CN1683910A - 双边缘滤波波长解调器及其解调方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种双边缘滤波波长解调器及其解调方法，主要用于光纤布拉格光栅反射的窄带光波长的测量，该解调器包括光源两个光分路器、光滤波器1、光滤波器2、光电转换模块1、光电转换模块2、双路模拟－数字信号转换模块和微处理器，解调方法是光滤波器1和光滤波器2连接在同一个光分路器的两个分路上，且它们的光谱特性是相交迭的。当载有传感信息的反射光波长通过两个相交迭的光通道时，由于通道的光谱特征不同，输出的光谱也不同，利用两个滤波器输出光强比值的对数值可以间接的测量波长值。用这种方法解决了光学器件线性性和光强不稳定的问题，在解调时不存在任何机械移动部分，比扫描式的解调方法测量速度更快，运行时更稳定更精确。

Description

双边缘滤波波长解调器及其解调方法
一、技术领域
本发明是一种双边缘滤波波长解调器及其解调方法，主要用于光纤布拉格光栅反射的窄带光波长的测量，属于传感技术领域。
二、背景技术
现有的波长解调技术按照解调原理大体可以分为三类，窄带激光光源扫描法、宽带光源窄带滤波扫描法、还有将波长转化为其它参量的解调方法。波长扫描的解调方法是现在常用的解调方法，但无论是调制光源扫描还是滤波扫描的方法都不可避免的要在解调装置中引入机械移动部分，该部分又要有单独的电路控制，导致装置的比较复杂，其次它的扫描速度还限制了解调的速度。
边缘滤波是一种现有的波长解调技术，属于将波长转化为光强度的方法，它的结构比现在常用的波长扫描的解调方式简单，包括宽带光源、传感用光纤布拉格光栅、滤波器、光电转换单元及放大、显示部分等。其原理主要是利用光栅的反射谱通过滤波器时会输出特定强度光的原理，当反射谱的波长改变时，输出的光强度也会相应改变，强度和波长值成一定的比例关系，但是由于它的以下缺点，现在一般不被应用：(i)光的强度不稳定，受到光源、传输距离、光纤接头衰减等多方面的影响，所测得的波长值准确度不高；(ii)对滤波器件的要求太高，要求滤波器的光谱分布有1-2nm的线性特性，这对于一般的光学器件是不太可能的。
三、发明内容
本发明和传统的边缘滤波解调器和解调的方法比较，采用一般的光滤波器件就可以解决以前对器件光谱线性特性要求高的问题，而且不受输入光强的影响。和现在常用的扫描解调的方法比较，由于不存在机械移动部分所以运行更稳定，解调速度更快。
本发明是一种双边缘滤波波长解调器及其解调方法，波长解调器主要由光源、选择特定波长的器件3、光分路器1、光分路器2、光滤波器1、光滤波器2、光电转换模块1、光电转换模块2、双路模拟—数字信号转换模块、微处理器和显示部分组成，其连接结构是：光分路器1的合路端连接选择特定波长的器件3，两个分路端分别连接光源和光分路器2的合路端；光分路器2的两个分路端分别和光滤波器1和光滤波器2连接；光滤波器1、光滤波器2光路输出端分别连接光电转换模块1、光电转换模块2，检测光滤波器输出的光强；光电转换模块1、光电转换模块2连接双路模拟—数字信号转换模块，输出的数字信号进入微处理器，进行除法和对数运算的数据处理并输出显示信号。
如前所述的光源是宽带光源，连接在光分路器1的一个分路端，为本装置的光路部分提供光源，其有效波长范围要大于本解调装置的波长测量范围。
如前所述的选择特定波长的器件3可选用光纤布拉格光栅，连接在光分路器1的合路端。
如前所述的光滤波器1和光滤波器2连接在光分路器2的两个分路上，他们是光谱特性近似符合高斯型的光学器件，可选用如：宽带光栅等。
双边缘滤波解调方法及数据处理的工作原理是：光源输出的宽带光输入光分路器1的一个分路，经过选择特定波长的器件3，返回一个特定波长的窄带光。该窄带光返回到光分路器1的另一个分路端进入光分路器2的合路端，该窄带光被光分路器2平均分到光滤波器1和光滤波器2中。光滤波器1和光滤波器2的光谱特性是相交迭的，如图2所示，交迭部分为波长测量的有效范围。被测窄带光同时分别通过光滤波器1和光滤波器2，输入到光电转换模块1、光电转换模块2，检测光滤波器输出的光强，输出两个模拟电信号。该模拟信号进入双路模拟—数字信号转换模块，输出的数字信号进入微处理器，进行除法和对数运算的数据处理并输出显示信号。
如前所述的微处理器进行的数据处理是将来自两个光电转换模块的电信号进行除法运算，然后将得数做对数运算得到ρ(χ)。根据理论计算和实验结果传感用光纤布拉格光栅的波长χ和ρ(χ)呈线性关系，从而χ值可由测量ρ(χ)的值得到，这就是本发明波长检测的原理。
如前所述的微处理器可以用除法器和对数器代替，连接在双路模拟—数字信号转换模块的数字信号输出端，用硬件实现数据处理。
可以看到χ和ρ(χ)这种线性关系和滤波器的光谱特性是否线性没有关系，所以避免了传统边缘滤波解调方法中对滤波器的高要求。波长测量的灵敏度，即波长χ和ρ(χ)的斜率关系，是由传感用光纤布拉格光栅和滤波器的带宽决定的，它和D＝[(Δλf2+Δλf1)/2]2+Δλb 2成反比关系，即传感用光纤布拉格光栅和滤波器的带宽越大则D也越大。由理论计算可知光强度的变化对测量值ρ(χ)的影响很小。
从结构上看该系统在解调时不存在任何机械移动部分，比扫描式的解调方法测量速度更快，运行时更稳定更精确。
附图说明
图1.双边缘滤波波长解调器结构示意图
图2.光滤波器和被测窄带光的光谱特性图
图3.用硬件实现数据处理的双边缘滤波波长解调器结构示意图
图4.实验数据图
具体实施方式
方案一：
如图1所示双边缘滤波波长解调系统，包括由宽带光源、传感用光纤布拉格光栅、光分路器1、光分路器2、光滤波器1、光滤波器2、光电转换模块1、光电转换模块2、双路模拟—数字信号转换模块、微处理器和显示部分。其解调及数据处理的工作原理是宽带光源输出的宽带光经过第一个光分路器1的一个分路端输入光路，经过传感用光纤布拉格光栅，反射回一个特定波长的窄带光。该窄带光经过第一个光分路器1的另一个分路端进入第二个光分路器2的合路端，该传感信号被第二个光分路器以50∶50的比例分到两个滤波器中。两个滤波器的光谱特性是相交迭的，交迭部分为测量的有效范围，即被测波长处于两个滤波器传输谱的交迭部分，这样被测波长可以分别同时通过两个滤波器。光电转换模块1、光电转换模块2分别和光滤波器1、光滤波器2光路输出端连接，检测光滤波器输出的光强；双路模拟一数字信号转换模块同时和光电转换模块1、光电转换模块2电信号输出端连接；输出的数字信号进入微处理器，进行除法和对数运算的数据处理并输出显示信号。
如前所述的光滤波器1和光滤波器2连接在同一个光分路器的两个分路上，他们是光谱特性是相交迭的如图2所示，且近似符合高斯型的光学器件，在实施例中光滤波器选用的自制的宽带光栅，中心波长分别是1301nm和1302nm，带宽1nm，光谱交迭部分大于700pm。如前所述的用于传感的光纤布拉格光栅，光栅的中心波长为1301.400nm。
如前所述的双边缘滤波波长解调器及其解调方法，其中光电转换模块1、光电转换模块2分别和光滤波器1、光滤波器2连接，检测光滤波器输出的光强，光电转换模块选用光电二级管(GD3553Y)和放大器(CA3140)组成。
如前所述的微处理器进行的数据处理是将来自两个光电转换模块的电信号进行除法运算，然后将得数做对数运算得到ρ(χ)。根据理论计算和实验结果传感用光纤布拉格光栅的波长χ和ρ(χ)呈线性关系，从而χ值可由测量ρ(χ)的值得到，这就是本发明波长检测的原理。
为了验证这种解调系统的性能，实施例中用到了SYG-WK光纤光栅实验温控器(理工光科公司)，通过调节温度控制传感用光栅的中心波长；还有一台光谱分析仪，用于测量该温度下传感用光栅的中心波长作为实际值和该装置的测量值进行比较。如图4.所示是实验数据图，从图中可以看出本实用新型装置的测量值ρ(χ)＝log(V1/V2)和光谱分析仪测量的波长值基本成线性关系，满足关系式y＝0.1871x+1301.5136。
方案二：
如图3.所示的双边缘滤波波长解调装置，包括由宽带光源、传感用光纤布拉格光栅、光分路器1、光分路器2、光滤波器1、光滤波器2、光电转换模块1、光电转换模块2、双路模拟—数字信号转换模块、除法器、对数器和显示部分。其解调及数据处理的工作原理是宽带光源输出的宽带光经过第一个光分路器1的一个分路端输入光路，经过传感用光纤布拉格光栅，反射回一个特定波长的窄带光。该窄带光经过第一个光分路器1的另一个分路端进入第二个光分路器2的合路端，该传感信号被第二个光分路器以50∶50的比例分到两个滤波器中。两个滤波器的光谱特性是相交迭的，交迭部分为测量的有效范围，即被测波长处于两个滤波器传输谱的交迭部分，这样被测波长可以分别同时通过两个滤波器。光电转换模块1、光电转换模块2分别和光滤波器1、光滤波器2光路输出端连接，检测光滤波器输出的光强；双路模拟—数字信号转换模块同时和光电转换模块1、光电转换模块2电信号输出端连接；输出的数字信号进入除法器进行除法运算，结果送入对数器进行对数运算，运算结果送显示。
如前所述的光滤波器1和光滤波器2连接在同一个光分路器的两个分路上，他们是光谱特性近似符合高斯型的光学器件，在实施例中光滤波器选用的自制的宽带光栅，中心波长分别是1301nm和1302nm，带宽1nm，光谱交迭部分大于700pm。如前所述的传感用光纤布拉格光栅，光栅的中心波长为1301.400nm。
如前所述的双边缘滤波波长解调系统，其中光电转换模块1、光电转换模块2分别和光滤波器1、光滤波器2连接，检测光滤波器输出的光强，光电转换模块选用光电二级管(GD3553Y)和放大器(CA3140)组成。

Claims (7)

1、一种双边缘滤波波长解调器主要由光源、选择特定波长的器件3、光分路器1、光分路器2、光滤波器1、光滤波器2、光电转换模块1、光电转换模块2、双路模拟-数字信号转换模块、微处理器和显示部分组成，其特征是光分路器1的合路端连接选择特定波长的器件3，两个分路端分别连接光源和光分路器2的合路端；光分路器2的两个分路端分别和光滤波器1和光滤波器2连接；光滤波器1、光滤波器2光路输出端分别连接光电转换模块1、光电转换模块2，检测光滤波器输出的光强；光电转换模块1、光电转换模块2连接双路模拟-数字信号转换模块，输出的数字信号进入微处理器，进行除法和对数运算的数据处理并输出显示信号。
2、一种双边缘滤波解调方法，其特征在于光源输出的宽带光输入光分路器1的一个分路，经过选择特定波长的器件3，返回一个特定波长的窄带光，该窄带光返回到光分路器1的另一个分路端进入光分路器2的合路端，该窄带光被光分路器2平均分到光滤波器1和光滤波器2中，光滤波器1和光滤波器2的光谱特性是相交迭的，交迭部分为波长测量的有效范围，被测窄带光同时分别通过光滤波器1和光滤波器2，输入到光电转换模块1、光电转换模块2，检测光滤波器输出的光强，输出两个模拟电信号。该模拟信号进入双路模拟-数字信号转换模块，输出的数字信号进入微处理器，进行除法和对数运算的数据处理并输出显示信号。
3、如权利要求1所述的双边缘滤波波长解调器，其特征在于光源选用宽带光源。
4、如权利要求1所述的双边缘滤波波长解调器，其特征在于选择特定波长的器件3可选用光纤布拉格光栅、发布里腔和滤光片。
5、如权利要求1所述的双边缘滤波波长解调器，其特征在于光滤波器1和光滤波器2是宽带光栅。
6、如权利要求2所述的一种双边缘滤波解调方法，其特征在于微处理器进行的数据处理是将来自两个光电转换模块的电信号进行除法运算，然后将得数做对数运算得到ρ(x)，被测窄带光的波长x和ρ(x)呈线性关系。
7、如权利要求2所述的一种双边缘滤波解调方法，其特征在于微处理器可以用除法器和对数器代替，连接在双路模拟-数字信号转换模块的数字信号输出端，用硬件实现数据处理。
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