一种基于单探测器的多通道光纤光栅绝对波长解调系统与方法

摘要

一种基于单探测器的多通道光纤光栅绝对波长解调系统，包括宽带光源、环形器、参考光纤光栅、1×N光开关、N路传感光纤光栅阵列、可调谐滤波器、光电探测器以及数据采集卡；本发明同时提供了基于该系统的解调方法，宽带光源产生光，经环形器后再经过两个参考光纤光栅分为透射光和反射光两部分，其中透射光进入1×N光开关，由数据采集卡产生的选通信号控制光进入相应的传感光纤光栅通道，反射光回经环形器进入可调谐滤波器，传感光纤光栅的反射光回也经环形器进入可调谐滤波器，扫频光被光电探测器接收，将光谱信号转换成时域信号，然后进行解调，得到参考光纤光栅和传感光纤光栅的相对位置，本发明能够简化系统结构并消除因光纤传输而引入的波长测量误差。

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及一种基于单探测器的多通道光纤光栅绝对波长解调系统与方法。

背景技术

随着光纤通信技术的迅速发展，光纤布拉格光栅传感器作为一种新型的实现应变和温度传感的传感器件已经得到越来越多的关注。相比于传统的电学、光学应变传感器，光纤光栅具有独特优点，如灵敏度高、因传感信号为波长编码而不受电磁干扰、易于复用并可实现准分布式传感，目前在民用结构、航空航天、船舶航运、石油化工和医学等领域已得到广泛的应用。为了解调光纤光栅的波长变化，人们提出了很多解调方案，例如：匹配光栅滤波法、CCD解调法以及法布里珀罗解调方案等，近来扫频激光器也被应用到光纤光栅解调中，通过将光纤光栅的中心波长的变化转变为时域变化，可以实现快速解调并满足多光纤光学复用的要求。

在传统的扫频解调法中，扫频光均被分为了参考光路和传感光路，在参考光路中放置了光纤光栅、FP腔标准具、乙炔吸收谱线等光谱定位器件用来校准扫频光源的波长抖动，参考信号被光电探测器转换为电信号进入解调模块与传感信号进行比对。传感光路可由多路并联构成，每路串联了多个光纤光栅。参考光路和传感光路的分开设置增加了系统的复杂度，而且每个通道传感光路均需要配置一个探测器，探测器数量过多。另外在用于远距离传感中传感光纤光栅往往距离扫频光源较远，因此传输光纤较长，这样过长的传输时间会被叠加到最后的解调结果中，造成波长的测量误差。同时扫频光在长距离光纤中传输时会引入非线性和色散，降低了解调精度。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于单探测器的多通道光纤光栅绝对波长解调系统与方法，能够简化系统结构并消除因光纤传输而引入的波长测量误差。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于单探测器的多通道光纤光栅绝对波长解调系统，包括：

宽带光源1；

环形器2，其第一端口接宽带光源1所发射的光源；

参考光纤光栅3，位于出环形器2第二端口的光源路线上；

1×N光开关4，其输入端接出参考光纤光栅3的光源；

N个传感光纤光栅5，分别位于1×N光开关4N路输出端光路上；

可调谐滤波器6，其输入端接环形器2第三端口；

光电探测器7，其输入端接可调谐滤波器6输出端；

数据采集卡8，其输入端接光电探测器7输出端，同时产生用于选通1×N光开关4的选通信号以及驱动可调谐滤波器6的扫描电压信号。

其中，使用所述参考光纤光栅3为两个，作为波长参考，串联设置于光源路线上。。

优选地，参考光纤光栅3的中心波长位于扫描光谱的两端。

优选地，所述传感光纤光栅5的中心波长位于两个参考光纤光栅3的中心波长之间。

本发明同时提供了基于所述解调系统的解调方法，包括如下步骤：

宽带光源1产生光，经环形器2后再经过两个参考光纤光栅3分为透射光和反射光两部分，其中透射光进入1×N光开关4，由数据采集卡8产生的选通信号控制光进入相应的传感光纤光栅通道5，反射光回经环形器2进入可调谐滤波器6，传感光纤光栅5的反射光回也经环形器2进入可调谐滤波器6，扫频透射光被光电探测器7接收，将光谱信号转换成时域信号，然后进行解调，得到参考光纤光栅3和传感光纤光栅5的相对位置。

优选地，所述扫频滤波器6的扫描电压为三角波或锯齿波。

优选地，先根据扫描电信号确定参考光纤光栅3的反射峰时域位置，然后确定传感光纤光栅5的反射峰时域位置，依据参考反射峰时域位置通过插值法计算出传感光纤光栅5的时域位置的相对变化，实现光纤光栅波长解调。

优选地，为了实现N个通道光纤光栅的连续同时解调，由数据采集卡产生循环的选通信号，此循环周期与扫描电压同步，即每个扫描周期中使一路通道选通，依次循环。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.通过采用光纤光栅作为参考波长标准，可以实现参考光路和传感光路的串联，可共用一个探测器，简化了光路结构和电路结构，提高了采集和解调速度。

2.通过采用光开关分光方案替代传统的耦合器分光方案，提高了每个传感通道的反射光强，提高了解调信号的信噪比，且减少了探测器阵列，使用一个探测器便可探测N路传感阵列，简化了光路结构和电路结构。

3.采用宽带光源先经过传感光栅后经过可调谐滤波器的方案，可消除因传感信号在光纤中传输时产生的传输时间叠加所造成的传感信号绝对波长测量的测量误差，可实现绝对波长测量，提高解调精度。

4.将可调谐滤波器至于光纤光栅的后面，缩短了扫频滤波器与探测器的光程，可以避免扫频光因长光纤而引入的色散和非线性所造成的时间解调误差，提高解调的精度。

附图说明

图1为该解调方法的结构示意图。

图2为该解调方法原理图。

图3为该解调方法的信号示意图，其中图3（a）是传感参考反射光谱信号图（环形器的c端口出射光谱），图3（b）是传感信号与参考信号经滤波器后的时域信号图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，宽带光源1是一台带有输出尾纤的光源，其输出光经过环形器2被两个串联的参考光纤光栅3反射一部分光，反射光由两个窄带光构成，窄带光的中心波长分别对应于两个参考光纤光栅3的中心波长λ_ref1和λ_ref2，反射光依次经环形器2的b端口、c端口入射到可调谐滤波器6。宽带光源1穿过参考光纤光栅3的透射光经1×N光开关4(N=4)到达相应的传感光纤光栅5所在通道，其中数据采集卡8产生选通信号选通相应的通道（00→1通道，01→2通道，10→3通道，11→4通道）。宽带光被通道中的传感光纤光栅5反射后，其反射信号经由1×N光开关4(N=4)以及环形器2的c端口，与反射参考信号合并，其光谱图如图3（a）所示，然后一并入射可调谐滤波器6，可调谐滤波器6在三角波扫描驱动作用下实现线性扫频，在此过程中光谱信号会被转换成时域光强信号，波长信号转化成时域信号，如图3（b）所示，被光电探测器7接收，转换成模拟电信号进入基于数据采集卡8的解调模块，此时可以通过测量波峰的相对位置来测量光纤光栅中心波长的变化，实现光纤光栅解调。本发明解调的具体方法如图2所示，先将模拟电信号进行数模转换，然后进行数字滤波，利用寻峰算法找到一个周期内的所有的峰点，接着以三角波信号最低点为起始点，寻找半个周期内的两端的峰点，此为参考信号，通过设置合适的寻峰阈值和峰宽确定参考光纤光栅反射峰的位置t_ref1和t_ref2，然后定位位于两个传感峰之间的所有峰点，这些峰点均为传感光纤光栅反射峰的位置，以其中某个传感光纤光栅为例，设其时间位置为t_sensor,则这样通过插值法便可以算出传感光纤光栅中心波长中心波长的变化与外界传感量存在对应关系，因此可实现物理量的传感。