基于級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光柵的波長(zhǎng)匹配的雙fbg解調(diào)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光纖通信、光纖傳感等領(lǐng)域，具體地講是一種基于級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光柵的 波長(zhǎng)匹配的雙FBG解調(diào)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖布拉格光柵（FBG)傳感器作為一種較為成熟的光學(xué)傳感元件，能夠有效克服 常規(guī)傳感系統(tǒng)在長(zhǎng)期穩(wěn)定性、耐久性、抗電磁干擾和分布式等方面的不足，且對(duì)溫度和應(yīng)變 等環(huán)境參量具有較高的靈敏度，易于埋入智能結(jié)構(gòu)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的健康檢測(cè)。波長(zhǎng)解調(diào)技 術(shù)是FBG傳感系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。通常采用光纖光柵匹配濾波法、可調(diào)諧法布里珀羅腔 法等進(jìn)行波長(zhǎng)編碼的解調(diào)。其中光纖光柵匹配濾波法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但精度不高；可調(diào)諧法布里 珀羅腔法精度較高但價(jià)格昂貴。級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵（CLPG)是由兩個(gè)參數(shù)相同的均勻長(zhǎng) 周期光纖光柵（LPG)和一段普通單模光纖連接而成，級(jí)聯(lián)后可以獲得比單個(gè)LPG更好的光 譜性能。采用級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵搭建了 FBG解調(diào)系統(tǒng)，雖然該系統(tǒng)具有價(jià)格低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單、解調(diào)速度快。但被監(jiān)測(cè)信號(hào)中往往摻雜有光源抖動(dòng)以及系統(tǒng)其它不穩(wěn)定因素等帶來(lái)的 噪聲，給系統(tǒng)帶來(lái)較大誤差，降低了系統(tǒng)的精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明利用CLPG的寬譜特性，提出了一種基于級(jí)聯(lián)長(zhǎng) 周期光柵的波長(zhǎng)匹配的雙FBG解調(diào)系統(tǒng)，利用級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵的寬譜特性，在級(jí)聯(lián)長(zhǎng) 周期光柵透射譜正負(fù)斜率線性區(qū)域內(nèi)各監(jiān)測(cè)一個(gè)FBG中心波長(zhǎng)處的信號(hào)功率變化，從而消 除了除噪聲帶來(lái)的不利影響，提高被監(jiān)測(cè)信號(hào)的精度。
[0004] 本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：
[0005] 基于級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光柵的波長(zhǎng)匹配的雙FBG解調(diào)系統(tǒng)，寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)級(jí)聯(lián) 長(zhǎng)周期光纖光柵CLPG濾波后，再經(jīng)第一 Y型光纖耦合器分為兩路光：一路光經(jīng)第二Y型光 纖耦合器和第一光纖布拉格光柵FBG傳感器后，反射光經(jīng)過(guò)第一光電檢測(cè)模塊轉(zhuǎn)化為第一 路光強(qiáng)信號(hào)；另一路光經(jīng)第三Y型光纖親合器和第二光纖布拉格光柵FBG傳感器后，反射光 經(jīng)過(guò)第二光電檢測(cè)模塊轉(zhuǎn)化為第二路光強(qiáng)信號(hào)，第一路光強(qiáng)信號(hào)、第二路光強(qiáng)信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù) 據(jù)采集卡后，送入PC機(jī)進(jìn)行處理。
[0006] 所述級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵CLPG由至少兩個(gè)長(zhǎng)周期光柵串聯(lián)而成，且每個(gè)長(zhǎng)周期 光柵中心波長(zhǎng)相同，串聯(lián)后的級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光柵的透射光譜與光纖布拉格光柵FBG的反射光 譜相交，該交點(diǎn)位于級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵CLPG透射光譜線性段內(nèi)。
[0007] 所述寬帶光源的波長(zhǎng)范圍為1200nm?1600nm。
[0008] 所述第二Y型光纖耦合器、第三Y型光纖耦合器分別包括三個(gè)端口 ： 1#端口、2#端 口、3#端口，其中1#端口連接光纖布拉格光柵FBG、2#端口連接輸入光、3#端口為光纖布拉 格光柵FBG的反射光端口。
[0009] 所述第一光電檢測(cè)模塊、第二光電檢測(cè)模塊均：由光電探測(cè)器、溫度補(bǔ)償電路、調(diào) 零電路、兩級(jí)放大電路和外界輸出接口依次連接組成。
[0010] 本發(fā)明基于級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光柵的波長(zhǎng)匹配的雙FBG解調(diào)系統(tǒng)，技術(shù)效果如下：
[0011] 1)、本發(fā)明提出的基于級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光柵的波長(zhǎng)匹配的雙FBG解調(diào)方案，利用了 CLPG的寬譜特性，在CLPG透射譜正負(fù)斜率線性區(qū)域內(nèi)各監(jiān)測(cè)一個(gè)FBG中心波長(zhǎng)處的信號(hào)功 率變化，消除了被監(jiān)測(cè)信號(hào)中往往摻雜有光源抖動(dòng)以及系統(tǒng)其它不穩(wěn)定因素等帶來(lái)的噪聲 影響，因此較大的提高了系統(tǒng)的精度。
[0012] 2)本發(fā)明采用光強(qiáng)解調(diào)法，將光纖布拉格光柵中心波長(zhǎng)的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴?qiáng)的變 化，由光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，方便測(cè)量結(jié)果的記錄，存儲(chǔ)和控制。光電探測(cè)器 和調(diào)理電路方便制成模塊，改變光纖布拉格光柵與匹配長(zhǎng)周期光柵可以采用該模塊化的電 路，節(jié)省成本。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1是本發(fā)明基于級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光柵的波長(zhǎng)匹配的雙FBG解調(diào)系統(tǒng)示意圖。
[0014] 圖2是本發(fā)明兩個(gè)FBG和CLPG的光譜圖。
[0015] 圖3是本發(fā)明的耦合器的連接示意圖。
[0016] 圖4是本發(fā)明高溫情況下第一 FBG、第二FBG的反射光強(qiáng)（通過(guò)光電探測(cè)器用電壓 VI、V2反映）隨溫度變化的工作曲線。
[0017] 圖5是本發(fā)明根據(jù)VI和V2可得V=V1-V2與高溫關(guān)系曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 基于級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光柵的波長(zhǎng)匹配的雙FBG解調(diào)系統(tǒng)，寬帶光源1發(fā)出的光經(jīng)過(guò)級(jí) 聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵CLPG濾波后，再經(jīng)第一 Y型光纖耦合器3分為兩路光：一路光經(jīng)第二Y 型光纖親合器4和第一光纖布拉格光柵FBG傳感器5后，反射光經(jīng)過(guò)第一光電檢測(cè)模塊6 轉(zhuǎn)化為第一路光強(qiáng)信號(hào)；另一路光經(jīng)第三Y型光纖耦合器7和第二光纖布拉格光柵FBG傳 感器8后，反射光經(jīng)過(guò)第二光電檢測(cè)模塊9轉(zhuǎn)化為第二路光強(qiáng)信號(hào)，第一路光強(qiáng)信號(hào)、第二 路光強(qiáng)信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡10后，送入PC(ll)機(jī)進(jìn)行處理。
[0019] 所述級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵CLPG由至少兩個(gè)長(zhǎng)周期光柵串聯(lián)而成，且每個(gè)長(zhǎng)周期 光柵中心波長(zhǎng)相同，串聯(lián)后的級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光柵的透射光譜與光纖布拉格光柵FBG的反射光 譜相交，該交點(diǎn)位于級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵CLPG透射光譜線性段內(nèi)。
[0020] 所述寬帶光源1的波長(zhǎng)范圍為1200nm?1600nm。
[0021] 所述第二Y型光纖耦合器4、第三Y型光纖耦合器7分別包括三個(gè)端口 ：1#端口、 2#端口、3#端口，其中1#端口連接光纖布拉格光柵FBG、2#端口連接輸入光、3#端口為光纖 布拉格光柵FBG的反射光端口。
[0022] 所述第一光電檢測(cè)模塊6、第二光電檢測(cè)模塊9均：由光電探測(cè)器、溫度補(bǔ)償電路、 調(diào)零電路、兩級(jí)放大電路和外界輸出接口依次連接組成。
[0023] 原理分析：
[0024] 由于級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵CLPG是透射型光纖器件，插入損耗低，系統(tǒng)利用了級(jí)聯(lián) 長(zhǎng)周期的透射光，而光纖Bragg光柵是反射型光纖器件，反射率高，系統(tǒng)則利用了光纖布拉 格光柵FBG的反射光。當(dāng)光纖Bragg光柵中心波長(zhǎng)變化后，光纖布拉格光柵FBG反射光信 號(hào)通過(guò)級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光柵CLPG濾波后的光強(qiáng)會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。采用高速光電探測(cè)器將光信 號(hào)（輸出光強(qiáng)的變化量）轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，光路部分輸出的光信號(hào)較弱，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后得到電 壓信號(hào)也較微弱，設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等。通過(guò)調(diào)理電路輸出的電信 號(hào)反推出光纖布拉格光柵中心波長(zhǎng)的變化量。
[0025] 所述級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵CLPG由至少兩個(gè)長(zhǎng)周期光柵串聯(lián)而成，且每個(gè)長(zhǎng)周期 光柵中心波長(zhǎng)相同，串聯(lián)后的級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光柵的透射光譜與Bragg光柵的反射光譜相交， 該交點(diǎn)位于級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光柵透射光譜線性段內(nèi)。級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期的透射光譜與普通長(zhǎng)周期光柵 的光譜不同，由于該系統(tǒng)利用級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光柵的線性濾波特性，故僅對(duì)光譜線性段進(jìn)行分 析。級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光柵的光譜線性段的斜率遠(yuǎn)大于單根長(zhǎng)周期光柵，因此經(jīng)級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光柵 濾波后的光強(qiáng)變化量較大，方便光電探測(cè)器監(jiān)測(cè)，多個(gè)長(zhǎng)周期級(jí)聯(lián)可顯著提高解調(diào)的精度。
[0026] 光纖布拉格光柵的反射光譜與級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光柵的透射光譜的線性段相交，以保證 調(diào)制后的光功率線性變化。級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光譜線性段的波長(zhǎng)范圍大于單根長(zhǎng)周期光柵，采用 該方案可增加解調(diào)的波長(zhǎng)范圍。該發(fā)明為全光纖結(jié)構(gòu)，無(wú)需機(jī)械部件調(diào)諧，解調(diào)速度取決于 于光電探測(cè)器的帶寬和后端電路的處理速度，而高速光電探測(cè)器的帶寬通常為幾個(gè)GHz，因 此本發(fā)明的解調(diào)速度高。根據(jù)光纖布拉格光柵的中心波長(zhǎng)選擇與之匹配的級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光 柵，光纖布拉格光柵的中心波長(zhǎng)必須位于級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光柵光譜中心波長(zhǎng)的左側(cè)線性段內(nèi)或 右側(cè)線性段內(nèi)。當(dāng)光纖布拉格光柵的中心波長(zhǎng)小于長(zhǎng)周期光柵時(shí)（位于左側(cè)線性段內(nèi)），隨 著光纖布拉格光柵中心波長(zhǎng)的增加，經(jīng)級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期調(diào)制后的諧振波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的光功率逐漸減 小，反之，光功率增加；光纖布拉格光柵的中心波長(zhǎng)大于長(zhǎng)周期光柵時(shí)，隨著光纖布拉格光 柵中心波長(zhǎng)的增加，諧振波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的光功率逐漸增大，反之，光功率減小。
[0027] 本發(fā)明的具體原理是：
[0028] 級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光柵的透射譜T(A)的兩個(gè)線性區(qū)分別用TJA)(負(fù)斜率線性區(qū)）和 T2(X)(正斜率線性區(qū)）表示，則有：
[0029] (入）=A1A+B1 (1-1)
[0030] T2 (人）=A2 人 +B2 (1_2)
[0031] 式中：A^A2為兩條直線的斜率，B^B2為兩條直線的截距。
[0032] 兩個(gè)FBG的反射譜札（A )和R2 ( A )可以表示為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光柵的波長(zhǎng)匹配的雙FBG解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于， 寬帶光源（1)發(fā)出的光經(jīng)過(guò)級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵CLPG濾波后，再經(jīng)第一 Y型光纖禪合 器（3)分為兩路光： 一路光經(jīng)第二Y型光纖禪合器（4)和第一光纖布拉格光柵FBG傳感器（5)后，反射光經(jīng) 過(guò)第一光電檢測(cè)模塊（6)轉(zhuǎn)化為第一路光強(qiáng)信號(hào)； 另一路光經(jīng)第S Y型光纖禪合器（7 )和第二光纖布拉格光柵FBG傳感器（8 )后，反射光 經(jīng)過(guò)第二光電檢測(cè)模塊（9)轉(zhuǎn)化為第二路光強(qiáng)信號(hào)， 第一路光強(qiáng)信號(hào)、第二路光強(qiáng)信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡（10)后，送入PC機(jī)（11)進(jìn)行處理。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光柵的波長(zhǎng)匹配的雙FBG解調(diào)系統(tǒng)，其特征 在于，所述級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵CLPG由至少兩個(gè)長(zhǎng)周期光柵串聯(lián)而成，且每個(gè)長(zhǎng)周期光柵 中屯、波長(zhǎng)相同，串聯(lián)后的級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光柵的透射光譜與光纖布拉格光柵FBG的反射光譜相 交，該交點(diǎn)位于級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵CLPG透射光譜線性段內(nèi)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光柵的波長(zhǎng)匹配的雙FBG解調(diào)系統(tǒng)，其特征在 于，所述寬帶光源（1)的波長(zhǎng)范圍為1200nm?1600皿。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光柵的波長(zhǎng)匹配的雙FBG解調(diào)系統(tǒng)，其特征在 于，所述第二Y型光纖禪合器（4)、第S Y型光纖禪合器（7)分別包括S個(gè)端口 ： 1#端口、2# 端口、3#端口，其中1#端口連接光纖布拉格光柵FBG、2#端口連接輸入光、3#端口為光纖布 拉格光柵FBG的反射光端口。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光柵的波長(zhǎng)匹配的雙FBG解調(diào)系統(tǒng)，其特征在 于，所述第一光電檢測(cè)模塊（6)、第二光電檢測(cè)模塊（9)均；由光電探測(cè)器、溫度補(bǔ)償電路、 調(diào)零電路、兩級(jí)放大電路和外界輸出接口依次連接組成。
【專利摘要】基于級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光柵的波長(zhǎng)匹配的雙FBG解調(diào)系統(tǒng)，寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵CLPG濾波后，再經(jīng)第一Y型光纖耦合器分為兩路光：一路光經(jīng)第二Y型光纖耦合器和第一光纖布拉格光柵FBG傳感器后，反射光經(jīng)過(guò)第一光電檢測(cè)模塊轉(zhuǎn)化為第一路光強(qiáng)信號(hào)；另一路光經(jīng)第三Y型光纖耦合器和第二光纖布拉格光柵FBG傳感器后，反射光經(jīng)過(guò)第二光電檢測(cè)模塊轉(zhuǎn)化為第二路光強(qiáng)信號(hào)，第一路光強(qiáng)信號(hào)、第二路光強(qiáng)信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡后，送入PC機(jī)進(jìn)行處理。本發(fā)明基于級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光柵的波長(zhǎng)匹配的雙FBG解調(diào)系統(tǒng)，利用級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵的寬譜特性，在級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光柵透射譜正負(fù)斜率線性區(qū)域內(nèi)各監(jiān)測(cè)一個(gè)FBG中心波長(zhǎng)處的信號(hào)功率變化，從而消除了除噪聲帶來(lái)的不利影響，提高被監(jiān)測(cè)信號(hào)的精度。
【IPC分類】G01D3-028, G01D5-26
【公開(kāi)號(hào)】CN104535090
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410785324
【發(fā)明人】鄒紅波, 王飛
【申請(qǐng)人】三峽大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年4月22日
【申請(qǐng)日】2014年12月16日