本發(fā)明屬于光纖振動(dòng)傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種弱光柵陣列制備方法與控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

基于弱光柵陣列的光纖振動(dòng)傳感器有廣泛的應(yīng)用，如基于弱光柵的光纖周界安防系統(tǒng)、可用于海洋油氣勘探與開發(fā)存儲(chǔ)及軍事安全上的水聽器等都有非常重要的作用。光纖水聽器相對(duì)于傳統(tǒng)的壓電水聽器具有靈敏度高、抗電磁干擾、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和易于復(fù)用等特點(diǎn)。隨著光纖水聽器技術(shù)的不斷完善，其陣列正朝著大規(guī)模、多單元的方向發(fā)展。而傳統(tǒng)干涉型結(jié)構(gòu)的光纖水聽器系統(tǒng)通常比較復(fù)雜，元器件數(shù)目較多，陣列規(guī)模的增加會(huì)影響系統(tǒng)的整體性能和可靠性，且不利于實(shí)際操作。武漢理工大學(xué)設(shè)計(jì)的基于弱光柵陣列的光纖傳感系統(tǒng)通過相鄰光柵之間的干涉，可實(shí)現(xiàn)了水聽器陣列的全光纖化、細(xì)線徑、遠(yuǎn)距離和高靈敏度的水聲探測(cè)，大大簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，減少了耦合器和熔接點(diǎn)數(shù)目。雖然利用相鄰光柵的反射形成干涉，通過干涉條紋來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)境的變化探測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)水聽器系統(tǒng)的全光纖化。但仍存在關(guān)鍵技術(shù)問題需要解決。其中振動(dòng)或者水聽器系統(tǒng)解調(diào)最重要的問題是相鄰弱光柵之間的間隔精度，相鄰光柵之間距離精度將大大影響光纖振動(dòng)或水聽器陣列的解調(diào)速度與探測(cè)能力。

發(fā)明專利CN200920187260.9和20151011446.0發(fā)明了一種在線制備光纖光柵系統(tǒng)，在線制備FBG陣列是指在光纖拉制的過程中，利用準(zhǔn)分子激光器的輸出單脈沖激光能量直接刻寫低反射率的光纖光柵陣列技術(shù)，然后在進(jìn)行二次涂覆，形成大容量低反射率的弱光柵傳感陣列，這種制備技術(shù)生產(chǎn)效率高，因而成本大大降低，工藝靈活，涂層均勻，并且光柵陣列無(wú)焊點(diǎn)，光纖傳輸損耗低，抗機(jī)械拉力強(qiáng)度與光纖一樣，工程施工方便，通常使用時(shí)分復(fù)用與波分復(fù)用技術(shù)進(jìn)行對(duì)FBG波長(zhǎng)解調(diào)，相對(duì)于普通的高反射率的波分復(fù)用系統(tǒng)，這種方法的復(fù)用容量大大增加了傳感器的數(shù)量，形成大容量的光纖傳感系統(tǒng)。武漢理工大學(xué)在動(dòng)態(tài)連續(xù)制備光纖光柵陣列技術(shù)已經(jīng)成熟，并發(fā)表在Chinese Optics Letters.2013,11(3):030602。該弱光柵陣列對(duì)于溫度與應(yīng)變傳感有良好的性能，但是對(duì)于振動(dòng)傳感存在兩個(gè)問題：其一是光柵的帶寬不夠，3dB帶寬僅僅0.15nm，當(dāng)全同弱光柵的中心波長(zhǎng)存在一定的偏移時(shí)，相鄰之間光柵的中心波長(zhǎng)不同，從而不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象；第二個(gè)問題是光柵之間的距離間隔不是嚴(yán)格的等距離，其相鄰光柵之間的間隔在1cm～10cm之間隨機(jī)波動(dòng)，這主要是因?yàn)榭虒懝鈻艜r(shí)受拉絲工藝限制，拉絲速度不勻速，拉絲控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間限制，導(dǎo)致在刻寫光柵時(shí)，準(zhǔn)分子激光器的外觸發(fā)脈沖的時(shí)間控制不精確造成；相鄰光柵之間距離不精確導(dǎo)致使用匹配濾波器很難精確與每個(gè)光柵之間的光程匹配，從而造成系統(tǒng)解調(diào)速度慢，甚至解調(diào)失敗。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種弱光柵陣列制備方法與控制系統(tǒng)，得到光柵間距高精度的弱光柵陣列。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為：一種弱光柵陣列制備控制系統(tǒng)，其特征在于：它包括：

光電編碼器，設(shè)置在拉絲塔中主動(dòng)輪上用于測(cè)量光纖拉絲速度，光電編碼器的線數(shù)N滿足2πR/N≤1mm，R為主動(dòng)輪的半徑；

計(jì)數(shù)器，光電編碼器每發(fā)射一個(gè)脈沖則計(jì)數(shù)器示數(shù)加1，且當(dāng)計(jì)數(shù)器的示數(shù)m滿足NL/2πR-1＜m≤NL/2πR時(shí)，計(jì)數(shù)器清零；L為光柵的間距；

控制器，用于每當(dāng)計(jì)數(shù)器清零時(shí)發(fā)出一個(gè)信號(hào)；

準(zhǔn)分子激光器，用于在接收到控制器的信號(hào)時(shí)，發(fā)射一個(gè)激光脈沖刻寫一個(gè)光柵。

按上述系統(tǒng)，所述的準(zhǔn)分子激光器發(fā)射的激光脈沖經(jīng)過光闌和均勻的相位掩膜版后刻寫光柵，所述的光闌的窄縫的寬帶與相位掩膜版的傾斜角度保證光柵的3dB帶寬大于2nm。

按上述系統(tǒng)，所述的準(zhǔn)分子激光器發(fā)射的激光脈沖經(jīng)過啁啾相位掩膜版后刻寫光柵，所述的啁啾相位掩膜版的傾斜角度保證光柵的3dB帶寬大于2nm。

利用所述的弱光柵陣列制備控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的弱光柵陣列制備方法，其特征在于：它包括以下步驟：

S1、在拉絲塔中主動(dòng)輪上設(shè)置線數(shù)為N的光電編碼器測(cè)量光纖拉絲速度，N滿足2πR/N≤1mm，R為主動(dòng)輪的半徑；

S2、光電編碼器每發(fā)射一個(gè)脈沖則計(jì)數(shù)器示數(shù)加1，且當(dāng)計(jì)數(shù)器的示數(shù)m滿足NL/2πR-1＜m≤NL/2πR時(shí)，計(jì)數(shù)器清零；L為光柵的間距；

S3、每當(dāng)計(jì)數(shù)器清零時(shí)發(fā)出一個(gè)信號(hào)；

S4、準(zhǔn)分子激光器在接收到控制器的信號(hào)時(shí)，發(fā)射一個(gè)激光脈沖刻寫一個(gè)光柵。

按上述方法，所述的準(zhǔn)分子激光器發(fā)射的激光脈沖經(jīng)過光闌和均勻的相位掩膜版后刻寫光柵，通過控制光闌的窄縫的寬帶與均勻的相位掩膜版的傾斜角度來(lái)控制光柵的3dB帶寬大于2nm。

按上述方法，所述的準(zhǔn)分子激光器發(fā)射的激光脈沖經(jīng)過啁啾相位掩膜版后刻寫光柵，或通過控制啁啾相位掩膜版的傾斜角度來(lái)控制光柵的3dB帶寬。

按上述方法，通過準(zhǔn)分子激光器的恒能量模式使整個(gè)拉絲過程中的能量保持固定，同時(shí)整個(gè)拉絲過程中光柵的拉絲速度、拉絲爐的溫度和拉絲張力均保持穩(wěn)定，光柵的反射率控制在-50dB～-40dB，光柵反射率的一致性<5dB。

本發(fā)明的有益效果為：采用本發(fā)明控制系統(tǒng)及方法，得到的相鄰弱光柵的間距不受拉絲速度影響，避免拉絲系統(tǒng)對(duì)光柵間距的累計(jì)誤差限制，實(shí)現(xiàn)全同弱光柵陣列的間距誤差小于1mm，從而得到光柵間距高精度的弱光柵陣列，大大降低了傳感陣列的解調(diào)難度，尤其適用于分布式振動(dòng)傳感領(lǐng)域。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一實(shí)施例的系統(tǒng)原理圖。

圖2為本發(fā)明一實(shí)施例的光柵間距效果圖。

圖3為本發(fā)明一實(shí)施例的光柵反射率一致性效果圖。

圖中：1-光電編碼器；2-計(jì)數(shù)器；3-控制器；4-準(zhǔn)分子激光器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

本發(fā)明提供一種弱光柵陣列制備控制系統(tǒng)，如圖1所示它包括：光電編碼器1，設(shè)置在拉絲塔中主動(dòng)輪上用于測(cè)量光纖拉絲速度，光電編碼器1的線數(shù)N滿足2πR/N≤1mm，R為主動(dòng)輪的半徑；計(jì)數(shù)器2，光電編碼器1每發(fā)射一個(gè)脈沖則計(jì)數(shù)器2示數(shù)加1，且當(dāng)計(jì)數(shù)器2的示數(shù)m滿足NL/2πR-1＜m≤NL/2πR時(shí)，計(jì)數(shù)器2清零；L為光柵的間距；控制器3，用于每當(dāng)計(jì)數(shù)器2清零時(shí)發(fā)出一個(gè)信號(hào)；準(zhǔn)分子激光器4，用于在接收到控制器3的信號(hào)時(shí)，發(fā)射一個(gè)激光脈沖刻寫一個(gè)光柵。本方案光柵間距的精度不受間距L的影響，也不受光纖總長(zhǎng)度的影響，沒有任何累計(jì)誤差，光柵間距誤差僅受限于光電編碼器1的距離最小分辨率和準(zhǔn)分子激光器4收到外部觸發(fā)后，發(fā)出激光脈沖的時(shí)間。其脈沖間隔距離使用高速的示波器觀察如圖2所示，從而使得相鄰光柵之間間距誤差最小，以滿足振動(dòng)光柵陣列對(duì)相鄰光柵之間間距誤差的要求。本實(shí)施例中，整個(gè)控制系統(tǒng)全部使用DSP來(lái)控制，響應(yīng)快速，準(zhǔn)確。

拉絲塔通過石墨爐和光纖光敏預(yù)制棒在高溫下拉絲出125μm的單模光敏光纖，準(zhǔn)分子激光器4被外部觸發(fā)，發(fā)出高能量的激光脈沖，激光脈沖通過聚焦鏡后，在透射到一窄縫光闌，其光闌緊靠均勻的相位掩膜版，從而刻寫單脈沖弱光柵，通過控制光闌的窄縫的寬帶與均勻的相位掩膜版的傾斜角度來(lái)控制光柵的3dB帶寬大于2nm，通過控制光纖的光敏性與準(zhǔn)分子激光器4的激光脈沖能量來(lái)控制光柵的反射率。光闌和均勻的相位掩膜版也可以用啁啾相位掩膜版來(lái)替代。

利用所述的弱光柵陣列制備控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的弱光柵陣列制備方法，它包括以下步驟：

S1、在拉絲塔中主動(dòng)輪上設(shè)置線數(shù)為N的光電編碼器1測(cè)量光纖拉絲速度，N滿足2πR/N≤1mm，R為主動(dòng)輪的半徑。

S2、光電編碼器1每發(fā)射一個(gè)脈沖則計(jì)數(shù)器2示數(shù)加1，且當(dāng)計(jì)數(shù)器2的示數(shù)m滿足NL/2πR-1＜m≤NL/2πR時(shí)，計(jì)數(shù)器2清零；L為光柵的間距。

S3、每當(dāng)計(jì)數(shù)器2清零時(shí)發(fā)出一個(gè)信號(hào)。

S4、準(zhǔn)分子激光器在接收到控制器的信號(hào)時(shí)，發(fā)射一個(gè)激光脈沖刻寫一個(gè)光柵?？虒憣拵豕鈻欧椒ň唧w為：在拉絲過程中，調(diào)整好光路，先通過均勻相位掩膜版動(dòng)態(tài)刻寫出窄帶的弱光柵陣列，然后在相位掩膜版前加一窄縫光闌，并調(diào)整好相位掩膜版的角度，使相位掩膜版與光纖有一定的傾斜角度，從而可寫出反射率為-48dB的寬帶弱光柵陣列。也可以使用啁啾的相位掩膜版代替均勻相位掩膜版和窄縫光闌，是啁啾掩膜版與光纖平行，并且僅靠光纖，可以動(dòng)態(tài)刻寫3dB帶寬大于2nm的弱光柵陣列。

通過控制準(zhǔn)分子激光器4輸出的能量穩(wěn)定性和拉絲的穩(wěn)定性來(lái)實(shí)現(xiàn)弱光柵反射率的一致性,精確控制寬帶光柵的反射率一致性的具體方法：通過準(zhǔn)分子激光器的恒能量模式使整個(gè)拉絲過程中的能量一直保持在一個(gè)固定的能量，能量波動(dòng)小于1％，同時(shí)控制光柵的拉絲速度，拉絲爐的溫度、拉絲張力等參數(shù)為一穩(wěn)定的值。根據(jù)需要可控制光柵的反射率在-50dB～-40dB,反射率的一致性<5dB。其光柵反射強(qiáng)度的一致性通過高速示波器看到如圖3所示。

本發(fā)明實(shí)施的在線制備大容量寬帶弱光柵陣列，在光纖拉絲的過程中，使用單脈沖的準(zhǔn)分子激光器4作為光源對(duì)光纖進(jìn)行刻寫，通過控制光闌的窄縫大小與均勻相位掩膜版或者使用啁啾相位掩膜版控制光柵的3dB寬帶大于2nm，通過光電編碼器1發(fā)射的脈沖數(shù)量來(lái)精確控制準(zhǔn)分子激光器4刻寫光柵的時(shí)間來(lái)控制光柵之間的間距，控制準(zhǔn)分子激光器4的脈沖能量、光纖的拉絲速度和石墨爐溫度等工藝參數(shù)來(lái)控制光柵反射率及反射率的一致性，得到整個(gè)光纖無(wú)焊點(diǎn)的振動(dòng)傳感用的傳感陣列。

本發(fā)明的控制系統(tǒng)和方法制備的光柵的3dB帶寬寬，從而避免環(huán)境影響導(dǎo)致相鄰光柵中心波長(zhǎng)波動(dòng)，而不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象；光柵之間的間距精確，從而使得整個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速有效解調(diào)；光柵的反射率一致性良好，有利于解調(diào)系統(tǒng)功率的控制；整個(gè)傳感陣列無(wú)任何焊點(diǎn)，避免常規(guī)方法中的光纖焊接導(dǎo)致端面反射對(duì)傳感系統(tǒng)的影響；光纖的損耗低，可保證傳感系統(tǒng)的大容量；制備過程全自動(dòng)化，大大提高了制備的效率；光柵的抗機(jī)械強(qiáng)度與光纖一樣，有利于工程施工。本發(fā)明也可以用于其它對(duì)光柵間距精度有要求的傳感領(lǐng)域。

以上實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想和特點(diǎn)，其目的在于使本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于上述實(shí)施例。所以，凡依據(jù)本發(fā)明所揭示的原理、設(shè)計(jì)思路所作的等同變化或修飾，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。