CN113932838B - 一种高精度光纤光栅解调仪及其解调方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高精度光纤光栅解调仪及其解调方法，一种高精度光纤光栅解调仪包括可调激光器，一分四光分路器，一分二耦合器，光纤光栅，标准具，HCN气体室，第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器及第四光电探测器；所述可调激光器连接所述一分四光分路器，所述一分四光分路器分别连接所述一分二耦合器、标准具、HCN气体室及第一光电探测器，所述一分二耦合器连接所述光纤光栅，所述标准具连接所述第二光电探测器，HCN气体室连接第三光电探测器；所述第四光电探测器连接所述一分二耦合器。本发明的高精度光纤光栅解调仪可直接用于温度变化大的环境中，使用本解调仪可以更简单直接，数据也更加精确。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，尤其涉及光纤光栅的应用。
背景技术
近年来基于光纤光栅温度、压力、沉降等传感测量系统在航空航天、石油勘探、能源电力、桥梁隧道等工程领域应用非常广泛，人们对上述物理量的监测技术的研究成为热点。光纤光栅测量技术可以实现远距离的实时测量和监控，特别是在强电磁干扰场合或者防爆场合优势尤为明显。
光纤光栅传感器是以波长编码的方式进行信号传感，其信号解调技术正是将传感信号从波长编码中解调出来，转换为电信号以进行计算和显示的技术，它是各种光纤光栅传感系统中关键的部分。传统测量波长变化量的方法是直接采用光谱仪、单色仪和多波长计等设备，但这些仪器价格高、体积大、测量速度慢，只适用于在实验室做研究用，难以成为现场应用的传感系统。为此人们相继提出许多适合工程应用的解调方法。基于扫描光源的解调方案是目前常见的解调方法之一。
目前市面上常见的扫描光源是基于半导体激光器，通过调节注入半导体激光器内的电流可以调节激光器输出的波长和功率，通过检测激光器输出反馈信号可以判断输出光信号的相关参数。但是激光器长时间工作，外界因素比如干扰、温度等会对半导体激光器输出的波长产生漂移，进而导致解调参数不准确。
当前光纤光栅解调技术可分为如下三种：
可调谐滤波器法：
光源采用宽带平坦光源，输出光经过FP可调谐滤波器，FP腔一个镜面固定，另一个镜面在压电陶瓷的驱动下移动改变FP腔长得到不同波长的单色光。分析不同波长下FBG反射光强度可以得到FBG的反射光谱。，
扫描DFB激光器法：分布式反馈(DFB)激光器内置布拉格光栅，靠光栅的反馈实现纵模选择，其单色性和稳定性优于一般的FP腔激光器。这种结构还能够在更宽的工作温度和工作电流范围内抑制模式跳变，实现动态单模，它的线宽很窄，具有非常高的边模抑制比。
DFB激光器的单纵模窄线宽输出以及电流可调谐的特点使得其可以作为光纤光栅解调的扫描光源。扫描DFB激光器输出的窄带光经耦合器进入传感光纤光栅(FBG)，DFB激光器输出波长通过电流或者温度进行调谐，以扫描传感光纤光栅的反射谱。当激光器的输出光谱发生改变时，探测器的接收光强变化反映了激光器的输出光谱及传感光纤光栅的反射谱的匹配状态。理论上，当激光器与传感光纤光栅的中心波长完全匹配时，探测器接收到的光功率达到极大值。所以，可根据反射光最强时窄带光源的输出波长等效得到相应的光纤光栅的反射波长。
红外CCD光谱解调法：采用衍射光栅和CCD检测光纤光栅反射波长，采用透射式相位光栅(VPG)将注入光衍射，采用CCD探测器阵列进行探测。由于不同波长的光在经过VPG之后的偏折角度不同，将引起不同位置的探测器单元响应。此方法的基本思路是把光波的频率分布转变为可测量的空间分布，进行光谱分析。
当前三种光纤光栅解调技术存在如下缺陷：
可调谐滤波器法：可调滤波器压电陶瓷迟滞效应明显，出射光波长不稳定，，对恶劣环境的适应能力不强；
扫描DFB激光器法：受温度变化影响大，测量范围小，速度慢，仅适用于小容量的光纤光栅解调系统；
红外CCD光谱解调法：工艺复杂，成本高，不易进行通道扩展。
发明内容
为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种高精度光纤光栅解调仪，包括可调激光器，一分四光分路器，一分二耦合器，光纤光栅，标准具，H13C14N气体室，第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器及第四光电探测器；所述标准具由两块平行的高反射率平面构成，透射率T与波长λ的关系为
其中R为标准具中两块平板的光反射率，n为平板间隙内介质的折射率，d为两块平板的间距，λ为光波长；
所述可调激光器连接所述一分四光分路器，所述一分四光分路器分别连接所述一分二耦合器、标准具、H13C14N气体室及第一光电探测器，所述一分二耦合器连接所述光纤光栅，所述标准具连接所述第二光电探测器，H13C14N气体室连接第三光电探测器；所述第四光电探测器连接所述一分二耦合器。
一种上述所述的高精度光纤光栅解调仪的解调方法，包括如下步骤：
步骤1、所述可调激光器出射不同波长的光，同时记录不同波长下第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器的光强测量值，分别记为其中P表示光强，wl表示对应波长，i表示序列号；
步骤2、将第二光电探测器的值除以第一光电探测器的值得到标准具的透射曲线的离散序列(Ti，wli)，其中
步骤3、将离散序列(Ti，wli)分段，保证在每一个分段上Ti与wli的函数关系为单调；
步骤4、在某一单调区间上根据透射率与波长测量值序列(Ti，wli)拟合得到透射率与波长的曲线λ11(T)；
步骤5、计算气体室在不同波长下的透射强度(TCelli，wli)，其中在步骤4中所述单调区间上找到气体室的一个透射极小值点(TCelli_min，wli_min)，由气体室的标准透射谱线在所述单调区间上查表得到透射极小值点对应的绝对波长wlabs1；
步骤6、计算校准值Δc＝wli_min-wlabs1，对拟合得到的曲线λ11(T)进行线性校准。
作为本发明的进一步改进，还包括步骤7：如光栅的反射谱在所述单调区间内，光栅反射谱的波长与反射强度序列表示为其中反射强度对/>序列进行高斯、二项式拟合等算法计算出反射谱的中心波长。
作为本发明的进一步改进，步骤5中，如果气体室的标准透射谱线在所述单调区间上没有透射极小值点，则步骤6中的校准值Δc直接使用距离所述单调区间最近的区间校准值。
作为本发明的进一步改进，步骤6中，校准之后的拟合曲线为
本发明的有益效果是：
本发明提出的对波长校准机制的新颖思路；本发明的高精度光纤光栅解调仪可直接用于上述工作环境中，使用本解调仪可以更简单直接，数据也更加精确。
本发明较低的制作成本，广泛适用于高精度光纤光栅传感系统的各种工程应用。
本发明采用多种波长参考机制，实现激光器输出波长的精确校准，有效地消除了扫描光源的本身漂移，以达到在实际工程应用中精确解调光纤光栅传感器探测到的物理量信号，能够在复杂环境下正常稳定工作。
附图说明
图1是本发明一种高精度光纤光栅解调仪结构示意图；
图2是本发明波长与透射率曲线结构示意图；
图3是本发明H13C14N气体室6的透射谱线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
一种高精度光纤光栅解调仪，解调仪结构如图1所示，包括如下部件：
可调激光器1，一分四光分路器2，一分二耦合器3，光纤光栅4，标准具5，H13C14N气体室6，第一光电探测器7、第二光电探测器8、第三光电探测器9、第四光电探测器10。
标准具5由两块平行的高反射率平面构成，根据干涉原理，透射率T与波长λ的关系可以表示为
其中R为标准具中两块平板的光反射率，n为平板间隙内介质的折射率，d为两块平板的间距，λ为光波长，其函数图形如图2中的曲线15。标准具平板间距d随温度变化而变化，其波长与透射率曲线也会产生较大偏移，偏移情况举例如图2中曲线15与曲线16所示。说明，温度变化，则两块平板的间距d变化，曲线发生移动，根据实际情况，可能是左移，可能是右移，图2的左侧的图形仅仅是示例。
光透射过H13C14N气体时，特定波长的光会被吸收，H13C14N气体的光吸收谱线不受温度影响，气体室可以作为绝对波长参考，H13C14N气体室6的透射谱线如图3所示。
整个解调过程如下：
1、可调激光器出射不同波长的光，同时记录不同波长下第一光电探测器7、第二光电探测器8、第三光电探测器9、第四光电探测器10的光强测量值，分别记为其中P表示光强，wl表示对应波长，i表示序列号；
2、将第二光电探测器8的值除以第一光电探测器7的值得到标准具的透射曲线的离散序列(Ti，wli)，其中
3、将离散序列(Ti，wli)分段，保证在每一个分段上Ti与wli的函数关系为单调，如图2左侧图的波长区间11与区间12所示；
4、以图2中的区间11为例，在该区间上根据透射率与波长测量值序列(Ti，wli)拟合得到透射率与波长的曲线λ11(T)；
5、计算气体室6在不同波长下的透射强度(TCelli，wli)，其中在波长区间11内找到气体室的一个透射极小值点(TCelli_min，wli_min)，如图2中13所示为气体室在区间11内的透射曲线。由气体室的标准透射谱线可以在波长区间11中查表得到透射极小值点对应的绝对波长wlabs1，如图3中的18所示。如气体室的标准透射谱线在区间11内没有透射极小值点，则步骤6中的校准值Δc直接使用距离区间11最近的区间校准值；
6、计算校准值Δc＝wli_min-wlabs1，对拟合得到的曲线λ11(T)进行线性校准，则校准之后的拟合曲线为
7、如光栅的反射谱在区间11内，如图2的17所示，光栅反射谱的波长与反射强度序列表示为其中反射强度/> 对/>序列进行高斯、二项式拟合等算法计算出反射谱的中心波长。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种高精度光纤光栅解调仪的解调方法，其特征在于：
包括可调激光器(1)，一分四光分路器(2)，一分二耦合器(3)，光纤光栅(4)，标准具(5)，H13C14N气体室(6)，第一光电探测器(7)、第二光电探测器(8)、第三光电探测器(9)及第四光电探测器(10)；所述标准具(5)由两块平行的高反射率平面构成，透射率T与波长λ的关系为
其中R为标准具中两块平板的光反射率，n为平板间隙内介质的折射率，d为两块平板的间距，λ为光波长；
所述可调激光器(1)连接所述一分四光分路器(2)，所述一分四光分路器(2)分别连接所述一分二耦合器(3)、标准具(5)、H13C14N气体室(6)及第一光电探测器(7)，所述一分二耦合器(3)连接所述光纤光栅(4)，所述标准具(5)连接所述第二光电探测器(8)，H13C14N气体室(6)连接第三光电探测器(9)；所述第四光电探测器(10)连接所述一分二耦合器(3)；包括如下步骤：
步骤1、所述可调激光器(1)出射不同波长的光，同时记录不同波长下第一光电探测器(7)、第二光电探测器(8)、第三光电探测器(9)、第四光电探测器(10)的光强测量值，分别记为其中P表示光强，wl表示对应波长，i表示序列号；
步骤2、将第二光电探测器(8)的值除以第一光电探测器(7)的值得到标准具的透射曲线的离散序列(Ti，wli)，其中
步骤3、将离散序列(Ti，wli)分段，保证在每一个分段上Ti与wli的函数关系为单调；
步骤4、在某一单调区间上根据透射率与波长测量值序列(Ti，wli)拟合得到透射率与波长的曲线λ11(T)；
步骤5、计算气体室(6)在不同波长下的透射强度(TCelli，wli)，其中在步骤4中所述单调区间上找到气体室的一个透射极小值点(TCelli_min，wli_min)，由气体室的标准透射谱线在所述单调区间上查表得到透射极小值点对应的绝对波长wlabs1；
步骤6、计算校准值Δc＝wli_min-wlabs1，对拟合得到的曲线λ11(T)进行线性校准。
2.根据权利要求1所述的高精度光纤光栅解调仪的解调方法，其特征在于：还包括步骤7：如光栅的反射谱在所述单调区间内，光栅反射谱的波长与反射强度序列表示为其中反射强度/>
对/>序列进行高斯或二项式拟合算法计算出反射谱的中心波长。
3.根据权利要求1或2所述的高精度光纤光栅解调仪的解调方法，其特征在于：步骤5中，如果气体室的标准透射谱线在所述单调区间上没有透射极小值点，则步骤6中的校准值Δc直接使用距离所述单调区间最近的区间校准值。
4.根据权利要求1或2所述的高精度光纤光栅解调仪的解调方法，其特征在于：步骤6中，校准之后的拟合曲线为
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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