一种高速大动态范围光纤光栅解调系统及解调方法技术方案

本发明专利技术公开了一种高速大动态范围光纤光栅解调系统，包括宽带光源、三端口光纤环行器、分光比50:50的光纤耦合器、第一窄带滤波器、第二窄带滤波器、第一光电探测器、第二光电探测器和数据采集处理单元；所述的宽带光源输出光谱形状为具有线性长斜边的高斯型，光谱具有单峰性，利用宽带光源输出光谱中的左右两个近线性的长斜边来进行光纤光栅的高速解调，将光栅的波长变化转换为光栅输出的反射光功率的变化。本发明专利技术还提供了使用以上所述的高速大动态范围光纤光栅解调系统进行光纤光栅传感器解调的方法。本发明专利技术的解调系统具有解调速度快、测量范围宽、解调精度高、对光栅波长限制小等优点，适于爆炸冲击波压力等瞬态大变量的测试。

【技术实现步骤摘要】
一种高速大动态范围光纤光栅解调系统及解调方法
本专利技术涉及光纤传感技术，具体是一种高速大动态范围光纤光栅解调系统及解调方法。
技术介绍
爆炸冲击波压力测量一直是武器爆炸工程效应研究和工程防护科研试验研究中一个十分重要的问题。由于爆炸环境恶劣，目前可用于爆炸冲击波压力测量的传感器不仅可选择的种类少，而且这些可选范围内的传感器也存在抗干扰能力差、适应场合少等缺点。近年来，将光纤传感技术引入爆炸效应参数测量领域研制光纤式冲击波压力传感器为爆炸冲击波压力测量提供了一种新手段。其中，基于光纤布拉格光栅(FBG，FiberBraggGrating)的爆炸冲击波压力传感器以其结构简单、成本低、性能优异、易于组网等突出优势而极具应用前景。但FBG是一种波长编码型光纤无源器件，其解调技术的本质是准确获取FBG的中心波长值，相应的波长解调技术直接限制了整个FBG传感系统的检测精度、测量范围、解调速度等，这是FBG传感系统实用化的关键部分之一。目前，可用于爆炸冲击波压力测量的高速动态FBG解调方法主要是不用扫描的自参考无源解调方法，如线性滤波器法、匹配光栅法等。光滤波法的核心是选择具有较宽线性范围的波长相关元件，利用它实现光纤波长编码的解调。目前光纤光栅解调中常用的线性波长相关元件主要采用斜边滤波器方案，如光纤F-P干涉仪、长周期光纤光栅、波分复用器等的透射谱或反射谱上一段接近线性的斜边，虽然可以达到较高的解调速度，但受限于滤波元件的线性波长范围较小，一般不超过3nm，导致测量范围较小；受滤波元件的稳定性影响，导致传感器的标定灵敏度不稳定，解调精度不高。
技术实现思路
针对
技术介绍
中的问题，本专利技术的目的是提出一种高速大动态范围光纤光栅解调系统及解调方法，可实现双光纤光栅的同时解调，具有解调速度快、测量范围宽、解调精度高等优点，非常适于爆炸冲击波压力等瞬态大变量的测试。本专利技术的目的可采用如下技术方案来实现：一种高速大动态范围光纤光栅解调系统，包括宽带光源、三端口光纤环行器、分光比50:50的光纤耦合器、第一窄带滤波器、第二窄带滤波器、第一光电探测器、第二光电探测器和数据采集处理单元，所述的宽带光源与光纤环行器第一端口连接，光纤环行器的第二端口用于连接光纤光栅传感器，光纤环行器的第三端口连接光纤耦合器的第一端口，光纤耦合器的第二端口通过第一窄带滤波器与第一光电探测器的输入端连接，光纤耦合器的第三端口通过第二窄带滤波器与第二光电探测器的输入端连接，第一光电探测器输出端、第二光电探测器输出端分别与数据采集处理单元连接；所述的宽带光源其输出光谱形状为具有线性长斜边的高斯型或近似高斯型的三角形，光谱具有单峰性，线性长斜边分布于输出光谱的最大峰值波长两侧，分为短波长段线性区和长波长段线性区；所述的第一窄带滤波器其中心波长位于所述的宽带光源的短波长段线性区中间位置，所述的第二窄带滤波器其中心波长位于所述的宽带光源的长波长段线性区中间位置，第一窄带滤波器、第二窄带滤波器的滤波带宽不重叠且均大于等于所在的宽带光源的线性斜边区域长度。所述的宽带光源的线性斜边区域长度不小于10nm。所述的第一窄带滤波器和第二窄带滤波器均为光纤波分复用器。所述的第一光电探测器和第二光电探测器的带宽均大于200kHz，具有低噪声、高增益等特点。所述的数据采集处理单元采样通道数大于等于2，且多通道同时采样率大于等于1MHz。本专利技术还提供了使用以上所述的高速大动态范围光纤光栅解调系统进行光纤光栅解调的方法，包括以下步骤：第一步、选取初始中心波长分别为λ1、λ2的两个光纤光栅传感器，依次串接至所述的光纤环形器的第二端口；λ1位于宽带光源(1)的短波长段线性区，λ2位于宽带光源(1)的长波长段线性区；第二步、宽带光源发出的光波经所述的三端口光纤环行器注入两个光纤光栅传感器，当光纤光栅传感器测量外部信号时，外部信号使光纤光栅传感器的中心波长发生变化，从两个光纤光栅传感器反射的光波再次经光纤环形器后，经由50:50的光纤耦合器一分为二，这两束光波分别注入第一窄带滤波器和第二窄带滤波器，中心波长为λ1的信号光通过第一窄带滤波器和第一光电探测器，中心波长为λ2的信号光通过第二窄带滤波器和第二光电探测器，完成两光纤光栅反射信号的分离，这两束光波经光电转换为电压信号后分别送入数据采集处理单元进行信号的采集、处理、存储和显示；第三步，对于每一个光纤光栅传感器，记录其测量过程中整个解调系统采集到的随时间变化的电压信号为V(t)，初始时刻光栅信号对应的电压值为V0，定义D＝log10(V(t)/V0)作为有效信号来标定传感器并进行传感信号解调，光纤光栅传感器灵敏度以dB来表示。上述光栅解调系统的原理是：使用具有线性长斜边的宽带光源，该光源既做整个解调系统的光源，又充当光栅波长解调的线性滤波元件，将光栅的波长变化直接转换为光栅反射光强度变化，来实现高速、大动态范围的相对变化量的传感。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：利用现有波形整形技术很容易获得线性斜边长度超过10nm的宽带光源，这使得能够解调的光栅波长范围达到了±5nm以上，解调系统的动态范围远超现有线性斜边滤波器方案；由于所述宽带光源输出光谱通常在对数坐标下呈现较好的线性，且输出光谱形状的稳定性易于控制，利用该解调系统，使用求对数的数据处理方法，可以较好地消除光源输出光功率波动和光路功率波动对测量结果的影响，传感器的标定灵敏度较稳定，可大大提高系统的测量精度；由于所述宽带光源有两段线性长斜边区域，可同时解调两支光纤光栅，据此可实现单参量或双参量的准确测量；可通过空分复用的方式共用同一宽带光源，方便拓展整个解调系统的测试通道数，大大提高系统的测试能力的同时又不显著增加系统成本。因此，本专利技术所述的光纤光栅解调系统具有解调速度快、测量范围宽、解调精度高、对光栅波长限制小等优点，非常适于爆炸冲击波压力等瞬态大变量的测试。附图说明图1为本专利技术的结构原理图。图2为实施例1中具有高斯型输出光谱的宽带光源在不同输出光功率下的对数坐标系的输出光谱。图3为宽带光源输出光功率分别为2.286dBm和-0.525dBm时，FBG的绝对反射输出信号电压随挂重的变化曲线图。图4为宽带光源输出光功率分别为2.286dBm和-0.525dBm时，FBG的相对反射输出随挂重的变化曲线图。图5为基于输出光谱为高斯型或近似高斯型的宽带光源的光纤光栅解调原理示意图。图6为线性斜边滤波器的解调原理示意图。图中，1、宽带光源，2、三端口光纤环行器，3、分光比50:50的光纤耦合器，4、第一窄带滤波器，5、第一光电探测器，6、第二窄带滤波器，7、第二光电探测器，8、数据采集处理单元；21、光纤环行器第一端口，22、光纤环行器第二端口，23、光纤环行器第三端口，31、光纤耦合器第一端口，32、光纤耦合器第二端口，33、光纤耦合器第三端口。具体实施方式下面结合说明书附图和具体实施例对本专利技术作进一步的详本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高速大动态范围光纤光栅解调系统，包括宽带光源(1)、三端口光纤环行器(2)、分光比50:50的光纤耦合器(3)、第一窄带滤波器(4)、第二窄带滤波器(6)、第一光电探测器(5)、第二光电探测器(7)和数据采集处理单元(8)，其特征是：所述的宽带光源(1)与光纤环行器(2)第一端口(21)连接，光纤环行器(2)的第二端口(22)用于连接光纤光栅传感器，光纤环行器的第三端口(23)连接光纤耦合器(3)的第一端口(31)，光纤耦合器(3)的第二端口(32)通过第一窄带滤波器(4)与第一光电探测器(5)的输入端连接，光纤耦合器(3)的第三端口(33)通过第二窄带滤波器(6)与第二光电探测器(7)的输入端连接，第一光电探测器(5)输出端、第二光电探测器(7)输出端分别与数据采集处理单元(8)连接；/n所述的宽带光源(1)其输出光谱形状为具有线性长斜边的高斯型，光谱具有单峰性，线性长斜边分布于输出光谱的最大峰值波长两侧，分为短波长段线性区和长波长段线性区；/n所述的第一窄带滤波器(4)其中心波长位于所述的宽带光源(1)的短波长段线性区中间位置，所述的第二窄带滤波器(6)其中心波长位于所述的宽带光源(1)的长波长段线性区中间位置，第一窄带滤波器(4)、第二窄带滤波器(6)的滤波带宽不重叠且均大于等于所在的宽带光源(1)的线性斜边区域长度。/n...

【技术特征摘要】
1.一种高速大动态范围光纤光栅解调系统，包括宽带光源(1)、三端口光纤环行器(2)、分光比50:50的光纤耦合器(3)、第一窄带滤波器(4)、第二窄带滤波器(6)、第一光电探测器(5)、第二光电探测器(7)和数据采集处理单元(8)，其特征是：所述的宽带光源(1)与光纤环行器(2)第一端口(21)连接，光纤环行器(2)的第二端口(22)用于连接光纤光栅传感器，光纤环行器的第三端口(23)连接光纤耦合器(3)的第一端口(31)，光纤耦合器(3)的第二端口(32)通过第一窄带滤波器(4)与第一光电探测器(5)的输入端连接，光纤耦合器(3)的第三端口(33)通过第二窄带滤波器(6)与第二光电探测器(7)的输入端连接，第一光电探测器(5)输出端、第二光电探测器(7)输出端分别与数据采集处理单元(8)连接；
所述的宽带光源(1)其输出光谱形状为具有线性长斜边的高斯型，光谱具有单峰性，线性长斜边分布于输出光谱的最大峰值波长两侧，分为短波长段线性区和长波长段线性区；
所述的第一窄带滤波器(4)其中心波长位于所述的宽带光源(1)的短波长段线性区中间位置，所述的第二窄带滤波器(6)其中心波长位于所述的宽带光源(1)的长波长段线性区中间位置，第一窄带滤波器(4)、第二窄带滤波器(6)的滤波带宽不重叠且均大于等于所在的宽带光源(1)的线性斜边区域长度。


2.根据权利要求1所述的一种高速大动态范围光纤光栅解调系统，其特征是：所述的宽带光源(1)的线性斜边区域长度不小于10nm。


3.根据权利要求1所述的一种高速大动态范围光纤光栅解调系统，其特征是：所述的第一窄带滤波器(4)和第二窄带滤波器(6)均为光纤波分复用器。

【专利技术属性】
技术研发人员：周会娟，陈晋央，余尚江，孟晓洁，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院国防工程研究院工程防护研究所，
类型：发明
国别省市：河南;41