一种基于周期调制的光纤光栅布拉格谐振波长确定方法

摘要

本发明公开了一种基于周期调制的光纤光栅布拉格谐振波长确定方法，通过对悬臂梁施加周期性的应变得到周期性变化的反射光谱，并对各个光谱在每一个波长点处的强度值随调制时间的变化曲线进行傅立叶变换，求得其中的二倍频分量和基频分量的比值，通过利用每一个波长点处的比值重构出半高宽度变窄的光谱，以此更精确的获得光纤光栅反射谱的峰值点的位置，实现对光纤光栅的高精度解调。与现有技术相比，本发明最终重构出半高宽度更窄的光谱，进一步提高解调精度。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，特别涉及一种基于周期调制的光纤光栅布拉格谐振波长的精确确定方法。

背景技术

光纤光栅(FBG)传感器因其体积小、重量轻、抗电磁干扰能力强并且易于调制等优点而被广泛应用于众多领域。光纤光栅传感器的解调采用的是波长编码，使得光纤光栅的解调不受光源光强以及其他器具带来损耗的波动，成为应用最广泛的解调技术。FBG通过解调波长信息得到温度、振动、动静应变等参数的改变。常见的解调方法有：光谱法、边缘滤波法、干涉法、可调谐窄带光源法、可调谐F-P滤波法。其中光谱法在信噪比和光功率等方面测试结果理想，但是波长的分辨率比较低，并且一些高精度的光谱仪，价格昂贵，体积庞大，不能满足实际工程的需要。边缘滤波法虽然系统结构和信号处理简单，但由于其本质为光强滤波的形式，且滤波器的线性滤波特性只是近似的，光源光谱的波动等变化会引入误差。干涉法虽然测量分辨率高、灵敏度好、适用于测量动态应变，但是解调范围比较小。可调谐窄带滤波法不适合在高低温环境中工作。可调谐F-P滤波法在各领域的应用比较广泛。

但是这些传统的解调方法精确度的提高都受到光谱峰值位置平坦的限制，因此要想大幅度的提高解调精度，重点在于是否通过某种方法重构出一个峰值位置更加尖锐的光谱。

发明内容

为了解决传统的解调方法所遇到的问题，本发明提出了一种基于周期调制的光纤光栅布拉格谐振波长确定方法，并不是直接对原始的光谱进行解调，而是对悬臂梁施加周期性的振动，获得周期性变化的光谱，重构出一个与之前的反射光谱具有相同的中心波长的光谱，利用曲线的极值点与一阶导数为零的点是对应的原理，直接求重构的光谱曲线的一阶导数为零的位置，最终提高了解调的精度。

本发明的一种基于周期调制的光纤光栅布拉格谐振波长确定方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、借由周期性的振动激励悬臂梁，使得固定在悬臂梁上的光纤光栅感受到周期性变化的应变，高速采集卡采集振动过程中的光谱的原始数据信息，并且通过标准具的标定将原始光谱数据的横坐标由采样点转换为波长，得到周期性变化的光谱；

步骤2、记录每一个波长点处各点的光强值随调制时间的变化曲线，并对此曲线进行傅立叶变换，求出其中的二倍频分量强度与基频分量强度之比值其中E(f)和E(2f)分别代表傅立叶变换后的一倍频分量和二倍频分量的强度值；

步骤3、在同一个曲线上，利用步骤2中各波长点处二倍频分量强度与基频分量强度之比值的重构出半高宽度变窄的光谱，做出原始的反射光谱，并保证这两条曲线具有相同的极大值；

步骤4、直接对重构的光谱进行解调，得到原来光谱的极值点的位置；获得光纤光栅反射谱的峰值点的位置，实现对光纤光栅的高精度解调；

而周期调制的光纤光栅布拉格谐振波长确定方法，可以。我们

与现有技术相比，本发明具有以下效果：

1、相比于普通的解调方法，本发明利用对悬臂梁施加周期性的应变实现FBG反射光谱的周期性移动，通过分析每一个波长点处光强随着调制光谱的变化，最终重构出半高宽度更窄的光谱，可以进一步提高解调精度；

2、本发明方法的推导以高斯分布的宽带光源为基础，但是同样适用于其他分布的宽带光源；

3、本发明可以用于利用曲线极值点进行传感，并且该极值点受调制的装置；

4、本发明中涉及的解调方法可以用来测量低频振动的振幅。

附图说明

图1为本发明的一种基于周期调制的光纤光栅布拉格谐振波长确定方法整体流程图；

图2为获得周期性FBG反射光谱的解调装置示意图；

图3为通过图1的装置进行数据采集并经过处理得到的周期性变化的光谱图；

图4为部分位置处的光强随时间变化曲线图；

图5为通过周期性调制而获得的重构的半高宽度比较窄的光谱图；

图6为未经调制的光谱图与调制后得到的光谱图；

图7为极值点位置变化曲线图；

图8为考察点强度变化曲线图。

附图标记：

1、信号发生器，2、功率放大器，3、激振器，4、粘有FBG的悬臂架，5、F-P标准具，6、980泵浦源头，7、FFP-TF，8、波分复用器WDM，9、掺铒光纤，10、环形器，11、陷波滤波器，12、光电探测器，13、光纤光栅FBG，14、扫描驱动器，15、光电探测电路，16、数据采集处理器，17、耦合器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步的详细描述。

如图2所示，为一种获得周期性FBG反射光谱的解调装置示意图。本发明的基于周期调制的光纤光栅布拉格谐振波长确定方法中所需要获得的应变可由该装置或者与此装置具有等效功能的装置来提供。以图1所示装置为例，利用激振器对悬臂梁施加周期性变化的应变，通过信号发生器和功率放大器控制激振器振动的频率以及幅度，此处以激振器的频率为1HZ，振幅为5V，扫描光源的频率为400HZ为例对本方法进行详细的说明。该装置结构及其工作过程详述如下：

光纤光栅利用环氧胶沿悬臂梁的轴向粘贴固定(固化24小时后便可以进行实验)。980泵浦源头1作为宽带光源发出的光经过可调谐滤波器之后形成窄带的扫描光，设置扫描光的频率是400HZ，每一个通道的采样点数是25000，输出的扫描光通过1×2的耦合器17将光路分成两路，一路接F-P标准具5，另一路经过环形器10的端口进入，并将环形器10的另一端口与光纤光栅传感器13相连接，最后将环形器10的第三个端口和F-P标准具5的输出与光电探测器12连接。通过上位机软件进行控制采集，记录激振器3振动过程中FBG的数据信息。

以下以具体参数实施说明，设置信号发生器1的输出信号为正弦形式(频率为1HZ、振幅为5V)，通过功率放大器2驱动激振器3产生机械振动，使得光纤光栅13感受到周期性变化的应变，从而获得了周期性变化的光谱。由于得到的原始数据的横坐标是采样点，利用F-P标准具的标定将采样点与波长值相对应，得到横坐标为波长值，纵坐标为光强的周期性变化的光谱图，如图3所示。

本例中的解调算法将得到每一个波长点处的强度随时间变化的曲线图，选取部分点处的曲线图，如图4所示。通过对图3中每一个采样点处曲线图做傅立叶变换，求从而得到重构后的光谱图，如图4所示。为了更清楚的观察出原光谱与重构后的光谱具有相同的中心波长，并且重构后的光谱的半高宽度明显的变窄，将两个光谱图绘制在一张图中，并进行归一化，如图6所示。通过图5看到重构后的光谱的半高宽明显变窄，因而易于读出各极值点位置。通过前面的分析知所以极值点上该数值趋于正无穷，但是由于探测器具有一定的分辨能力，因此实际上峰值并不是无限大的。由图5可以看出，原来曲线的半高宽度是0.26nm，而利用本发明方法所得曲线半高宽为3.4pm，因而传感精度大幅度提高。

图5经过对图3中所有波长点处的光强随时间变化的曲线图做傅立叶变换，并利用变换后的二倍频分量与基频分量之比得到的曲线图，即通过周期性调制而获得的重构的半高宽度比较窄的光谱图。

本发明中采用FBG感受悬臂梁上应变的变化，通过采集卡采集悬臂梁振动过程中光纤光栅的反射光谱；重构出与原来的光谱具有相同的中心波长的光谱，并对重构光谱进行解调的方法(并不是直接进行光谱的中心波长的解调)，如图1所示，具体操作如下：

步骤1、借由周期性的振动激励悬臂梁，使得固定在悬臂梁上的光纤光栅感受到周期性变化的应变，高速采集卡采集振动过程中的光谱的原始数据信息，并且通过标准具的标定将原始光谱数据的横坐标由采样点转换为波长，得到周期性变化的光谱；

步骤2、记录每一个波长点处各点的光强值随调制时间的变化曲线，并对此曲线进行傅立叶变换，求出其中的二倍频分量强度与基频分量强度之比值其中E(f)和E(2f)分别代表傅立叶变换后的一倍频分量和二倍频分量的强度值；

步骤3、在同一个曲线上，利用步骤2中各波长点处二倍频分量强度与基频分量强度之比值的重构出半高宽度变窄的光谱，做出原始的反射光谱，并保证这两条曲线具有相同的极大值；

步骤4、直接对重构的光谱进行解调，得到原来光谱的极值点的位置；获得光纤光栅反射谱的峰值点的位置，实现对光纤光栅的高精度解调；

由于重构光谱的半高宽度变窄，更有利于寻峰，提高了解调的精度。

本发明的理论依据：

一般常见的宽带光源，其光源的光谱都呈高斯分布或者类高斯分布，因此光线光栅的反射光谱一般也是呈现高斯分布或者类高斯分布，可以用以下的式子表示出来：

I(x)＝exp(-((x-b).c).^2)(1)

其中，式中的参数b表示反射光谱的中心波长的位置，参数c在一定的程度上反映反射光谱的半高宽度，c的值越大，表示光谱的半高宽度越大。

当悬臂梁感受到周期性变化的应变的时候，此时光纤光栅的栅区受到一定程度的拉伸或者压缩，将会导致光纤光栅反射光谱发生移动，如果悬臂梁感受到的应变是正弦或者余弦形式，那么将会得到周期性变化的光谱，即光谱的极值点随时间的变化关系如下：

x(t)＝x₁+Δx·sin(2πft)(2)

其中，x₁为未加调制的时候光谱极值点的位置，Δx为外加调制的幅度，f为外加调制的时候，光谱的极值点偏移的频率；

针对波长点的某一位置，考察反射光谱的强度随时间的变化情况。当考察点正好位于x₁时，极值点位置x(t)呈现(2)式的变化曲线，如图7所示，为极值点位置x(t)变化曲线。

对于这样的图形进行傅立叶变换后，其二倍频分量占主要的地位，一倍频分量基本上接近于0，因此两者的比值理论上将会接近无穷大，该点正好是原光谱的极值点位置，发现经过变换之后，该点的极值将会趋于无穷大。

当考察点远远的偏离原光谱的极值点的位置的时候，此时该点的强度变化如图8所示。

对于这样的图形进行傅立叶变换后，其一倍频分量占主要的地位，二倍频分量基本上接近于0，因此对于远离极值点的位置处的点来说，其二倍频分量与一倍频分量的比值将会趋于0。

而对于其他位置的点来说，强度随时间变化的曲线应该是基频分量与二倍频以及高频分量的叠加。

对每一个波长点处的光强随时间变化的曲线做傅立叶展开之后，一阶项对应基频分量，它的强度正比于每一个采样点的光强随时间变化曲线的一阶导数，二阶项对应二倍频分量，它的强度正比于该曲线的二阶导数，如(3)式：

其中，E(f)和E(2f)分别代表傅立叶变换后的一倍频分量和二倍频分量的强度值，Y′(t)和Y″(t)分别代表曲线的一阶导数和二阶导数。

对于原始光谱的极值点处：E|_极值(f)≈0，而在远离极值点的位置E|_线性(2f)≈0，其中E|_极值(f)和E|_极值(2f)分别代表的是极值点位置的一倍频分量的强度值和二倍频分量的强度值。E|_线性(f)和E|_线性(2f)分别代表的是曲线上远离极值点位置的一倍频分量以及二倍频分量的强度值。

基于以上的分析，可见如果我们对每一个波长点处的光强随时间变化的曲线做傅立叶展开之后，并做出其中，E(f)和E(2f)分别代表傅立叶变换后的一倍频分量和二倍频分量的强度值。随波长变化的曲线，则该曲线的极大值点，与原来反射光谱的极值点相互对应。

利用以上方法，重构出的光谱的半高宽度比原来的反射光谱的半高宽度窄很多，更加有利于寻找极值点的位置，极大的提高了解调精度。