溫度補償?shù)目烧{(diào)諧激光器與長周期光纖光柵邊帶解調(diào)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】溫度補償?shù)目烧{(diào)諧激光器與長周期光纖光柵邊帶解調(diào)系統(tǒng)，涉及基于邊帶濾波光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的靈敏度提高與解調(diào)范圍擴大，屬于光纖傳感及邊帶濾波解調(diào)光纖光柵領域。本實用新型采用波長可調(diào)諧激光器輸出譜和長周期光纖光柵透射譜兩個準線性邊帶進行邊帶濾波，為解決現(xiàn)有的光纖光柵濾波解調(diào)系統(tǒng)靈敏度低、動態(tài)范圍小、不能檢測微弱信號或微弱信號變化不明顯的問題。本實用新型的光纖耦合器將波長可調(diào)諧激光器輸出的光傳輸給光纖光柵傳感器陣列，第二個光纖耦合器又將光纖光柵傳感器陣列反射回來的光信號分成兩路，其中一路進入長周期光纖光柵后進入光電轉(zhuǎn)換及放大系統(tǒng)，而另一路作為補償光路直接將光信號進入光電轉(zhuǎn)換及放大電路系統(tǒng)，兩路光一同進入數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)相除完成對光纖光柵傳感器陣列中傳感信號的處理；本實用新型具有操作方便，體積小、價格低廉、易于推廣使用的用途。
【專利說明】
溫度補償?shù)目烧{(diào)諧激光器與長周期光纖光柵邊帶解調(diào)系統(tǒng)
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及基于邊帶濾波光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的靈敏度提高與解調(diào)范圍擴大。屬于 光纖傳感及邊帶濾波解調(diào)光纖光柵領域。
【背景技術】
[0002] 作為一種光新無源傳感元件，光纖布拉格光柵(門ber Bragg Grating, FBG)傳感 器具有波長編碼和準分布式的獨特的優(yōu)點使其得W迅猛發(fā)展，將其研制成傳感器已經(jīng)廣泛 的應用于各個領域用于大型結(jié)構(gòu)健康的安全檢測中。在用于微弱信號的檢測中，解調(diào)系統(tǒng) 的靈敏度和解調(diào)范圍是其重要的性能參數(shù)，提高FBG解調(diào)靈敏度可W實現(xiàn)FBG傳感器對外界 環(huán)境的微弱變化的實時監(jiān)測，在一些安全監(jiān)測領域或要求監(jiān)測結(jié)果精確的領域具有很高的 使用價值。
[0003] 目前，基于FBG傳感器進行監(jiān)測系統(tǒng)中，F(xiàn)BG波長信息解調(diào)是關鍵技術。通過對國內(nèi) FBG解調(diào)儀研發(fā)公司銷售調(diào)查，平均每年銷售額在1億多人民幣，隨著市場需求逐年并呈逐 年上升趨勢。目前在常用的FBG波長信息解調(diào)方法中，濾波法W其解調(diào)方法可行、結(jié)構(gòu)簡單、 成本低等優(yōu)勢成為研究熱點。其中可調(diào)F-P諧濾波的精度受法-巧腔的穩(wěn)定性及壓電陶瓷的 非線性影響，只適用于靜態(tài)或準靜態(tài)測量;匹配濾波解調(diào)方法靈敏度高，但動態(tài)范圍窄、易 受環(huán)境溫度影響；雖然非平坦化放大自發(fā)福射寬帶光源邊帶濾波能實現(xiàn)對FBG波長信號的 解調(diào)，但光源利用率低，在C波段FBG反射譜只占光源輸出能量的二百分之一;粗波分復用器 邊帶濾波雖有近3幾納米的動態(tài)范圍，但解調(diào)靈敏度低，無法保證大量程的實現(xiàn)；而專利 2015 2 0758529.6提出的"邊帶濾波FBG解調(diào)系統(tǒng)靈敏度的提高"雖然提高了系統(tǒng)的靈敏 度，但仍然無法解決解調(diào)系統(tǒng)的量程，并且由于滲巧光纖放大器的引入，使系統(tǒng)變得復雜。 多因此，同時實現(xiàn)高靈敏度與大量程結(jié)構(gòu)簡單的邊帶濾波解調(diào)系統(tǒng)對FBG傳感信號的監(jiān)測 尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有的濾波法構(gòu)成的FBG解調(diào)系統(tǒng)靈敏度低和解調(diào)范圍小，不 能檢測微弱信號或微弱信號變化不明顯的問題，現(xiàn)提供可實現(xiàn)溫度補償?shù)目烧{(diào)諧激光器與 長周期光纖光柵邊帶解調(diào)系統(tǒng)。
[0005] 溫度補償?shù)目烧{(diào)諧激光器與長周期光纖光柵邊帶解調(diào)系統(tǒng)。它包括波長可調(diào)諧激 光器（1)、光纖隔離器(2)、光纖禪合器(3)、光纖光柵傳感器陣列（4)、光纖禪合器(5)、長周 期光纖光柵(6)、光電轉(zhuǎn)換及放大系統(tǒng)(7)、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)(8);
[0006] 波長可調(diào)諧激光器（1)發(fā)出波長連續(xù)變化的光，該光經(jīng)光纖隔離器(2)后進入禪合 比為1:9光纖禪合器(3)分成兩路，其中禪合比大的那路光傳輸給光纖光柵傳感器陣列(4);
[0007] 由光纖光柵傳感器陣列(4)中每個光纖光柵傳感器返回的光信號再次經(jīng)由光纖禪 合器(3)，光纖禪合器(3)將返回的光送入禪合比為1:9的光纖禪合器巧），該光纖禪合器巧） 將光分成兩路，其中禪合比大的那路光進入長周期光纖光柵(6)后進入光電轉(zhuǎn)換及放大系 統(tǒng)(7)，而禪合比小的那路光作為光源波動的補償光路將光纖光柵傳感器陣列(4)返回的光 直接進入光電轉(zhuǎn)換及放大系統(tǒng)(7)，兩路光一同進入數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)(8)進行相除后， 完成對外傳感信號的處理；
[0008] 光纖光柵傳感器陣列（4)由η個串聯(lián)的不同中屯、波長FBG傳感器構(gòu)成，其中η為正整 數(shù)。
[0009] 本新型采用線性邊帶濾波解調(diào)方案，利用波長可調(diào)諧激光器輸出譜的準線性邊帶 和長周期光纖光柵透射譜準線性邊帶透射率與波長的線性關系，實現(xiàn)雙邊帶濾波對FBG波 長信號解調(diào)。由于長周期光纖光柵和FBG都是小體積、低成本的光學無源器件，且長周期光 纖光柵透射線性邊帶范圍寬，波長可調(diào)諧激光器輸出光功率大，無須再引進其他光無源器 件進行再放大，且采用光纖禪合器將光分成兩路，一路用于濾波解調(diào)，一路可補償由于溫度 影響造成光源波動對解調(diào)信號的影響，因此本新型所述溫度補償?shù)目烧{(diào)諧激光器與長周期 光纖光柵邊帶解調(diào)系統(tǒng)能夠同時實現(xiàn)FBG波長信息解調(diào)、光無源器件的性能測試，并且其測 量系統(tǒng)靈敏度高和動態(tài)范圍寬，同比靈敏度提高了3倍，動態(tài)范圍提高10%。
[0010] 本新型集合光學技術、模擬技術和電子技術于一體，用模塊組合方式，將光傳感、 信息控制和光電檢測中所用的光有源和無源等各類器件的集成在一個系統(tǒng)，完成對外界傳 感信息的測試;且本新型的系統(tǒng)簡單，同比現(xiàn)有技術，復雜度降低了 1倍W上；同時具有綜合 性強、操作方便，體積小的特點。
[0011] 本實用新型是為了實現(xiàn)對FBG傳感器波長信息的間接獲取，該系統(tǒng)設及到的光有 源和無源器件均W模塊形式組裝，系統(tǒng)中每個模塊即可W獨立工作也可W組成系統(tǒng)實現(xiàn)統(tǒng) 一的功能，通過對軟件編程及模塊更換，具有后續(xù)開發(fā)功能。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本實用新型的整體結(jié)構(gòu)圖。
[0013] 圖2為本實用新型的邊帶濾波解調(diào)FBG原理示意圖，圖中曲線1表示邊帶濾波特性 規(guī)律，曲線2表示FBG反射譜信號。
[0014] 圖3為恒功率驅(qū)動下可調(diào)諧激光器輸出波長與調(diào)諧電壓關系，圖中橫坐標為調(diào)諧 電壓，縱坐標為輸出波長。
【具體實施方式】
[0015]
【具體實施方式】一:下面結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式所述的溫度補償?shù)目?調(diào)諧激光器與長周期光纖光柵邊帶解調(diào)系統(tǒng)，它包括波長可調(diào)諧激光器（1)、光纖隔離器 (2)、光纖禪合器(3)、光纖光柵傳感器陣列（4)、光纖禪合器巧）、長周期光纖光柵(6)、光電 轉(zhuǎn)換及放大系統(tǒng)(7)、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)(8);
[0016] 波長可調(diào)諧激光器（1)發(fā)出波長連續(xù)變化的光經(jīng)光纖隔離器(2)和光纖禪合器(3) 后傳輸給光纖光柵傳感器陣列(4)，光纖光柵傳感器陣列(4)中每個光纖光柵傳感器返回的 光再次經(jīng)由光纖禪合器(3)送入光纖禪合器巧)分成兩路，其中一路光進入長周期光纖光柵 (6)后進入光電轉(zhuǎn)換及放大系統(tǒng)(7)，另外一路光直接進入光電轉(zhuǎn)換及放大系統(tǒng)(7)，兩路光 一同進入數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)(8)完成對光纖光柵傳感器陣列(4)的FBG傳感信號的處理。
[0017] 波長可調(diào)諧激光器輸出窄線寬高功率高斯分布的譜，利用其輸出譜的上升邊帶或 下降邊帶實現(xiàn)FBG傳感反射波長信號的濾波解調(diào)，解決了利用非平坦化放大自發(fā)福射寬帶 光源邊帶濾波解調(diào)FBG波長信號光源利用率低的問題，又基于波長可調(diào)諧激光器輸出譜邊 帶斜率遠遠高于放大自發(fā)福射寬帶光源輸出譜邊帶斜率，因此提高了系統(tǒng)的靈敏度。
[0018] 長周期光纖光柵透射譜某一線性邊帶由于具有大約20nm的準線性區(qū)，用于二次邊 帶濾波解調(diào)FBG傳感波長信號不僅提高系統(tǒng)解調(diào)靈敏度，同時也擴大系統(tǒng)的解調(diào)范圍，解決 了高靈敏度、大量成的問題。
[0019] FBG傳感原理:FBG反射譜中必波長為.％的FBG傳感器與沿軸向應變?nèi)襞c和溫度變 化紐與波長變化量關系為注％=#-聯(lián)短拓綽紘去讀連求
[0020] 式中Pe、記和《均為常數(shù)。
[0021] 邊帶濾波解調(diào)原理:將光纖濾波器的輸出譜在某一波長范圍內(nèi)透射率與波長關系 近似為線性關系，F(xiàn)BG的反射光的譜密度函數(shù)近似為高斯曲線函數(shù)，入射光通過FBG的反射 和光纖濾波器的透射，光強與波長之間關系可表述為線性濾波函數(shù)與FBG反射光的譜密度 函數(shù)的相關，見圖2。當FBG受到擾動時，F(xiàn)BG反射光中屯、波長變化與通過光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸出 電平C/化4.!間線性關系為硏如唯)'冷狡鱗A為
[0022] 式中％為FBG峰值反射率，G為光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)增益，k為常數(shù)。通過檢測輸出電平信 號反應FBG傳感信號變化大小。
[0023] 溫度補償原理：當光源輸出譜受外界影響波動時，采用兩路進行除法運算實施補 償。
【具體實施方式】 [0024] 二:本實施方式對一所述的溫度補償?shù)目烧{(diào)諧激光器 與長周期光纖光柵邊帶解調(diào)系統(tǒng)作進一步限定，本實施方式中，它還包括光纖光柵傳感器 陣列（4)，該光纖光柵傳感器陣列（4)是由η個串聯(lián)的不同反射光中屯、波長FBG傳感器構(gòu)成， 其中屯、波長及其變化范圍均在波長可調(diào)諧激光器(1)的調(diào)諧范圍內(nèi)；
【具體實施方式】 [0025] Ξ:本實施方式對一所述的溫度補償?shù)目烧{(diào)諧激光器 與長周期光纖光柵邊帶解調(diào)系統(tǒng)作進一步限定，本實施方式中，長周期光纖光柵(6)透射譜 準線性邊帶波長范圍應與波長可調(diào)諧激光器(1)輸出波長范圍一致；
【具體實施方式】 [0026] 四：本實施方式對一所述的溫度補償?shù)目烧{(diào)諧激光器 與長周期光纖光柵邊帶解調(diào)系統(tǒng)作進一步限定，本實施方式中，波長可調(diào)諧激光器(1)是由 分布反饋式激光器和調(diào)諧電路組成，由調(diào)諧電路控制分布反饋式激光器使其輸出連續(xù)譜， 具有輸出功率高和輸出譜邊帶斜率大的特點，其恒功率驅(qū)動下可調(diào)諧激光器輸出波長與調(diào) 諧電壓關系如圖3;
【具體實施方式】 [0027] 五:本實施方式對一所述的溫度補償?shù)目烧{(diào)諧激光器 與長周期光纖光柵邊帶解調(diào)系統(tǒng)作進一步限定，本實施方式中，光纖禪合器(3)和光纖禪合 器巧)為1:9禪合比的禪合器；
[0028] 【具體實施方式】六:本實施方式對【具體實施方式】一所述的溫度補償?shù)目烧{(diào)諧激光器 與長周期光纖光柵邊帶解調(diào)系統(tǒng)作進一步限定，本實施方式中，光纖禪合器巧)輸出的兩路 光，其中一路進入長周期光纖光柵(6)完成邊帶濾波解調(diào)，另一路作為補償光路進入光電轉(zhuǎn) 換及放大系統(tǒng)(7)與光路一信號進行相除運算，消除光源波動對解調(diào)的影響。
【主權項】
1. 溫度補償?shù)目烧{(diào)諧激光器與長周期光纖光柵邊帶解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于：它包括波 長可調(diào)諧激光器（1)、光纖隔離器(2)、光纖耦合器(3)、光纖光柵傳感器陣列（4)、光纖耦合 器(5)、長周期光纖光柵(6)、光電轉(zhuǎn)換及放大系統(tǒng)(7)、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)(8); 波長可調(diào)諧激光器（1)發(fā)出波長連續(xù)變化的光經(jīng)光纖隔離器(2)和光纖耦合器(3)后傳 輸給光纖光柵傳感器陣列(4); 由光纖光柵傳感器陣列(4)中每個光纖光柵傳感器返回的光經(jīng)由光纖耦合器(3)，光纖 耦合器(3)再將返回的光送入光纖耦合器(5)分成兩路，其中一路光進入長周期光纖光柵 (6) 后其透射譜進入光電轉(zhuǎn)換及放大系統(tǒng)（7)，而另一路光直接進入光電轉(zhuǎn)換及放大系統(tǒng) (7) ，兩路光一同進入數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)(8)完成對光纖光柵傳感器陣列的傳感信號的處 理。2. 根據(jù)權利要求1所述的溫度補償?shù)目烧{(diào)諧激光器與長周期光纖光柵邊帶解調(diào)系統(tǒng)， 其特征在于:光纖光柵傳感器陣列（4)是由η個串聯(lián)的光纖光柵傳感器構(gòu)成，其中η為正整 數(shù)，且光纖光柵傳感器陣列(4)中每個光纖光柵傳感器的反射光中心波長都不同。3. 根據(jù)權利要求1所述的溫度補償?shù)目烧{(diào)諧激光器與長周期光纖光柵邊帶解調(diào)系統(tǒng)， 其特征在于:波長可調(diào)諧激光器（1)是由分布反饋式激光器和調(diào)諧電路組成，由調(diào)諧電路控 制分布反饋式激光器使其輸出連續(xù)譜，具有輸出功率高和輸出譜邊帶斜率大的特點。4. 根據(jù)權利要求1所述的溫度補償?shù)目烧{(diào)諧激光器與長周期光纖光柵邊帶解調(diào)系統(tǒng)， 其特征在于:系統(tǒng)引入光纖耦合器(3)和光纖耦合器(5)，光纖耦合器(3)是用來傳輸波長可 調(diào)諧激光器（1)輸出的光和光纖光柵傳感器陣列(4)中FBG傳感器返回的光，光纖耦合器(5) 是將光纖耦合器(3 )的一路返回光耦合成兩路。5. 根據(jù)權利要求1所述的溫度補償?shù)目烧{(diào)諧激光器與長周期光纖光柵邊帶解調(diào)系統(tǒng)， 其特征在于:光纖光柵傳感器陣列(4)中傳感器反射光中心波長及變化范圍在波長可調(diào)諧 激光器(1)輸出波長范圍內(nèi)，也在長周期光纖光柵(6)透射譜準線性邊帶波長范圍內(nèi)。
【文檔編號】G01D3/028GK205619942SQ201620205539
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年3月17日
【發(fā)明人】熊燕玲, 吳明澤, 韓浚生, 陳卉, 李煒崢
【申請人】哈爾濱理工大學