CN1186592C - 光纤传感器的通用、高速波导波长扫描解调方法及装置 - Google Patents

Abstract

光纤传感器的通用、高速波导波长扫描解调方法及装置，其核心是通过给一个可调谐波导滤波器加上周期性扫描的电压信号，导致反射波长的周期性变化，实现对光谱的扫描。该可调谐波导滤波器初始反射波长、带宽、反射率等参数根据所述解调装置的光源波长、解调精度要求进行设计，其滤波波长扫描范围、扫描频率等参数通过改变调制器的驱动电信号的幅值和频率进行控制。装置由光源、光纤光路、可调谐波导滤波器和具有智能识别功能的探测及信号处理器构成，该可调谐滤波器是由集成在一片电光晶体上的单模光波导、布拉格光栅、调制器构成。本方法及装置能够弥补现有技术的不足，具有高速、长寿命、高可靠性、高精度、高通用性等优点。

Description

光纤传感器的通用、高速波导波长扫描解调方法及装置

                      技术领域

本发明属于光纤传感领域与民用基础设施状态监测领域的交叉领域，具体涉及一种光纤传感器的通用、高速波导波长扫描解调方法及装置。

                      技术背景

与其他传感器相比，光纤传感器具有体积小、重量轻、柔韧性好，耐腐蚀、防水、抗电磁干扰，且易于与通讯网互联等优点，是一种先进的传感器。近年来以光纤法珀传感器、光纤光栅传感器为代表的光纤传感器在桥梁、大坝、电站、公路、隧道等大型民用的状态(应变、温度、振动等)监测中得到应用和推广。特别是在基础设施的长期在线状态监测中，光纤传感逐渐开始扮演重要角色，大有取代传统的传感器的趋势。考虑到解调的精度及其稳定性，目前通常用“光谱法”对光纤传感器进行解调，该方法的核心是获得光纤传感器的输出信号的光谱图，并通过提取其波长分布的特征，得到相应的被测物理量的信息。其中对于光纤法珀传感器，主要采用光谱仪来获得光谱图并解调，而对于光纤光栅传感器则采用基于压电扫描装置可调谐光学滤波器来解调。这些方法分别存在如下问题：

1、采用光谱仪作为光谱获取部件

这种方法的核心为光谱仪，它通常用光学系统(光栅、棱镜等)把光谱分开，并利用CCD或CMOS等阵列探测器采集读出光谱信号；由于原理的限制体，光谱仪的体积通常较大、价格贵、且读出速度慢(通常采样频率在几十Hz左右)。首先价格和体积问题限制其在工程上的推广应用；另外，速度慢的缺点使它只适用于静态或准静态的测量，不能胜任动态测量。

2、采用基于压电扫描可调谐光学滤波器

这种解调方法的核心是一个压电陶瓷驱动可调谐的光纤法珀滤波器。给压电陶瓷加上周期性扫描的电压信号后，压电陶瓷产生周期性的机械变型，导致光纤法珀滤波器虑出的波长产生周期性的变化，实现对光谱的扫描。采用这种解调方法，的缺点为：1)扫描是一种机械运动，其速度受压电陶瓷元件自身响应频率的限制，只能测量几百赫兹的信号，不能测量更高频率的信号(1KHz以上)；2)压电元件具有的迟滞、漂移、线性不好等缺点，也大大影响了这种解调方法的测量精度、线性度和测量重复性；3)工作中，可调谐滤波器实际上是在压电元件驱动下的一种机械运动，压电元件与滤波器之间的粘接容易疲劳破坏，影响仪器的使用寿命；4)为了获得高分辨力，光纤法珀滤波器的光纤端面需要镀高反膜，这种工艺难度大，重复性差。

3、不具备通用性

解调光纤光栅和光纤法珀两种传感器需要的光谱分辨力、光谱范围、采样频率都有所不同。受硬件限制，上述两种解调方法无法根据传感器的特点进行自动适应，因而通用性差。对于既需要高精度光纤法珀传感器又需要高速的光纤光栅传感器的测量场合则需要用两套测量仪系统，增加了系统的复杂性，提高了测量的成本。

                        发明内容

本发明的目的正是为了避免上述已有技术的不足而设计的一种光纤传感器的通用、高速波导波长扫描解调方法及装置。

本发明的目的是采用下述方案来实现的：

光纤传感器的通用、高速波导波长扫描解调方法的核心是一个可调谐波导滤波器。其基本步骤如下：首先，光源发光经过光纤光路入射到传感器上，传感器的反射信号再次经过光纤光路入射到该可调谐滤波器上；然后给该可调谐波导滤波器加上周期性扫描的电压信号，导致反射波长的周期性变化，实现对光谱的扫描；该可调谐滤波器的反射光又一次经过光纤光路进入探测及信号处理器，光信号被转换成电信号，进行处理后恢复成光谱图；最后用数字信号处理器对光谱图进行分析，获得被测物理量的值，实现对光纤传感器解调。通过改变加在可调谐波导滤波器上电压信号的幅值和频率，就可以控制可调谐波导滤波器的扫描范围和采样频率，以自动适应光纤法珀传感器、光纤光栅传感器等光纤传感器的解调要求，实现对用光谱法解调的光纤传感器的通用解调。

上述方法中，可调谐波导滤波器初始反射波长、带宽、反射率等参数根据所述解调装置的光源波长、解调精度要求进行设计的；可调谐波导滤波波长扫描范围、扫描频率等参数通过改变可调谐波导滤波器中的调制器的驱动电信号的幅值和频率进行控制。

实现上述方法是本发明设计的一个通用、高速波导波长扫描解调装置，它由光源、光纤光路、可调谐波导滤波器和具有智能识别功能的探测及信号处理器四部分构成，光源、可调谐波导滤波器、探测及信号处理器分别通过光纤光路的三个端口与光纤光路连接，光纤光路另一个端口作为仪器的光输出/输入端口，与外界光纤传感器相连。

上述装置的核心部分可调谐波导滤波器是由集成在一片电光晶体上的单模光波导、布拉格光栅、平行于光栅的两个电极等元件构成。其中单模光波导的作用是便于该滤波器与外界光纤光路的耦合连接；布拉格光栅的则用作一个窄带的选择性反射滤波器，其反射的波长λ_B与光栅周期Λ、波导等效折射率n_eff之间满足如下公式：

                    λ_B＝2n_effΛ因此，如果周期或折射率发生改变，其反射的波长也会改变；与前面描述的基于压电扫描的滤波器相似，利用它可以实现对光谱的扫描。为了避免用机械运动改变光栅周期Λ，本发明在布拉格光栅的两边设计了平行于该光栅的调制器；利用电光晶体的特点，在调制器两电极加上合适电压信号，上述布拉格光栅的等效折射率n_eff将发生变化，进而引起反射波长的变化，实现对光谱的扫描。

采用以上方法的优点如下：

1、可调谐波导滤波器实际上是利用电光晶体的特性进行光谱扫描，工作中无机械运动，可以避免疲劳引起的元件损坏，因此可靠性和寿命大大提高。

2、解调速度(采样频率)由调制器的工作速度决定。电光调制器的工作速度通常可以到GHz以上的数量级，如果采用行波调制的方法，工作速度甚至可以达到更高；因此只要配合相应的高速信号处理器，这种解调方法的采样频率可以比前面描述的两种现有方法要高的多。

3、在合适的工作情况下，电光晶体的对电信号响应的线性和重复性都非常好，线性及重复性比基于压电扫描光学滤波大大提高。

4、集成光学工艺相对成熟，制作上述可调谐波导滤波器质量容易保证，且加工出来的器件的一致性好。

5、改变加在调制器上电压信号的幅值和频率，可以控制可调谐波导滤波器的扫描的范围和采样频率；这样系统可以根据光纤法珀或光纤光栅传感器的解调要求进行自动适应，因此其通性大大提高；特别是在多种光纤传感器的测量系统中使用更加方便。

6、由于系统中避免了采用光谱仪作为光谱获取件，因此成本大大下降。

因此，本发明综合现有光纤传感器解调方法的优点，弥补其不足，具有高速、长寿命、高可靠性、高精度、高通用性等优点。

                       附图说明

图1本发明一种实施方案的结构图

图2本实施方案中的可调谐波导滤波器

                     具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述：

参见附图1，光纤传感器的通用、高速波导波长扫描解调装置由宽带超辐射发光(SLD)光源1、光纤光路2、可调谐波导滤波器3、探测及信号处理器4等四部分构成。光纤光路2由两个Y型单模光纤分束器构成；它的三个端口分别与SLD光源1、可调谐波导滤波器3、探测及信号处理器4连接；另一个端口作为仪器的光输出/输入端口，与外界光纤传感器5相连。参见图2，可调谐波导滤波器3由集成在一片铌酸锂晶体上的单模光波导9、调制器10、布拉格光栅11等三个元件构成；其中单模光波导与光纤光路2的一个端口连接，布拉格光栅的周期和长度根据实际工作波长、带宽和反射率的要求进行设计。信号探测处理器包含高灵敏度光电二极管6、A/D转换电路7和高速数字信号处理器(DSP)8。

工作时，把传感器5接到解调装置上；光源1发光经过光纤光路2入射到传感器5上；传感器的反射信号再次经过光纤光路2入射到可调谐波导滤波器3上，经可调谐波导滤波器3滤波以后的反射光又一次经过光纤光路2，进入探测及信号处理器4中。具体而言，传感器的反射光是通过单模光波导9耦合到布拉格光栅11中，光栅的反射光又通过波导9、光纤光路2入射到光电二极管6上。在调制器10两电极加上周期变化电压信号，布拉格光栅11等效折射率n_eff将发生周期性变化，进而引起反射波长的周期变化、实现对光谱的扫描。光电二极管6把光信号转换为电信号，经过A/D转换电路7以后进入高速数字信号处理器(DSP)8；DSP8把扫描的电信号恢复成光谱图，并利用智能识别技术，根据信号幅值和波形的特点判断接入的传感器5是光纤法珀传感器、光纤光栅传感器、或是光纤光栅和光纤法珀混合型传感器，并改变调制信号的幅值和频率，进而改变可调谐波导滤波器3得扫描范围和频率，自动适应传感器；同时调用相应的信号处理模块计算，获得被测物理量的信息。

这样采用本发明的思路，可实现多种光纤传感器的通用、高速解调。

尽管本发明主要针对光纤法珀和光纤光栅传感器解调设计，然而本发明的应用并不限于这两种光纤传感器，可以推广到其他需要利用光谱法解调的其他类型光纤传感器。另外，尽管本发明实施方式中采用铌酸锂晶体制作可调谐滤波器，采用了独立的光纤光路，采用DSP作信号处理器；仍然可以利用其它电光晶体制作可调谐滤波器，可以利用集成光学工艺把光纤光路(Y分束器)和可调谐滤波器直接集成在同一块电光晶体上，可以利用高速单片机或PC计算机作信号处理器，从而实现本发明而不背离权利要求书中所定义的本发明实质和范围。

Claims (9)

1、光纤传感器的通用、高速波导波长扫描解调方法，其特征在于它以可调谐波导滤波器为实现高速光谱扫描的核心：首先，光源发光经过光纤光路入射到传感器上，传感器的反射信号再次经过光纤光路入射到可调谐波导滤波器上；然后给可调谐波导滤波器加上周期性扫描的电压信号，导致反射波长的周期性变化，实现对光谱的扫描；可调谐波导滤波器的反射光又一次经过光纤光路进入探测及信号处理器，光信号被转换成电信号，进行处理后恢复成光谱图；最后用数字信号处理器对光谱图进行分析，获得被测物理量的值，实现对光纤传感器解调；通过改变加在可调谐波导滤波器上电压信号的幅值和频率，就可以控制可调谐波导滤波器的扫描范围和采样频率，以自动适应光纤法珀传感器、光纤光栅传感器等光纤传感器的解调要求，实现对用光谱法解调的光纤传感器的通用解调。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于可调谐波导滤波器初始反射波长、带宽、反射率根据所述解调装置的光源波长、解调精度要求进行设计。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于可调谐波导滤波器波长扫描范围、扫描频率通过改变该可调谐波导滤波器中的调制器的驱动电信号的幅值和频率进行控制。

4、一种光纤传感器的通用、高速波导波长扫描解调装置，其特征在于它由光源、光纤光路、可调谐波导滤波器和具有智能识别功能的探测及信号处理器四部分构成，光源、可调谐波导滤波器、探测及信号处理器分别通过光纤光路的三个端口与光纤光路连接，光纤光路另一个端口作为仪器的光输出/输入端口，与外界光纤传感器相连。

5、根据权利要求4所述的装置，其特征在于可调谐波导波导滤波器由集成在一块电光晶体上的单模光波导、布拉格光栅以及调制器构成，该调制器是由在布拉格光栅两边的平行于布拉格光栅的两电极组成，其中单模光波导与光纤光路的一个端口连接，布拉格光栅的周期和长度根据实际工作波长、带宽和反射率的要求进行设计。

6、根据权利要求4所述的装置，其特征在于光纤光路由两个Y型单模光纤分束器构成。

7、根据权利要求4所述的装置，其特征在于可以利用集成光学工艺把光纤光路和可调谐波导滤波器直接集成在同一块电光晶体上，

8、根据权利要求4所述的装置，其特征在于信号探测处理器包含高灵敏度光电二极管(17)、A/D转换电路(18)和信号处理器。

9、根据权利要求8所述的装置，其特征在于信号处理器可以是高速数字信号处理器DSP、高速单片机或PC计算机，它可以根据信号幅值和波形的特点判断接入的传感器类型，并改变调制信号的幅值和频率，使可调谐波导滤波器的工作状态自动适应传感器。