CN1304900C - 一种光纤光栅波长解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤传感、光学测量技术领域，涉及到一种光纤光栅波长解调方法。其特征为采用宽带光源，成对使用串联在一起的光纤光栅，一个作为参考光栅，另一个作为测量光栅，两个光纤光栅的中心反射波长差小于反射带宽的一半，当两个光纤光栅的中心反射波长差发生变化时，返回光功率会发生变化，通过对这一对光纤光栅返回功率的测量，即可得到测量光栅中心反射波长相对参考光纤光栅中心反射波长的变化，从而实现波长解调，把光纤光栅对的中心反射波长差设为单个光纤光栅的反射带宽的1/4，可获得较好的线性。该种技术响应速度快，结构简单、实用，易于产品化，具有广阔的市场前景。

Description

一种光纤光栅波长解调方法

技术领域

本发明属于光纤传感、光学测量技术领域，涉及到一种光纤光栅波长解调方法。

背景技术

光纤光栅是一种制作在光纤上的具有窄带反射特性的光学滤波器。由于石英光纤的弹性形变、热膨胀特性，以及其热光、弹光效应，它具有对温度和应力的敏感特性。在一定的范围内这一敏感特性是线性的，符合以下的关系：

                     Δλ_ε/λ＝ε(1-γ)    (1)

                     Δλ_T/λ＝(α+e)ΔT    (2)

式中：ε为光纤的应变，γ为光纤材料的弹光系数，α为光纤材料的热胀系数，ΔT为温度变化量， $e=\frac{1}{n}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dT}}$ 为热光系数。通过测量波长的变化根据上述的关系就能确定需感知的温度和应力。要使光纤光栅传感器实用化，关键技术就是如何精确，快速、方便地测量其中心反射波长的微小变化，即波长解调方法。

目前，对于光纤光栅的波长解调技术，传统手段是使用光谱仪、单色仪或者波长计等仪器。除此之外人们已经提出了一些新型的波长信息解调的方案，如马赫一曾德干涉仪法、可调谐法布里一珀罗滤波器法、匹配光纤光栅滤波器法等。归纳起来，光纤光栅反射光波长的解调技术可以分为以下几种类型：

1.被检测传感头反射回来的具有一定的光信号直接输入到光谱仪、单色仪或波长计中，直接测量出光纤光栅反射信号的波长位置。这种解调方式测量精度较高，但是这些仪只适合于实验室使用，不便应用于实际传感系统中。

2.利用可调谐激光器作为测试光源，输出的激光波长在一定的范围内连续扫描，根据光信号在扫描周期中的位置，可以得出被测光纤光栅反射光波长的变化，或者得出测量光纤光栅与参考光纤光栅的反射光波长。这种方法的优点是反射光能量高，而且只要一般的光功率计来作为接收元件，信号易于检测，分辨率高，多路复用的实现简单。但该方法的光源设计制作难度大，成本高。

3.利用宽带光源作为测试光源，利用滤波器或可调谐滤波器作为对于传感光纤光栅反射光信号的解调元件，用光功率计来检测光信号。这种方法又可以分成反射型和透射型两类。前者的原理如下：从传感FBG的反射光入射到接收端的FBG上，若与接收端FBG的反射光波长一致，则被反射到探测器上。通过PZT驱动接收FBG进行微调，得到传感FBG的峰值波长。该方法的精度受光源稳定性和外界干扰的限制，对探测端FBG光谱的稳定性要求高。

4.边缘滤波法，即采用一种具有线宽较大，透过率呈线性变化的滤波器，与传感FBG的反射光波长相卷积，得到的信号同FBG峰值波长的位置成比例，因而可以从信号大小推知FBG波长位置，这一方法要求解调滤波器的边沿要非常陡，线性好，要求系统各个部件参数稳定，因此设计制造和使用较为困难。

由于上述方法存在的缺陷，光纤光栅传感系统中的解调技术成为这一传感技术推广应用的主要障碍之一。实际上，到目前为止，能够在市场上作为商品出售的光纤光栅解调器，只有使用可调谐法布里一珀罗滤波器一种技术，而且由于其技术的复杂性，这种产品的售价都很昂贵，而且响应频率不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单、实用的光纤光栅解调方法，克服目前解调技术的缺陷，推动光纤光栅传感技术的实用化。

本发明的基本原理是，用宽带光源入射一对串联在一起的光纤光栅，当它们的中心反射波长差为零时，反射的光功率最小，只比单个光纤光栅的返回光功率略大，随着它们的相对中心反射波长差的增大，其反射的光功率也增大，当它们的相对中心反射波长差大于单个光纤光栅反射带宽的一半时，其反射光功率将趋于一个最大值，此最大值略小于两个单个光纤光栅返回光功率之和。因此当串联在一起的一对光纤光栅的中心反射波长差在零和单个光纤光栅反射带宽的一半之间变化时，可通过对反射光功率的测量来实现对它们的相对中心反射波长差的测量，从而实现波长解调。当选用两个光纤光栅的中心反射波长差在1/4单个光纤光栅反射带宽附近作为静态工作点时，可以获得较好的线性工作特性。

本发明的技术解决方案如下：成对使用串联在一起的光纤光栅，且一对光纤光栅的中心反射波长差小于单个光纤光栅反射带宽的一半。用宽带光源作为测试光源，一对光纤光栅中，一个用于测量，另一个用于提供参考，这样当测量光栅的中心反射波长发生变化时，这一对光纤光栅的反射光功率将发生变化，用光电探测器件(如APD)或其他光功率探测器来测量返回的光功率，就可以计算出测量光栅相对于参考光栅的中心波长的变化量，实现波长解调。为获得线性工作特性，可将一对光纤光栅的中心反射波长差为单个光纤光栅反射带宽的1/4作为静态工作点。

本发明的效果和益处是：

(1)本发明无需专门的波长测量或滤波器设备，只需测量返回光功率就可计算出测量光纤光栅的中心反射波长相对参考光纤光栅中心反射波长的变化。

(2)本发明在实现波长测量时，既不需要调谐光源，也不需要调谐滤波器，可以实现很高的频率响应。实际上响应速度只取决于对返回光功率的探测速度，即相应光电探测器件的响应速度。

(3)采用本发明实现的测量系统，可全部采用光纤和光纤元器件，是一种全光纤系统。各器件和元件之间，可通过光纤熔接机熔接，构成一个整体。因此，使用稳定可靠，容易实现仪器化。

(4)本发明在实现波长解调的同时，由于参考光栅的采用，在测应力时，可实现对温度的补偿；在测温度时，可以实现对应力的补偿，从而消除温度、应力的相互影响。

(5)本发明同采用光谱仪、单色仪、波长计、边缘滤波器等方法相比较，简单实用，易于产品化，成本低廉，具有良好的性价比，且响应速度快，便于光纤光栅传感器的推广应用，可广泛应用于军事、工业、建筑等领域。

附图说明

附图1是本发明应用于单个测量点的系统示意图。

其中：1是宽带光源，2是2×2耦合器，3是参考光纤光栅，4是测量光纤光栅，5是光电探测器，6是光电探测器。

附图2是本发明应用于分布式测量的系统示意图。

其中：7是串联在一起的一个光纤光栅对，8是串联在一起的一个光纤光栅对，9是波分复用器，10和11均为光电探测器，其中光纤光栅对7和光纤光栅对8的返回光频率范围应不同，以保证能够被波分复用器9分开。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图，详细叙述本发明的具体实施方式。

实施例1：

本发明应用于单个测量点的情况，如附图1所示，宽带光源1发出的光进入2×2耦合器2，被2分束后分别进入光电探测器6、光纤光栅3和光纤光栅4，其中光纤光栅3为参考光栅，光纤光栅4为测量光栅。光纤光栅3和光纤光栅4的中心反射波长差约为单个光纤光栅反射带宽的1/4。测量光纤光栅4在被测量的作用下，反射中心波长会发生移动，即造成参考光纤光栅3和测量光栅4的反射中心波长差的变化，从而使得光电探测器5测得的光功率值发生变化，再参考光电探测器6的测量值，去掉光源功率变化的影响，即可得到测量光纤光栅4相对参考光纤光栅3的中心反射波长变化量，从而实现波长解调。

实施例2：

本例说明如何用本发明实现分布式光纤光栅传感。如附图2所示，宽带光源1发出的光进入2×2耦合器2，被2分束后分别进入光电探测器6、光纤光栅对7和光纤光栅对8，光纤光栅对7和光纤光栅对8的相对中心反射波长差均为单个光纤光栅反射带宽的1/4，且光纤光栅对7和光纤光栅对8的返回光频率范围应不同，以保证能够被波分复用器9分开。光纤光栅对7和光纤光栅对8的返回光经过2×2耦合器2后，进入波分复用器9，经波分复用器9分光后，光纤光栅对7和光纤光栅对8的返回光被分开，分别进入光电探测器10和光电探测器11，通过光电探测器10和光电探测器11对返回光功率的测量，即可实现对光纤光栅对7和光纤光栅对8的波长解调。光电探测器6是提供光源功率变化的参考，以消除光源功率变化对测量的影响。其中波分复用器9可使用密集波分复用器或其他分光器件。这种方案可实现频率响应非常高的分布式光纤光栅传感。

Claims (5)

1.一种光纤光栅波长解调方法，其特征在于成对使用串联在一起的光纤光栅，且一对光纤光栅的中心反射波长差小于单个光纤光栅反射带宽的一半。

2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅波长解调方法，其特征还在于串联在一起的一对光纤光栅，使用其中心反射波长差为单个光纤光栅反射带宽的1/4处作为静态工作点。

3.根据权利要求1或2所述的一种光纤光栅波长解调方法，其特征还在于使用分光器件来分开各个测量光纤光栅对的返回光，实现分布式传感。

4.根据权利要求1或2所述的一种光纤光栅波长解调方法，其特征还在于采用宽带光源，通过光电探测器件测量串联在一起的光纤光栅对的反射光功率实现波长解调。

5.根据权利要求4所述的一种光纤光栅波长解调方法，其特征还在于使用分光器件来分开各个测量光纤光栅对的返回光，实现分布式传感。

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