一種快速的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的動態(tài)定標方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于可調(diào)諧F-P光濾波器的FBG解調(diào)系統(tǒng)動態(tài)定標方法，屬光纖光柵（FBG)解調(diào)【技術領域】。裝置包括可調(diào)激光光源、環(huán)形器、光纖光柵、光電探測器、梳狀濾波器、乙炔氣體單元及數(shù)字信號處理單元。該方法利用聯(lián)合梳狀濾波器與乙炔氣體的吸收譜，對可調(diào)諧F-P濾波器進行動態(tài)定標的方法，消除了PZT的非線性與不穩(wěn)定性對測量帶來的影響，解決了傳統(tǒng)解調(diào)系統(tǒng)中參考光柵數(shù)目對解調(diào)精度的限制。該方法使得光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)達到了低成本、快速、高精度的測量要求。
【專利說明】一種快速的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的動態(tài)定標方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及光纖光柵解調(diào)溫度及應變定標方法，尤其是一種基于可調(diào)諧F-P光濾 波器的FBG解調(diào)系統(tǒng)動態(tài)定標方法，屬光纖傳感【技術領域】。

【背景技術】
[0002] 分布式光纖傳感系統(tǒng)可以實現(xiàn)對輸油管道、鐵軌、路基等大型管線的應變、溫度等 參量的長期監(jiān)控，在基礎設施的結構健康監(jiān)測中具有廣泛的應用前景。但是，分布式光纖 傳感系統(tǒng)一般米用檢測光纖中布里淵散射或瑞利散射光的方法，完成一次有效測量的時間 長達幾十秒?幾分鐘，因此分布式光纖傳感系統(tǒng)不適用于實時性要求較高的監(jiān)測場合；此 夕卜，對于分布式光纖傳感系統(tǒng)，需要在施工時將光纖預埋在待測物體內(nèi)，限制了系統(tǒng)的應用 范圍。通過時分、波分等復用方式，光纖光柵（FBG)能夠組成準分布式傳感系統(tǒng)，可以實現(xiàn) 大范圍的定點監(jiān)控；被測的參量僅取決于FBG的反射波長，通過波長解調(diào)技術得到相應的 被測參量，不需要多次平均，可以有效提高檢測的速度與精度；通過各種封裝的技術，實現(xiàn) FBG與各種待測物體有效的物理接觸，擴大了 FBG的應用范圍。
[0003] -個完整的FBG傳感系統(tǒng)由FBG傳感器、傳輸光路與解調(diào)設備構成。FBG解調(diào)設備 采用波長解調(diào)方法，解調(diào)方法不僅影響傳感系統(tǒng)的測量精度、測量速度，而且決定傳感系統(tǒng) 中FBG的復用方式、復用數(shù)量及傳感網(wǎng)絡的拓撲結構。
[0004] 利用參考光柵對傳感光柵進行解調(diào)的方案，可以得到較高的波長分辨率與較高的 速度，但是，這種方案不利于FBG的復用；使用陣列波導光柵（AWG)的解調(diào)方案，可同時實現(xiàn) 對多個FBG傳感器的解調(diào)，可解調(diào)的信號頻率超過100kHz，但是，該方案中一個光柵需要一 個AWG通道和一個光接收單元，提高了系統(tǒng)復雜度；使用干涉光譜法實現(xiàn)對FBG的快速解 調(diào)，可解調(diào)信號的頻率高達48. 6MHz，但是，該方案中復用FBG的數(shù)量有限；使用寬帶光源與 可調(diào)諧法布里-泊羅（F-P)濾波器對FBG進行解調(diào)，復用光柵的數(shù)量有所增加，解調(diào)速度達 至IJ 1，〇〇〇次/秒，波長分辨率達到2pm，但是，復用的FBG數(shù)量與波長檢測精度不足。
[0005] 對于一般的FBG傳感系統(tǒng)的應用場合，要求傳感系統(tǒng)有較大的覆蓋范圍，即要求 較多的FBG復用數(shù)量；系統(tǒng)有較快的響應速度，1，000次/秒的解調(diào)速度可以滿足大多數(shù)實 時監(jiān)控的需要；系統(tǒng)的波長分辨精度小于lpm，相對應得溫度檢測精度小于0. 1°C，微應變 檢測精度小于1μ ε。
[0006] 本發(fā)明使用基于半導體光放大器（S0A)的環(huán)形激光器作為FBG傳感系統(tǒng)的光源， 使用可調(diào)諧F-P濾波器進行波長掃描，聯(lián)合使用梳狀濾波器與乙炔氣體的吸收譜對波長進 行動態(tài)定位，有效提高了可利用的光譜寬度，復用路數(shù)，復用的FBG數(shù)量，及掃描頻率和光 譜分辨精度。


【發(fā)明內(nèi)容】
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[0007] 本發(fā)明的目的在于消除了 PZT的非線性與不穩(wěn)定性對測量帶來的影響，解決了傳 統(tǒng)解調(diào)系統(tǒng)中參考光柵數(shù)目對解調(diào)精度的限制。該方法使得光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)達到了快 速、高精度的測量要求。
[0008] 為解決上述技術問題，本發(fā)明的技術解決方案是：
[0009] 基于可調(diào)諧F-P光濾波器的FBG解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于激光光源采用壓電陶瓷 (PZT)調(diào)節(jié)的可調(diào)諧F-P濾波器與S0A來實現(xiàn)可調(diào)諧波長的輸出；激光光源輸出端經(jīng)多路 耦合器，多路耦合器的30個輸出端均為光纖光柵傳感通道，均連接至環(huán)形器的第一端口， 環(huán)形器的第二端口連接串聯(lián)的若干個不同波長光纖光柵傳感器，環(huán)形器的第三個端口連接 光探測器；其中多路耦合器的另2第31、32個輸出端分別連接兩個校準通道；一個通道通 過光纖連接至乙炔氣體標定器件，再連接至光探測器；另一個通道通過光纖連接至光梳狀 濾波器，再連接至光探測器；最終將所有的光探測器送入信號處理單元進行處理。
[0010] 優(yōu)選地，所述梳狀濾波器兩個峰之間的間隔為標準的〇. 8nm，將F-P濾波器的自由 譜區(qū)分成100個區(qū)，每個區(qū)的電壓對波長的變化可以認為是線性關系。
[0011] 優(yōu)選地，為了校正所訴梳狀濾波器帶來的誤差，注入乙炔氣體的氣室被引進所述 方案中。
[0012] 優(yōu)選地，所述乙炔氣體有6個較大的吸收譜峰：1528. 12nm，1530. 37nm， 1531. 59nm，1532. 84nm，1534. 12nm與1535. 40nm，它們被用來對所述梳狀濾波器進行校正。
[0013] 優(yōu)選地，在所述系統(tǒng)環(huán)形激光器的環(huán)形腔中引入一個譜寬約為75nm寬帶濾波器， 使實際環(huán)形激光器的輸出波長限定在1525?1600nm的范圍。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1為基于可調(diào)諧F-P光濾波器的FBG解調(diào)系統(tǒng)動態(tài)定標方法實現(xiàn)圖。

【具體實施方式】
[0015] 本發(fā)明提供一種基于可調(diào)諧F-P光濾波器的FBG解調(diào)系統(tǒng)動態(tài)定標方法，其方法 實現(xiàn)系統(tǒng)裝置特征在于激光光源采用壓電陶瓷（PZT)調(diào)節(jié)的可調(diào)諧F-P濾波器1來實現(xiàn)可 調(diào)諧波長的輸出；激光光源輸出端連接至多路耦合器2,多路耦合器的30個輸出端均為光 纖光柵傳感通道，均分別連接至30個環(huán)形器3的第一端口 31，環(huán)形器的第二端口 32連接串 聯(lián)的若干個不同波長光纖光柵傳感器4,環(huán)形器的第三個端口 33連接光探測器5 ;其中多路 耦合器的另2個輸出端分別連接兩個校準通道；一個通道231通過光纖連接至乙炔氣體標 定器件7,再連接至光探測器；另一個通道232通過光纖連接至光梳狀濾波器6,再連接至光 探測器；最終將所有的光探測器送入信號處理單元進行處理。
[0016] 通過改變施加在PZT上的電壓改變F-P濾波器的腔長，當電壓從Ον變到18v，環(huán)形 激光器的輸出波長掃過一個F-P濾波器的自由譜區(qū)，一個確定的電壓對應著環(huán)形激光器一 個確定的輸出波長。環(huán)形激光器在波長域內(nèi)對各分路中的FBG進行掃描，采集到的FBG的 反射譜為光功率與電壓的分布關系，由F-P濾波器的中心波長與施加在PZT上電壓的關系 曲線可以對FBG的反射譜波長進行標定，得到真實的FBG的反射譜。
[0017] 梳狀濾波器也會受到溫度的影響，因此定標器件也會帶來測量誤差。由于氣體的 吸收譜線不隨溫度變化，為了校正梳狀濾波器帶來的誤差，注入乙炔氣體的氣室被引進所 述方案中。
[0018] 在1530nm附近，乙炔氣體有6個較大的吸收譜峰：1528. 12nm，1530. 37nm， 1531. 59nm，1532. 84nm，1534. 12nm與1535. 40nm，它們被用來對梳狀濾波器進行校正。此 夕卜，由于在1518nm附近，乙炔氣體也有6個較大的吸收譜峰，因此在系統(tǒng)環(huán)形激光器的環(huán) 形腔中引入一個譜寬約為75nm寬帶濾波器，使實際環(huán)形激光器的輸出波長限定在1525? 1600nm的范圍。
[0019] 實際系統(tǒng)中每次掃描過程中需要對可調(diào)諧F-P濾波器進行動態(tài)標定，同時構成一 個閉環(huán)控制過程，通過被標定的波長，動態(tài)的調(diào)整PZT掃描電壓的起始值，使F-P濾波器工 作在一個受控的穩(wěn)定狀態(tài)。
[0020] 進行一次掃描后可以由梳狀濾波器對吸收峰進行標定，得到的結果與標準的吸收 譜線的差值即為由溫度引起的測量誤差，用這個誤差對FBG的反射譜進行校正，就可以得 到真實的反射譜。
[0021] 上述實施例僅用于說明而非限制本發(fā)明的技術方案。任何不脫離本發(fā)明精神和范 圍的技術方案均應涵蓋在本發(fā)明的專利申請范圍當中。
【權利要求】
1. 一種基于可調(diào)諧F-P光濾波器的FBG解調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)裝置包括可調(diào)激光光源、多 路耦合器，環(huán)形器、光纖光柵、光電探測器、梳狀濾波器、乙炔氣體傳感基元及數(shù)字信號處理 單元。其特征在于激光光源采用壓電陶瓷（PZT)調(diào)節(jié)的可調(diào)諧F-P濾波器來實現(xiàn)可調(diào)諧波 長的輸出；激光光源輸出端經(jīng)多路f禹合器，多路f禹合器的30個輸出端均為光纖光柵傳感通 道，均連接至環(huán)形器的第一端口，環(huán)形器的第二端口連接串聯(lián)的若干個不同波長光纖光柵 傳感器，環(huán)形器的第三個端口連接光探測器；其中多路耦合器的31、32輸出端分別連接兩 個校準通道；一個通道通過光纖連接至乙炔氣體標定器件，再連接至光探測器；另一個通 道通過光纖連接至光梳狀濾波器，再連接至光探測器；最終將所有的光探測器送入信號處 理單元進行處理。 如權利要求1中所述的基于可調(diào)諧F-P光濾波器的FBG解調(diào)系統(tǒng)裝置，其特征在于光 纖光柵傳感通道中，光柵的反射率為〇. 9,傳輸光纖長度為10km。 如權利要求1中所述的基于可調(diào)諧F-P光濾波器的FBG解調(diào)系統(tǒng)裝置，其特征在于所 述光探測器PIN，檢測靈敏度小于1 μ w。 如權利要求1中所述的基于可調(diào)諧F-P光濾波器的FBG解調(diào)系統(tǒng)裝置，其特征在于整 個30個傳感通道溫度傳感光柵的個數(shù)為1000左右，或應變傳感光柵的個數(shù)為240左右；光 電探測器個數(shù)與光柵通道個數(shù)對應，為30。 如權利要求1中所述的基于可調(diào)諧F-P光濾波器的FBG解調(diào)系統(tǒng)裝置，其特征在于所 述梳狀濾波器兩個峰之間的間隔為標準的〇. 8nm，將F-P濾波器的自由譜區(qū)分成100個區(qū)， 每個區(qū)的電壓對波長的變化可以認為是線性關系。 如權利要求1中所述的基于可調(diào)諧F-P光濾波器的FBG解調(diào)系統(tǒng)裝置，其特征在 于所述乙炔氣體單元在1530nm附近，有6個較大的吸收譜峰：1528. 12nm，1530. 37nm， 1531. 59nm，1532. 84nm，1534. 12nm與1535. 40nm，它們被用來對所述梳狀濾波器進行校正。 如權利要求1中所述的基于可調(diào)諧F-P光濾波器的FBG解調(diào)系統(tǒng)裝置，其特征在于：實 際系統(tǒng)中每次掃描過程中需要對可調(diào)諧F-P濾波器進行動態(tài)標定，同時構成一個閉環(huán)控制 過程，通過被標定的波長，動態(tài)的調(diào)整PZT掃描電壓的起始值，使F-P濾波器工作在一個受 控的穩(wěn)定狀態(tài)。
【文檔編號】G01N21/39GK104215605SQ201410049033
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年2月12日 優(yōu)先權日:2014年2月12日
【發(fā)明者】王嶔, 王江, 孫福林 申請人:中科融通物聯(lián)科技無錫有限公司