波长全同光纤光栅光谱解调方法及系统与流程

本发明涉及光纤光栅领域，尤其涉及一种波长全同光纤光栅光谱解调方法及系统。

背景技术：

光纤光栅传感器已在火灾、结构健康等监测领域具有广泛的应用。相比于传统的传感技术，光纤光栅可以通过波分复用的方式进行阵列式监测，即将不同波长的光纤光栅传感器进行串接，形成较广的覆盖范围。但波分复用的方式仍受限于光纤光栅解调仪表的波长范围。例如解调仪表波长范围为40nm，为每个传感器预留2nm的区域，则最多仅能承载20个不同波长的光纤光栅传感器。在实际应用中，如储罐、隧道等大范围火灾监测系统，通常仅需要区域温度监测，不需要较高的定位精度，因此采用波分复用的光纤光栅传感器面临传感范围和传感器密度双重受限难题。

为解决上述难题，期望用一台光纤光栅解调器可以测量更多的传感器，在波分复用的基础上，全同光纤光栅区域监测方案应运而生。全同光纤光栅就是选取一系列中心波长相同的多个光纤光栅串联，一个监测区域采用同一波段的光纤光栅传感器，使传感距离有了成倍增加。但由于全同光纤光栅的中心波长的重叠，如何辨析波长改变量是该技术的难点。

技术实现要素：

本发明针对全同光纤光栅波长解调的难点，提出了光谱差分的方法，实现了对全同光纤光栅波长微小变化的监测，解决了全同光纤光栅波长解析问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种波长全同光纤光栅光谱解调方法，包括以下步骤：

采样全同光纤光栅在标准状态下的光谱，记录并保存为标准光谱S₀；

采样全同光纤光栅在当前状态下的光谱，记录并保存为当前光谱S₁；

当前光谱S₁减去标准光谱S₀，得到差分光谱S_差分，S_差分＝S₁-S₀；

计算标准光谱S₀和差分光谱S_差分的峰值位置；

根据标准光谱S₀和差分光谱S_差分的峰值位置计算全同光纤光栅波长在标准状态下的波长λ₀和当前状态下的波长λ₁。

本发明还提供了一种基于波长全同光纤光栅光谱的光纤光栅解调系统，包括：

光栅光谱标定模块，用于采样全同光纤光栅在标准状态下的光谱，记录并保存为标准光谱S₀；并采样全同光纤光栅在当前状态下的光谱，记录并保存为当前光谱S₁；

光栅光谱差分模块，用于将当前光谱S₁减去标准光谱S₀，得到差分光谱S_差分，S_差分＝S₁-S₀；

光栅反射峰判断模块，用于计算标准光谱S₀和差分光谱S_差分的峰值位置；

全同波长计算模块，用于根据标准光谱S₀和差分光谱S_差分的峰值位置计算全同光纤光栅在标准状态下的波长λ₀和当前状态下的波长λ₁。

本发明的第三技术方案为基于波长全同光纤光栅光谱的监测装置，包括光纤光栅解调仪表和多个串接的全同光纤光栅；

全同光纤光栅包括串接的多个中心波长相同的光纤光栅传感器，不同的全同光纤光栅置于不同的监测区域内；

该光纤光栅解调仪表包含上述系统。

本发明产生的有益效果是：本发明将波分复用和全同光纤光栅结合起来，在不同的监测区域内采用不同中心波长的全同光纤光栅阵列，在一个监测区域内，串接中心波长相同的光纤光栅，增加了覆盖范围，并提出了光谱差分的方法，实现了对全同光纤光栅波长微小变化的监测。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是光纤光栅波分复用串接示意图；

图2是波分复用加全同光纤光栅区域监测示意图；

图3是本发明提供的全同光纤光栅光谱分析方法的框图；

图4是本发明提供的全同光纤光栅光谱分析方法的流程图；

图5是本发明提供的全同光纤光栅20℃时的光谱图；

图6是本发明实施例提供的全同光纤光栅中某一个传感器加热至23℃时的光谱图；

图7是本发明实施例提供的全同光纤光栅中某一个传感器加热至23℃时的光谱差分图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的波长全同光纤光栅光谱解调方法，如图4所示，包括以下步骤：

采样全同光纤光栅在标准状态下的光谱，记录并保存为标准光谱S₀；标准状态：全同光纤光栅置于常温下的状态。

采样全同光纤光栅在当前状态下的光谱，记录并保存为当前光谱S₁；

当前光谱S₁减去标准光谱S₀，得到差分光谱S_差分，S_差分＝S₁-S₀；

计算标准光谱S₀和差分光谱S_差分的峰值位置；

根据标准光谱S₀和差分光谱S_差分的峰值位置计算全同光纤光栅波长在标准状态下的波长λ₀和当前状态下的波长λ₁。

本发明实施例基于波长全同光纤光栅光谱的光纤光栅解调系统，可实现上述方法，如图3所示，该系统具体包括：

光栅光谱标定模块31，用于采样全同光纤光栅在标准状态下的光谱，记录并保存为标准光谱S₀；并采样全同光纤光栅在当前状态下的光谱，记录并保存为当前光谱S₁；

光栅光谱差分模块32，用于将当前光谱S₁减去标准光谱S₀，得到差分光谱S_差分，S_差分＝S₁-S₀；

光栅反射峰判断模块33，用于计算标准光谱S₀和差分光谱S_差分的峰值位置；

全同波长计算模块34，用于根据标准光谱S₀和差分光谱S_差分的峰值位置计算全同光纤光栅在标准状态下的波长λ₀和当前状态下的波长λ₁。

本实施例以全同光纤光栅测温应用为例。图1为采用波分复用方式组成的光纤光栅传感器阵列，各个传感器均采用独一的波长。为了将上述方法和系统运用到实际场景中，实现波分复用和全同光纤光栅的结合，可采用波分复用和全同波长光纤光栅区域监测传感器阵列，即在一个监测区域内，串接波长相同的光纤光栅。可根据区域大小，串接的光纤光栅数量也可以不同。因此，采用全同波长光纤光栅方案增加了覆盖范围。

如图2所示，本发明实施例的基于波长全同光纤光栅光谱的监测装置包括光纤光栅解调仪表和多个串接的全同光纤光栅；全同光纤光栅包括串接的多个中心波长相同的光纤光栅传感器，不同的全同光纤光栅置于不同的监测区域内；该光纤光栅解调仪表包含上述实施例的系统。

光栅光谱标定模块1对全同光纤光栅在温度T₀＝20℃下的光谱进行记录保存为S₀(如图5所示)。将全同光纤光栅中某一个传感器加热至一定温度T₁时的光谱S₁(如图6所示)，光栅光谱差分模块32将全同光纤光栅当前的光谱S₁减去光栅光谱标定模块31保存的S₀得到结果S_差分即S_差分＝S₁-S₀(如图7所示)。

光栅反射峰判断模块33对光谱数据S₀和光谱差分数据S_差分光栅反射峰顶部附近的17个采样数据的时间进行功率加权平均得到S₀和S_差分的峰值位置t₀和t₁(如公式1所示，其中P_i和t_i分别为采样数据的功率和时间)。

全同波长计算模块34分别根据光谱数据S₀和光谱差分数据S_差分对应的峰值位置t₀和t₁，将峰值位置代入波长线性方程λ(t)＝0.02t+1530算出温度T₀下全同光纤光栅波长λ₀＝1535.968nm和当前的全同光纤光栅波长λ₁＝1535.998nm。

最后，根据光纤光栅波长与温度的对应关系，如温度变化1度，波长变化10pm。可以计算出当前全同光纤光栅的温度T₁＝23℃。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。