CN114414089A

CN114414089A - 一种同时提高光纤光栅解调速度和量程的装置与方法

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Publication number: CN114414089A
Application number: CN202210315021.7A
Authority: CN
Inventors: 刘凤云
Original assignee: Wuhan Qitest Technology Co ltd
Current assignee: Wuhan Qitest Technology Co ltd
Priority date: 2022-03-29
Filing date: 2022-03-29
Publication date: 2022-04-29
Anticipated expiration: 2042-03-29
Also published as: CN114414089B

Abstract

一种同时提高光纤光栅解调速度和量程的装置及方法，包括扫频激光器、光纤耦合器、光纤环形器、FBG、光电探测器、HCN气体吸收腔、波长同步触发单元、数据采集卡以及计算机。本发明提出的装置可实现扫频激光器极短扫频范围内，实现FBG的高速、大量程解调。本发明提出的方法打破了传统FBG解调反射峰漂移的限制，只需要通过FBG的某段反射谱即可达到传统FBG解调的效果。本发明还提出了波长同步触发单元，可以利用数据采集卡采集波长校准后的FBG光谱，保证了FBG解调的波长重复性。本发明将解调速度、测量范围、重复精度三种FBG解调中关键的参数均得到提升，同时在成本控制上亦有明显改善，本发明适合温度、高速应变、冲击碰撞测量领域。

Description

一种同时提高光纤光栅解调速度和量程的装置与方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种同时提高光纤光栅解调速度和量程的装置与方法。

背景技术

光纤光栅传感解调技术中基于可调谐激光光源的FBG（Fiber Bragg Grating，光纤布拉格光栅）解调由于其独特的技术优势，发展迅速。基于可调谐激光光源的FBG解调原理是由于扫频激光可以扫描到FBG的反射光谱峰，当外界温度或应变作用在FBG上时，反射光谱会发生漂移，只需要找出峰值的漂移量即可得到被测物的温度或应变。

此类FBG光纤光栅解调技术的解调速度主要取决于激光器的扫描重频（即扫描重复频率），通常情况下，激光器完成一次扫描便得到一组FBG光谱数据，即得到一组温度应变数据。因此，需要提高该原理的FBG解调速度，需要提高可调谐激光器的扫描重频。在激光器的扫频速度固定的前提下，扫频重频很大程度上取决于激光器的扫频范围。此类技术的FBG传感的传感量程取决于扫频范围，通常情况下，1nm波长频移等效于800微应变。

要满足解调速度快，扫描范围必须小；要得到大测量量程，扫描范围必须大；两者是矛盾的，并且具有大扫描范围的扫频激光器的成本会显著上升。因此，迫切需要一种同时提高光纤光栅解调速度和量程的装置与方法。

发明内容

针对现有技术中光纤解调是量程与速度相矛盾的缺陷以及具有大扫描范围的扫频激光器的成本会显著上升的技术问题，本发明提供了一种同时提高光纤光栅解调速度和量程的装置与方法。

根据本发明的其中一方面，本发明为解决其技术问题，提供了一种同时提高光纤光栅解调速度和量程的装置，包括扫频激光器、光纤耦合器、光纤环形器、FBG、光电探测器、HCN气体吸收腔、波长同步触发单元、数据采集卡以及计算机；

扫频激光器用于发出波长变化的扫频激光；

光纤耦合器的输入端用于进入所述扫频激光，光纤耦合器用于将所述扫频激光分为两路，一路为测量路，另一路辅助测量路；

光纤环形器包括a、b、c三个连接端，光纤环形器的a连接端连接光纤耦合器的一个输出端，以使得测量路的扫频激光进入所述光纤环形器；

FBG连接光纤环形器的b连接端连接，以使得进入所述光纤环形器的测量路的扫频激光进入FBG，FBG用于反射激光；

HCN气体吸收腔的输入端连接光纤耦合器的另一输出端，以使得辅助测量路的扫频激光进入所述光纤环形器；

波长同步触发单元的输入端连接HCN气体吸收腔的输出端，波长同步触发单元的输出端连接所述数据采集卡，用于根据HCN气体吸收腔的输出的气体吸收谱线的特征吸收线对应的产生脉冲信号；

光电探测器的输入端连接光纤环形器的c连接端，用于将由FBG反射至光纤环形器的反射光转换为电信号，光电探测器的输出端连接数据采集卡；

数据采集卡用于以所述脉冲信号的上升沿或者下降沿为开始，对所述电信号开始采集，并传输至所述计算机进行解调。

在本发明的同时提高光纤光栅解调速度和量程的装置中，还包括光纤隔离器，光纤隔离器连接在扫频激光器的输出端和光纤耦合器的输入端之间，以防止激光反射至扫频激光器。

根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种同时提高光纤光栅解调速度和量程的方法，用于上述任一项所述的同时提高光纤光栅解调速度和量程的装置中，包含如下步骤：

第一步,扫频激光器对待测FBG用宽带光源进行全反射光谱扫描，数据采集卡采集得到FBG全反射光谱；

第二步，在初始状态下，利用扫频激光器对FBG进行从λ1到λ2之间扫描，λ1<λ3<λ2，其中λ1到λ2为预设的扫描波长，λ3为任意一个特征吸收线对应的波长；

第三步，数据采集卡在波长为λ3的特征吸收线对应的产生脉冲信号的上升沿或下降沿开始对光电探测器进行数据采集，得到FBG窄带反射谱；

第四步，计算机对采集到的该FBG窄带反射谱，与FBG全反射谱进行滤波、去噪、滑动平均数据处理；

第五步、计算机对处理的FBG窄带反射光谱在λ3到λ2之间进行积分求和，并通过与处理后的FBG全反射谱进行单调性判别；

第六步、在待测状态进行第二步至第五步，根据两次积分求和得到波长频移量，进而根据单调性判别结果得到温度或应变变化量。

在本发明的同时提高光纤光栅解调速度和量程的方法中，λ1到λ2之间存在的特征吸收线为一个或者多个。

有益效果

与现有技术相比本发明所具有的有益效果为：本发明一种同时提高光纤光栅解调速度和量程的装置与方法，本发明提出的装置可实现扫频激光器极短扫频范围内，实现FBG的高速、大量程解调。本发明提出的方法打破了传统FBG解调反射峰漂移的限制，只需要通过FBG的某段反射谱即可达到传统FBG解调的效果。本发明还提出了波长同步触发单元，可以利用数据采集卡采集波长校准后的FBG光谱，保证了FBG解调的波长重复性。本发明将解调速度、测量范围、重复精度三种FBG解调中关键的参数均得到提升，同时在成本控制上亦有明显改善，本发明适合温度、高速应变、冲击碰撞测量领域。

附图说明

图1为本发明的同时提高光纤光栅解调速度和量程的装置示意图；

图2为本发明波长同步校准示意图；

图3 传统FBG光谱峰解调示意图；

图4为本发明全光谱示意图和窄带光谱扫描示意图。

图1中为1为扫频激光器、2为光纤隔离器、3为光纤耦合器、4为FBG、5光纤分束器、6光电探测器、7为HCN气体吸收腔、8为波长同步触发单元、9数据采集卡、10为计算机。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明，但下述实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。

下面结合附图描述本发明的具体实施例。

参考图1，本实施例的同时提高光纤光栅解调速度和量程的装置，包括扫频激光器1、光纤隔离器2、光纤耦合器3、光纤环形器4、FBG5、光电探测器6、HCN气体吸收腔7、波长同步触发单元8、数据采集卡9以及计算机10；

扫频激光器1用于发出波长变化的扫频激光。

光纤隔离器2连接在扫频激光器1的输出端和光纤耦合器3的输入端之间，以防止激光反射至扫频激光器1。

光纤耦合器3的输入端用于进入所述扫频激光，光纤耦合器3用于将所述扫频激光分为两路，一路为测量路，另一路辅助测量路。

光纤环形器4包括a、b、c三个连接端，光纤环形器4的a连接端连接光纤耦合器3的一个输出端，以使得测量路的扫频激光进入所述光纤环形器4。

FBG5连接光纤环形器4的b连接端连接，以使得进入所述光纤环形器4的测量路的扫频激光进入FBG5，FBG5用于反射激光；

HCN气体吸收腔7的输入端连接光纤耦合器3的另一输出端，以使得辅助测量路的扫频激光进入所述光纤环形器4。

波长同步触发单元8的输入端连接HCN气体吸收腔7的输出端，波长同步触发单元8的输出端连接所述数据采集卡9，用于根据HCN气体吸收腔的输出的气体吸收谱线的特征吸收线对应的产生脉冲信号。

光电探测器6的输入端连接光纤环形器4的c连接端，用于将由FBG5反射至光纤环形器4的反射光转换为电信号，光电探测器6的输出端连接数据采集卡9。

数据采集卡9用于以所述脉冲信号的上升沿或者下降沿为开始，对所述电信号开始采集，并传输至所述计算机10进行解调。

扫频激光器1发出的扫频激光经过光纤隔离器2后，进入光纤耦合器3，在光纤耦合器3分为为两路，一路为测量路，另一路辅助测量路。测量路的扫频激光进入光环形器4后进入FBG5，FBG5将特定波长的激光反射谱反射并沿路返回到光纤环形器4，反射回来的光一方面进入光电探测器6转化成电信号，并可以被数据采集卡9采集，另一方面返回至光纤耦合器3，并反射至光纤隔离器2，光纤隔离器2可以防止反射回去的激光对扫频激光器1造成影响甚至损坏。

在波长计量、校准、标定领域，C波段光谱通常采用HCN气体吸收腔，作为气体校准，

因为该充满HCN的腔体，只会吸收特定波长的光谱，导致整个扫频光谱呈现“梳状”，即在多个吸收线上，光功率较弱，在光谱上每个光功率较弱的位置称为特征吸收线。由于该吸收线是由内部分子振动决定，不受温度影响，是绝对波，所有可用于波长的精准标定，本发明采用该气体的某个吸收线作为波长标定，具体可参考图2中的上半部分。

由于特征吸收线深浅规则不一，因此对该气体吸收曲线进行校正，通过波长同步触发单元对其进行方法滤波整形，得到脉冲电压信号，用于数据采集卡9进行同步触发，开始对光电探测器6的电信号进行采集。如图2的下半部分所示，可以选择下降沿触发或者上升沿触发，此单元为保证本发明测量重复精度的保证。

数据采集卡9进行数据采集，通常可分为软件触发和硬件触发。软件触发指的是，给定设定的延时，当数据采集卡9收到采集指令时，经过设定的延时后，开始采集数据；硬件触发指的是，当采集卡收到外界触发信号（高低电压或者脉冲的上升或沿下降沿）后开始采集。本发明采用波长同步触发，具体是指将该特征吸收线做一定电路处理，让数据采集卡受到特定波长下带来的脉冲信号的电压下降沿或者上升沿后，才开始采集光电探测器6的电信号。本发明不再需要把HCN气体吸收谱线直接采集到采集卡，再进行分析波长波对，本发明的从特征吸收线对应波长处开始截取，能优化内存，减少运算提升速度，从该位置处截取，即可得到以该波长为起始波长的测量信号。

在经过波长同步触发采集的校准下，数据采集卡9将FBG5的反射谱采集并传输到计算机10，在计算中10中运算处理，得到光谱漂移量，进而得到温度应变变化量。

本发明还首次提出了窄带扫频方法，只需要利用扫频激光器扫描FBG的某个细小光谱带即可实现温度应变解调。如图3所示，常规手段的FBG解调，均采用寻找光纤光栅反射峰最大值所对应的波长位置，来实现FBG光纤光栅波长解调的。因此必须利用扫频光源或宽谱光源扫描整个FBG的反射光谱，才可实现该解传统手段调。如图4所示，本发明提出的窄带扫频方法中，扫频激光器1只需要在扫描λ1到λ2之间扫描即可。在初始状态下，FBG的全反射光谱是一个大波长范围的反射响应谱。扫频激光器1从λ1到λ2扫描过程中探测到该波段下的功率响应。当外界温度应变作用在该FBG上，该FBG5的光谱会整体发生漂移，而扫频激光器1依旧从λ1到λ2扫描，此时光电探测器6探测到的该FBG5该波段下的功率响应会发生变化。本发明只需要通过对该数据分析找出特征即可映射到该FBG5的光谱漂移，进而得到温度应变解调。

本发明的一种同时提高光纤光栅解调速度和量程的方法，用于上述的同时提高光纤光栅解调速度和量程的装置中，包含如下步骤：

第一步,扫频激光器1对待测FBG5用宽带光源进行全反射光谱扫描，数据采集卡9采集得到FBG全反射光谱。在此步骤中，由于需要得到FBG全反射光谱，因此数据采集卡9在对光电探测器6进行数据采集时，不论波长同步触发单元8输出的为何种触发信号，数据采集卡9均为采集状态，不受上述的上升沿和下降沿影响。

第二步，在初始状态下，利用扫频激光器1对FBG5进行从λ1到λ2之间扫描，λ1<λ3<λ2，其中λ1到λ2为预设的扫描波长，λ3为任意一个特征吸收线对应的波长。由于后续再进行窄带反射谱采集时，数据采集卡9只在波长同步触发的条件下，即在收到脉冲信号的上升沿或者下降沿后，才开始对光电探测器6进行数据采集时，因此在λ1到λ2需要存在1个或者多个特征吸收线，来触发数据采集卡9进行采集。

第三步，数据采集卡9在波长为λ3的特征吸收线对应的产生脉冲信号的上升沿或下降沿开始对光电探测器6进行数据采集，得到FBG窄带反射谱。

第四步，计算机10对采集到的该FBG窄带反射谱，与FBG全反射谱进行滤波、去噪、滑动平均数据处理。需要指出的是，本发明采集到的FBG窄带反射光谱和FBG全反射光谱，均含有底噪，本发明得到波长漂移是依赖于功率变化，因此需要对FBG窄带反射光谱和FBG全反射光谱做滤波、去噪、滑动平均等数据处理，以便提升测量精度。

第五步、计算机对处理的FBG窄带反射光谱在λ3到λ2之间进行积分求和，并对其进行单调性判别。本发明中的功率反射谱进行积分求和是指，如图4中所示，将λ3到λ2之间的功率（纵坐标值）加起来。

第六步、在待测状态进行第二步至第五步，根据两次积分求和得到波长频移量，进而根据单调性判别结果得到温度或应变变化量。通过两次积分求和的结果进行差值计算，得到波长频移量，波长频移量对应的是温度或应变变化量，因此在已知初始状态时的温度或者应变大小前提下，可以得到待测状态下的温度或者应变。

同时，由于在光谱漂移过程中，FBG窄带反射谱可能会漂移到另一个旁瓣。如图4所示，此时FBG窄带反射谱在FBG全反射光谱的左边，当应变或温度作用在FBG上时，由于扫频激光器固定扫频范围，因此FBG窄带反射谱波长位置固定不变，只是功率积分大小改变。但是，该FBG窄带反射谱在FBG全反射光谱的相对波长位置发生了改变。如图4可以看出，此示意图中，受到应变或者温度作用后的FBG窄带反射谱依旧在FBG全反射光谱的左旁瓣。通过功率积分得到数值变化，（图4示意图中，积分功率在变小）即可推算得到FBG全反射光谱在朝右移动。

如图4所示，假设应变或温度作用在FBG上是反向的（负应变、降温），则可推算得到FBG全反射光谱在朝左移动，FBG窄带反射谱在FBG全反射光谱的相对位置会逐渐覆盖FBG全反射光谱的中间最高峰，甚至跨过该峰，漂移到FBG全反射光谱的右旁瓣。

由于FBG全反射光谱几乎左右对称，而FBG窄带反射谱的积分功率大小会出现左旁瓣和右旁瓣数值相同的情况。这样便无法区分，到底漂移了多少波长量。

因此，需要对采集到的FBG窄带反射谱的各个离散功率点进行单调性判别，从左到右逐渐上升为左边，从左到右在逐渐下降为右边，先上后下为覆盖中间最高峰。

根据本发明第一步中采集到FBG全反射光谱的所有功率谱线，再结合FBG窄带反射谱的积分功率大小，即可推算出FBG窄带反射谱在FBG全反射光谱中的相对波长位置（但是无法明确知道是左旁瓣还是右旁瓣）。进一步的，对FBG窄带反射谱离散功率点进行单调性判别即可知道，该FBG窄带反射谱在FBG全反射光谱的左旁瓣还是右旁瓣。

两种算法相结合，即可锁定，温度或者应变作用在FBG上，该FBG窄带反射谱在FBG全反射光谱中的相对精准波长漂移，即可得到精确的温度、应变漂移量。

本发明首次提出窄带扫频方法，只需要扫描很窄的波段即可实现温度应变的大量程解调，并且解调速度得到明显提升；同时，本发明还采用波长同步触发方式，使得窄带扫频FBG反射波长重复性得到有效保证。总之，本发明提出一种同时提高光纤光栅解调速度和量程的装置与方法，成本便宜，光栅解调速度精度量程均可显著提升。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种同时提高光纤光栅解调速度和量程的装置，其特征在于，包括扫频激光器、光纤耦合器、光纤环形器、FBG、光电探测器、HCN气体吸收腔、波长同步触发单元、数据采集卡以及计算机；

扫频激光器用于发出波长变化的扫频激光；

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括光纤隔离器，光纤隔离器连接在扫频激光器的输出端和光纤耦合器的输入端之间，以防止激光反射至扫频激光器。

3.一种同时提高光纤光栅解调速度和量程的方法，用于如权利要求1-2任一项所述的同时提高光纤光栅解调速度和量程的装置中，其特征在于，包含如下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种同时提高光纤光栅解调速度和量程的方法，其特征在于，λ1到λ2之间存在的特征吸收线为一个或者多个。