專(zhuān)利名稱(chēng):一種光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于光纖傳感、光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域,涉及到一種光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)方法。
背景技術(shù):
光纖光柵是一種制作在光纖上的具有窄帶反射特性的光學(xué)濾波器。由于石英光纖的彈性形變、熱膨脹特性,以及其熱光、彈光效應(yīng),它具有對(duì)溫度和應(yīng)力的敏感特性。在一定的范圍內(nèi)這一敏感特性是線(xiàn)性的,符合以下的關(guān)系Δλε/λ=ε(1-γ)(1)ΔλT/λ=(α+e)ΔT(2)式中ε為光纖的應(yīng)變,γ為光纖材料的彈光系數(shù),α為光纖材料的熱脹系數(shù),ΔT為溫度變化量,e=1ndndT]]>為熱光系數(shù)。通過(guò)測(cè)量波長(zhǎng)的變化根據(jù)上述的關(guān)系就能確定需感知的溫度和應(yīng)力。要使光纖光柵傳感器實(shí)用化,關(guān)鍵技術(shù)就是如何精確,快速、方便地測(cè)量其中心反射波長(zhǎng)的微小變化,即波長(zhǎng)解調(diào)方法。
目前,對(duì)于光纖光柵的波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù),傳統(tǒng)手段是使用光譜儀、單色儀或者波長(zhǎng)計(jì)等儀器。除此之外人們已經(jīng)提出了一些新型的波長(zhǎng)信息解調(diào)的方案,如馬赫一曾德干涉儀法、可調(diào)諧法布里一珀羅濾波器法、匹配光纖光柵濾波器法等。歸納起來(lái),光纖光柵反射光波長(zhǎng)的解調(diào)技術(shù)可以分為以下幾種類(lèi)型1.被檢測(cè)傳感頭反射回來(lái)的具有一定的光信號(hào)直接輸入到光譜儀、單色儀或波長(zhǎng)計(jì)中,直接測(cè)量出光纖光柵反射信號(hào)的波長(zhǎng)位置。這種解調(diào)方式測(cè)量精度較高,但是這些儀只適合于實(shí)驗(yàn)室使用,不便應(yīng)用于實(shí)際傳感系統(tǒng)中。
2.利用可調(diào)諧激光器作為測(cè)試光源,輸出的激光波長(zhǎng)在一定的范圍內(nèi)連續(xù)掃描,根據(jù)光信號(hào)在掃描周期中的位置,可以得出被測(cè)光纖光柵反射光波長(zhǎng)的變化,或者得出測(cè)量光纖光柵與參考光纖光柵的反射光波長(zhǎng)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是反射光能量高,而且只要一般的光功率計(jì)來(lái)作為接收元件,信號(hào)易于檢測(cè),分辨率高,多路復(fù)用的實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。但該方法的光源設(shè)計(jì)制作難度大,成本高。
3.利用寬帶光源作為測(cè)試光源,利用濾波器或可調(diào)諧濾波器作為對(duì)于傳感光纖光柵反射光信號(hào)的解調(diào)元件,用光功率計(jì)來(lái)檢測(cè)光信號(hào)。這種方法又可以分成反射型和透射型兩類(lèi)。前者的原理如下從傳感FBG的反射光入射到接收端的FBG上,若與接收端FBG的反射光波長(zhǎng)一致,則被反射到探測(cè)器上。通過(guò)PZT驅(qū)動(dòng)接收FBG進(jìn)行微調(diào),得到傳感FBG的峰值波長(zhǎng)。該方法的精度受光源穩(wěn)定性和外界干擾的限制,對(duì)探測(cè)端FBG光譜的穩(wěn)定性要求高。
4.邊緣濾波法,即采用一種具有線(xiàn)寬較大,透過(guò)率呈線(xiàn)性變化的濾波器,與傳感FBG的反射光波長(zhǎng)相卷積,得到的信號(hào)同F(xiàn)BG峰值波長(zhǎng)的位置成比例,因而可以從信號(hào)大小推知FBG波長(zhǎng)位置,這一方法要求解調(diào)濾波器的邊沿要非常陡,線(xiàn)性好,要求系統(tǒng)各個(gè)部件參數(shù)穩(wěn)定,因此設(shè)計(jì)制造和使用較為困難。
由于上述方法存在的缺陷,光纖光柵傳感系統(tǒng)中的解調(diào)技術(shù)成為這一傳感技術(shù)推廣應(yīng)用的主要障礙之一。實(shí)際上,到目前為止,能夠在市場(chǎng)上作為商品出售的光纖光柵解調(diào)器,只有使用可調(diào)諧法布里一珀羅濾波器一種技術(shù),而且由于其技術(shù)的復(fù)雜性,這種產(chǎn)品的售價(jià)都很昂貴,而且響應(yīng)頻率不高。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種簡(jiǎn)單、實(shí)用的光纖光柵解調(diào)方法,克服目前解調(diào)技術(shù)的缺陷,推動(dòng)光纖光柵傳感技術(shù)的實(shí)用化。
本發(fā)明的基本原理是,用寬帶光源入射一對(duì)串聯(lián)在一起的光纖光柵,當(dāng)它們的中心反射波長(zhǎng)差為零時(shí),反射的光功率最小,只比單個(gè)光纖光柵的返回光功率略大,隨著它們的相對(duì)中心反射波長(zhǎng)差的增大,其反射的光功率也增大,當(dāng)它們的相對(duì)中心反射波長(zhǎng)差大于單個(gè)光纖光柵反射帶寬的一半時(shí),其反射光功率將趨于一個(gè)最大值,此最大值略小于兩個(gè)單個(gè)光纖光柵返回光功率之和。因此當(dāng)串聯(lián)在一起的一對(duì)光纖光柵的中心反射波長(zhǎng)差在零和單個(gè)光纖光柵反射帶寬的一半之間變化時(shí),可通過(guò)對(duì)反射光功率的測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)它們的相對(duì)中心反射波長(zhǎng)差的測(cè)量,從而實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)解調(diào)。當(dāng)選用兩個(gè)光纖光柵的中心反射波長(zhǎng)差在1/4單個(gè)光纖光柵反射帶寬附近作為靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí),可以獲得較好的線(xiàn)性工作特性。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下成對(duì)使用串聯(lián)在一起的光纖光柵,且一對(duì)光纖光柵的中心反射波長(zhǎng)差小于單個(gè)光纖光柵反射帶寬的一半。用寬帶光源作為測(cè)試光源,一對(duì)光纖光柵中,一個(gè)用于測(cè)量,另一個(gè)用于提供參考,這樣當(dāng)測(cè)量光柵的中心反射波長(zhǎng)發(fā)生變化時(shí),這一對(duì)光纖光柵的反射光功率將發(fā)生變化,用光電探測(cè)器件(如APD)或其他光功率探測(cè)器來(lái)測(cè)量返回的光功率,就可以計(jì)算出測(cè)量光柵相對(duì)于參考光柵的中心波長(zhǎng)的變化量,實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)解調(diào)。為獲得線(xiàn)性工作特性,可將一對(duì)光纖光柵的中心反射波長(zhǎng)差為單個(gè)光纖光柵反射帶寬的1/4作為靜態(tài)工作點(diǎn)。
本發(fā)明的效果和益處是(1)本發(fā)明無(wú)需專(zhuān)門(mén)的波長(zhǎng)測(cè)量或?yàn)V波器設(shè)備,只需測(cè)量返回光功率就可計(jì)算出測(cè)量光纖光柵的中心反射波長(zhǎng)相對(duì)參考光纖光柵中心反射波長(zhǎng)的變化。
(2)本發(fā)明在實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)測(cè)量時(shí),既不需要調(diào)諧光源,也不需要調(diào)諧濾波器,可以實(shí)現(xiàn)很高的頻率響應(yīng)。實(shí)際上響應(yīng)速度只取決于對(duì)返回光功率的探測(cè)速度,即相應(yīng)光電探測(cè)器件的響應(yīng)速度。
(3)采用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的測(cè)量系統(tǒng),可全部采用光纖和光纖元器件,是一種全光纖系統(tǒng)。各器件和元件之間,可通過(guò)光纖融接機(jī)融接,構(gòu)成一個(gè)整體。因此,使用穩(wěn)定可靠,容易實(shí)現(xiàn)儀器化。
(4)本發(fā)明在實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)解調(diào)的同時(shí),由于參考光柵的采用,在測(cè)應(yīng)力時(shí),可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的補(bǔ)償;在測(cè)溫度時(shí),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力的補(bǔ)償,從而消除溫度、應(yīng)力的相互影響。
(5)本發(fā)明同采用光譜儀、單色儀、波長(zhǎng)計(jì)、邊緣濾波器等方法相比較,簡(jiǎn)單實(shí)用,易于產(chǎn)品化,成本低廉,具有良好的性?xún)r(jià)比,且響應(yīng)速度快,便于光纖光柵傳感器的推廣應(yīng)用,可廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、建筑等領(lǐng)域。
附圖1是本發(fā)明應(yīng)用于單個(gè)測(cè)量點(diǎn)的系統(tǒng)示意圖。
其中1是寬帶光源,2是2×2耦合器,3是參考光纖光柵,4是測(cè)量光纖光柵,5是光電探測(cè)器,6是光電探測(cè)器。
附圖2是本發(fā)明應(yīng)用于分布式測(cè)量的系統(tǒng)示意圖。
其中7是串聯(lián)在一起的一個(gè)光纖光柵對(duì),8是串聯(lián)在一起的一個(gè)光纖光柵對(duì),9是波分復(fù)用器,10和11均為光電探測(cè)器,其中光纖光柵對(duì)7和光纖光柵對(duì)8的返回光頻率范圍應(yīng)不同,以保證能夠被波分復(fù)用器9分開(kāi)。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖,詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。
實(shí)施例1本發(fā)明應(yīng)用于單個(gè)測(cè)量點(diǎn)的情況,如附圖1所示,寬帶光源1發(fā)出的光進(jìn)入2×2耦合器2,被2分束后分別進(jìn)入光電探測(cè)器6、光纖光柵3和光纖光柵4,其中光纖光柵3為參考光柵,光纖光柵4為測(cè)量光柵。光纖光柵3和光纖光柵4的中心反射波長(zhǎng)差約為單個(gè)光纖光柵反射帶寬的1/4。測(cè)量光纖光柵4在被測(cè)量的作用下,反射中心波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生移動(dòng),即造成參考光纖光柵3和測(cè)量光柵4的反射中心波長(zhǎng)差的變化,從而使得光電探測(cè)器5測(cè)得的光功率值發(fā)生變化,再參考光電探測(cè)器6的測(cè)量值,去掉光源功率變化的影響,即可得到測(cè)量光纖光柵4相對(duì)參考光纖光柵3的中心反射波長(zhǎng)變化量,從而實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)解調(diào)。
實(shí)施例2本例說(shuō)明如何用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)分布式光纖光柵傳感。如附圖2所示,寬帶光源1發(fā)出的光進(jìn)入2×2耦合器2,被2分束后分別進(jìn)入光電探測(cè)器6、光纖光柵對(duì)7和光纖光柵對(duì)8,光纖光柵對(duì)7和光纖光柵對(duì)8的相對(duì)中心反射波長(zhǎng)差均為單個(gè)光纖光柵反射帶寬的1/4,且光纖光柵對(duì)7和光纖光柵對(duì)8的返回光頻率范圍應(yīng)不同,以保證能夠被波分復(fù)用器9分開(kāi)。光纖光柵對(duì)7和光纖光柵對(duì)8的返回光經(jīng)過(guò)2×2耦合器2后,進(jìn)入波分復(fù)用器9,經(jīng)波分復(fù)用器9分光后,光纖光柵對(duì)7和光纖光柵對(duì)8的返回光被分開(kāi),分別進(jìn)入光電探測(cè)器10和光電探測(cè)器11,通過(guò)光電探測(cè)器10和光電探測(cè)器11對(duì)返回光功率的測(cè)量,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖光柵對(duì)7和光纖光柵對(duì)8的波長(zhǎng)解調(diào)。光電探測(cè)器6是提供光源功率變化的參考,以消除光源功率變化對(duì)測(cè)量的影響。其中波分復(fù)用器9可使用密集波分復(fù)用器或其他分光器件。這種方案可實(shí)現(xiàn)頻率響應(yīng)非常高的分布式光纖光柵傳感。
權(quán)利要求
1.一種光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)方法,其特征在于成對(duì)使用串聯(lián)在一起的光纖光柵,且一對(duì)光纖光柵的中心反射波長(zhǎng)差小于單個(gè)光纖光柵反射帶寬的一半。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)方法,其特征還在于串聯(lián)在一起的一對(duì)光纖光柵,使用其中心反射波長(zhǎng)差為單個(gè)光纖光柵反射帶寬的1/4處作為靜態(tài)工作點(diǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)方法,其特征還在于采用寬帶光源,通過(guò)光電探測(cè)器件測(cè)量串聯(lián)在一起的光纖光柵對(duì)的反射光功率實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)解調(diào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)方法,其特征還在于使用分光器件來(lái)分開(kāi)各個(gè)測(cè)量光纖光柵對(duì)的返回光,實(shí)現(xiàn)分布式傳感。
全文摘要
本發(fā)明屬于光纖傳感、光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域,涉及到一種光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)方法。其特征為采用寬帶光源,成對(duì)使用串聯(lián)在一起的光纖光柵,一個(gè)作為參考光柵,另一個(gè)作為測(cè)量光柵,兩個(gè)光纖光柵的中心反射波長(zhǎng)差小于反射帶寬的一半,當(dāng)兩個(gè)光纖光柵的中心反射波長(zhǎng)差發(fā)生變化時(shí),返回光功率會(huì)發(fā)生變化,通過(guò)對(duì)這一對(duì)光纖光柵返回功率的測(cè)量,即可得到測(cè)量光柵中心反射波長(zhǎng)相對(duì)參考光纖光柵中心反射波長(zhǎng)的變化,從而實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)解調(diào),把光纖光柵對(duì)的中心反射波長(zhǎng)差設(shè)為單個(gè)光纖光柵的反射帶寬的1/4,可獲得較好的線(xiàn)性。該種技術(shù)響應(yīng)速度快,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用,易于產(chǎn)品化,具有廣闊的市場(chǎng)前景。
文檔編號(hào)G02F2/00GK1584725SQ20041002074
公開(kāi)日2005年2月23日 申請(qǐng)日期2004年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月12日
發(fā)明者王曉旭, 賴(lài)康生, 林鈞岫 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)