CN1494237A - 超高速光纤光栅传感器解调系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

一种超高速光纤光栅传感器解调系统及其实现方法。通过对探测器分别接收到的透过率与波长关系各为有误差的正弦函数及有误差的余弦函数的两个光学元件及监测端的已知波长光信号功率处理，得出两透过率及其比值和该比值的反正切函数值Φ(λ)值与标准波长的查找表格，存入解调系统存储器中，实现系统定标，通过对探测器接收到的来自光纤光栅传感头的光信号功率，经处理，得到上述两透过率及其比值，由系统存储器中的查找表格，得到与透过率及其比值最接近的相邻的两个或多个相位值和波长值，再予以线性或非线性插值得到所测波长值，换算成对应的被测传感量。本发明具有超高解调速度、解调范围宽、分辨率高及成本低的特点。

Description

超高速光纤光栅传感器解调系统及其实现方法

(1)技术领域

本发明涉及光纤通信和光纤传感及激光技术领域，特别涉及一种超高速光纤光栅传感器解调系统及其实现方法。

(2)背景技术

光纤光栅传感器是基于外部对其的作用，导致其光栅区折射率或栅距的变化，从而引起其反射波长的移动作为传感机理。其解调被测信号的本质则是波长移动量的测量。目前已出现的解调系统和方法除传统的扫描光谱仪和扫描干涉仪外，主要有：

1、基于线性边带滤波器方法(美国专利5,729,347)

2、基于波长相关的耦合器方法(美国专利5,882,049)

3、基于啁啾光栅方法(美国专利6,335,524)

4、基于相位载波(PGC)方法(美国专利5,903,350)

5、基于体全息光栅+探测器阵列的固定式光谱仪

尽管前三种方法有高速解调的优点，但分辨率低，解调范围相对窄，第四种方法解调范围宽，但其解调速度受到干涉仪调制速度的限制，第五种方法成本太高，且解调速度亦不高，目前仅有几十Hz的产品。

(3)发明内容

本发明的目的在于：提出一种与已往方法不同的具有超高解调速度、解调范围宽、分辨率高及成本低的超高速光纤光栅传感器解调系统及其实现方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种超高速光纤光栅传感器解调系统，包括解调系统和光纤光栅传感头组成，其中解调系统包括：

一个光源；

二个耦合器：第一个耦合器和第二个耦合器，在二个耦合器之间的连接点为Q点；

一个透过率与波长关系为有误差的正弦函数的光学元件；

一个透过率与波长关系为有误差的余弦函数的光学元件；

至少三个探测器；

一个信号处理模块；

一个显示模块；

所述的光源将光波通过所述的第一个耦合器，传至所述的光纤光栅传感头，所述的光栅传感头经被测量作用后，反射光波长发生移动，再经所述的第一和第二个耦合器，分别通过所述的透过率与波长关系为有误差的正弦函数的光学元件和透过率与波长关系为有误差的余弦函数的光学元件及光功率监测端输出，由所述的探测器探测后经所述的信号处理模块处理后输出所测波长移动量和其对应的被测量值至该显示模块。

一种实现上述超高速光纤光栅传感器解调系统进行解调的方法，包括：

(1)系统定标的步骤：首先将已知波长的光信号替代所述的光源和光纤光栅传感头从解调系统中的一个光纤连接点(Q点)注入所述的解调系统，将所述的三个探测器接收到的分别通过透过率与波长λ关系为有误差的正弦函数的光学元件及透过率与波长λ关系为有误差的余弦函数的光学元件和监测端的光功率Da、Db和Dc，送经所述的信号处理模块处理得到所述两光学元件的透过率Ta和Tb及其比值，进而得出Ta/Tb及其反正切函数值Φ(λ)与标准波长的查找表格，并存入所述的信号处理模块的存储器中，并将光纤连接点(Q点)恢复连接；

(2)测传感量的步骤：经由上述定标后的解调系统，将所述的探测器接收到的来自所述的光纤光栅传感头的光功率Da、Db和Dc，经所述的信号处理模块得到所述的透过率Ta和Tb及其比值，由该信号处理模块的存储器中的查找表格，得到与该比值最接近的相邻的两个或多个相位值和波长值，再予以线性或非线性插值得到所测波长值，继而换算成对应的被测传感量。

一种实现上述超高速光纤光栅传感器解调系统进行解调的方法，包括：

(1)系统定标的步骤：首先将已知波长的光信号替代所述的光源和光纤光栅传感头从解调系统中的一个光纤连接点(Q点)注入所述的解调系统，将所述的三个探测器接收到的分别通过透过率与波长λ关系为有误差的正弦函数的光学元件及透过率与波长λ关系为有误差的余弦函数的光学元件和监测端的光功率Da、Db和Dc，送经所述的信号处理模块处理得到所述两光学元件的透过率Ta和Tb及其比值，经所述的信号处理模块对带有准线性调制因子的透过率Ta作最小二乘法拟合或高频滤波处理，得出A和B常数，继而，得出Ta、Tb、Ta/Tb及其反正切函数值Φ(λ)与标准波长的查找表格，存入所述的信号处理模块的存储器中，并将光纤连接点(Q点)恢复连接；

(2)测传感量的步骤：经由上述定标后的解调系统，将所述的探测器接收到的来自所述的光纤光栅传感头的光信号功率Da、Db和Dc，送经所述的信号处理模块处理得到所述两光学元件的透过率Ta和Tb及其比值，由该信号处理模块的存储器中的查找表格，得到与Ta和Tb及其比值最接近的相邻的两个或多个相位值和波长值，再予以线性或非线性插值得到所测波长值，继而换算成对应的被测传感量。

本发明的效果：本发明的超高速光纤光栅传感器解调系统及其实现方法具有超高解调速度、解调范围宽、分辨率高及成本低的功效。其解调速度仅受限于探测器速度和信号处理模块速度，前者，已可达到40GHz探测器速度，而后者可达到1MHz以上。

为进一步说明本发明的上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明进行详细的描述。

(4)附图说明

图1为本发明的一个典型解调系统图(虚线框内)；

图2为本发明的一个扩展的典型解调系统图(虚线框内)；

图3-a中实线表示光纤光栅透过率与波长相关的标准正弦曲线，虚线为有误差的正弦曲线；

图3-b中实线表示光纤光栅透过率与波长相关的标准余弦曲线，虚线为有误差的余弦曲线；

图3-c中虚实线分别表示幅值在[-π，+π]的带有误差的相位和标准相位；

图4-a中实线表示对光纤光栅元件的透过率函数中引入准线性调制因子后光纤光栅透过率与波长相关的标准正弦曲线，虚线为有误差的正弦曲线；

图4-b中实线为对光纤光栅元件的透过率函数中引入准线性调制因子后光纤光栅透过率与波长相关的标准余弦曲线，虚线为有误差的余弦曲线；

图4-c中为对光纤光栅元件的透过率函数中引入准线性调制因子后虚实线分别为幅值在[-π，+π]的带有误差的相位和标准相位。

(5)具体实施方式

参见图1，图1虚线框中是本发明的一个典型解调系统的实施例图。

其中，光源1可以是连续或是脉冲的，第一个耦合器2用2*1耦合器，亦可用2*2耦合器或环形器，本实例用2*1耦合器。第二个耦合器3用1*3耦合器，亦可用两个2*2耦合器串接而成，本实例用1*3耦合器。第一个耦合器2和第二个耦合器3之间的连接点为Q点。

光源1将光波通过第二个耦合器3，传至光纤光栅传感头11，传感头11经被测量作用后，反射光波长发生移动，再经第一个耦合器2和第二个耦合器3，分别通过光学元件(在本实施例中用光纤光栅)4和光学元件(在本实施例中用光纤光栅)5及监测端(第二个耦合器3与探测器8之间的光纤)输出，由探测器6、7和8探测后经信号处理模块9处理后输出所测波长移动量和其对应的被测量值至显示模块10。光纤头12做成斜面以消除端面反射。Q、P为光纤连接点。

光纤光栅4和5分别设计成透过率与波长相关的有误差的正弦曲线和有误差的余弦曲线，

如图3-a中，Ta为光纤光栅4的透过率，λ为波长，实线为标准正弦曲线，虚线为有误差的正弦曲线；图3-b中，Tb为光纤光栅5的透过率，λ为波长，实线为标准余弦曲线，虚线为有误差的余弦曲线。图3-c中，Φ(λ)表示透过率Ta与透过率Tb所得的比值的反正切函数值，λ为波长，虚实线分别表示Φ(λ)值在[-π，+π]的带有误差的相位和标准相位。各图中实线所示的标准正弦曲线、标准余弦曲线及标准相位三角折线，在此仅提供比较说明。

其中，对于虚线而言的式子表示如下：

Ta∝sinΦ(λ)

Tb∝cosΦ(λ)，

$\mathrm{\Φ}\left(\mathrm{\λ}\right)\≈\mathrm{arc}{t}_g\left(\frac{\mathrm{Ta}}{\mathrm{Tb}}\right)$

上述式子中∝为近似正比符号，≈为近似等于符号。

通过Φ(λ)----λ对应关系的标定，在测得Ta和Tb后，即可得到所测波长λ。这里，

Ta＝Da/Dc，Tb＝Db/Dc，其中Da为探测器6探测到的光信号功率，

Db为探测器7探测到的光信号功率，Dc为探测器8探测到的光信号功率。

透过率与波长关系为有误差正弦函数和有误差余弦函数的光学元件，是光纤或是平面波导型光栅，且是长周期型的或是啁啾型的或是斜光栅型；或是过耦合熔锥型耦合器，或由具有同样透过率特性的薄膜型滤光片替代，或是多段同一类型或不同类型以上器件的复合。

具体解调方法如下：

1、系统定标的步骤：首先将已知波长的光源替代解调系统光源，由图1中Q点注入解调系统，将探测器6、7和8接收的光信号功率，经信号处理模块9处理得到：透过率Ta和Tb及其比值，并得出该比值和相位Φ(λ)与标准波长的查找表格，存入信号处理模块9的存储器中，继而将Q点连接。

2、测传感量的步骤：经由上述定标后的解调系统，将探测器6、7和8接收到的来自传感头11的光信号功率，经信号处理模块9得到：Ta和Tb及其比值，由信号处理模块9的存储器中的查找表格得到与该比值最接近的相邻的两个或多个相位值和波长值，再予以线性或非线性插值得到所测波长值，继而换算成对应的被测传感量。

显然，上述解调方法仅适用于一个准周期的情形，多个周期情形下，则将产生相位模糊。为消除这一问题，提高波长测量范围和分辨率，进一步对光纤光栅4和5中至少一个元件的透过率函数中引入准线性调制因子，如图4a-c所示。

准线性的元件是光纤或是平面波导型光栅，且是长周期型的或是啁啾型的或是斜光栅型；或是过耦合熔锥型耦合器，或由具有同样透过率特性的薄膜型滤光片替代，或是多段同一类型或不同类型以上器件的复合

图4-a中，Ta为光纤光栅4的透过率，λ为波长，实线为标准正弦曲线，虚线为引入准线性调制因子的有误差的正弦曲线；图4-b中，Tb为光纤光栅5的透过率，λ为波长，实线为标准余弦曲线，虚线为有误差的余弦曲线。图4-c中，Φ(λ)表示透过率Ta与透过率Tb所得的比值的反正切函数值，λ为波长，虚实线分别表示Φ(λ)值在[-π，+π]的带有误差的相位和标准相位。各图中实线所示的标准正弦曲线、标准余弦曲线及标准相位三角折线，在此仅提供比较说明。

其中，对于虚线而言的式子表示如下：

Ta∝(A*λ+B)*sinΦ(λ)

Tb∝cosΦ(λ)

$\mathrm{\Φ}\left(\mathrm{\λ}\right)\≈\mathrm{arc}{t}_g\[\left(\frac{\mathrm{Ta}}{\mathrm{Tb}}\right)/(A*\mathrm{\λ}+B)\]$

上述式子中∝为近似正比符号，≈为近似等于符号，A*λ+B为准线性调制因子。

通过对A、B、Ta、Tb和Φ(λ)----λ对应关系的标定，在测得Ta和Tb后，由Ta、Tb和Ta/Tb比值决定λ所在区域，再由标定的Φ(λ)----λ对应关系得到所测波长λ。如图4a-c所示，X和Y线所对应的Φ(λ)是相同的，但Ta/Tb比值则不同，由此区别Φ(λ)所在区域并由Φ(λ)----λ对应关系得到所测波长λ。

具体解调方法如下：

1、系统定标的步骤：首先将已知波长的光源替代解调系统光源，由图1中Q点注入解调系统，将探测器6、7和8监测得的光功率，经信号处理模块9处理得到：Ta和Tb及其比值，并对透过率Ta作最小二乘法拟合或高频滤波处理，得出A和B常数。继而，制成Ta、Tb及其比值和计算相位Φ(λ)与标准波长的查找表格，存入信号处理模块9的存储器中，并将Q点连接。

2、测传感量的步骤：经由上述定标后的解调系统，将探测器6、7和8接收到的来自传感头11的光信号功率，经信号处理模块9得到：Ta和Tb及其比值，由信号处理模块9的存储器中的查找表格得到与Ta和Tb及其比值最接近的相邻的两个或多个相位值和波长值，再予以线性或非线性插值得到所测波长值，继而换算成对应的被测传感量。

图1中，光纤光栅4和5亦可是平面波导光栅，且可以是长周期型的或是啁啾型的或是斜光栅型，亦可是过耦合熔锥型耦合器，亦可由具有同样透过率特性的薄膜型滤光片替代，亦可是多段同一类型或不同类型以上器件的复合。

图1中，上述准线性调制因子功能亦可由另外引入透过率与波长关系为准线性的元件实现，如光纤光栅或平面波导光栅，且可以是长周期型的或是啁啾型的或是斜光栅型，亦可是过耦合熔锥型耦合器，亦可由具有同样透过率特性的薄膜型滤光片替代，亦可是多段同一类型或不同类型以上器件的复合。

图1中，上述准线性调制因子功能亦可进一步由多项式或其他形式的调制因子替代。

在图1中由Q点插入可调谐滤波器，则系统可用于多个波长光纤光栅传感头的测量。

在图2中，第二个耦合器件3设计成3-1、3-2、......3-n带通型耦合器，光学元件4和光学元件5分别设计成4-1、4-2、......4-n和5-1、5-2、......5-n，及探测器6、7和8分别设计成6-1、6-2、......6-n，7-1、7-2、......7-n，和8-1、8-2、......8-n，则可用于多个波长光纤光栅传感头的测量。

本发明所述的解调系统和解调方法同样适合于其它要求测量波长的传感器或激光或通信系统的场合。

当然，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明权利要求书的范围内。

Claims (12)

1、一种超高速光纤光栅传感器解调系统，包括解调系统和光纤光栅传感头组成，其特征在于所述的解调系统包括：

一个光源；

二个耦合器：第一个耦合器和第二个耦合器，在二个耦合器之间的连接点为Q点；

一个透过率与波长关系为有误差的正弦函数的光学元件；

一个透过率与波长关系为有误差的余弦函数的光学元件；

至少三个探测器；

一个信号处理模块；

一个显示模块；

所述的光源将光波通过所述的第一个耦合器，传至所述的光纤光栅传感头，所述的光栅传感头经被测量作用后，反射光波长发生移动，再经所述的第一和第二个耦合器，分别通过所述的透过率与波长关系为有误差的正弦函数的光学元件和透过率与波长关系为有误差的余弦函数的光学元件及光功率监测端输出，由所述的探测器探测后经所述的信号处理模块处理后输出所测波长移动量和其对应的被测量值至该显示模块。

2、如权利要求1所述的超高速光纤光栅传感器解调系统，其特征在于所述的光源是连续的或是脉冲的。

3、如权利要求1所述的超高速光纤光栅传感器解调系统，其特征在于所述的透过率与波长关系为有误差正弦函数和有误差余弦函数的光学元件，是光纤或是平面波导型光栅，且是长周期型的或是啁啾型的或是斜光栅型；或是过耦合熔锥型耦合器，或由具有同样透过率特性的薄膜型滤光片替代，或是多段同一类型或不同类型以上器件的复合。

4、如权利要求1所述的超高速光纤光栅传感器解调系统，其特征在于所述的透过率与波长关系为有误差的余弦及有误差的正弦函数的光学元件中至少一个的函数可引入准线性调制因子。

5、如权利要求1所述的超高速光纤光栅传感器解调系统，其特征在于所述的第一个耦合器是2*1耦合器，或是2*2耦合器，或由环形器代替；所述的第二个耦合器是1*3耦合器，或是两个2*2耦合器串接而成。

6、如权利要求4所述的超高速光纤光栅传感器解调系统，其特征在于所述的准线性调制因子功能由另外引入透过率与波长关系为准线性的元件实现，该准线性的元件是光纤或是平面波导型光栅，且是长周期型的或是啁啾型的或是斜光栅型；或是过耦合熔锥型耦合器，或由具有同样透过率特性的薄膜型滤光片替代，或是多段同一类型或不同类型以上器件的复合。

7、如权利要求1所述的超高速光纤光栅传感器解调系统，其特征在于在所述的Q点插入可调谐滤波器；或将所述的第二个耦合器设计成带通型耦合器，并将系统中所述的Q点至探测器部分作为一个单元，采用多单元并接，用于多个波长光纤光栅传感头的测量。

8、一种实现权利要求1中的超高速光纤光栅传感器解调系统进行解调的方法，其特征在于所述的方法包括：

(1)系统定标的步骤：首先将已知波长的光信号替代所述的光源和光纤光栅传感头从解调系统中的一个光纤连接点(Q点)注入所述的解调系统，将所述的三个探测器接收到的分别通过透过率与波长λ关系为有误差的正弦函数的光学元件及透过率与波长λ关系为有误差的余弦函数的光学元件和监测端的光功率Da、Db和Dc，送经所述的信号处理模块处理得到所述两光学元件的透过率Ta和Tb及其比值，进而得出Ta/Tb及其反正切函数值Φ(λ)与标准波长的查找表格，并存入所述的信号处理模块的存储器中，并将光纤连接点(Q点)恢复连接；

(2)测传感量的步骤：经由上述定标后的解调系统，将所述的探测器接收到的来自所述的光纤光栅传感头的光功率Da、Db和Dc，经所述的信号处理模块得到所述的透过率Ta和Tb及其比值，由该信号处理模块的存储器中的查找表格，得到与该比值最接近的相邻的两个或多个相位值和波长值，再予以线性或非线性插值得到所测波长值，继而换算成对应的被测传感量。

9、如权利要求8所述的超高速光纤光栅传感器解调系统进行解调的方法，其特征在于所述的透过率Ta、透过率Tb、波长λ值和两信号比值的反正切函数值Φ(λ)值的相互之间的数学关系为：

Ta∝sinΦ(λ)

Tb∝cosΦ(λ)，

$\mathrm{\Φ}\left(\mathrm{\λ}\right)\≈\mathrm{arc}{t}_g\left(\frac{\mathrm{Ta}}{\mathrm{Tb}}\right)$

上述式子中∝为近似正比符号，≈为近似等于符号。

10、一种实现权利要求1中的超高速光纤光栅传感器解调系统进行解调的方法，其特征在于所述的方法包括：

(1)系统定标的步骤：首先将已知波长的光信号替代所述的光源和光纤光栅传感头从解调系统中的一个光纤连接点(Q点)注入所述的解调系统，将所述的三个探测器接收到的分别通过透过率与波长λ关系为有误差的正弦函数的光学元件及透过率与波长λ关系为有误差的余弦函数的光学元件和监测端的光功率Da、Db和Dc，送经所述的信号处理模块处理得到所述两光学元件的透过率Ta和Tb及其比值，经所述的信号处理模块对带有准线性调制因子的透过率Ta作最小二乘法拟合或高频滤波处理，得出A和B常数，继而，得出Ta、Tb、Ta/Tb及其反正切函数值Φ(λ)与标准波长的查找表格，存入所述的信号处理模块的存储器中，并将光纤连接点(Q点)恢复连接；

(2)测传感量的步骤：经由上述定标后的解调系统，将所述的探测器接收到的来自所述的光纤光栅传感头的光信号功率Da、Db和Dc，送经所述的信号处理模块处理得到所述两光学元件的透过率Ta和Tb及其比值，由该信号处理模块的存储器中的查找表格，得到与Ta和Tb及其比值最接近的相邻的两个或多个相位值和波长值，再予以线性或非线性插值得到所测波长值，继而换算成对应的被测传感量。

11、如权利要求10所述的超高速光纤光栅传感器解调系统进行解调的方法，其特征在于所述的透过率Ta、常数A和B、透过率Tb、波长λ值和两信号比值的反正切函数值Φ(λ)值的相互之间的数学关系为：

Ta∝(A*λ+B)*sinΦ(λ)

Tb∝cosΦ(λ)

$\mathrm{\Φ}\left(\mathrm{\λ}\right)\≈\mathrm{arc}{t}_g\[\left(\frac{\mathrm{Ta}}{\mathrm{Tb}}\right)/(A*\mathrm{\λ}+B)\]$

上述式子中∝为近似正比符号，≈为近似等于符号，A*λ+B为准线性调制因子。

12、如权利要求11所述的超高速光纤光栅传感器解调系统进行解调的方法，其特征在于其所述的准线性调制因子A*λ+B可由多项式或其他形式的调制因子替代。

Images