本發(fā)明涉及一種光纖傳感裝置，特別是一種基于條紋對比度解調(diào)的弱反-FIZEAU傳感裝置。

背景技術(shù)：

光纖傳感器與電學(xué)傳感器相比具有尺寸小、適用于惡劣環(huán)境、可靠性高、易于長距離通信組網(wǎng)等優(yōu)勢，在大型工程及建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，光纖傳感器的傳感精度受光源功率的抖動和波長的漂移、波長標(biāo)定模塊的漂移等多種解調(diào)端因素的影響。以典型光纖布拉格光柵傳感器為例，波長掃描濾波器的線性特性及波長重復(fù)性的劣化會大大降低布拉格波長的檢測精度。

現(xiàn)有提高光纖傳感器解調(diào)精度的方案主要是基于傳感器的特殊設(shè)計(jì)和解調(diào)算法的優(yōu)化。傳感器設(shè)計(jì)方面，例如，使用DFB(Distributed Feed Back，分布反饋)光纖激光傳感器代替FBG(Fiber Bragg Grating，即為光纖光柵)傳感器，由于DFB的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于FBG，波長分辨率與FBG相比提高6個(gè)數(shù)量級以上，可大大提高解調(diào)精度。再例如，通過特殊光纖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，例如非本征型光纖FP(Fabry-perot，法布里泊羅)腔，實(shí)現(xiàn)傳感信號的增敏，放大待測傳感量的靈敏度。解調(diào)算法的優(yōu)化方面，例如，通過高精度的FBG尋峰算法可實(shí)現(xiàn)FBG解調(diào)精度達(dá)到10^-6，再例如，以PDH(Pound-Drever-Hall)鎖頻為代表的高精度解調(diào)技術(shù)，這種方法通過高精度的激光鎖頻技術(shù)提高FBG-FP傳感器解調(diào)精度。

其中，DFB光纖傳感器由于有源光纖的吸收和熔點(diǎn)的損耗會造成復(fù)用容量的降低，另外，DFB的波長漂移的精確測量依然依賴于高精度的解調(diào)系統(tǒng)，因此，系統(tǒng)成本較高。

經(jīng)過特殊光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)傳感器，由于光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)被破壞，損耗較大，一致性較低，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)用。

FBG尋峰算法容易受光源的波長功率漂移影響，對光源和波長掃描模塊穩(wěn)定性要求較高，因此系統(tǒng)成本高。

基于PDH鎖頻的解調(diào)技術(shù)需要復(fù)雜的誤差信號計(jì)算模塊，系統(tǒng)較復(fù)雜，另外，為了補(bǔ)償激光器的不穩(wěn)定性，需要使用參考傳感器進(jìn)行補(bǔ)償，不利于傳感器小型化和封裝。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種弱反FBG-FIZEAU傳感裝置，提高精度同時(shí)降低系統(tǒng)復(fù)雜度以及成本。

本發(fā)明提供了一種弱反FBG-FIZEAU傳感裝置，包括用于將多個(gè)不同波長的掃描激光進(jìn)行反射的傳感端和對傳感端反射的光信號進(jìn)行解調(diào)從而得到測量結(jié)果的解調(diào)端；

所述傳感端包括光環(huán)行器和保偏光纖，每段保偏光纖內(nèi)設(shè)有與掃描激光波長數(shù)量相等的光纖諧振腔，所述光纖諧振腔為弱反FBG-FIZEAU光纖諧振腔，每個(gè)光纖諧振腔構(gòu)成一個(gè)傳感子單元，保偏光纖中的傳感子單元組成一組傳感單元，每段保偏光纖對應(yīng)串接一個(gè)光環(huán)形器，光環(huán)形器的端口2與保偏光纖的前端連接，設(shè)置在兩段保偏光纖之間的光環(huán)形器的端口1與前一段保偏光纖的后端連接；

所述解調(diào)端包括產(chǎn)生多個(gè)波長的掃描激光輸出的多波長掃描激光器、與多波長掃描激光器順序連接的偏振控制器、線偏器、光開關(guān)、波分復(fù)用器、與掃描激光波長數(shù)量相等的光電探測器、信號分析模塊；所述信號分析模塊還與多波長掃描激光器、光開關(guān)連接，所述傳感端中位于首位的光環(huán)形器的端口1與線偏器的輸出端連接，所述光開關(guān)設(shè)有與光環(huán)形器數(shù)量相等的輸入端，光開關(guān)的輸入端分別與光環(huán)形器的端口3連接，光開關(guān)的輸出端與波分復(fù)用器連接，每組傳感單元中的每個(gè)傳感子單元反射對應(yīng)波長的掃描激光形成兩路反射光，兩路反射光經(jīng)光環(huán)形器、光開關(guān)傳輸出至波分復(fù)用器進(jìn)行波分解，透射光傳輸至下一個(gè)光環(huán)形器，波分復(fù)用器將反射光進(jìn)行波分解后通過光電探測器形成傳感信號輸出至信號分析模塊進(jìn)行解調(diào)。

進(jìn)一步地，每個(gè)光纖諧振腔包括設(shè)于兩端的布拉格光柵以及位于兩端的布拉格光柵之間的保偏光纖體部，位于兩端的布拉格光柵的布拉格光柵中心波長相等，反射率為5％至10％之間。

進(jìn)一步地，每組傳感單元中傳感子單元的布拉格光柵中心波長與多波長掃描激光器發(fā)出的多個(gè)掃描激光的波長一一對應(yīng)。

進(jìn)一步地，所述保偏光纖中的弱反FBG-FIZEAU光纖諧振腔通過相位模板曝光法制得。

進(jìn)一步地，所述弱反FBG-FIZEAU光纖諧振腔的腔長小于多波長掃描激光器的相干長度。

進(jìn)一步地，所述信號分析模塊的解調(diào)為通過測量傳感信號的條紋對比度變化從而實(shí)現(xiàn)解調(diào)。

進(jìn)一步地，當(dāng)傳感信號帶來的條紋對比度變化小于其變化的單調(diào)范圍時(shí)，通過傅立葉變換求得條紋對比度，從而實(shí)現(xiàn)傳感信號解調(diào)。

進(jìn)一步地，當(dāng)傳感信號帶來的條紋對比度變化大于其變化的單調(diào)范圍時(shí)，通過FBG波長漂移對條紋對比度變化周期數(shù)進(jìn)行計(jì)算，然后通過傅里葉變換求得條紋對比度，從而實(shí)現(xiàn)大范圍傳感信號解調(diào)。進(jìn)一步地，所述線偏器的偏振方向與保偏光纖的快軸和慢軸的夾角分別為45度。

進(jìn)一步地，所述保偏光纖與光環(huán)形器采用對軸模式熔接。。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，通過設(shè)置多段保偏光纖，并在每段保偏光纖中設(shè)置多個(gè)弱反FBG-FIZEAU光纖諧振腔，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)監(jiān)測，通過測量傳輸信號的條紋對比度實(shí)現(xiàn)高精度的解調(diào)，對波長掃描激光器的性能要求不高，而且免去了參考傳感器，系統(tǒng)簡單成本低。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明弱反FBG-FIZEAU傳感單元的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

如圖1所示，本發(fā)明的一種弱反FBG-FIZEAU(菲佐)傳感裝置，包括用于將多個(gè)不同波長的掃描激光進(jìn)行反射的傳感端11和對傳感端11反射的傳感信號進(jìn)行解調(diào)的解調(diào)端12；

其中：所述傳感端11包括光環(huán)形器4、保偏光纖5，相鄰兩段保偏光纖5通過光環(huán)形器4相互串接在一起，每段保偏光纖5內(nèi)設(shè)有與掃描激光波長數(shù)量相等的光纖諧振腔，所述光纖諧振腔為弱反FBG-FIZEAU光纖諧振腔，每個(gè)光纖諧振腔構(gòu)成一個(gè)傳感子單元，每段保偏光纖5中的傳感子單元組成一組傳感單元，在每段保偏光纖5上對應(yīng)設(shè)有一個(gè)串接的光環(huán)形器4，光環(huán)形器4設(shè)于每根保偏光纖5的前端，光環(huán)形器4的端口2與保偏光纖5的前端連接，設(shè)置在兩段保偏光纖5之間的光環(huán)形器4的端口1與前一個(gè)保偏光纖5的后端連接；

所述解調(diào)端12包括產(chǎn)生多個(gè)波長的掃描激光輸出的多波長掃描激光器1、與多波長掃描激光器1順序連接的偏振控制器2、線偏器3、光開關(guān)6、波分復(fù)用器7、與掃描激光波長數(shù)量相等的光電探測器8、信號分析模塊9；所述信號分析模塊9還與多波長掃描激光器1、光開關(guān)6連接，所述傳感端11中位于首位的光環(huán)形器4的端口1與線偏器3的輸出端連接，光開關(guān)6設(shè)有與光環(huán)形器4數(shù)量相等的輸入端，光開關(guān)6的輸入端分別與光環(huán)形器4的端口3連接，光開關(guān)6的輸出端與波分復(fù)用器7的公共端連接，波分復(fù)用器7的復(fù)用端數(shù)量與掃描激光波長數(shù)量相等，波分復(fù)用器7的每個(gè)復(fù)用端分別與一個(gè)光電探測器8連接，保偏光纖5中的傳感單元反射對應(yīng)波長的掃描激光形成兩路反射光(在下文對兩路反射光進(jìn)行解釋)，兩路反射光經(jīng)光環(huán)形器4傳輸出至光開關(guān)6、波分復(fù)用器7進(jìn)行波分解，透射光傳輸至下一個(gè)光環(huán)形器4，波分復(fù)用器7將反射光進(jìn)行波分解后通過光電探測器8形成傳感(電)信號輸出至信號分析模塊9進(jìn)行解調(diào)。

如圖2所示，每個(gè)光纖諧振腔10包括設(shè)于兩端的布拉格光柵13以及位于兩端的布拉格光柵13之間的保偏光纖體部14，位于兩端的布拉格光柵13的布拉格光柵中心波長相等，由于每個(gè)光纖諧振腔10具有兩個(gè)布拉格光柵13，因此會形成兩路反射光后均共同反射至光環(huán)形器4后傳輸至光開關(guān)6。

所述具體工作過程如下：多波長掃描激光器1在三角波信號的驅(qū)動下產(chǎn)生多個(gè)波長的掃描激光輸出，假設(shè)掃描激光的波長數(shù)量為m個(gè)，m個(gè)掃描激光經(jīng)過偏振控制器2、線偏器3實(shí)現(xiàn)單偏振輸出，到達(dá)位于傳感端11首位的第一個(gè)光環(huán)形器4的端口1后進(jìn)入保偏光纖5中的傳感子單元，并通過下一個(gè)光環(huán)形器4進(jìn)入下一段保偏光纖5，最終到達(dá)最后一段保偏光纖5(即最后一組傳感單元)。定義每段保偏光纖5中的多個(gè)不同波長的弱反FBG-FIZEAU光纖諧振腔10為Fij，其中j＝1，2……，m，i為保偏光纖5的序號，j為弱反FBG-FIZEAU傳感子單元序號，多波長掃描激光器1輸出的多個(gè)不同波長的掃描激光分別進(jìn)入每段保偏光纖5中的相應(yīng)波長的傳感子單元中進(jìn)行反射，并形成兩路反射光到達(dá)傳感端11位于首位的第一個(gè)光環(huán)形器4的端口2，并經(jīng)過光環(huán)形器的端口3進(jìn)入光開關(guān)6，由于弱反FBG-FIZEAU光纖諧振腔的反射率較低，大部分的光形成透射光繼續(xù)前往第二個(gè)光環(huán)形器4，并繼續(xù)前述步驟，光開關(guān)6將輸入的反射光輸送到波分復(fù)用器7中，波分復(fù)用器7將反射光分解成與多波長掃描激光器1產(chǎn)生掃描激光波長數(shù)量相同的m個(gè)光信號，并輸入對應(yīng)的光電探測器8中，光電探測器8將光信號轉(zhuǎn)換為電信號后發(fā)送至信號分析模塊9進(jìn)行解調(diào)。

本發(fā)明的信號分析模塊9的解調(diào)采用以下方法實(shí)現(xiàn)：

由于保偏光纖存在雙折射，兩個(gè)偏振態(tài)下的干涉信號存在相位差，相位差為π的偶數(shù)倍時(shí)，干涉條紋對比度達(dá)到極大值，為奇數(shù)倍時(shí)，干涉條紋對比度達(dá)到極小值。如此，在干涉光譜條紋上形成對比度周期性變化的包絡(luò)。

當(dāng)外界傳感信號作用在弱反FBG-FIZEAU光纖諧振腔上時(shí)，包絡(luò)產(chǎn)生漂移，F(xiàn)BG反射波長處對應(yīng)的對比度發(fā)生周期性變化。

因此，本發(fā)明的解調(diào)通過測量傳感信號的條紋對比度變化來實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)傳感信號帶來的條紋對比度變化小于其變化的單調(diào)范圍時(shí)，信號分析模塊8通過傅里葉變換求得精確測量條紋對比度，從而實(shí)現(xiàn)微弱傳感信號的精確測量；當(dāng)傳感信號變化大于其變化的單調(diào)范圍時(shí)，可通過FBG波長漂移實(shí)現(xiàn)條紋對比度變化周期計(jì)算，從而提高系統(tǒng)測量范圍。

本發(fā)明中每組傳感單元中傳感子單元的布拉格光柵中心波長與多波長掃描激光器1發(fā)出的多個(gè)掃描激光的波長一一對應(yīng)。

整個(gè)傳感器通過波分復(fù)用和空分復(fù)用實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)探測。對于每段保偏光纖上的弱反FBG-FIZEAU光纖諧振腔Fij(j＝1,2,...,m)，各腔布拉格光柵中心波長分別對應(yīng)多波長掃描激光器1的m個(gè)波長，最終通過波分復(fù)用器7實(shí)現(xiàn)解復(fù)用。不同組傳感單元，通過多個(gè)光環(huán)形器4進(jìn)行串接，最終通過光開關(guān)6實(shí)現(xiàn)空間解復(fù)用。信號分析模塊9與多波長掃描激光器1、光開關(guān)6進(jìn)行連接，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)控制，通過控制光開關(guān)6，實(shí)現(xiàn)不同段保偏光纖的弱反FBG-FIZEAU光纖諧振腔的空分復(fù)用以及通過控制多波長掃描激光的開關(guān)。

作為優(yōu)選，保偏光纖5中的弱反FBG-FIZEAU光纖諧振腔通過相位模板曝光法制得。每個(gè)光纖諧振腔的腔長可根據(jù)實(shí)際測量環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是光纖諧振腔的小于多波長掃描激光器1的相干長度。

為了提高條紋對比度，本發(fā)明中線偏器3的偏振方向與保偏光纖5的快軸和慢軸的夾角分別為45度，通過保偏控制器2對輸出偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

本發(fā)明中保偏光纖5與光環(huán)形器4采用對軸模式熔接，可以降低偏振擾動噪聲和較低的熔接損耗。

本發(fā)明與基于PDH鎖頻的解調(diào)技術(shù)相比，具有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

第一，基于PDH鎖頻的解調(diào)方案是通過激光器在FBG-FIZEAU傳感器反射產(chǎn)生的誤差信號來實(shí)現(xiàn)解調(diào)的，該方案需對光源進(jìn)行調(diào)制，并進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算，整個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜，需要高穩(wěn)定性的窄線寬激光器和調(diào)制器，成本較高。而本發(fā)明是通過測量條紋對比度來實(shí)現(xiàn)高精度解調(diào)，對光源的功率波長漂移不敏感，對激光器掃描模塊的線性度不敏感，因此對掃描激光器性能要求不高，系統(tǒng)簡單成本較低；

第二，基于PDH鎖頻的解調(diào)技術(shù)所產(chǎn)生的誤差信號受激光器的漂移的影響，為了補(bǔ)償激光器的不穩(wěn)定性，需要使用參考傳感器進(jìn)行補(bǔ)償，不利于傳感器小型化和封裝，而本發(fā)明不需要參考傳感器，在實(shí)際封裝應(yīng)用中更具優(yōu)勢；

第三，基于PDH鎖頻的解調(diào)技術(shù)對于靜態(tài)信號解調(diào)精度可達(dá)10^-9，但測量范圍限制在10^-7以下，而本發(fā)明結(jié)合條紋對比度解調(diào)和布拉格光柵中心波長解調(diào)，測量范圍可達(dá)10^-3，大大高于基于PDH鎖頻的解調(diào)技術(shù)。

雖然已經(jīng)參照特定實(shí)施例示出并描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解：在不脫離由權(quán)利要求及其等同物限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可在此進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種變化。