CN1737676A - 光纤Bragg光栅传感解调装置及解调方法 - Google Patents

Abstract

光纤Bragg光栅传感解调装置及解调方法。宽带光源的光通过第一耦合器到达待测光纤Bragg光栅传感器阵列，反射光经第一第二耦合器传至啁啾光纤光栅调节后，将信号反射回第二耦合器并到达基于光纤熔融拉锥器件的线性滤波器，再经一对探测器转化为电信号送入信号处理与调谐控制系统进行采集和处理。本发明能进行动态和静态测量，能通过波分复用实现对单根串接的光纤Bragg光栅阵列解调，且测量灵敏度和测量范围可调。系统对反射谱中心调节精度和谱型变化要求较低，因此易于用较低的成本制作。采用基于熔融拉锥技术的器件作为线性滤波器，使得光路损耗和器件成本大大下降。可根据需要更换啁啾光纤光栅和熔融拉锥器件，从而可适应于采用不同宽带光源构成的传感系统。

Description

光纤Bragg光栅传感解调装置及解调方法

【技术领域】：本发明涉及可用于各种基于光纤Bragg光栅的光纤传感领域，尤其是光纤Bragg光栅传感的解调装置及解调方法。

【背景技术】：光纤Bragg光栅(FBG)传感器是目前应用研究最多的光纤光栅传感器，在整个光纤光栅长度内，周期和折射率是均匀的，Bragg谐振反射波长：

           λ_B＝2nΛ                               (1-1)

式中，Λ为光栅周期，n为纤芯有效折射率。外界待测量如应变的扰动会引起光纤光栅的折射率和光纤光栅周期的变化，进而使光纤光栅的Bragg反射波长漂移。通过测取波长的漂移量即可获知待测量的变化信息。

光纤Bragg光栅传感中极为重要的一个环节是光纤光栅波长的解调方法，目前提出的方法根据所使用解调装置的原理可分为五大类：

●光谱仪直接测取

光谱仪是光纤光栅反射谱测量的最为直接的办法，它在最初的试验研究中得到广泛使用，但是光谱仪作为贵重仪器，并不适合于传感现场使用。目前这种方法主要用于光纤光栅制作时的监测。

●无源比例解调

其原理是利用线性滤波的光波透过率变化特性来鉴别。在线性滤波器的工作范围内，每一个波长对应一个透过率，因此检测透过率，便可以反推出波长信息。同时利用双光路探测消除光源功率波动的影响。如在先技术[1]Melle S M，LiuK，Measures R M.Practical fiber optic Bragg grating strain gauge system.Applied Optics，1993，32(19)：3601-3609；在先技术[2]Davis M A，Kersey A D.Allfiber Bragg grating strain-sensor demodulation technique using a wavelengthdivision coupler.Electron.Lett，1994，30(1)：75-77。这种技术缺点是不能测量串行的FBG阵列，不能充分发挥光纤传感器的优势。

●可调谐窄带滤波器滤波解调

宽带光源经光纤Bragg光栅反射后得到的信号是一个窄带信号，通常3dB带宽约为0.2nm，且反射谱外形接近高斯线型，随后该信号经过具有高斯谱型的可调谐窄带滤波器后到达探测器。当光纤Bragg光栅的反射谱中心波长与窄带滤波器的透射谱或反射谱的中心波长重合时，探测器输出为最大值，根据这一判断准则，即可由窄带滤波器的透射谱中心波长确定光纤Bragg光栅波长。该类方法依据是否采用反馈控制而工作在两种模式下，扫描模式和跟踪自锁定模式。可调谐窄带滤波器可使用光纤法珀滤波器，如在先技术[3]Kersey A D，Berkoff T A，Morey W W.Multiplexed fiber Bragg grating strain sensor system with a fiberFabry-Perot wavelength filter.Optics Letters，1993，18：1370-1372；使用可调谐光纤光栅作为窄带滤波器构建解调系统，如在先技术[4]Jackson D A，LoboR，Reekie L，et al.Simple multiplexing scheme for a fiber optic grating sensornetwork.Optic.Lett.，1993，18：1192-1194；可利用声光调制器作为窄带滤波器，如在先技术[5]Davis M A，Kersey A D.Serially configured matched filterinterrogation technique for Bragg grating arrays.SPIE 1995，2444：295-312。这类技术对调谐装置要求非常严格，通常需要可精确控制的压电陶瓷调节，装置成本高。

●干涉仪解调

在在先技术[5]Kersey A D，Berkoff T A，Morey W W.High resolutionfibre-grating based strain sensor with interferometric wavelength-shiftdetection.Electronics Letters，1992，28(3)：236-238中提出利用非平衡干涉臂的Mach-Zehnder干涉仪检测动态应变的解调方案。由于干涉仪输出相位φ与Bragg波长λ存在关系：φ＝2πnd/λ，其中，n为折射率，d为两臂光程差，因此检测输出相位即可获知波长信息。在在先技术[6]Davis M A，Kersey AD.Application of afiber Fourier transform spectrometer to the detection of wavelength-encodedsignals from fiber Bragg grating sensors.Journal of LightwaveTechnology，1995，13(7)：1289-1295中提出基于光纤Michelson干涉仪的光纤傅里叶变换谱解调方法。这类技术通常对解调器的工作环境要求比较严格，装置复杂，成本高。

●有源激光解调

可利用传感光纤光栅作为光纤激光器的一端反射镜，将应变的信息转换为激光输出波长的变化，再配以上述波长解调方法解调，因此系统复杂。如在先技术[7]Melle S M，Alavie A T，Karr S，et al.A Bragg grating-tuned fiber laser strainsensor system.IEEE Photonics Technology Letters，1993，5(2)：263-266。

随着光纤Bragg光栅传感器制作技术的成熟，光纤光栅传感器的价格有大幅下降，而目前市场上光纤光栅解调装置主要基于光纤法珀滤波器，价格昂贵，而且难于测量动态应变，这成为光纤光栅传感技术在油井温度、压力和结构健康监测等领域推广发展的障碍。

【发明内容】：本发明的目的是解决上述方法中不足，提供一种成本低廉，便携式，可以实现静态和动态测量，性能可靠的光纤Bragg光栅传感解调装置及解调方法。

本发明提供的基于全光纤器件的光纤Bragg光栅传感解调装置，包括宽带光源，宽带光源的光通过第一耦合器到达待测光纤Bragg光栅传感器阵列，反射光经过第一耦合器和第二耦合器传至啁啾光纤光栅处，对啁啾光纤光栅进行调节后，啁啾光纤光栅将处在它反射谱内的光纤Bragg光栅的信号反射回第二耦合器并到达基于光纤熔融拉锥器件的线性滤波器，光纤熔融拉锥器件的两端输出光功率经一对探测器转化为电信号送入信号处理与调谐控制系统进行采集和处理，信号处理与调谐控制系统同时分别驱动调节装置对线性滤波器和啁啾光纤光栅进行调节控制。

一种光纤Bragg光栅传感解调方法，该方法的解调过程是：宽带光源的光通过第一耦合器到达待测光纤Bragg光栅传感器阵列，反射光经过第一耦合器和第二耦合器传至啁啾光纤光栅处，对啁啾光纤光栅进行调节，使其反射谱中心波长移至待检测的光纤Bragg光栅中心波长附近，啁啾光纤光栅将处在它反射谱内的光纤Bragg光栅的信号反射回第二耦合器并到达基于光纤熔融拉锥器件的线性滤波器，两端输出光功率经一对探测器转化为电信号并由信号处理与调谐控制系统进行采集和处理，其处理依据电信号与光纤Bragg光栅中心反射波长存在的如下关系：

$V=k_V\lg \frac{P_1}{P_2}=k_V{k}_p(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_0)=k_{\mathrm{total}}(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_0)$

式中，k_V是与电路参数有关的比例常数，k_p为由熔融拉锥分光器件决定的比例常数(通过驱动调节装置对熔融拉锥分光器件进行调节控制，可以改变k_p，从而改变解调装置的灵敏度和解调范围)λ₀为参考波长，λ为FBG传感器反射波长；由上式通过测出的电压即可反算出光纤Bragg光栅的波长。

本发明的优点和积极效果：

1.提出一套完整的基于全光器件的光纤Bragg光栅解调方法，能进行动态和静态测量，能够通过波分复用实现对单根串接的光纤Bragg光栅阵列解调，且测量灵敏度和测量范围可调。

2.采用啁啾光纤光栅从光纤Bragg光栅传感器阵列中选择待解调的光纤Bragg光栅传感器。啁啾光纤光栅具有较宽的反射谱，谱宽小于相邻光纤Bragg光栅中心波长之差(通常在3-5nm)。通过调节装置，可对啁啾光纤光栅反射谱中心波长加以调节。系统对反射谱中心调节精度和谱型变化要求较低，因此易于用较低的成本制作。

3.采用基于熔融拉锥技术的器件作为线性滤波器，使得光路损耗和器件成本大大下降。该器件的拉锥部分可固定在调节装置上，通过调节器件拉锥部分的长度，可改变该器件两端口的输出特性，从而改变测量灵敏度和测量范围。

4.可根据外界干扰大小，测量方式包括直流直接测量和调制测量。光源强度外部调制包括根据磁光效应的光衰减调制方式，基于MEMS技术的机械式光衰减调制方式，和斩波器式调制。

5.可根据需要更换啁啾光纤光栅和熔融拉锥器件，从而可适应于采用不同宽带光源构成的传感系统。

【附图说明】：

图1是本发明解调装置结构示意图；

图2是带有调节装置的啁啾光纤光栅的反射谱示意图；

图3是基于光纤熔融拉锥器件的线性滤波器的分光特性示意图；

图4是信号处理与调谐控制系统示意图；

图5是信号处理与调谐控制系统中所用前置放大电路；

图6是信号处理与调谐控制系统中所用带通滤波电路；

图7是信号处理与调谐控制系统中所用相敏检波电路；

图8是信号处理与调谐控制系统中所用调制信号发生电路。

【具体实施方式】：

实施例1：解调装置

如图1所示，光纤Bragg光栅传感解调装置，包括宽带光源1，宽带光源的光通过第一耦合器2到达待测光纤Bragg光栅传感器阵列3，反射光经过第一耦合器2和第二耦合器4传至啁啾光纤光栅5处，对啁啾光纤光栅进行调节后，啁啾光纤光栅将处在它反射谱内的光纤Bragg光栅的信号反射回第二耦合器并到达基于光纤熔融拉锥器件的线性滤波器6，光纤熔融拉锥器件的两端输出光功率经一对探测器8转化为电信号送入信号处理与调谐控制系统9进行采集和处理，信号处理与调谐控制系统同时分别驱动调节装置对线性滤波器6和啁啾光纤光栅5进行调节控制。

实施例2：解调方法

上述解调装置的解调过程如下：

宽带光源1的光通过第一耦合器2到达待测光纤Bragg光栅传感器阵列3，反射光经过第一耦合器2和第二耦合器4传至啁啾光纤光栅5处(带有调节装置的啁啾光纤光栅5用于实现对光纤Bragg光栅的选择，其反射谱示意见图2)，对啁啾光纤光栅进行调节，使其反射谱中心波长移至待检测的光纤Bragg光栅中心波长附近，啁啾光纤光栅将处在它反射谱内的光纤Bragg光栅的信号反射回第二耦合器并到达基于光纤熔融拉锥器件的线性滤波器，光纤熔融拉锥器件的两端输出的功率之比101g(P₁/P₂)随波长呈线性变化，如图3所示分光特性示意图，两端输出光功率经一对探测器转化为电信号并由信号处理与调谐控制系统进行采集和处理，其处理是依据电信号与光纤Bragg光栅中心反射波长存在的如下关系：

$V=k_V\lg \frac{P_1}{P_2}=k_V{k}_p(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_0)=k_{\mathrm{total}}(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_0)$

式中，k_V是与电路参数有关的比例常数，k_p为由熔融拉锥分光器件决定的比例常数(通过调节装置7对线型滤波器6进行调节控制，可以改变k_p，从而改变解调装置的灵敏度和解调范围)λ₀为参考波长，λ为FBG传感器反射波长；由上式通过测出的电压即可反算出光纤Bragg光栅的波长。

本发明解调方法中：

1.光源可为中心波长在600-1600nm范围内的宽带光源，如SLD和ASE光源，根据光源采用敏感谱与之相适应的光探测器。根据需要，可对光源采取外部强度调制。

2.本方法测量方式包括直流直接测量和调制测量。光源强度外部调制包括根据磁光效应的光衰减调制方式，基于MEMS技术的机械式光衰减调制方式，和斩波器式调制。

3.本方法利用可调节啁啾光纤光栅实现光纤Bragg光栅传感器的选择，调节方法包括机械调节和电热温度调节。

4.本方法利用熔融拉锥器件作为线性滤波器，熔融拉锥器件的拉锥部分可置于调节装置上，调节方法包括机械调节和电热温度调节。

实施例3：信号处理与调谐控制系统

信号处理与调谐控制系统结构如图4所示，10、11为前置放大电路(连接电路参见图5)，12、13为切换开关，14、15为带通滤波电路(连接电路参见图6)，16、17为相敏检波器(连接电路参见图7)，18、19为低通滤波电路，20为对数除法电路，21为可编程放大电路，22为线性滤波器的调节装置驱动电路，23为啁啾光纤光栅调节装置的驱动电路，24为外部调制器的调制信号发生电路(连接电路参见图8)，25为人机接口电路，26为单片机信号处理电路，27为液晶显示电路。

光强信号经探测器转化为电信号后，由前置放大电路10、11进行第一级放大，单片机根据测量方式利用切换开光10、11进行电路切换，当测量方式为调制测量，带通滤波电路12、13被接通并用于滤除调制频率以外的干扰信号，以外部调制器的调制信号24作为参考信号，通过相敏检波器16、17和低通滤波电路18、19将调制电信号解调出来，当测量方式为直接测量，则电信号直接通过低通滤波电路18、19后滤除高频干扰并进行解调。解调所得到的电信号通过对数除法电路20和可编程放大电路21后由单片机信号处理电路26进行数据采集和分析。人机接口电路25用于人机交互操作，线性滤波器的调节装置驱动电路22和啁啾光纤光栅调节装置的驱动电路23根据人机接口电路25的设定相应地驱动线性滤波器和啁啾光纤光栅调节装置。液晶显示电路用于显示测量结果和参数设定结果。

实施例4：应用举例

本发明解调装置和方法可以用于光纤光栅准分布式的应变和温度传感。具有不同反射波长的光纤光栅构成传感器阵列。传感器阵列接在解调装置上的典型结构如图1所示。其中光源1采用ASE光源，利用根据磁光效应的光衰减调制方式以频率f进行外部正弦强度调制，3是传感器阵列中的第一个光纤光栅传感器，波长为λ₁。其他的依次为λ₂，λ₃，…，λ_n。所有光纤光栅的谱均处在ASE光源的光谱范围内。光纤光栅传感器阵列固定在应变和温度待测的结构件上。根据测量的灵敏度和测量范围要求，调节线性滤波器调节装置7使线性滤波器6的分光特性至设定值。当我们需要检测波长为λ₁的光纤光栅传感器，调节啁啾光纤光栅5的反射谱，使之覆盖待检测光纤光栅传感器的反射谱。此时，线性滤波器6的两端输出频率为f的光强信号，经一对探测器转化为两路电流信号，信号处理与调谐控制系统中的锁相放大电路对其放大并进行两路差分，从而得到与波长成线性关系的输出电压，经过简单反算即求出λ₁。又光纤光栅的波长与温度和应变成线性关系，因而进一步的反算可得到光纤光栅所在处的温度和应变信息。对于其他波长的λ₂，λ₃，…，λ_n的光纤光栅传感器，可以调节移动啁啾光纤光栅5的反射谱进行扫描，依次分离出λ₂，λ₃，...，λ_n的光纤光栅传感器得到相应的光纤光栅波长漂移，从而得到不同位置处的温度和应变信息。

Claims (3)

1、一种基于全光纤器件的光纤Bragg光栅传感解调装置，其特征是该装置包括宽带光源，宽带光源的光通过第一耦合器到达待测光纤Bragg光栅传感器阵列，反射光经过第一耦合器和第二耦合器传至啁啾光纤光栅处，对啁啾光纤光栅进行调节后，啁啾光纤光栅将处在它反射谱内的光纤Bragg光栅的信号反射回第二耦合器并到达基于光纤熔融拉锥器件的线性滤波器，光纤熔融拉锥器件的两端输出光功率经一对探测器转化为电信号送入信号处理与调谐控制系统进行采集和处理，信号处理与调谐控制系统同时分别对线性滤波器调节装置和啁啾光纤光栅进行调节控制。

2、一种光纤Bragg光栅传感解调方法，其特征在于该解调过程是：宽带光源的光通过第一耦合器到达待测光纤Bragg光栅传感器阵列，反射光经过第一耦合器和第二耦合器传至啁啾光纤光栅处，对啁啾光纤光栅进行调节，使其反射谱中心波长移至待检测的光纤Bragg光栅中心波长附近，啁啾光纤光栅将处在它反射谱内的光纤Bragg光栅的信号反射回第二耦合器并到达基于光纤熔融拉锥器件的线性滤波器，两端输出光功率经一对探测器转化为电信号并由信号处理与调谐控制系统进行采集和处理，其处理依据电信号与光纤Bragg光栅中心反射波长存在的如下关系：

$V=k_{V}1g\frac{P_1}{P_2}=k_V{k}_p(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_0)=k_{\mathrm{total}}(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_0)$

式中，k_v是与电路参数有关的比例常数，k_p为由熔融拉锥分光器件决定的比例常数，λ₀为参考波长，λ为FBG传感器反射波长；由上式通过测出的电压即可反算出光纤Bragg光栅的波长。

3、根据权利要求2的解调方法，其特征在于通过对线性滤波器调节装置进行调节控制，可以改变k_p，从而改变解调装置的灵敏度和解调范围。

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