CN1687811A - 光纤光栅波长解调器 - Google Patents

Abstract

一种光纤光栅波长解调器，其特征在于包括一马赫曾德干涉仪，该马赫曾德干涉仪是由第二2×2光纤耦合器和一3×3光纤耦合器组成的，一宽带光源通过第一2×2耦合器与一传感光纤光栅相连，该第一2×2耦合器的第二输入端与所述的马赫曾德干涉仪的第二2×2光纤耦合器的两个输入端口中任一端口相连，该马赫曾德干涉仪的三个输出端口的输出进入光电探测电路，该光电探测电路经数据采集卡与计算机相连。本发明的优点是无源、结构简单、灵敏度高、动态范围大、工作稳定可靠，抗光源波动的干扰。

Description

光纤光栅波长解调器

技术领域

本发明涉及光纤光栅，特别是一种基于3×3耦合器马赫曾德干涉仪的光纤光栅波长解调器。主要用于光纤传感、光学测量的技术领域。

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。利用这一特性可以将光纤光栅制作成应变传感器和温度传感器，并衍生出测量压力、加速度、流量、位移等其它物理量的传感器。

光纤光栅用于传感领域的主要优点在于：抗电磁干扰能力强；耐腐蚀；传感头不带电，适合于强电和防电场合；可与光纤系统直接连接，并可多路复用，便于构成各种形式的光纤传感网络，尤其是采用波分复用技术构成的分布式光纤光栅传感器阵列，可以进行大面积的多点测量；稳定性和可靠性好、体积小、精度高；便于埋入复合材料构件及大型工程建筑内部等，对结构的完整性、安全性、载荷疲劳、损伤程度等状态进行连续实时监测。1个微应变和1摄氏度外界环境温度引起C波段的光纤光栅中心波长的移动分别为1.2pm和12pm。这是非常微小的变化量。如何低成本地将微小的波长移动精确地解调出来，是光纤光栅传感器的关键技术问题。各种光纤光栅波长解调方案相继提出，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。如在先技术[1]：刘志国等，高灵敏度光纤光栅传感特性测试仪研究，光子学报，1999，28(2)：138-141。这种解调方式简单、测量精度高，但是这些仪器昂贵而且不易携带。只适合于实验室使用，不便应用于实际传感系统中。

2、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，则被反射到探侧器上。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：在先技术[4]：M.A.Davis，et al.，Matched-filterinterrogation technique for fiber Bragg grating arrays，Electronics Letters，1995，31(10)：822-823提出了透射型的测量方案。该方案与反射型的区别在于：光电探测器不是放在接收端FBG反射光的位置，而是置于透射光的位置，通过监测透射光的有无来确定是否匹配，从而提高了探侧灵敏度。这一方法要求接收端FBG与传感FBG波长接近，传感和解调的波长范围比较小。

3、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，如在先技术[5]：A.D.Kersey，A review of recent developments in fiber optic sensortechnology，Optical Fiber Technology，1996，2，291-317。这一方法要求解调滤波器线性好，要求系统各个元部件参数稳定。因此使用条件比较苛刻。

4、采用由两个2×2光纤耦合器和压电陶瓷组成的马赫曾德干涉仪对宽带光源发出的光进行相位调制，再对反射回来的传感光栅和参考光栅的信号光进行信号比较处理得到解调值。，如在先技术[6]：A.D.Kersey，Fiber-optic Bragg grating strain senseor with drift-compensatedhigh resolution interferometric wavelength-shift detection，OPTICS LETTERS，1993，72-74。这一方案需要加入有源器件，信号处理复杂，成本太高。

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。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种光纤光栅波长解调器，本发明应具有结构简单、灵敏度高、动态范围大、工作稳定可靠和抗光源波动的干扰的优点。

本发明的原理是采用2×2光纤耦合器和一个3×3光纤耦合器组成的非平衡马赫曾德干涉仪对传感光纤光栅的反射波长进行解调。

本发明专利的技术方案如下：

一种光纤光栅波长解调器，其特征在于包括一马赫曾德干涉仪，该马赫曾德干涉仪是由第二2×2光纤耦合器和一3×3光纤耦合器组成的：该第二2×2光纤耦合器的两个输出端与所述的3×3光纤耦合器的任意两个输入端相连构成马赫曾德干涉仪的两臂，该3×3光纤耦合器的三个输出端即为马赫曾德干涉仪的三个输出端口，一宽带光源通过第一2×2耦合器与一传感光纤光栅相连，该第一2×2耦合器的第二输入端与所述的马赫曾德干涉仪的第二2×2光纤耦合器的两个输入端口中任一端口相连，该马赫曾德干涉仪的三个输出端口的输出进入光电探测电路，该光电探测电路经数据采集卡与计算机相连。

所述的马赫曾德干涉仪的两臂的臂长差在1mm-5mm之间。

所述的第一2×2光纤耦合器和第二2×2光纤耦合器的耦合比均为1∶1。所述的3×3光纤耦合器的耦合比为1∶1∶1。

所述的计算机通过三角函数公式和相位解扰算法恢复实际的传感光纤光栅中心波长移动量。

所述的计算机将按下列公式计算相位的变化：

$\tan \mathrm{\φ}\left(t\right)=\frac{\sqrt{3}({\mathrm{\α}}_3{I}_2\left(t\right)-{\mathrm{\α}}_2{I}_3\left(t\right))}{{\mathrm{\α}}_3{I}_2\left(t\right)+{\mathrm{\α}}_2{I}_3\left(t\right)-2{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\α}}_3{I}_1\left(t\right)}$

式中：I_n为干涉仪输出端口的光强值        n＝1，2，3.

I_n＝A_n+B_ncos(Δφ+2π(n-1)/3)

A_n和B_n为干涉仪输出端口的系统参数，Δφ为信号光的相位：

Δφ＝φ₂-φ₁＝2π·Δd/λ

α₁＝1，α₂＝A₂/A₁＝B₂/B₁和α₃＝A₃/A₁＝B₃/B₁，为归一化参数。

所述的计算机进行数据处理时，计算机采用一套相位展开算法解决φ(t)的多值性问题。

本发明的优点和特点如下：

1、本发明采用基于3×3光纤耦合器的马赫曾德干涉仪作为传感光波长信号的读出器件。同采用光谱仪、单色仪、波长计和传统的基于2×2光纤耦合器的方法相比较，成本低廉得多，便于推广应用。

2、本发明的信号解调装置，全部采用光纤和光纤元器件，是一种全光纤的系统。各器件和元件之间，可以全部用光纤熔接机熔接，构成一个整体。因此，使用稳定可靠，容易实现仪器化。

3、本发明采用了无源器件(光纤马赫曾德干涉仪)作解调方案的核心器件，使得解调过程不易受外界电磁环境的干扰；

4、本发明测量范围大。在数据处理过程中采用相位解扰算法，使得在高频的数据采集情形下，测量范围能突破传统干涉仪方案难以逾越的2π相位的限制，测量范围能达到光纤光栅所能承受的应力极限，大约±1500个微应变；

5、本发明结构简单，体积小，使用稳定可靠，具有良好的性价比。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明的马赫曾德干涉仪结构示意图；

图中：1-宽带光源，2-第一2×2光纤耦合器，3-传感光纤光栅，4-马赫曾德干涉仪，4-1、4-2-为第二2×2光纤耦合器的输入端口，4-3-第二2×2光纤耦合器，4-4、4-5-为第二2×2光纤耦合器的输出端口，4-6、4-7-为干涉仪的两臂，4-8-为3×3光纤耦合器，4-9、4-10、4-11为3×3光纤耦合器的输出端口，5-光电探测电路，6-计算机。

具体实施方式

先请参阅图1和图2，由图可见，本发明光纤光栅波长解调器，包括一马赫曾德干涉仪4，该马赫曾德干涉仪4是由第二2×2光纤耦合器4-3和一3×3光纤耦合器4-8组成的：该第二2×2光纤耦合器的两个输出端4-4、4-5与所述的3×3光纤耦合器4-8的任意两个输入端相连构成马赫曾德干涉仪的两臂4-6、4-7，该3×3光纤耦合器的三个输出端即为马赫曾德干涉仪的三个输出端口4-9、4-10、4-11，一宽带光源1通过第一2×2耦合器2与一传感光纤光栅3相连，该第一2×2光纤耦合器2的第二输入端与所述的马赫曾德干涉仪4的第二2×2光纤耦合器4-3的两个输入端口4-1、4-2中任一端口相连，该马赫曾德干涉仪4的三个输出端口的输出进入光电探测电路5，该光电探测电路5经数据采集卡与计算机6相连。所述的马赫曾德干涉仪4的两臂的臂长差在1mm-5mm之间。小于1mm或大于5mm都会使得灵敏度下降。

所述的第一2×2光纤耦合器2和第二2×2光纤耦合器4-3的耦合比均为1∶1。所述的3×3光纤耦合器的耦合比为1∶1∶1。

宽带光源1照射时，然后在干涉仪的输出端口的用光谱仪记录光谱，求出臂长差Δd和调制周期ξ。

宽带光源1通过第一2×2光纤耦合器2照射传感光纤光栅3，传感光纤光栅3反射回的中心波长为λ的信号光再经过第一2×2耦合器2进入马赫曾德干涉仪4，该马赫曾德干涉仪4对信号光强进行调制。调制后马赫曾德干涉仪4的3个输出端口的光强分布可表述为

I_n＝A_n+B_ncos(Δφ+2π(n-1)/3)    n＝1，2，3.    (3)

I_n为干涉仪输出端口的光强值，A_n和B_n为干涉仪输出端口的系统参数，Δφ为信号光的相位，可进一步表示为

Δφ＝φ₂-φ₁＝2π·Δd/λ                      (4)

光源强度的起伏会引起A_n和B_n的变化，但是这一起伏对于三个端口来说是同比例的，因此可以定义三个不随光源强度变化的归一化参数α₁＝1，α₂＝A₂/A₁＝B₂/B₁和α₃＝A₃/A₁＝B₃/B₁，再由(3)式推导出(5)式，式(5)对各端口的信号作了归一化处理，优点在于可以避开光源波动带来的干扰。光电探测电路5将光信号转化为电信号放大并经数据采集卡进行数据采集后输入计算机6。计算机6将数据用式(5)计算相位的变化。同时采用以下的相位解扰算法用于在超过2π相位时恢复实际的总的相位变化量以用于扩大方案的测量范围。

$\tan \mathrm{\φ}\left(t\right)=\frac{\sqrt{3}({\mathrm{\α}}_3{I}_2\left(t\right)-{\mathrm{\α}}_2{I}_3\left(t\right))}{{\mathrm{\α}}_3{I}_2\left(t\right)+{\mathrm{\α}}_2{I}_3\left(t\right)-2{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\α}}_3{I}_1\left(t\right)}---\left(5\right)$

进行数据处理时，计算机采用一套相位展开算法来解决φ(t)的多值性问题：设总的相位变化量φ_sum(t)、参考相位变化量φ_REF，单次相位处理量φ′(t)和状态变量tag。处理数据时，如果|tanφ(t)|＜1，(φ(t)＜π/4)，则取φ′(t)＝arctan(tanφ(t))；否则取φ′(t)＝-arctan(1/tanφ(t))。同时如果|tanφ(t)|＜1，状态变量tag设为为0；否则为1。φ_REF每次计算时加或者减去π/2，由前一状态值(Pre-value)的正负、前一状态(Pre-value’s tag)和当前状态的状态变量(Current-value’s tag)三个因素共同决定，其间的关系可由表1给出。每次采样计算最终得到的总的相位变化值表示为：φ_sum(t)＝φ_REF+φ′(t)。这一过程一直持续到停止数据采集为止。解出φ_sum(t)后，在根据φ_sum(t)的相对变化量Δφ_sum(t)和干涉仪的调制周期ξ就可以得到相应的FBG中心波长相对变化值Δλ＝Δφ_sum(t)·ξ。

本发明基于3×3光纤耦合器的马赫曾德干涉仪经试用表明，具有结构简单、工作稳定可靠、使用方便的优点。

                     表1 φ_REF的取值

前一状态符号Pre-value	前一状态变量Pre-value’s tag	当前状态变量Current-value’stag	φREF
				＜0	0	1	-π/2
＞0	0	1	+π/2
				＜0	1	0	-π/2
＞0	1	0	+π/2

Claims (6)

1、一种光纤光栅波长解调器，其特征在于包括一马赫曾德干涉仪(4)，该马赫曾德干涉仪(4)是由第二2×2光纤耦合器(4-3)和一3×3光纤耦合器(4-8)组成的：该第二2×2光纤耦合器的两个输出端(4-4、4-5)与所述的3×3光纤耦合器(4-8)的任意两个输入端相连构成马赫曾德干涉仪的两臂(4-6、4-7)，该3×3光纤耦合器的三个输出端即为马赫曾德干涉仪的三个输出端口(4-9、4-10、4-11)，一宽带光源(1)通过第一2×2耦合器(2)与一传感光纤光栅(3)相连，该第一2×2耦合器(2)的第二输入端与所述的马赫曾德干涉仪(4)的第二2×2光纤耦合器(4-3)的两个输入端口(4-1、4-2)中任一端口相连，该马赫曾德干涉仪(4)的三个输出端口的输出进入光电探测电路(5)，该光电探测电路(5)经数据采集卡与计算机(6)相连。

2、根据权利要求1所述的光纤光栅波长解调器，其特征在于所述的马赫曾德干涉仪(4)的两臂(4-6、4-7)的臂长差在1mm-5mm之间。

3、根据权利要求1所述的光纤光栅波长解调器，其特征在于所述的第一2×2光纤耦合器(2)和第二2×2光纤耦合器(2)的耦合比均为1∶1。

4、根据权利要求1所述的光纤光栅波长解调器，其特征在于所述的3×3光纤耦合器的耦合比为1∶1∶1。

5、根据权利要求1所述的光纤光栅波长解调器，其特征在于所述的计算机将按下列公式计算相位的变化：

$\tan \mathrm{\φ}\left(t\right)=\frac{\sqrt{3}({\mathrm{\α}}_3{I}_2\left(t\right)-{\mathrm{\α}}_2{I}_3\left(t\right))}{{\mathrm{\α}}_3{I}_2\left(t\right)+{\mathrm{\α}}_2{I}_3\left(t\right)-2{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\α}}_3{I}_1\left(t\right)}$

式中：I_n为干涉仪输出端口的光强值      n＝1，2，3.

      I_n＝A_n+B_ncos(Δφ+2π(n-1)/3)

      A_n和B_n为干涉仪输出端口的系统参数，Δφ为信号光的相位：

Δφ＝φ₂-φ₁＝2π·Δd/λ

α₁＝1，α₂＝A₂/A₁＝B₂/B₁和α₃＝A₃/A₁＝B₃/B₁，为归一化参数。

6、根据权利要求5所述的光纤光栅波长解调器，其特征在于所述的计算机进行数据处理时，计算机采用一套相位展开算法解决φ(t)的多值性问题。

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