求1～5任一 权利要求所述的高速大动态范围光纤光栅解调系统进行光纤光栅解调的方法，包括以下步骤：

第一步、选取初始中心波长分别为λ₁、λ₂的两个光纤光栅传感器，依次串接至所述的三端口光纤环形器(2)的第二端口；λ₁位于宽带光源(1)的短波长段线性区，λ₂位于宽带光源(1)的长波长段线性区；

第二步、宽带光源(1)发出的光波经所述的三端口光纤环行器(2)注入两个光纤光栅传感器，当光纤光栅传感器测量外部信号时，外部信号使光纤光栅传感器的中心波长发生变化，从两个光纤光栅传感器反射的光波再次经三端口光纤环形器(2)后，经由50:50的光纤耦合器(3)一分为二，这两束光波分别注入第一窄带滤波器(4)和第二窄带滤波器(6)，中心波长为λ₁的信号光通过第一窄带滤波器(4)和第一光电探测器(5)，中心波长为λ₂的信号光通过第二窄带滤波器(6)和第二光电探测器(7)，完成两光纤光栅反射信号的分离，这两束光波经光电转换为电压信号后分别送入数据采集处理单元(8)进行信号的采集、处理、存储和显示；

第三步，对于每一个光纤光栅传感器，记录其测量过程中整个解调系统采集到的随时间变化的电压信号为V_(t)，初始时刻光栅信号对应的电压值为V₀，定义D＝log₁₀(V_(t)/V₀)作为有效信号来标定传感器并进行传感信号解调，光纤光栅传感器灵敏度以dB来表示。

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