基于光电振荡器的相移光纤布拉格光栅应变传感系统

摘要

一种基于光电振荡器的相移光纤布拉格光栅应变传感系统，包括：一波长可调谐激光器；一偏振控制器的输入端与波长可调谐激光器的输出端相连接；一相位调制器的光输入端与偏振控制器的输出端相连接；一光环形器的a端与相位调制器的输出端相连接；一π相移布拉格光纤光栅的一端与光环形器的b端相连接；一光电探测器的输入端与光环形器的c端相连接；一微波功率分束器的输入端与光电探测器的输出端相连接；一微波功率放大器的输入端与微波功率分束器的第一输出端相连接，该微波功率放大器的输出端与相位调制器的射频输入端相连接；一频谱仪的输入端与微波功率分束器的第二输出端相连接。

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感领域，特别涉及一种基于光电振荡器的相移光纤 布拉格光栅应变传感系统。

背景技术

光纤传感是21世纪传感技术的一个重要领域，其发展直接影响到许 多行业的进步。光纤布拉格光栅传感器是一种波长调制型光纤传感器，其 机理是通过外界物理参量对光纤布拉格波长的调制来获取传感信息。由于 其具有不受电磁干扰影响、电绝缘性好、体积小、重量轻、传输容量大、 测试范围广等传统传感器所不具备的优势而备受人们亲睐。

外界物理参量引起的光纤布拉格波长的移动，可以通过光学滤波器例 如边缘滤波器、光纤法布里-珀罗振荡器、双臂干涉仪等波长解调测得。 传感分辨率取决于用于波长解调的光学滤波器。凭借其非常窄的谐振响应 特性，π相移布拉格光纤光栅被广泛用于提高波长解码分辨率。目前，最 新的波长解码方案可以实现分辨率达到1pm。但是，这些方案都无法避免 分辨率与测量范围之间的相互制约，即分辨率的提高会导致测量范围的减 少，反之亦然。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种基于光电振荡器的相移光纤布 拉格光栅应变传感系统，通过将光域的波长移动转换成电域的微波信号频 率移动实现对相移光纤布拉格光栅应变量的精确测量，避免了分辨率与测 量范围之间的相互制约，具有分辨率高、信噪比高、测量范围广等优点。

本发明提供一种基于光电振荡器的相移光纤布拉格光栅应变传感系 统，包括：

一波长可调谐激光器，该波长可调谐激光器呈单纵模输出；

一偏振控制器，该偏振控制器的输入端与波长可调谐激光器的输出端 相连接，用以调节波长可调谐激光器输出光的偏振态，减少光在传输过程 中的偏振相关损耗；

一相位调制器，该相位调制器的光输入端与偏振控制器的输出端相连 接，用于对输入光信号进行相位调制；

一光环形器，该光环形器的a端与相位调制器的输出端相连接；

一π相移布拉格光纤光栅，该π相移布拉格光纤光栅的一端与光环形 器的b端相连接，用于滤除调制光信号中的特定调制频率；

一光电探测器，该光电探测器的输入端与光环形器的c端相连接；

一微波功率分束器，该微波功率分束器的输入端与光电探测器的输出 端相连接；

一微波功率放大器，该微波功率放大器的输入端与微波功率分束器的 第一输出端相连接，该微波功率放大器的输出端与相位调制器的射频输入 端相连接，用以放大光电探测器拍频微波信号功率；

一频谱仪，该频谱仪的输入端与微波功率分束器的第二输出端相连 接。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1.本发明提供的基于光电振荡器的相移光纤布拉格光栅应变传感系 统，是将相移光纤布拉格光栅的应变转换为谐振波长的移动，其波长分辨 率仅受制于振荡器振荡模式间隔，并最终在电域上进行测量，因而具有很 高的分辨率，即可探测非常微小的应变量。

2.本发明提供的基于光电振荡器的相移光纤布拉格光栅应变传感系 统，由于光电振荡器的使用，能够很好地抑制相位噪声，波长移动(也就 是频率移动)的解调信噪比大幅提高。

3.本发明提供的基于光电振荡器的相移光纤布拉格光栅应变传感系 统，通过提高微波功率放大器、相位调制器、光电探测器以及相移布拉格 光纤光栅的带宽，可以使得其测量范围达到几十吉赫兹，克服了分辨率与 测量范围之间的相互制约。

附图说明

为了进一步说明本发明的技术内容，下面结合说明书附图对本发明作 详细的阐述，其中：

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明原理示意图；

图3为系统产生的谐振波频谱图；

图4为系统相位噪声频谱图；

图5为本发明在不同应变下产生的微波信号频谱图；

图6为应变量与系统产生的微波信号频率之间的关系图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种基于光电振荡器的相移光纤布拉格 光栅应变传感系统，包括：

一波长可调谐激光器1，该波长可调谐激光器1呈单纵模输出，所述 波长可调谐激光器1是外腔激光器、采样光栅半导体激光器或是光纤激光 器；

一偏振控制器2，该偏振控制器2的输入端与波长可调谐激光器1的 输出端相连接，用以调节波长可调谐激光器输出光的偏振态，减少光在传 输过程中的偏振相关损耗；

一相位调制器3，该相位调制器3的光输入端与偏振控制器2的输出 端相连接，用于对输入光信号进行相位调制；

一光环形器4，该环形器4的a端与相位调制器3的输出端相连接；

一π相移布拉格光纤光栅5，该π相移布拉格光纤光栅5的一端与光环 形器4的b端相连接，用于滤除调制光信号中的特定调制频率；

一光电探测器6，该光电探测器6的输入端与光环形器4的c端相连 接；

一微波功率分束器7，该微波功率分束器7的输入端与光电探测器6 的输出端相连接；

一微波功率放大器8，该微波功率放大器8的输入端与微波功率分束 器7的第一输出端相连接，该微波功率放大器8的输出端与相位调制器3 的射频输入端相连接，用以放大光电探测器拍频微波信号功率；

一频谱仪9，该频谱仪9的输入端与微波功率分束器7的第二输出端 相连接。

其中可调谐激光器1与偏振控制器2之间、相位调制器3与偏振控制 器2之间、光环行器4与相位调制器3之间、π相移布拉格光纤光栅5与 光环形器4之间、光电探测器6与光环行器4之间用标准单模光纤连接， 其余器件之间用标准射频连接线连接。

参阅图2所示，本发明原理如下：

波长可调谐激光器1产生的光ω₀进入相位调制器3进行相位调制，系 统刚开始工作时，调制信号为系统噪声，其具有很宽的频率成分，因而调 制后的信号具有很多边带。调制后的信号通过光环行器4进入π相移布拉 格光纤光栅5，当其中一个边带ω₀-ω_e位于π相移布拉格光纤光栅5反射谱 中很窄的透射窗口时将被滤除，对应的边带ω₀+ω_e通过光环行器4进入光 电探测器6与光载波ω₀拍频产生频率为ω_e的微波。其他边带进入光电探测 器6，由于其上边带与载波的拍频信号和对应的下边带与载波的拍频信号 相位相反，因而相互抵消，只产生直流信号。拍频产生的频率为ω_e的微波 经过微波分束器7，一部分输入到频谱仪9中，一部分通过微波功率放大 器8后输入到相位调制器3，继续对波长可调谐激光器1输入光进行调制， 形成光电反馈回路。如此往复，频率为ω_e的微波就会由小逐渐变大，建立 自激振荡并最终达到稳定，即构成了光电振荡器结构。当外界环境引起π相 移布拉格光纤光栅5发生应变时，其透射窗口也将产生相应的移动，光域 的波长移动最终转换成电域的微波信号频率移动，从而实现了对π相移光 纤布拉格光栅5应变量的精确测量。

图3为系统产生的谐振波频谱图，其谱型与π相移布拉格光纤光栅5 反射谱中的透射窗口对应。由于透射窗口很狭窄，因而得到的谐振波单频 性好。光电振荡器具有较高的Q值，能够很好地抑制相位噪声，因此波长 移动(也就是频率移动)的解调信噪比大幅提高。

图4为系统相位噪声频谱图，在远离谐振波中心频率fr处会出现等 频率间隔(频率间隔也为fr)的振荡峰，该振荡峰之间的频率间隔对应于系 统光电振荡器纵模间隔。当外界环境引起π相移布拉格光纤光栅5谐振波 长发生变化时，系统输出的微波信号将以分辨率为fr的频率移动。通过 增加光电振荡器谐振腔长，很容易得到较高的系统分辨率。

图5为本发明在不同应变下产生的微波信号频谱图，不同的应变使π 相移布拉格光纤光栅5透射窗口发生相应的移动，从而得到不同的谐振峰 输出，实现了光域的波长移动转换成电域的微波信号频率移动。通过提高 微波功率放大器8、相位调制器2、光电探测器6以及π相移布拉格光纤光 栅5的带宽，测量范围达到几十吉赫兹，克服了分辨率与测量范围之间的 相互制约。

图6为应变量与系统产生的微波信号频率之间的关系图，从关系图看 出，通过测得的谐振峰频率可以得知π相移布拉格光纤光栅5产生的应变 量，即通过波长解码实现了传感功能。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已， 并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、 等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。