基于色散马赫曾德尔干涉的光纤光栅解调装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于色散马赫曾德尔干涉的光纤光栅解调装置，它包括宽带光源、窄线宽扫频激光器、第一光开关、光隔离器、半导体光放大器、脉冲数字信号源、光环形器、第二光开关、参考光栅、传感光栅阵列、法拉第旋镜、第一光耦合器、色散补偿光纤、单模光纤、第二光耦合器、光电探测器组、数据采集卡和上位机。本发明专利技术将光纤色散效应与传统马赫曾德尔干涉相结合，构建色散马赫曾德尔干涉，利用色散效应引起的光程差来实现相位增敏，通过高速时域光脉冲记录准分布光纤光栅阵列中各光栅的干涉信息，采用多相位解调技术处理时域干涉信号，实现了光纤光栅阵列的灵敏度高速解调，且解调装置具有抗干扰能力强、可实现分布式测量等优点。

【技术实现步骤摘要】
基于色散马赫曾德尔干涉的光纤光栅解调装置及方法
本专利技术涉及光纤光栅解调
，具体涉及一种基于色散马赫曾德尔干涉的光纤光栅解调装置及方法。
技术介绍
近年来，光纤光栅因具有体积小、耐腐蚀、抗电磁辐射干扰、传输损耗小、重量轻、易于组建大规模分布式传感网络等优点，被广泛应用于铁路、桥梁、航空、工业、军事等领域进行温度、应变、振动、加速度等物理量测量，以及建筑桥梁的结构健康监测。但在超声波探伤、航空发动机旋转监测、气体管道泄漏检测等特殊场合，需进行高速、高灵敏度的信号检测，光纤光栅的应用受制于传统波长解调技术。为使光纤光栅传感技术在上述特殊领域实用化，迫切需要超高灵敏度的光纤光栅高速解调技术与装置。目前，光纤光栅阵列的解调方法主要有傅里叶锁模(FourierDomainModeLocking，FDML)扫频激光法、可调谐法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)滤波器法、匹配光栅解调法、非平衡M-Z干涉解调法、光纤色散效应解调法等等。但此类解调方法应用时存在局限性，难以同时兼顾高速解调与高灵敏度探测的需求。如FDML扫频激光法，采用环状结构激光谐振腔，输出窄带扫频光信号，根据扫频光波长与光栅中心波长重合时，光电探测器接收光强最强实现光纤光栅中心波长解调，但此法扫频激光谐振腔较长，易受外界环境干扰，光栅解调速度受限于光源扫频速率，且解调灵敏度一般；可调谐F-P滤波器法与FDML扫频法类似，其核心为法布里-珀罗滤波器，通过控制电路产生调谐信号驱动压电陶瓷改变F-P腔长，实现光源的光谱调谐，此法同样受限于F-P调谐速率，解调速率一般为几百赫兹到几千赫兹；匹配光栅解调法利用与传感光栅波长相匹配的光纤光栅作为参考，在驱动单元作用下匹配光栅跟踪传感光栅的波长变化，通过测量驱动元件的驱动信号，反向推导出传感光栅中心波长，此法解调速率也受限于驱动匹配光栅的速度，且一个匹配光栅仅对应一个传感光栅，难以应用于大规模光栅复用系统解调；非平衡M-Z干涉解调法的基本原理是光栅反射光通过两臂差不等的M-Z干涉仪时会发生干涉，当光纤光栅波长变化时，干涉信号的相位发生改变，产生干涉光相位调制，通过检测干涉仪相位变化即可解调光纤光栅中心波长，此方法具有较高的检测灵敏度，但极易受外界扰动影响，稳定性不足，仅适用于动态解调；光纤色散效应解调法利用不同波长的高速脉冲光在光纤中的时间延时不同解调，具有很高的解调速率，但需要高采样率的高速示波器，难以工程实用化，且受限于时域时延测量精度，解调灵敏度较一般。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于色散马赫曾德尔干涉的光纤光栅解调装置及方法，该装置和方法通过将光纤色散效应与传统M-Z干涉相结合，利用光栅波长变化时产生的色散效应显著改变M-Z干涉信号的相位，并由高速光脉冲记录时域干涉信号相位变化，采用3×3多相位解调技术求解相位变化，实现光纤光栅阵列的超高灵敏度高速解调。为解决上述技术问题，本专利技术公开的一种基于色散马赫曾德尔干涉的光纤光栅解调装置，它包括宽带光源、窄线宽扫频激光器、第一光开关、光隔离器、半导体光放大器、脉冲数字信号源、光环形器、第二光开关、参考光栅、传感光栅阵列、法拉第旋镜、第一光耦合器、色散补偿光纤、单模光纤、第二光耦合器、光电探测器组、数据采集卡和上位机，其中，所述宽带光源的宽带光信号输出端连接第一光开关的前端第一光信号通信端，窄线宽扫频激光器的扫频激光信号输出端连接第一光开关的前端第二光信号通信端，第一光开关的后端光信号通信端通过光隔离器连接半导体光放大器的光信号输入端，半导体光放大器的光信号输出端连接光环形器的第一光信号接口，光环形器的第二光信号接口连接第二光开关的前端光信号通信端，第二光开关的后端第一光信号通信端连接参考光栅的一端，参考光栅的另一端连接传感光栅阵列，第二光开关的后端第二光信号通信端连接法拉第旋镜的光通信端；光环形器的第三光信号接口连接第一光耦合器的光信号输入端，第一光耦合器的第一光信号输出端连接单模光纤的一端，第一光耦合器的第二光信号输出端连接色散补偿光纤的一端，单模光纤的另一端连接第二光耦合器的第一输入端，第二光耦合器的第二输入端连接色散补偿光纤的另一端，第二光耦合器的第一输出端、第二输出端和第三输出端连接光电探测器组的光信号输入端，光电探测器组的电信号输出端连接数据采集卡的信号输入端，数据采集卡的信号输出端连接上位机的信号输入端；所述上位机的扫频激光器控制信号输出端连接窄线宽扫频激光器的控制端，上位机的第一光开关控制信号输出端连接第一光开关的控制端，上位机的第二光开关控制信号输出端连接第二光开关的控制端，脉冲数字信号源的信号输出端连接半导体光放大器的驱动信号输入端。一种利用上述装置的光纤光栅解调方法，它包括如下步骤：步骤1：上位机控制第一光开关和第二光开关，使窄线宽扫频激光器的输出端与光隔离器接通，同时，使光环形器的第二光信号接口与法拉第旋镜接通，上位机发出指令，开启窄线宽扫频激光器，窄线宽扫频激光器发出扫频光信号，扫频光信号通过第一光开关和光隔离器，进入半导体光放大器中；步骤2：脉冲数字信号源驱动半导体光放大器对扫频光信号进行脉冲调制，产生扫频光脉冲信号，该扫频光脉冲信号通过光环形器进入法拉第旋镜，并由法拉第旋镜改变传播路径，使扫频光脉冲信号由光环形器进入第一光耦合器；第一光耦合器的第一光信号输出端向单模光纤输送扫频光脉冲信号；第一光耦合器的第二光信号输出端向色散补偿光纤输送扫频光脉冲信号；扫频光脉冲信号在单模光纤和色散补偿光纤中进行传输并在第二光耦合器发生干涉形成马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光，马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光的光程差随着扫频光脉冲信号波长的变化而改变；步骤3：第二光耦合器分别向光电探测器组输出三个马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光信号，分别为第一马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光信号、第二马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光信号和第三马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光信号，三个干涉光信号中相邻两个的马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光信号的相位差为120°，光电探测器组分别向上位机输送三个电信号，第一个电信号包含了第一马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光相位信息，第二个电信号包含了第二马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光相位信息，第三个电信号包含了第三马赫曾德尔干涉模块色散值标定用干涉光相位信息；步骤4：上位机分别对步骤3中的三个电信号，进行相位解调，得到干涉信号对应相位，形成扫频光脉冲信号波长与相位对比关系；根据扫频光脉冲信号波长与相位对比关系求得扫频光脉冲信号波长变化时的相位差，根据传感光栅反射光波长与参考光栅反射光波长的相位关系式分别得到扫频光脉冲信号在单模光纤的色散值和色散补偿光纤的色散值，完成光纤色散测量；步骤5：将传感光栅阵列贴在待测物上，上位机控制第一光开关和第二光开关，使宽带光源的输出端与光隔离器接通，同时，使光环形器的第二光信号接口与参考光栅接通，宽带光源输出连续宽带光信号，连续宽带光信号依次经过第一光开关和光隔离器进入半导体光放大器中；步骤6：脉冲数字信号源驱动半导体光放大器对宽带光进行脉冲调制，产生宽带光脉冲信号，该宽带光脉冲信号通过光环形器进入参考光栅和传感光栅阵列，参考光栅输出的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于色散马赫曾德尔干涉的光纤光栅解调装置，其特征在于：它包括宽带光源(1)、窄线宽扫频激光器(2)、第一光开关(3)、光隔离器(4)、半导体光放大器(5)、脉冲数字信号源(6)、光环形器(7)、第二光开关(8)、参考光栅(9)、传感光栅阵列(10)、法拉第旋镜(12)、第一光耦合器(13)、色散补偿光纤(14)、单模光纤(15)、第二光耦合器(16)、光电探测器组(17)、数据采集卡(18)和上位机(19)，其中，所述宽带光源(1)的宽带光信号输出端连接第一光开关(3)的前端第一光信号通信端，窄线宽扫频激光器(2)的扫频激光信号输出端连接第一光开关(3)的前端第二光信号通信端，第一光开关(3)的后端光信号通信端通过光隔离器(4)连接半导体光放大器(5)的光信号输入端，半导体光放大器(5)的光信号输出端连接光环形器(7)的第一光信号接口，光环形器(7)的第二光信号接口连接第二光开关(8)的前端光信号通信端，第二光开关(8)的后端第一光信号通信端连接参考光栅(9)的一端，参考光栅(9)的另一端连接传感光栅阵列(10)，第二光开关(8)的后端第二光信号通信端连接法拉第旋镜(12)的光通信端；光环形器(7)的第三光信号接口连接第一光耦合器(13)的光信号输入端，第一光耦合器(13)的第一光信号输出端连接单模光纤(15)的一端，第一光耦合器(13)的第二光信号输出端连接色散补偿光纤(14)的一端，单模光纤(15)的另一端连接第二光耦合器(16)的第一输入端，第二光耦合器(16)的第二输入端连接色散补偿光纤(14)的另一端，第二光耦合器(16)的第一输出端、第二输出端和第三输出端连接光电探测器组(17)的光信号输入端，光电探测器组(17)的电信号输出端连接数据采集卡(18)的信号输入端，数据采集卡(18)的信号输出端连接上位机(19)的信号输入端；所述上位机(19)的扫频激光器控制信号输出端连接窄线宽扫频激光器(2)的控制端，上位机(19)的第一光开关控制信号输出端连接第一光开关(3)的控制端，上位机(19)的第二光开关控制信号输出端连接第二光开关(8)的控制端，脉冲数字信号源(6)的信号输出端连接半导体光放大器(5)的驱动信号输入端。...

【技术特征摘要】
1.一种基于色散马赫曾德尔干涉的光纤光栅解调装置，其特征在于：它包括宽带光源(1)、窄线宽扫频激光器(2)、第一光开关(3)、光隔离器(4)、半导体光放大器(5)、脉冲数字信号源(6)、光环形器(7)、第二光开关(8)、参考光栅(9)、传感光栅阵列(10)、法拉第旋镜(12)、第一光耦合器(13)、色散补偿光纤(14)、单模光纤(15)、第二光耦合器(16)、光电探测器组(17)、数据采集卡(18)和上位机(19)，其中，所述宽带光源(1)的宽带光信号输出端连接第一光开关(3)的前端第一光信号通信端，窄线宽扫频激光器(2)的扫频激光信号输出端连接第一光开关(3)的前端第二光信号通信端，第一光开关(3)的后端光信号通信端通过光隔离器(4)连接半导体光放大器(5)的光信号输入端，半导体光放大器(5)的光信号输出端连接光环形器(7)的第一光信号接口，光环形器(7)的第二光信号接口连接第二光开关(8)的前端光信号通信端，第二光开关(8)的后端第一光信号通信端连接参考光栅(9)的一端，参考光栅(9)的另一端连接传感光栅阵列(10)，第二光开关(8)的后端第二光信号通信端连接法拉第旋镜(12)的光通信端；光环形器(7)的第三光信号接口连接第一光耦合器(13)的光信号输入端，第一光耦合器(13)的第一光信号输出端连接单模光纤(15)的一端，第一光耦合器(13)的第二光信号输出端连接色散补偿光纤(14)的一端，单模光纤(15)的另一端连接第二光耦合器(16)的第一输入端，第二光耦合器(16)的第二输入端连接色散补偿光纤(14)的另一端，第二光耦合器(16)的第一输出端、第二输出端和第三输出端连接光电探测器组(17)的光信号输入端，光电探测器组(17)的电信号输出端连接数据采集卡(18)的信号输入端，数据采集卡(18)的信号输出端连接上位机(19)的信号输入端；所述上位机(19)的扫频激光器控制信号输出端连接窄线宽扫频激光器(2)的控制端，上位机(19)的第一光开关控制信号输出端连接第一光开关(3)的控制端，上位机(19)的第二光开关控制信号输出端连接第二光开关(8)的控制端，脉冲数字信号源(6)的信号输出端连接半导体光放大器(5)的驱动信号输入端。2.根据权利要求1所述的基于色散马赫曾德尔干涉的光纤光栅解调装置，其特征在于：所述传感光栅阵列(10)由多个光栅采用时分复用或波分复用的方式构成。3.根据权利要求1所述的基于色散马赫曾德尔干涉的光纤光栅解调装置，其特征在于：它还包括恒温装置(11)，所述参考光栅(9)置于所述恒温装置(11)内。4.根据权利要求3所述的基于色散马赫曾德尔干涉的光纤光栅解调装置，其特征在于：所述恒温装置(11)保证参考光栅(9)处于20℃的环境中。5.根据权利要求1所述的基于色散马赫曾德尔干涉的光纤光栅解调装置，其特征在于：所述第二光耦合器(16)的三个输出端分别输出相位不同的干涉光信号，且第二光耦合器(16)的第一输出端输出的干涉光信号与第二输出端输出的干涉光信号之间的相位差为120°，第二光耦合器(16)的第二输出端输出的干涉光信号与第三输出端输出的干涉光信号之间的相位差为120°，第二光耦合器(16)的第三输出端输出的干涉光信号与第一输出端输出的干涉光信号之间的相位差为120°。6.根据权利要求5所述的基于色散马赫曾德尔干涉的光纤光栅解调装置，其特征在于：所述光电探测器组(17)包括第一光电探测器(17.1)、第二光电探测器(17.2)和第三光电探测器(17.3)，所述第二光耦合器(16)的第一输出端连接第一光电探测器(17.1)的光信号输入端，第一光电探测器(17.1)的电信号输出端连接数据采集卡(18)的信号输入端，第二光耦合器(16)的第二信号输出端连接第二光电探测器(17.2)的光信号输入端，第二光电探测器(17.2)的电信号输出端连接连接数据采集卡(18)的信号输入端，第二光耦合器(16)的第三输出端连接第三光电探测器(17.3)的光信号输入端，第三光电探测器(17.3)的电信号输出端连接数据采集卡(18)的信号输入端。7.根据权利要求1所述的基于色散马赫曾德尔干涉的光纤光栅解调装置，其特征在于：所述宽带光源(1)用于输出连续宽带光，窄线宽扫频激光器(2)用于输出窄线宽扫频光。8.一种利用权利要求1所述装置的光纤光栅解调方法，其特征在于，它包括如下步骤：步骤1：上位机(19)控制第一光开关(3)和第二光开关(8)，使窄线宽扫频激光器(2)的输出端与光隔离器(4)接通，同时，使光环形器(7)的第二光信号接口与法拉第旋镜(12)接通，上位机(19)发出指令，开启窄线宽扫频激光器(2)，窄线宽扫频激光器(2)发出扫频光信号，扫频光信号通过第一光开关(3)和光隔离器(4)，进入半导体光放大器(5)中；步骤2：脉冲数字信号源(6)驱动半导体光放大器(5)对扫频光信号进行脉冲调制，产生扫频光脉冲信号，该扫频光脉冲信号通过光环形...

【专利技术属性】
技术研发人员：李政颖，周磊，童宇衡，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