高速光纤光栅波长解调系统技术方案

一种高速光纤光栅波长解调系统，主要由铌酸锂电光开关４、耦合器５、光纤光栅三角形滤波器６、光探测器７，处理器９组成。当待解调的波长信号（λ↓［１］、λ↓［２］…λ↓［ｎ］）经过光开关４的切换经并依次进入各个光纤光栅三角形滤波器６，在光纤光栅三角形滤波器６反射谱范围内的传感光信号被反射，并将其转换为波长的变化；被反射后的波长信号经相应的耦合器５后被各个光探测器７接收，最后进入处理器，根据光强的变化推算出波长改变量的大小。本发明专利技术的优点是：通过高速光开关和光纤光栅三角形滤波器的组合，实现了高速波长解调，同时通过增加光纤光栅三角形滤波器的数量，可以实现大范围的波长解调。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光纤传感领域，用于对光纤光栅传感器进行波长解调。特别适合高速和宽带解调、动态与静态参量结合测量。
技术介绍
光纤光栅传感器具有可靠性高、抗电磁干扰、抗腐蚀等特点，此外其波长编码特性以及能在单根光纤上实现准分布式测量的优点更是其它传感器所无法比拟的，具有广阔的应用前景，但目前限制光纤光栅传感器大规模实际应用的最主要障碍之一是对光纤光栅传感器波长信号的解调。在光纤光栅传感系统中，外界物理量是以光纤光栅的反射波长为载体来传递的，因此，波长解调技术一直是该领域的研究热点，开发出调谐范围大、精度高、稳定性好、低成本的解调系统是光纤光栅传感器实用化的关键。国内外的研究机构和相关公司对光纤光栅解调技术的研究非常多，到目前为止，已经发展出了十多种波长解调制技术。S.M.Melle等人在1992年提出边缘滤波法，利用滤波器对波长响应函数的线性部分，将波长信息转化为强度信息。同年A.D.Kersey等人提出了非平衡Mach-Zehnder干涉法，利用非平衡Mach-Zehnder干涉仪将光纤光栅传感器反射光的波长变化转换为相位变化，通过检测相位变化得到波长变化信息；该方法具有很高的波长分辨率，但是干涉仪受环境影响较大，这种方法仅适合检测动态应变，而且，只能通过时分复用技术来检测多个布拉格光栅的波长漂移，不适合采用波分复用的分布系统。此后，A.D.Kersey等人又先后提出了可调Fabry-Perot滤波法、外加调制非平衡Mach-Zehnder干涉法。P.K.C.Chan等人在1999年报道了一种副载波解调方法，把信号光加载到另外一个频段上，接收端将有用信号从载波上下载并进行解调；该方法最大的优点是几路阵列布拉格光栅反射波长即使相同也能分别将其解调出来。2000年关柏鸥等人提出了光纤激光器波长扫描法，采用波长周期性变化的窄带光源扫描光栅光栅的反射谱，根据每次扫描反射光最强时窄带光源的输出波长可得知相应的光栅反射波长；该方法具有较高的信噪比和分辨率，但激光器光谱范围窄，且容易受到干扰，影响精度。2004年Jauregui等人提出了利用倾斜啁啾光栅来进行解调的方法，用该方法制作的解调器结构简单、体积小，但精度和信噪比不高。由于光纤光栅波长解调方法很多，但由于这些技术各自的局限性，投入实际应用的产品并不多，还没有一种解调方案能同时满足频率高、带宽大、动态与静态参量结合测量且成本不高的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高速光纤光栅波长解调系统，该系统同时具有大的解调范围及动态与静态参量结合测量，并可复用检测。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是，通过采用采用铌酸锂电光开关和光纤光栅三角形滤波器反射的组合，从而实现了高速光纤光栅波长解调。本专利技术具体解决方案如下光纤光栅传感系统主要包括宽带光源3、光纤光栅传感器2、波长解调装置1和环型器8。宽带光源3为光纤光栅传感器2提供光源，光纤光栅传感器2感知待测量的变化，并将其转换为波长的变化反射回来；波长解调装置1接收反射光信号，并将其还原为待测量的变化。为了使信号解调装置分辨出各个光纤光栅传感器，各光纤光栅传感器的中心波长(λ1、λ2…λn)互不相同，并且其相差大于2nm，以保证传感器的探测范围。光纤光栅波长解调装置由4、铌酸锂电光开关5、耦合器6、光纤光栅三角形滤波器7、光探测器8、环形器、9、处理器组成。当待解调的波长信号(λ1、λ2…λn，n为正整数，表示光纤光栅传感器的数目)进入解调装置后，经过铌酸锂电光开关4的切换，依次进入各个光纤光栅三角形滤波器6，在光纤光栅三角形滤波器反射谱范围内的传感光信号被反射，被反射后的波长信号经相应的耦合器5后被各个光探测器7接收。根据光强的变化处理器9推算出波长改变量的大小。上述过程通过光开关4的循环切换，不断检测各个传感光纤光栅的波长变化。由于光开关4采用铌酸锂电光开关，其开关频率可以达到106Hz，所以系统的解调频率可以达到106/nHz。本专利技术的优点是通过高速光开关和光纤光栅三角形滤波器的组合，实现了高速波长解调，同时通过增加光纤光栅三角形滤波器的数量，可以实现大范围的波长解调。附图说明图1光纤光栅传感系统示意图；图2光纤光栅三角形滤波器的频谱响应示意图；图3高速光纤光栅波长解调系统结构示意图；1.波长解调装置 2、光纤光栅传感器 3、宽带光源 4、光开关 5、耦合器 6、光纤光栅三角形滤波器 7、光探测器 8、环形器9、处理器 具体实施例方式根据图1、图2、图3详细介绍本专利技术的详细内容如图1所示，光纤光栅传感系统主要包括宽带光源3、光纤光栅传感器2和波长解调装置1和环型器8。宽带光源3为光纤光栅传感器2提供光源，光纤光栅传感器2感知待测量的变化，并将其转换为波长的变化反射回来；波长解调装置1接收反射光信号，并将其还原为待测量的变化。为了使信号解调装置分辨出各个光纤光栅传感器，各光纤光栅传感器的中心波长(λ1、λ2…λn)互不相同，并且其相差大于2nm，以保证传感器的探测范围。图2所示的光纤光栅三角形滤波器的频谱响应图中，该滤波器的频谱形状为三角形，采用啁啾光纤光栅相位掩模板通过非均匀曝光的方法获得。图3所示的高速光纤光栅波长解调装置由铌酸锂电光开关4、耦合器5、光纤光栅三角形滤波器6、光探测器7、环形器8、处理器9组成。当待解调的波长信号(λ1、λ2…λn，n为正整数，表示光纤光栅传感器的数目)进入解调装置后，经过铌酸锂电光开关4的切换，依次进入各个光纤光栅三角形滤波器6，在光纤光栅三角形滤波器反射谱范围内的传感光信号被反射，例如波长信号λ1被第1个光纤光栅三角形滤波器反射、波长信号λ2被第2个光纤光栅三角形滤波器反射、…、波长信号λn被第n个光纤光栅三角形滤波器反射，从光纤光栅三角形滤波器6的频谱响应图中可以看到，该滤波器的频谱形状为三角形，采用啁啾光纤光栅相位掩模板通过非均匀曝光的方法获得。该滤波器的反射率和波长相关，若对波长λi的反射率为Ri，则对波长λi+Δλi的反射率为R(λi+Δλi)＝Ri+k×Δλi(1)其中k为频谱图中三角形的斜率。被反射后的波长信号经相应的耦合器5后被各个光探测器7接收。若某个信号的波长λi(1≤i≤n)发生了微小漂移，则对应的光纤光栅三角形滤波器对其反射率也发生变化，从而使对应的光探测器的接受光强发生变化，根据光强的变化处理器推算出波长改变量的大小。上述过程通过光开关4的循环切换，不断检测各个传感光纤光栅的波长变化。由于光开关4采用铌酸锂电光开关，其开关频率可以达到106Hz，所以系统的解调频率可以达到106/nHz。权利要求1.一种高速光纤光栅波长解调系统，其特征在于包括铌酸锂电光开关(4)、耦合器(5)、光纤光栅三角形滤波器(6)、光探测器(7)，处理器(9)；当待解调的波长信号进入解调装置后，经过铌酸锂电光开关(4)的切换，依次进入各个光纤光栅三角形滤波器(6)，在光纤光栅三角形滤波器反射谱范围内的传感光信号被反射，被反射后的波长信号经相应的耦合器(5)后被各个光探测器7接收。根据光强的变化处理器(9)推算出波长改变量的大小。2.根据权利要求1所述的一种高速光纤光栅波长解调系统，其特征在于光纤光栅三角形滤波器(6)的数量可根据传感光纤光栅的数量增本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高速光纤光栅波长解调系统，其特征在于包括铌酸锂电光开关（４）、耦合器（５）、光纤光栅三角形滤波器（６）、光探测器（７），处理器（９）；当待解调的波长信号进入解调装置后，经过铌酸锂电光开关（４）的切换，依次进入各个光纤光栅三角形滤波器（６），在光纤光栅三角形滤波器反射谱范围内的传感光信号被反射，被反射后的波长信号经相应的耦合器（５）后被各个光探测器７接收。根据光强的变化处理器（９）推算出波长改变量的大小。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：姜德生，文泓桥，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]