高波长分辨率光纤光栅解调系统及方法技术方案

本发明专利技术的高波长分辨率光纤光栅解调系统，它的可调谐激光器输出端连接第一光分路器，第一光分路器第一输出端连接第二光分路器，第二光分路器第一输出端连接第一光耦合器，第一光耦合器第一扫频光输出端连接第二光耦合器，第一光耦合器第二扫频光输出端通过延时光纤连接第二光耦合器，第二光耦合器输出端连接第一光电探测器，第二光分路器第二输出端连接多波长校准具，多波长校准具输出端连接第二光电探测器，第一光分路器第二输出端连接解调光路，解调光路输出端连接第三光电探测器，第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器的输出端接入数据采集器及处理器。本发明专利技术能有效克服可调谐激光器的非线性调谐缺陷，其具有高波长分辨率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光纤光栅解调
，具体地指一种高波长分辨率光纤光栅解调系统及方法。技术背景由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、绝缘性能好、耐腐蚀、动态范围大、测量范围广等优势因此被广泛应用于航空航天、桥梁监测、石油化工、结构损伤检测等众多领域。温度、应力等物理量的改变会引起光纤光栅中心波长的漂移，通过解调光纤光栅的中心波长可以检测外界物理量。具有高波长分辨率的光纤光栅解调系统能够更精确的测量微小的中心波长漂移量，还原外界物理量，同时意味着系统的灵敏度高，感知微弱的信号的能力强，适用于高精度、高灵敏度测量领域。目前，常用的光纤光栅的解调方法有滤波解调、可调谐光源解调、干涉解调等，但众多解调系统的波长分辨率仍为pm级别。例如基于可调谐的F-P滤波器的光纤光栅解调方案，通过引入多波长校准具来校准，系统的测量波长分辨率通常为0.97pm-5pm；又如哈尔滨工业大学的李秋仪设计的基于DSP的高分辨率FBG解调系统，采用基于DSP的高精度可调谐激光器和用DSP处理的锁相放大器来进行解调，其波长分辨率的理论值为1.58pm；又如南京大学光通信工程研究中心设计的高精度光纤光栅解调系统，为了降低F-P滤波器的非线性效应带来的影响，在基本的F-P滤波解调中引入F-P标准具动态校准其采集到的波长，同时利用标准具及ASE光源特性进行频谱分区解调，其波长分辨率为0.33pm；再如中国专利CN1908713A专利技术的高精度光纤光栅解调系统，通过引入一个高精度温度控制芯片，控制封装了两个单模光纤的金属盒所构成的可调谐滤波器，其分辨率可以低于0.3pm。但这些解调系统的分辨率还不能满足高精度、高灵敏度的测量领域的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的就是要提供一种高波长分辨率光纤光栅解调系统及方法，该系统及方法能有效克服可调谐激光器的非线性调谐缺陷，大大提高波长的分辨率，能够满足微小物理量的测量，系统的灵敏度、精度高(波长分辨率可以达到10飞米)。为实现此目的，本专利技术所设计的高波长分辨率光纤光栅解调系统，其特征在于：包括可调谐激光器、第一光分路器、第二光分路器、第一光耦合器、第二光耦合器、第一光电探测器、多波长校准具、第二光电探测器、解调光路、第三光电探测器和数据采集器及处理器，其中，可调谐激光器的信号输出端连接第一光分路器的信号输入端，第一光分路器的第一信号输出端连接第二光分路器的信号输入端，第二光分路器的第一信号输出端连接第一光耦合器的输入端，第一光耦合器的第一扫频光信号输出端通过光纤连接第二光耦合器的第一信号输入端，第一光耦合器的第二扫频光信号输出端通过延时光纤连接第二光耦合器的第二信号输入端，第二光耦合器的信号输出端连接第一光电探测器的信号输入端，第二光分路器的第二信号输出端连接多波长校准具的信号输入端，多波长校准具的信号输出端连接第二光电探测器的信号输入端，第一光分路器的第二信号输出端连接解调光路的信号输入端，解调光路的信号输出端连接第三光电探测器的信号输入端，所述第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器的输出端连接数据采集器及处理器的信号输入端。一种利用上述系统的高波长分辨率光纤光栅解调方法，它包括如下步骤：步骤1：可调谐激光器输出线性扫频光给第一光分路器；步骤2：第一光分路器的第一信号输出端与第二信号输出端输出按1:99的光功率比将线性扫频光分为两束扫频光；步骤3：第一光分路器的第一信号输出端输出的扫频光通过第二光分路器按50：50的光功率比等分为两束扫频光，第二光分路器输出的一束扫频光传输至第一光耦合器，第一光耦合器将收到的扫频光按50：50的光功率比等分为两束扫频光，第一光耦合器输出的两束扫频光中的一束扫频光通过光纤输入第二光耦合器的第一信号输入端，第一光耦合器输出的两束扫频光中的另一束扫频光通过延时光纤输入第二光耦合器的第二信号输入端，第二光耦合器将接收到的两束扫频光进行耦合，第一光电探测器接收第二光耦合器输出的拍频信号光并将拍频信号光转换为电信号，第一光电探测器输出的电信号为参考通道电信号；第二光分路器输出的另一束扫频光传输至多波长校准具，多波长校准具输出具有特征波长的扫频光，第二光电探测器将上述具有特征波长的扫频光转换成对应的电信号，第二光电探测器输出端的电信号为校准通道电信号；第一光分路器的第二信号输出端输出的扫频光输入解调光路，解调光路对输入的扫频光进行调制处理输出带光纤光栅波长信息的扫频光，第三光电探测器将带光纤光栅波长信息的扫频光转换为对应的电信号，第三光电探测器输出的电信号为解调通道电信号；步骤4：第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器输出的电信号传输给数据采集器及处理器，数据采集器及处理器通过检测参考通道电信号的过零点，以相邻两个过零点对应的时间为区间用插值方式分别对校准通道电信号和解调通道电信号进行重采样，得到补偿了可调谐激光器非线性扫频影响的校准通道电信号和解调通道电信号，利用补偿了可调谐激光器非线性扫频影响的解调通道电信号通过解调算法得到解调光路里待测光栅中心波长对应的时间，利用补偿了可调谐激光器非线性扫频影响的校准通道电信号得到特征波长与特征波长对应的时间，利用特征波长与特征波长对应的时间算出扫频激光器实际扫频速率，通过所述扫频激光器实际扫频速率、特征波长与特征波长对应的时间、解调光路里待测光栅中心波长对应的时间算出解调光路里待测光栅的中心波长。本专利技术通过参考通道补偿可调谐激光器的非线性缺陷，通过校准通道校准调谐激光器的输出波长，解调通道的波长分辨率由采样频率fs和扫频速率γv决定，调整采样频率、扫频速率可以将波长的分辨率提高到飞米级别。本专利技术提出用可调谐激光器为光源构建光栅解调系统，通过构建M-Z干涉参考通道，采用多波长校准具校准输出波长，解调通道获取光栅光谱信息，同步采集三路信号，实现光纤光栅的解调。本专利技术能有效克服可调谐激光器的非线性调谐缺陷(因为通过参考通道对另外两个通道采集到的信号进行了修正，所以就对非线性效应进行了补偿)，实现了非线性修正，大大提高波长的分辨率，能够满足微小物理量的测量，系统的灵敏度、精度高(波长分辨率可以达到10飞米)。附图说明图1为本专利技术的系统结构图；图2中的a部分为参考通道的拍频信号的实际波形图和修正后的波形图，图2中的b部分为可调谐激光器的光源信号的实际波形图和修正后的波形图；图3为本专利技术中校准通道求解波长值示意图；图中，1—可调谐激光器、2—第一光分路器、3—第二光分路器、4—第一光耦合器、5—第二光耦合器、6—第一光电探测器、7—多波长校准具、8—第二光电探测器、9—解调光路、10—第三光电探测器、11—数据采集器及处理器、12—光纤、13—延时光纤。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明：本专利技术所设计的一种高波长分辨率光纤光栅解调系统，如图1所示，包括可调谐激光器1、第一光分路器2、第二光分路器3、第一光耦合器4、第二光耦合器5、第一光电探测器6、多波长校准具7、第二光电探测器8、解调光路9、第三光电探测器10和数据采集器及处理器11，其中，可调谐激光器1的信号输出端连接第一光分路器2的信号输入端，第一光分路器2的第一信号输出端连接第二光分路器3的信号输入端，第二光分路器3的第一信号输出端连接第一光耦合器本文档来自技高网...

【技术保护点】
高波长分辨率光纤光栅解调系统，其特征在于：包括可调谐激光器(1)、第一光分路器(2)、第二光分路器(3)、第一光耦合器(4)、第二光耦合器(5)、第一光电探测器(6)、多波长校准具(7)、第二光电探测器(8)、解调光路(9)、第三光电探测器(10)和数据采集器及处理器(11)，其中，可调谐激光器(1)的信号输出端连接第一光分路器(2)的信号输入端，第一光分路器(2)的第一信号输出端连接第二光分路器(3)的信号输入端，第二光分路器(3)的第一信号输出端连接第一光耦合器(4)的输入端，第一光耦合器(4)的第一扫频光信号输出端通过光纤(12)连接第二光耦合器(5)的第一信号输入端，第一光耦合器(4)的第二扫频光信号输出端通过延时光纤(13)连接第二光耦合器(5)的第二信号输入端，第二光耦合器(5)的信号输出端连接第一光电探测器(6)的信号输入端，第二光分路器(3)的第二信号输出端连接多波长校准具(7)的信号输入端，多波长校准具(7)的信号输出端连接第二光电探测器(8)的信号输入端，第一光分路器(2)的第二信号输出端连接解调光路(9)的信号输入端，解调光路(9)的信号输出端连接第三光电探测器(10)的信号输入端，所述第一光电探测器(6)、第二光电探测器(8)和第三光电探测器(10)的输出端连接数据采集器及处理器(11)的信号输入端。...

【技术特征摘要】
1.高波长分辨率光纤光栅解调系统，其特征在于：包括可调谐激光器(1)、第一光分路器(2)、第二光分路器(3)、第一光耦合器(4)、第二光耦合器(5)、第一光电探测器(6)、多波长校准具(7)、第二光电探测器(8)、解调光路(9)、第三光电探测器(10)和数据采集器及处理器(11)，其中，可调谐激光器(1)的信号输出端连接第一光分路器(2)的信号输入端，第一光分路器(2)的第一信号输出端连接第二光分路器(3)的信号输入端，第二光分路器(3)的第一信号输出端连接第一光耦合器(4)的输入端，第一光耦合器(4)的第一扫频光信号输出端通过光纤(12)连接第二光耦合器(5)的第一信号输入端，第一光耦合器(4)的第二扫频光信号输出端通过延时光纤(13)连接第二光耦合器(5)的第二信号输入端，第二光耦合器(5)的信号输出端连接第一光电探测器(6)的信号输入端，第二光分路器(3)的第二信号输出端连接多波长校准具(7)的信号输入端，多波长校准具(7)的信号输出端连接第二光电探测器(8)的信号输入端，第一光分路器(2)的第二信号输出端连接解调光路(9)的信号输入端，解调光路(9)的信号输出端连接第三光电探测器(10)的信号输入端，所述第一光电探测器(6)、第二光电探测器(8)和第三光电探测器(10)的输出端连接数据采集器及处理器(11)的信号输入端。2.根据权利1所述的高波长分辨率光纤光栅解调系统，其特征在于：所述解调光路(9)是基于扫频光设计的包含待测光栅的光纤光栅传感网络。3.根据权利1所述的高波长分辨率光纤光栅解调系统，其特征在于：所述第一光分路器(2)的第一信号输出端与第二信号输出端输出的光功率比为1：99。4.根据权利1所述的高波长分辨率光纤光栅解调系统，其特征在于：所述第二光分路器(3)的第一信号输出端与第二信号输出端输出的光功率比为50：50。5.根据权利1所述的高波长分辨率光纤光栅解调系统，其特征在于：所述第一光耦合器(4)的第一扫频光信号输出端与第二扫频光信号输出端的光功率比为50：50。6.根据权利1所述的高波长分辨率光纤光栅解调系统，其特征在于：所述第二光耦合器(5)的第一信号输入端与第二信号输入端的光功率比为50：50。7.根据权利1所述的高波长分辨率光纤光栅解调系统，其特征在于：所述第一光耦合器(4)、第二光耦合器(5)和第一光电探测器(6)构成参考通道，所述多波长校准具(7)和第二光电探测器(8)构成校准通道，所述解调光路(9)和第三光电探测器(10)构成解调通道。8.一种利用...

【专利技术属性】
技术研发人员：李政颖，向娜，王凡，孙文丰，王洪海，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42