基于级联长周期光纤光栅的Bragg光栅高速解调系统

摘要

本发明公开了一种基于级联长周期光纤光栅(LPFG)的光纤Bragg光栅(FBG)高速解调系统，属于光纤智能结构健康监测领域。系统包括宽带光源(1)通过单模光纤(2)与Y型光纤耦合器(3)的输出端相连，该Y型光纤耦合器(3)的输入端接光纤Bragg光栅(4)，另一输出端接级联长周期光栅(6)，级联长周期光栅另一端接高速光电探测器(7)，高速光电探测器的输出端接调理电路(8)连于与数据采集卡(9)相连的计算机(10)。该解调方法将级联长周期光栅特性于光纤光栅传感器中心波长监测技术有效地结合在一起，具有灵敏度高，解调速度高，成本低等优点，可用于航天飞行器、桥梁、大坝、水下建筑等的冲击、振动监测。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于级联长周期光纤光栅的Bragg光栅高速解调系统，属于光纤智能材料结构健康监测领域。

背景技术

光纤光栅传感器的应用是一个方兴未艾的领域，有着非常广阔的发展前景，目前限制光纤光栅传感器大量实际应用最主要的障碍是传感信号的解调。解调是利用光纤光栅具有波长编码的特点，通过波长解调可获得传感信号的变化状态。研究开发适用于实际工程应用的解调系统，降低成本，是光纤光栅传感器能够在实际工程应用中得到推广的至关重要的问题。

目前，光纤光栅传感信号的实用化解调系统有以下几种方案：(1)采用宽带光源和可调谐光纤F-P滤波器对传感光纤光栅的反射谱进行滤波扫描，该解调方法存在高精度的可调谐法布里珀罗腔价格较高，滤波损耗大的问题；(2)采用色散元件和CCD阵列相结合的光谱成像技术进行波长分析，解调仪器体积大，不易携带，不宜现场使用，更重要的是它不能输出电信号，这对于测量结果的记录、存储、显示以及提供给控制回路必要的电信号以达到工业生产过程自动控制的目的都是极为不利的；(3)采用匹配光栅滤波法对传感光纤光栅进行波长解调，该解调法结构简单、成本低但精度不高。各国的研究者相继提出了其他解调方法，如可调谐窄带激光源法、非平衡马赫-曾德干涉仪法、傅立叶变换解调法，以及将光纤光栅传感元件用作光纤激光器腔镜实现传感测量等。

欧美等国传感器的应用形式主要是以光纤Bragg光栅采集信息，将光纤Bragg光栅传感器反射波长引入光谱仪或干涉仪中提取测量信息，美国MICRONOPTICS公司的光纤BRAGG光栅-IS波长解调仪是这一领域先进技术的代表。而国内的传感技术与欧美等国相比，还存在一定的差距，特别是在光纤传感器的共性基础技术、中间试验技术、生产装备技术方面尤为突出，但近年国内在光纤光栅传感器及其解调方面已先后取得了一批应用前景广泛的研究成果。

香港理工大学电机工程系和南开大学现代光学研究所合作，曾提出匹配光栅调谐光纤激光器波长扫描寻址解调方案，即采用光纤光栅作为光纤激光器的波长调谐元件，微机控制光纤激光器步进扫描，并同步采集光电探测器的输出信号，根据对应于光电探测器最大输出的调谐步数确定传感光栅的中心反射波长值。由于光纤激光器的扫描步长较大，此方法所获得的波长位移分辨率不够高。为了提高波长位移分辨率，他们对其作了改进。改进方案中，微机控制光纤激光器完成一次扫描过程后，用高斯-牛顿法对光电探测器输出电压与激光波长之间的关系数据进行曲线拟合，通过拟合确定传感光栅的中心反射波长值。这样，提高了解调分辨率，从而实现了高分辨率的温度及应变测量。

浙江大学信息与电子工程学系对干涉型光纤传感器的相位载波调制-解调技术进行了研究，分析得出了新的相位载波检测带宽要求，并在实验室中用相位载波检测方式检测到了较为稳定的模拟传感信号，从而克服了有源跟踪零差检测中使用压电陶瓷相调器和复位系统引入较大的附加噪声问题。因此，不仅适用于无源检测、遥测和阵列复用，而且在远距离、恶劣环境、无源检测和复用传感系统中有很大的应用前景。

清华大学精仪系精密测试技术及仪器国家重点实验室对干涉型光纤传感器的相位生成载波解调技术进行了研究，并对相位生成载波解调方法进行了的改进，提出采用一个参考传感器来监测光源频率抖动或环境漂移的影响，通过测量传感光纤Bragg光栅与参考光纤Bragg光栅相比的方法消除系统热扰动的影响。

北京理工大学光电工程系在进行Mach-Zehnder干涉型光纤水听器研究中，重点研究了用3×3耦合器组成的干涉型光纤水听器的解调原理，并指出采用3×3耦合器解调技术是构成全光纤干涉型水听器系统的优选方案。这是因为采用3×3耦合器来使干涉仪的输出成120°更可靠和稳定，因而简便实用。

光学学报2004年第24卷第2期199～202页报道了南开大学现代光学研究所对长周期光纤光栅边缘滤波线性解调方法进行了研究。解调方案为宽带光源发出的光经3dB耦合器进入传感光栅。由传感布拉格光栅反射后形成窄带光谱，再经耦合器均分成两路光束。其中一束经线性滤波器到达光电检测器。另一束直接检测，以补偿由于光源强度波动对实验造成的影响。该方案适用于动态、静态测量，具有成本较低，使用方便等优点，但解调精度较低，且可解调的波长范围小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种监测精度高、速度快，波长范围宽的光纤Bragg光栅解调系统。

一种基于级联长周期光纤光栅的Bragg光栅高速解调系统，其特征在于组成如下：宽带光源通过单模光纤与Y型光纤耦合器的输出端相连，该Y型光纤耦合器的输入端接光纤Bragg光栅，另一输出端通过另一单模光纤依次接级联长周期光栅、高速光电探测器、调理电路、数据采集卡、计算机；上述级联长周期光栅，由至少两个长周期光栅串联而成，且每个长周期光栅中心波长相同，串联后的级联长周期光栅的透射光谱与Bragg光栅的反射光谱相交，该交点位于级联长周期光栅透射光谱线性段内。

由于级联长周期光栅是透射型光纤器件，插入损耗低，系统利用了级联长周期的透射光，而光纤Bragg光栅是反射型光纤器件，反射率高，系统则利用了光纤Bragg光栅的反射光。当光纤Bragg光栅中心波长变化后，光纤Bragg光栅反射光信号通过级联长周期光栅滤波后的光强会发生相应变化。采用高速光电探测器将光信号(输出光强的变化量)转化为电信号，光路部分输出的光信号较弱，经光电转换后得到电压信号也较微弱，设计了信号调理电路对信号进行放大、滤波等。通过调理电路输出的电信号反推出光纤Bragg光栅中心波长的变化量。

所述级联长周期光栅由至少两个长周期光栅串联而成，且每个长周期光栅中心波长相同，串联后的级联长周期光栅的透射光谱与Bragg光栅的反射光谱相交，该交点位于级联长周期光栅透射光谱线性段内。级联长周期的透射光谱与普通长周期光栅的光谱不同，由于该系统利用级联长周期光栅的线性滤波特性，故仅对光谱线性段进行分析。级联长周期光栅的光谱线性段的斜率远大于单根长周期光栅，因此经级联长周期光栅滤波后的光强变化量较大，方便光电探测器监测，多个长周期级联可显著提高解调的精度。

根据权力要求书，光纤Bragg光栅的反射光谱与级联长周期光栅的透射光谱的线性段相交，以保证调制后的光功率线性变化。级联长周期光谱线性段的波长范围大于单根长周期光栅，采用该方案可增加解调的波长范围。

该发明为全光纤结构，无需机械部件调谐，解调速度取决于于光电探测器的带宽和后端电路的处理速度，而高速光电探测器的带宽通常为几个GHz，因此本发明的解调速度高。

根据光纤Bragg光栅的中心波长选择与之匹配的级联长周期光栅，光纤Bragg光栅的中心波长必须位于级联长周期光栅光谱中心波长的左侧线性段内或右侧线性段内。当光纤Bragg光栅的中心波长小于长周期光栅时(位于左侧线性段内)，随着光纤Bragg光栅中心波长的增加，经级联长周期调制后的谐振波长对应的光功率逐渐减小，反之，光功率增加；光纤Bragg光栅的中心波长大于长周期光栅时，随着光纤Bragg光栅中心波长的增加，谐振波长对应的光功率逐渐增大，反之，光功率减小。

本发明的有益效果是：

1、本发明提出的基于级联长周期光栅的解调方案，利用了长周期光栅的带阻滤波特性，级联长周期光栅周期长，无背向反射使长周期光栅在光路中不会对光源产生干扰，制作简单成本低，因此本发明有望代替现有昂贵的高速光纤Bragg光栅解调设备。

2、本发明采用光强解调法，将光纤Bragg光栅中心波长的变化转变为光强的变化，由光电探测器将光信号转变为电信号，方便测量结果的记录，存储和控制。光电探测器和调理电路方便制成模块，改变光纤Bragg光栅与匹配长周期光栅可以采用该模块化的电路，节省成本。

3、本发明将级联长周期光栅特性于光纤光栅传感器中心波长监测技术有效地结合在一起，可用于航天飞行器、桥梁、大坝、水下建筑等的冲击、振动监测。

附图说明

图1是基于级联长周期光栅的Bragg光栅高速解调系统。

图2是解调原理图。

图3是普通长周期光栅与级联长周期光栅光谱对比图。

图4是级联长周期光栅调制后的光谱图。

图5是调理电路。

图中的标号名称：1.宽带光源，2.单模光纤，3.Y型光纤耦合器，4.光纤Bragg光栅，5单模光纤，6.级联长周期光栅，7.高速光电探测器，8.调理电路9.数据采集卡，10.计算机，11.调零电路，12.交流放大电路，13.滤波电路。

具体实施方式

由图1可知，本发明的一种基于级联长周期光纤光栅的Bragg光栅高速解调系统的具体组成是，宽带光源1(可用波长范围为1520nm-1570nm的宽带光源)发出的光通过单模光纤2经由Y型耦合器3入射到光纤Bragg光栅传感器4上，反射光通过单模光纤5经Y型耦合器3耦合入级联长周期光栅6进入到高速光电探测器7。至此，光信号转变为电压信号，通过调理电路8将信号放大、滤波后由数据采集卡9传输至计算机10显示。

级联长周期光栅由至少两个长周期光栅串联而成，且每个长周期光栅中心波长相同，串联后的级联长周期光栅的透射光谱与Bragg光栅的反射光谱相交，该交点位于级联长周期光栅透射光谱线性段内。

基于级联长周期光纤光栅的光纤Bragg光栅高速解调系统的工作方法包括如下步骤：

第一步，宽带光源的光通过耦合器后激励光纤Bragg光栅传感器；

第二步，90％以上的光经光纤Bragg光栅反射，通过耦合器后入射至级联长周期光栅进行调制；

第三步，当光纤Bragg光栅的中心波长变化后，经长周期光栅调制后的光纤Bragg光栅出射光强发生线性变化；

第四步，光电探测器将光功率变化转化为电压信号的变化，经过信号调理后由数据采集卡输出至计算机进行处理。

第五步，由电压的变化量反推光纤Bragg光栅的中心波长的变化；

第六步，设计友好的人机交互界面；

第七步，对解调系统进行标定。

图2为解调原理示意图。设光纤Bragg光栅的中心波长为λ₀，当光纤Bragg光栅中心波长变化后，设光纤Bragg光栅反射光信号通过级联长周期光栅滤波后输出光强的变化量ΔI与波长漂移量λ-λ₀的函数关系为F(λ)，在光源波长近似为线性的范围内，该滤波函数可表示为：

F(λ)＝A(λ-λ₀)                    (1)

假设Bragg光栅反射光为谱宽为Δλ的Gaussian分布，反射光强为

$>I_s=\frac{1}{\sqrt{2}}{I}_0\mathrm{RA}---\left(2\right)$>

其中I₀为信号光强，R为光纤光栅的反射率，Δλ为反射峰的半峰宽度，A为线性滤波器的比例系数，当光纤Bragg光栅反射光谱透过长周期光栅后光功率变为：

$>I_R=\frac{1}{\sqrt{2}}{I}_0\mathrm{RA}({\lambda }_B-{\lambda }_0+\frac{\mathrm{\Delta \lambda }}{\sqrt{\pi }})---\left(3\right)$>

由(2)，(3)式可得：

$>\frac{I_S}{I_R}=A({\lambda }_B-{\lambda }_0+\frac{\mathrm{\Delta \lambda }}{\sqrt{\pi }})---\left(4\right)$>

通过测量可求出动态λ_B值，这种方法是基于光强监测。

图3是级联长周期光栅、普通长周期光栅及光纤Bragg光栅的光谱图，设中心波长1530.360nm的长周期光栅为LPFG1，中心波长为1530.040nm的长周期光栅为LPFG2。级联长周期光栅是由中心波长分别为1530.360nm及1530.040nm的LPFG构成，由LPFG制作工艺的局限，无法获得两个中心波长完全一致的LPFG，使得级联LPFG在1530nm波长附近存在光谱噪声，故仅考虑波长在1525nm-1529nm、1531nm-1535nm范围内的光谱。由LPFG光谱曲线可以看出在1526nm-1528nm、1531nm-1533nm波长范围内光功率与波长可近似认为成线性关系，而级联LPFG光谱曲线在1526nm-1529nm、1531nm-1534nm波长范围内光功率与波长可近似认为成线性关系，其中LPFG1透射谱在该段波长范围内斜率最小；级联长周期的光谱斜率最大。光纤Bragg光栅反射光谱的中心波长分别为1527.050nm、1527.843nm，对应的光功率分别为-15.321dB、-15.923dB。由图3可见光纤Bragg光栅反射光谱与LPFG2及级联LPFG的透射谱曲线相交，即LPFG2与级联LPFG可作为边缘滤波器对光纤Bragg光栅调制，而LPFG1不能对光纤Bragg光栅进行调制。图3仅为级联两个长周期光栅的光谱图，当级联多个长周期光栅时，斜率变化(增加)会更加明显。

图4是级联长周期光栅调制后的光谱图。在中心波长为1527.050nm的FBG波长变化200nm同时中心波长为1527.843nm的FBG波长偏移500nm的情况下，经LPFG2及级联LPFG调制的FBG的出射谱变化情况见图(a)、图(b)所示。随着FBG中心波长的增加，谐振波长对应的光功率逐渐减小，通过图(a)与图(b)测量结果的对比可得FBG在相同中心波长漂移情况下，经级联LPFG调制后的光强变化量较大。

图5是调理电路示意图，包括三个部分，分别是调零电路、交流放大电路和滤波电路。在电子电路中，当微弱信号需要放大时，一般要用到放大电路，为了是运算放大器正常工作和放大输出电压信号准确，需采用调零电路。在动态信号检测过程中，由于光电转换模块有较大的输出电压基值，当相对电压变化量较小时，若直接将光电转换模块输出的电信号放大，会导致放大器饱和、损坏数据采集卡等，不利于数据采集和分析。设计调零电路，减去电压基值，在光纤Bragg光栅中心波长不变的情况下，调节电路中的变阻器使电路输出电压为零。通过光电转换和放大之后的信号多已受到干扰，信号幅值或相位发生畸变，出现噪声，因此需对信号进行滤波。