專利名稱：一種基于波長(zhǎng)掃描的主動(dòng)式光纖光柵時(shí)域解調(diào)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種光纖光柵(FBG)時(shí)域解調(diào)裝置，尤其涉及一種基于波長(zhǎng)掃描的主動(dòng)式光纖光柵時(shí)域解調(diào)裝置。
背景技術(shù)：
光纖光柵傳感是利用光纖光柵本身諧振波長(zhǎng)的變化來反映外界相關(guān)物理量的變化。因此，對(duì)光纖光柵波長(zhǎng)的解調(diào)是實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感的關(guān)鍵。一般應(yīng)用中，光纖光柵波長(zhǎng)的漂移都在Pm量級(jí)，所以就要求解調(diào)方法有較高的波長(zhǎng)分辨率。另外，為了適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，解調(diào)裝置還要具有便攜，易于操作、維修等特點(diǎn)。
目前，由各種各樣針對(duì)光纖光柵的解調(diào)方法,如CCD分光計(jì)法、光纖光柵匹配法、干涉儀檢測(cè)法和F-P腔濾波法等。從解調(diào)系統(tǒng)所采用的光源可以將各種解調(diào)方法分為寬帶光源法和可調(diào)諧光源法兩大類。隨著可調(diào)諧濾波器的不斷發(fā)展，可調(diào)諧光源法已經(jīng)具有與寬帶光源法相同的掃描寬度，但是在信噪比以及靈敏度等方面則優(yōu)勢(shì)明顯。2OO2 年，韓國(guó) Chi-Young Ryu 等人在 “Development of fiber Bragg gratingsensor system using wavelength-swept fiber laser，，一文中提出了一種米用基于可調(diào)諧F-P腔的波長(zhǎng)掃描激光器作為光源，利用F-P標(biāo)準(zhǔn)具對(duì)掃描范圍進(jìn)行劃分、定標(biāo)，并使用一個(gè)參考FBG用作溫度補(bǔ)償?shù)牟ㄩL(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)。該方法能夠準(zhǔn)確的對(duì)FBG波長(zhǎng)進(jìn)行解調(diào)，且系統(tǒng)信噪比高、解調(diào)精度高。但是，由于F-P標(biāo)準(zhǔn)具的諧振波長(zhǎng)與參考FBG反射波長(zhǎng)不重合，因此對(duì)波長(zhǎng)的定標(biāo)就比較困難；當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，F(xiàn)-P標(biāo)準(zhǔn)具的諧振波長(zhǎng)間隔就會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化，定標(biāo)就會(huì)產(chǎn)生很大的誤差；此外，該系統(tǒng)只能給出傳感FBG波長(zhǎng)變化的相對(duì)值，而無法給出絕對(duì)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種簡(jiǎn)易的光纖光柵時(shí)域解調(diào)裝置，解決現(xiàn)有解調(diào)裝置中存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，解調(diào)精度不高，難以給出波長(zhǎng)絕對(duì)值等的不足。本發(fā)明的技術(shù)解決方案為—種基于波長(zhǎng)掃描的主動(dòng)式光纖光柵時(shí)域解調(diào)裝置，包括可調(diào)諧激光器、測(cè)量光路、參考光路和光電探測(cè)單元，其中光電探測(cè)單元包括一只光電探測(cè)器及與光電探測(cè)器輸出端相連的電信號(hào)測(cè)量裝置；測(cè)量光路包括一只測(cè)量光纖環(huán)形器和間隔分布在測(cè)量光纖環(huán)形器信號(hào)端的n只測(cè)量光纖光柵，其中n只測(cè)量光纖光柵的中心波長(zhǎng)分別為X Xl Xxn;參考光路包括一只參考光纖環(huán)形器和間隔分布在參考光纖環(huán)形器參考端的m只參考光纖光柵，其中m只參考光纖光柵的中心波長(zhǎng)分別為X1 ，可調(diào)諧激光器輸出激光至兩只光纖環(huán)形器的輸入端，兩只光纖環(huán)形器的輸出端輸出激光至光電探測(cè)器的光敏兀；光纖光柵中心波長(zhǎng)滿足下列條件min {入 X1,入 xj 彡 min {入”入 J 且 max {入 X1,入 xj ^ max {入”入 m}。上述基于波長(zhǎng)掃描的主動(dòng)式光纖光柵時(shí)域解調(diào)裝置中，可調(diào)諧激光器輸出端經(jīng)IX2光纖分束器與兩只光纖環(huán)形器輸入端相連。上述基于波長(zhǎng)掃描的主動(dòng)式光纖光柵時(shí)域解調(diào)裝置中，兩只光纖環(huán)形器輸出端經(jīng)2X1光纖合束器與光電探測(cè)器相連。上述基于波長(zhǎng)掃描的主動(dòng)式光纖光柵時(shí)域解調(diào)裝置中，可調(diào)諧激光器為環(huán)形腔光纖激光器或直線腔光纖激光器，采用可調(diào)諧F-P腔實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧。上述基于波長(zhǎng)掃描的主動(dòng)式光纖光柵時(shí)域解調(diào)裝置中，參考光纖光柵設(shè)置在恒溫裝置中。上述基于波長(zhǎng)掃描的主動(dòng)式光纖光柵時(shí)域解調(diào)裝置中，可調(diào)諧激光器的輸出波長(zhǎng) 為I. 5 iim波段，調(diào)諧范圍不小于50nm，可調(diào)諧F-P腔的掃描頻率為0. 5-1. 5kHz。上述基于波長(zhǎng)掃描的主動(dòng)式光纖光柵時(shí)域解調(diào)裝置中，測(cè)量光纖光柵以等光程均布在測(cè)量光纖環(huán)形器信號(hào)端，參考光纖光柵以等光程均布在測(cè)量光纖環(huán)形器參考端。上述基于波長(zhǎng)掃描的主動(dòng)式光纖光柵時(shí)域解調(diào)裝置中，參考光纖通道F-P腔掃描線性區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)光纖光柵的波長(zhǎng)間隔大于在F-P腔掃描非線性區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)光纖光柵的波長(zhǎng)間隔。上述基于波長(zhǎng)掃描的主動(dòng)式光纖光柵時(shí)域解調(diào)裝置中，可調(diào)諧F-P腔由函數(shù)發(fā)生器驅(qū)動(dòng)，其掃描方式為鋸齒波掃描或三角波掃描。本發(fā)明具有以下有益效果I、本發(fā)明的測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)FBG反射波長(zhǎng)的絕對(duì)解調(diào)，且解調(diào)精度高，可達(dá)亞皮米量級(jí)。2、本發(fā)明的測(cè)量裝置采用波長(zhǎng)掃描方式進(jìn)行解調(diào)，與被動(dòng)式的棱鏡分光或體光柵分光解調(diào)方法相比，信噪比高，F(xiàn)BG容量高，且解調(diào)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低。3、本發(fā)明的測(cè)量裝置通過參考FBG對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)標(biāo)定，有效的解決了 F-P腔掃描重復(fù)性較差的問題。4、本發(fā)明的測(cè)量裝置將F-P腔掃描范圍劃分為一系列線性區(qū)間，同時(shí)相鄰參考FBG波長(zhǎng)間隔的選取可采用F-P腔掃描的線性區(qū)內(nèi)選取較疏的波長(zhǎng)間隔，而在F-P腔掃描的非線性區(qū)內(nèi)采用較密波長(zhǎng)間隔的方案，可有效改善F-P腔掃描的非線性問題，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算，提高了解調(diào)精度。


圖I為本發(fā)明的解調(diào)裝置原理示意圖；圖2為本發(fā)明解調(diào)裝置的一種實(shí)施例圖；圖3為本發(fā)明可調(diào)諧光源的一種技術(shù)方案；圖4為本發(fā)明中參考光路光纖光柵在F-P腔調(diào)諧一個(gè)周期內(nèi)的示波器信號(hào)顯示例圖；圖5為本發(fā)明測(cè)量光路、參考光路在F-P腔調(diào)諧一個(gè)周期內(nèi)的示波器信號(hào)顯示例圖；圖中1 一可調(diào)諧激光器；2—光纖分束器；31—測(cè)量光纖環(huán)形器；32—參考光纖環(huán)形器；4_參考光路；5_測(cè)量光路；6_光電探測(cè)器；7_示波器；8_傳感網(wǎng)絡(luò)；91_測(cè)量光纖光柵；92_參考光纖光柵；10_波分復(fù)用器；11_增益光纖；12_隔離器；13_可調(diào)諧F-P腔；14-函數(shù)發(fā)生器；15-泵浦源；16-光纖合束器。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的基本思路是在F-P腔時(shí)間掃描的基礎(chǔ)上，采用若干已知反射波長(zhǎng)的FBG對(duì)F-P腔的掃描區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)的劃分、定標(biāo)。這樣，根據(jù)掃描過程中傳感光路反射信號(hào)的時(shí)間信息就能推算出該信號(hào)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。如圖I所示，本發(fā)明的基于波長(zhǎng)掃描的主動(dòng)式光纖光柵時(shí)域解調(diào)裝置包括可調(diào)諧激光器I、測(cè)量光路5、參考光路4和光電探測(cè)單元，光電探測(cè)單元包括一只光電探測(cè)器6及與光電探測(cè)器6輸出端相連的電信號(hào)測(cè)量裝置，如示波器7等；測(cè)量光路5包括一只測(cè)量光纖環(huán)形器31和設(shè)置在測(cè)量光纖環(huán)形器31信號(hào)端的n只測(cè)量光纖光柵91，其中n只測(cè)量光纖光柵91的中心波長(zhǎng)分別為X X1 X xn ;參考光路4包括一只參考光纖 環(huán)形器32和設(shè)置在參考光纖環(huán)形器32參考端的m只測(cè)量光纖光柵92，其中m只測(cè)量光纖光柵92的中心波長(zhǎng)分別為X1 Xm;為了實(shí)時(shí)得到有效參考數(shù)據(jù)，要求測(cè)量的光纖光柵波長(zhǎng)均在測(cè)量光纖光柵92波長(zhǎng)所包含的范圍內(nèi)，即min { X X1, A xn} ^ min { A 1； X J且max { A X1,入 xj ^ max { A 1；入 J。其中可調(diào)諧激光器I可以直接輸出激光至兩只光纖環(huán)形器的輸入端(如圖I所示)，也可以經(jīng)1X2的光纖分束器2進(jìn)入到兩只光纖環(huán)形器輸入端(如圖2所示);兩只光纖環(huán)形器的輸出端可直接輸出激光至光電探測(cè)器6的光敏元(如圖I所示)，也可以經(jīng)2X I的光纖合束器16進(jìn)入光電探測(cè)器6 (如圖2所示)；可調(diào)諧激光器可以是直線腔光纖激光器或圖3所示的環(huán)形腔光纖激光器，并采用可調(diào)諧F-P腔13實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧。圖3中可調(diào)諧光纖激光器由泵浦源15、可調(diào)諧F-P腔13、波分復(fù)用器10 ;摻鉺光纖11 ;隔離器12以及函數(shù)發(fā)生器14搭建而成；可調(diào)諧環(huán)形腔光纖激光器的掃描頻率、掃描范圍由函數(shù)發(fā)生器14通過可調(diào)諧F-P腔13進(jìn)行控制，且在允許范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)?？烧{(diào)諧F-P腔13的掃描方式為鋸齒波掃描或三角波掃描，目前的可調(diào)諧范圍>50nm，線寬<55pm，掃描頻率約為0. 5-1. 5kHz。本發(fā)明解調(diào)裝置的工作原理是如圖4所示，在F-P腔13半個(gè)掃描周期中，在時(shí)間序列上會(huì)依次掃出參考光路4上的所有已知波長(zhǎng)的FBG。在示波器7上就會(huì)出現(xiàn)不同時(shí)間tpt2、t3…對(duì)應(yīng)的不同波長(zhǎng)入、入2、X3…的信號(hào)序列，這樣就將時(shí)間與波長(zhǎng)進(jìn)行了對(duì)應(yīng)。設(shè)定在相鄰的兩個(gè)FBG之間，F(xiàn)-P腔13掃描波長(zhǎng)隨時(shí)間線性變化；如圖5所示，在時(shí)間區(qū)間[tk，tk+1]內(nèi)的某時(shí)間tx出現(xiàn)傳感光路中某一信號(hào)時(shí)(其中，k為正整數(shù))，該信號(hào)所對(duì)應(yīng)的FBG波長(zhǎng)X x為:A=A+ (tX - 4)x ~7—~~ ⑴
h — 4+1其中圖5中所對(duì)應(yīng)的的兩個(gè)被測(cè)量波長(zhǎng)分別為Axl=Al+ ( J -Z1) X —--
'Z1-Z2
這樣就可以確定在F-P腔13掃描范圍內(nèi)任意信號(hào)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)解調(diào)。由于一般的示波器7都具有ns量級(jí)的分辨率，所以該解調(diào)方法可以實(shí)現(xiàn)很高的解調(diào)精度。設(shè)參考光路4中相鄰兩個(gè)已知反射波長(zhǎng)的FBG波長(zhǎng)間隔均為A X =Inm左右，F(xiàn)-P腔13掃描范圍為A=60nm，掃描周期為T=2ms (鋸齒波掃描)。
則對(duì)應(yīng)的相鄰兩個(gè)FBG的掃描時(shí)間差為=丄燃。由此可得相鄰兩個(gè)已
A/AA 30 A,.
知反射波長(zhǎng)的FBG區(qū)間內(nèi)，波長(zhǎng)與時(shí)間的對(duì)1 系數(shù)3lU = M = 4 = 3xl(r5m/s。
At T
則公式(I)就變?yōu)槿離=入 k+k(tx_tk).(2)設(shè)示波器7最小時(shí)間分辨率為A tfflin=2ns,則該解調(diào)裝置最小波長(zhǎng)分辨率為 =Z-AZiliiit =^^ = 0.Q6pm。可見，該裝置在理論上有著極高的解調(diào)精度。本發(fā)明的基于波長(zhǎng)掃描的主動(dòng)式光纖光柵時(shí)域解調(diào)方法在使用前需要對(duì)參考光路4中每只光纖光柵的特性參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，以確定其中心波長(zhǎng)，并且在工作中測(cè)量光纖光柵92設(shè)置在恒溫裝置中，克服環(huán)境變化對(duì)其參數(shù)的影響。在采用壓電陶瓷等驅(qū)動(dòng)部件對(duì)F-P腔進(jìn)行掃描時(shí)，即使加載重復(fù)性較好的周期脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，F(xiàn)-P腔也會(huì)出現(xiàn)掃描重復(fù)性差、線性度不佳等問題，影響到濾波波長(zhǎng)的精確性。本發(fā)明采用一系列參考FBG對(duì)F-P腔掃描范圍進(jìn)行實(shí)時(shí)定標(biāo)，解決了 F-P腔掃描重復(fù)性較差的問題；同時(shí)相鄰參考FBG波長(zhǎng)間隔的選取可采用F-P腔掃描的線性區(qū)內(nèi)選取較疏的波長(zhǎng)間隔，而在F-P腔掃描的非線性區(qū)內(nèi)采用較密波長(zhǎng)間隔的方案，結(jié)合對(duì)參考FBG的準(zhǔn)確波長(zhǎng)定標(biāo)，可有效改善F-P腔掃描的非線性問題，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算，提高了解調(diào)精度。如圖2所示，本發(fā)明測(cè)量光路5并不局限于圖I中所示的FBG單路布置方式，可以連接各種復(fù)用結(jié)構(gòu)的FBG傳感網(wǎng)絡(luò)8，其解調(diào)計(jì)算方法根據(jù)FBG的復(fù)用方式而定。
權(quán)利要求
1.一種基于波長(zhǎng)掃描的主動(dòng)式光纖光柵時(shí)域解調(diào)裝置，其特征在于包括可調(diào)諧激光器(I)、測(cè)量光路(5)、參考光路(4)和光電探測(cè)單元，所述的光電探測(cè)單元包括一只光電探測(cè)器(6)及與光電探測(cè)器(6)輸出端相連的電信號(hào)測(cè)量裝置；所述的測(cè)量光路(5)包括一只測(cè)量光纖環(huán)形器(31)和間隔分布在測(cè)量光纖環(huán)形器(31)信號(hào)端的n只測(cè)量光纖光柵(91)，所述n只測(cè)量光纖光柵(91)的中心波長(zhǎng)分別為XXl X Xn ;所述的參考光路(4)包括一只參考光纖環(huán)形器(32)和間隔分布在參考光纖環(huán)形器(32)信號(hào)端的m只參考光纖光柵(92)，所述m只參考光纖光柵(92)的中心波長(zhǎng)分別為，所述可調(diào)諧激光器(I)輸出激光至測(cè)量光纖環(huán)形器(31)和參考光纖環(huán)形器(32)輸入端，測(cè)量光纖環(huán)形器(31)和參考光纖環(huán)形器(32)的輸出端分別輸出激光至光電探測(cè)器(6)的光敏元；所述測(cè)量光纖光柵(91)、參考光纖光柵(92)中心波長(zhǎng)滿足下列條件min {入 X1,入 xn} ≥ min {入入 J max {入 X1,入 xj ≤ max {入入 J。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于波長(zhǎng)掃描的主動(dòng)式光纖光柵時(shí)域解調(diào)裝置，其特征在于還包括I X 2光纖分束器(2 );所述可調(diào)諧激光器(I)輸出端經(jīng)I X 2光纖分束器(2 )與測(cè)量光纖環(huán)形器(31)和參考光纖環(huán)形器(32 )輸入端相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于波長(zhǎng)掃描的主動(dòng)式光纖光柵時(shí)域解調(diào)裝置，其特征在于還包括2X I光纖合束器(16);所述測(cè)量光纖環(huán)形器(31)和參考光纖環(huán)形器(32)輸出端經(jīng)2 X I光纖合束器(16 )與光電探測(cè)器(6 )相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于波長(zhǎng)掃描的主動(dòng)式光纖光柵時(shí)域解調(diào)裝置，其特征在于所述的可調(diào)諧激光器(I)為環(huán)形腔光纖激光器或直線腔光纖激光器，采用可調(diào)諧F-P腔(13)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于波長(zhǎng)掃描的主動(dòng)式光纖光柵時(shí)域解調(diào)裝置，其特征在于所述可調(diào)諧激光器(I)的輸出波長(zhǎng)為I. 5 波段，調(diào)諧范圍不小于50nm，可調(diào)諧F-P腔(13)的掃描頻率為0. 5-1. 5kHz。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于波長(zhǎng)掃描的主動(dòng)式光纖光柵時(shí)域解調(diào)裝置，其特征在于所述參考光纖光柵(92)設(shè)置在恒溫裝置中。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于波長(zhǎng)掃描的主動(dòng)式光纖光柵時(shí)域解調(diào)裝置，其特征在于所述測(cè)量光纖光柵(91)以等光程均布在測(cè)量光纖環(huán)形器(31)信號(hào)端，所述參考光纖光柵(92)以等光程均布在參考光纖環(huán)形器(32)參考端。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于波長(zhǎng)掃描的主動(dòng)式光纖光柵時(shí)域解調(diào)裝置，其特征在于在所述參考光纖通道中，F(xiàn)-P腔掃描線性區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)光纖光柵的波長(zhǎng)間隔大于在F-P腔掃描非線性區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)光纖光柵的波長(zhǎng)間隔。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于波長(zhǎng)掃描的主動(dòng)式光纖光柵時(shí)域解調(diào)裝置，其特征在于可調(diào)諧F-P腔(13)由函數(shù)發(fā)生器(14)驅(qū)動(dòng)，其掃描方式為鋸齒波掃描或三角波掃描。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于波長(zhǎng)掃描的主動(dòng)式光纖光柵時(shí)域解調(diào)裝置，在F-P腔時(shí)間掃描的基礎(chǔ)上，采用若干已知反射波長(zhǎng)的FBG對(duì)F-P腔的掃描區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)的劃分、定標(biāo)，根據(jù)掃描過程中傳感光路反射信號(hào)的時(shí)間信息就能推算出該信號(hào)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)FBG傳感網(wǎng)絡(luò)的解調(diào)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、容量大等特點(diǎn)，并且有效克服了F-P腔掃描中存在的重復(fù)性及非線性問題，提高了解調(diào)精度。
文檔編號(hào)G01D5/26GK102735270SQ20121022282
公開日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月29日
發(fā)明者馮國(guó)斌, 葉錫生, 吳勇, 楊鵬翎, 武俊杰, 王振寶, 陳紹武, 陶蒙蒙 申請(qǐng)人:西北核技術(shù)研究所