CN111982168A - 一种高精度的光纤光栅信号解调系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光纤光栅信号解调领域，具体涉及一种高精度的光纤光栅信号解调系统，包括脉冲驱动源、激光器、环形器、光纤光栅传感器、可调衰减器、单光子探测器、时间数字转换器和信息处理器；光纤光栅信号解调方法包括如下步骤：步骤一：激光器发射不同波长的激光，经过环形器到达光纤光栅传感器，并反射至单光子探测器；步骤二：时间数字转换器测量出到达单光子探测器的单光子计数值；步骤三：信息处理器根据时间数字转换器测量的单光子计数值得出测量信号，根据测量信号可得出两个反射的脉冲光到达单光子探测器的测量信号改变量；步骤四：根据测量信号改变量解调出光纤光栅的反射中心波长的漂移量；解决现有的探测方式中的，无法精准测量光纤光栅传感器物理量的问题。

Description

一种高精度的光纤光栅信号解调系统及其方法
技术领域
本发明涉及光纤光栅信号解调领域，具体是指一种高精度的光纤光栅信号解调系统及其方法。
背景技术
光纤光栅传感技术光纤光栅传感器是应用最广泛的光纤波长调制传感器之一，具有电磁干扰能力、电绝缘性能好、耐腐蚀、灵敏度高、传输容量大等优点，在结构安全测量中有着广泛的应用。传统的光纤光栅波长解调方法是通过扫频的方式解调光纤光栅的波长，需要使用额外的光学器件，如FP干涉仪，但是价格昂贵且不宜便携。目前，利用可调谐激光器实现了双波长光纤光栅的时域解调，不需要增加更多的光学器件，通过两束不同波长的入射激光就可以实现波长的解调，同时可以并联更多的光纤光栅阵列的传感器探测，且这种解调方法结构简单携带便捷，该方法与传统方法相比还有很大的提升空间。然而，探测器的高效接收以及对脉冲信号的准确区分是系统运行的重要影响因素，已有的光电探测器很难实现对光纤光栅传感器物理量的相关测量。
发明内容
基于以上问题，本发明提供了一种高精度的光纤光栅信号解调系统及其方法，解决现有的探测方式中的，无法精准测量光纤光栅传感器物理量的问题。
为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种高精度的光纤光栅信号调解系统，包括脉冲驱动源、激光器、环形器、光纤光栅传感器、可调衰减器、单光子探测器，还包括时间数字转换器和信息处理器；
所述脉冲驱动源用于使激光器输出脉冲光的脉冲宽度在纳秒或皮秒级别；
所述激光器用于产生两个波长相近的窄线宽输出激光；
所述环形器用于引导激光器发射的脉冲光；
所述光纤光栅传感器用于将不同的测量位置的传感器物理量转换为光纤光栅的反射中心波长的漂移；
所述单光子探测器用于接收由光纤光栅传感器反射回来的脉冲光；
所述时间转换器用于对单光子探测器的输出光子进行光子数测量；
所述信息处理器用于将时间数字转换器测量得到的脉冲光的波长探测信号进行处理，从而解调出光纤光栅的反射中心波长变化。
进一步，所述激光器为分布式反馈激光器或染料激光器或可调谐光纤激光器。
进一步，所述环形器为三端口环形器。
进一步，所述光纤光栅传感器为单个高斯型光纤光栅或由多个中心波长相同的高斯型光纤光栅构成的串联结构或由多个中心波长相同的高斯型光纤光栅构成的并联结构或由多个中心波长相同的高斯型光纤光栅构成的串并联结构。
进一步，所述单光子探测器由雪崩二极管或超导波导器件构成。
进一步，所述时间数字转换器采用单片机和/或可编程逻辑器件和/或数字信号处理芯片和/或嵌入式芯片和/或延时取与器件构成。
一种高精度的光纤光栅信号解调方法，采用上述一种高精度的光纤光栅信号调解系统，其光纤光栅信号解调方法包括如下步骤：
步骤一：激光器在脉冲驱动源的调制下，先后发射两个脉冲光，所述脉冲光经过环形器进入光纤光栅传感器，并由光纤光栅传感器反射，反射的脉冲光先后经过环形器和可调衰减器到达单光子探测器；
步骤二：时间数字转换器测量出到达单光子探测器的单光子计数值；
步骤三：信息处理器根据时间数字转换器测量的单光子计数值得出测量信号，根据测量信号可得出两个反射的脉冲光到达单光子探测器的测量信号改变量；
步骤四：根据测量信号改变量解调出光纤光栅的反射中心波长的漂移量，根据解调出的光纤光栅的反射中心波长的漂移量进而精确测量到光纤光栅传感器物理量。
进一步，所述步骤二中，到达单光子探测器(6)的单光子计数值为：
Figure BDA0002608054420000021
其中，λ为入射光波长，λB为光纤光栅的反射中心波长，WB为光纤光栅传感器的3dB宽带，k表示系统参数，包含了单光子探测器参数以及光纤光栅传感器参数，其可表示为：
Figure BDA0002608054420000022
其中，p0为脉冲光进入光纤的峰值功率，α为光纤损耗，Rmax为光纤光栅传感器的最大反射率，η为单光子探测器的探测效率，τ为脉冲持续时间，f表示入射脉冲的重复频率，t为测量时间，n为光纤折射率，h为普朗克常量，c为光在真空中的传播速度。
进一步，所述步骤三中，信息处理器根据时间数字转换器测量的光子计数值得出测量信号前，先采用对数的方式将单光子计数值转换为线性表示，转换公式如下：
Figure BDA0002608054420000023
在光纤光栅传感器内反射的两个不同波长的脉冲光，其波长差为Δλ，因此，两个反射的脉冲光的信号数值经信息处理器处理后，得到测量信号M，公式如下：
Figure BDA0002608054420000031
其中，λC＝(2λ1+Δλ)/2为射入光纤光栅传感器的两个不同波长脉冲光的中心波长，根据公式(4),可得出测量信号的改变量ΔM。
进一步，所述步骤四中，λB与M变化呈线性关系，因此，光纤光栅的反射中心波长λB在外部作用下解调出的漂移量ΔλB也和测量信号的改变量ΔM呈线性关系，ΔλB可表示为：
Figure BDA0002608054420000032
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该方法相比传统探测方式，采用了单光子探测器对光纤光栅传感器的反射光进行探测，利用激光器发射两个不同波长的脉冲光，实现了时域光纤光栅传感器反射中心波长的时域解调，由于单光子探测器具有探测效率高、暗计数低的特点，使得该方法具有较高的解调精度，能够精确测量光纤光栅的传感物理量。
附图说明
图1为发明的系统示意图。
其中，脉冲驱动源1、激光器2、环形器3、光纤光栅传感器4、可调衰减器5、单光子探测器6、时间数字转换器7、信息处理器8。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
如图1所示，一种高精度的光纤光栅信号解调系统，包括脉冲驱动源1、激光器2、环形器3、光纤光栅传感器4、可调衰减器5、单光子探测器6、时间数字转换器7和信息处理器8，其中：
脉冲驱动源1用于使激光器2输出脉冲光的脉冲宽度在纳秒或皮秒级别；
激光器2用于产生两个波长相近的窄线宽输出激光，该激光器2可为分布式反馈激光器和/或染料激光器和/或可调谐光纤激光器，需特别说明的是，激光器2发射的脉冲光的波长位于光纤光栅传感器4阵列的反射光谱范围内；
环形器3为三端口环形器，激光器2输出的脉冲光进入环形器3的第一个端口，环形器3的第二个端口与光纤光栅传感器4相连，光纤光栅传感器4的反射光由环形器3的第三个端口发射至可调衰减器5，需特别说明的是，第一个端口、第二个端口和第三个端口是用于区分三端口环形器3的三个端口，每个端口与激光器2、光纤光栅传感器4和可调衰减器5并无固定对应关系；
光纤光栅传感器4可以是单个高斯型光纤光栅或由多个中心波长相同的高斯型光纤光栅构成的串联结构或由多个中心波长相同的高斯型光纤光栅构成的并联结构或由多个中心波长相同的高斯型光纤光栅构成的串并联结构，用于将不同的测量位置的传感器物理量转换为光纤光栅的反射中心波长的漂移，本发明正是基于对光纤光栅的反射中心波长的漂移量的解调从而精确测量出光纤光栅传感器4的物理量；
单光子探测器6由雪崩二极管或超导波导器件构成；
时间数字转换器7采用单片机和/或可编程逻辑器件和/或数字信号处理芯片和/或嵌入式芯片和/或延时取与器件构成，时间数字转换器7将单光子探测器6的输出光子进行光子数测量，用于对反射脉冲信号的精确测量。
基于以上系统，一种高精度的光纤光栅信号解调方法，包括如下步骤：
步骤一：激光器2在脉冲驱动源1的调制下，先后发射两个脉冲光，脉冲光进入环形器3的第一个端口，并由第二个端口射出至光纤光栅传感器4，并由光纤光栅传感器4反射，反射的脉冲光从环形器3的第二个端口进入，并由第三个端口射出，经过可调衰减器5到达单光子探测器6；
步骤二：当发生步骤一的操作后，光纤光栅传感器4的物理量会发生变化，光纤光栅的反射中心波长发生漂移，入射到单光子探测器6的微弱反射光功率发生改变，此时，时间数字转换器7测量出到达单光子探测器6的单光子计数值，其中，第i个光纤光栅传感器4的反射脉冲光的单光子计数值为：
Figure BDA0002608054420000041
其中，λ为入射光波长，λB为光纤光栅的反射中心波长，WB为光纤光栅传感器4的3dB宽带，k表示系统参数，包含了单光子探测器6参数以及光纤光栅传感器4参数，其可表示为：
Figure BDA0002608054420000042
其中，p0为脉冲光进入光纤的峰值功率，α为光纤损耗，Rmax为光纤光栅传感器4的最大反射率，η为单光子探测器6的探测效率，τ为脉冲持续时间，f表示入射脉冲的重复频率，t为测量时间，n为光纤折射率，h为普朗克常量，c为光在真空中的传播速度。
步骤三：两个不同波长的脉冲光在光纤光栅传感器4处具有不同的反射率，因此反射的脉冲光的信号大小不用，可以得到不同的单光子计数值，信息处理器8根据时间数字转换器7测量的单光子计数值得出测量信号，由于光纤光栅的反射中心波长λB与测量信号呈线性关系，因此，信息处理器8在计算测量信号前，要先对单光子计数值进行对数处理，并对两个数值进行差分，最终得到测量信号M为：
M＝lnN(λ1,λB)-lnN(λ1+Δλ,ΔλB) (3)
步骤四：当光纤光栅传感器4的物理量发生变化，光纤光栅的反射中心波长λB发生漂移，会导致步骤三中测量信号M的改变，通过单光子探测器6测出测量信号的改变量ΔM，而光纤光栅的反射中心波长λB与测量信号M呈线性关系，因此，根据测量信号的改变量ΔM可以解调出光纤光栅的反射中心波长的漂移量ΔλB，通过解调出的光纤光栅的反射中心波长的漂移量ΔλB就可以精确测量得到光纤光栅传感器4的物理量，光纤光栅的反射中心波长的漂移量ΔλB计算公式为：
Figure BDA0002608054420000051
通过上述步骤一～步骤四，得益于单光子探测器6的高探测效率和低暗计数值的特点，能够精确测出测量信号的改变量ΔM，使得ΔλB具有较高的解调精度，进而精确测量到光纤光栅传感器4的物理量。
如上即为本发明的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高精度的光纤光栅信号调解系统，其特征在于：包括脉冲驱动源(1)、激光器(2)、环形器(3)、光纤光栅传感器(4)、可调衰减器(5)、单光子探测器(6)，时间数字转换器(7)和信息处理器(8)；
所述脉冲驱动源(1)用于使激光器(2)输出脉冲光的脉冲宽度在纳秒或皮秒级别；
所述激光器(2)用于产生两个波长相近的窄线宽输出激光；
所述环形器(3)用于引导激光器(2)发射的脉冲光；
所述光纤光栅传感器(4)用于将不同的测量位置的传感器物理量转换为光纤光栅的反射中心波长的漂移；
所述单光子探测器(6)用于接收由光纤光栅传感器反射回来的脉冲光；
所述时间转换器(7)用于对单光子探测器(6)的输出光子进行光子数测量；
所述信息处理器(8)用于将时间数字转换器(7)测量得到的脉冲光的波长探测信号进行处理，从而解调出光纤光栅的反射中心波长变化。
2.根据权利要求1所述的一种高精度的光纤光栅信号解调系统，其特征在于：所述激光器(2)为分布式反馈激光器或染料激光器或可调谐光纤激光器。
3.根据权利要求2所述的一种高精度的光纤光栅信号解调系统，其特征在于：所述环形器(3)为三端口环形器。
4.根据权利要求3所述的一种高精度的光纤光栅信号解调系统，其特征在于：所述光纤光栅传感器(4)为单个高斯型光纤光栅或由多个中心波长相同的高斯型光纤光栅构成的串联结构或由多个中心波长相同的高斯型光纤光栅构成的并联结构或由多个中心波长相同的高斯型光纤光栅构成的串并联结构。
5.根据权利要求4所述的一种高精度的光纤光栅信号解调系统，其特征在于：所述单光子探测器(6)由雪崩二极管或超导波导器件构成。
6.根据权利要求5所述的一种高精度的光纤光栅信号解调系统，其特征在于：所述时间数字转换器(7)采用单片机和/或可编程逻辑器件和/或数字信号处理芯片和/或嵌入式芯片和/或延时取与器件构成。
7.一种高精度的光纤光栅信号解调方法，采用上述权利要求1～6任一项所述的一种高精度的光纤光栅信号解调系统，其特征在于：光纤光栅信号解调方法包括如下步骤：
步骤一：激光器(2)在脉冲驱动源(1)的调制下，先后发射两个脉冲光，所述脉冲光经过环形器(3)进入光纤光栅传感器(4)，并由光纤光栅传感器(4)反射，反射的脉冲光先后经过环形器(3)和可调衰减器(5)到达单光子探测器(6)；
步骤二：时间数字转换器(7)测量出到达单光子探测器(6)的单光子计数值；
步骤三：信息处理器(8)根据时间数字转换器(7)测量的单光子计数值得出测量信号，根据测量信号可得出两个反射的脉冲光到达单光子探测器(6)的测量信号改变量；
步骤四：根据测量信号改变量解调出光纤光栅的反射中心波长的漂移量，根据解调出的光纤光栅的反射中心波长的漂移量进而精确测量到光纤光栅传感器(4)物理量。
8.根据权利要求7所述的一种高精度的光纤光栅信号解调方法，其特征在于：所述步骤二中，到达单光子探测器(6)的单光子计数值为：
Figure FDA0002608054410000021
其中，λ为入射光波长，λB为光纤光栅的反射中心波长，WB为光纤光栅传感器(4)的3dB宽带，k表示系统参数，包含了单光子探测器(6)参数以及光纤光栅传感器(4)参数，其可表示为：
Figure FDA0002608054410000022
其中，p0为脉冲光进入光纤的峰值功率，α为光纤损耗，Rmax为光纤光栅传感器(4)的最大反射率，η为单光子探测器(6)的探测效率，τ为脉冲持续时间，f表示入射脉冲的重复频率，t为测量时间，n为光纤折射率，h为普朗克常量，c为光在真空中的传播速度。
9.根据权利要求8所述的一种高精度的光纤光栅信号解调方法，其特征在于：所述步骤三中，信息处理器(8)根据时间数字转换器(7)测量的光子计数值得出测量信号前，先采用对数的方式将单光子计数值转换为线性表示，转换公式如下：
Figure FDA0002608054410000023
在光纤光栅传感器(4)内反射的两个不同波长的脉冲光，其波长差为Δλ，因此，两个反射的脉冲光的信号数值经信息处理器(8)处理后，得到测量信号M，公式如下：
Figure FDA0002608054410000024
其中，λC＝(2λ1+Δλ)/2为射入光纤光栅传感器(4)的两个不同波长脉冲光的中心波长，根据公式(4)可得出测量信号的改变量ΔM。
10.根据权利要求9所述的一种高精度的光纤光栅信号解调方法，其特征在于：所述步骤四中，λB与M变化呈线性关系，因此，光纤光栅的反射中心波长λB在外部作用下解调出的漂移量ΔλB也和测量信号的改变量ΔM呈线性关系，ΔλB可表示为：
Figure FDA0002608054410000031
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