级联光纤光栅传感阵列的位置及波长解调系统和方法与流程

1.本发明涉及光纤光栅传感技术领域，具体涉及一种级联光纤光栅传感阵列的位置及波长解调系统和方法。


背景技术：

2.光纤光栅传感技术是近年来的一个研究热点，与传统的光电传感技术相比，光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、灵敏度高、体积小等优点。对于特定的光纤光栅传感器，其波长变化与外界待测物理量的变化存在对应关系。因此，为准确测量待测物理量，光纤光栅的波长解调技术十分重要。现阶段可以实现的解调方法有光谱仪检测法、非平衡m-z干涉解调法、匹配光栅解调法、ccd分光仪解调法、可调谐f-p滤波解调法等多种解调方法，但这些方法存在的问题包括：(1)对于多个光纤光栅级联的传感阵列，系统复杂，解调速度较慢；(2)每一个级联光纤光栅之间需要一定的波长间隔否则对光栅的级联无法解调，使得级联光纤光栅传感器数目受限。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的是多个光纤光栅级联的传感阵列寻址和波长解调的问题，提供一种级联光纤光栅传感阵列的位置及波长解调系统和方法。
4.为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
5.级联光纤光栅传感阵列的位置及波长解调系统，由超连续谱激光源、光分路器、光环形器、光纤光栅传感器阵列、传感光偏振分束器、参考光偏振分束器、x轴光合束器、y轴光合束器、x轴光谱色散器、y轴光谱色散器、x轴ccd波长阵列探测器、y轴ccd波长阵列探测器和数据处理单元组成；超连续谱激光源经光纤连接光分路器的输入端口；光分路器的一个输出端口经光纤连接光环形器的第一端口，光环形器的第二端口经光纤连接光纤光栅传感器阵列，光环形器的第三端口经光纤连接传感光偏振分束器的输入端口，传感光偏振分束器的x轴输出端口经光纤连接x轴光合束器的一个输入端口，传感光偏振分束器的y轴输出端口经光纤连接y轴光合束器的一个输入端口；光分路器的另一个输出端口经光纤连接参考光偏振分束器的输入端口，参考光偏振分束器的x轴输出端口经光纤连接x轴光合束器的另一个输入端口，参考光偏振分束器的y轴输出端口经光纤连接y轴光合束器的另一个输入端口；x轴光合束器的输出端口经光纤连接x轴光谱色散器的输入端口，x轴光谱色散器输出端口正对x轴ccd波长阵列探测器的探测窗口，x轴ccd波长阵列探测器的输出端口经电信号线接入数据处理单元的一个输入端口；y轴光合束器的输出端口经光纤连接y轴光谱色散器的输入端口，y轴光谱色散器输出端口正对y轴ccd波长阵列探测器的探测窗口，y轴ccd波长阵列探测器的输出端口经电信号线接入数据处理单元的另一个输入端口。
6.上述方案中，光纤光栅传感器阵列由2个以上的弱反射光纤光栅依次串联而成。
7.一种级联光纤光栅传感阵列的位置及波长解调方法，包括步骤如下：
8.超连续谱激光源产生超连续的宽谱激光，并将超连续的宽谱激光输入至光分路
器；
9.光分路器将超连续谱激光源输入的宽谱激光分为检测激光和参考激光，并将检测激光输入至光环形器的第一端口，参考激光输入至参考光偏振分束器；
10.光纤光栅传感器阵列的将检测激光转换为传感光信号，并将传感光信号反射至光环行器的第二端口；
11.光环形器将第二端口输入的传感光信号由第三端口输出至传感光偏振分束器；
12.传感光偏振分束器将传感光信号分束为正交的x轴传感偏振光和y轴传感偏振光，并将x轴传感偏振光输入至x轴光合束器，y轴传感偏振光输入至y轴光合束器；
13.参考光偏振分束器将参考光分束为正交的x轴参考偏振光和y轴参考偏振光，并将x轴参考偏振光输入至x轴光合束器，y轴参考偏振光输入至y轴光合束器；
14.x轴光合束器将输入的x轴传感偏振光和x轴参考偏振光合束干涉，产生x轴干涉光，并将x轴干涉光输入至x轴光谱色散器；
15.x轴光谱色散器将x轴干涉光的波长在空间上进行分离，并将x轴分离后的多波长光输入至x轴ccd波长阵列探测器；
16.x轴ccd波长阵列探测器将x轴分离后的多波长光在空间上进行并行采样得到x轴波长对应的强度信号，并将x轴波长对应的强度信号输入至数据处理单元；
17.y轴光合束器将输入的y轴传感偏振光和y轴参考偏振光合束干涉，产生y轴干涉光，并将y轴干涉光输入至y轴光谱色散器；
18.y轴光谱色散器将y轴干涉光的波长在空间上进行分离，并将y轴分离后的多波长光输入至y轴ccd波长阵列探测器；
19.y轴ccd波长阵列探测器将y轴分离后的多波长光在空间上进行并行采样得到y轴波长对应的强度信号，并将y轴波长对应的强度信号输入至数据处理单元；
20.数据处理单元，首先将x轴波长对应的强度信号和y轴波长对应的强度信号进行均方根运算；然后再进行傅里叶变换得到传感信号空间对应的强度关系，确定光纤光栅传感器中复用光纤光栅的具体位置；最后对光纤光栅传感器中复用光纤光栅实施逆傅立叶变换解调出光纤光栅传感器中对应光纤光栅的反射波长。
21.上述方法中，超连续谱激光源所产生的超连续的宽谱激光的光谱宽度为40nm～100nm。
22.上述方法中，光纤光栅传感器阵列由2个以上的弱反射光纤光栅依次串联而成。
23.与现有技术相比，本发明具有如下特点：
24.1、基于超连续谱激光和ccd波长阵列探测器进行数据的并行采集和处理，波长解调速度比扫描激光器的方案速度更快；
25.2、采用参考光与传感光信号干涉原理，可以解调出传感器的空间位置和对应波长，提高了光纤光栅传感器的复用数量；
26.3、将传感光信号和参考光分别采用偏振分束器分路为x轴和y轴光，然后再进行x轴干涉和y轴单独干涉和探测，可以消除偏振效益对系统的影响。
附图说明
27.图1为级联光纤光栅传感阵列的位置及波长解调系统的原理图，图中实线连接线
表示光纤连接，点划连接线表示空间中的光连接，虚线连接线表示电信号连接。
具体实施方式
28.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本发明进一步详细说明。
29.参见图1，一种级联光纤光栅传感阵列的位置及波长解调系统，由超连续谱激光源、光分路器、光环形器、光纤光栅传感器阵列、传感光偏振分束器、参考光偏振分束器、x轴光合束器、y轴光合束器、x轴光谱色散器、y轴光谱色散器、x轴ccd波长阵列探测器、y轴ccd波长阵列探测器和数据处理单元组成。其中光纤光栅传感器阵列由2个以上的弱反射光纤光栅依次串联而成。在本实施例中，级联弱反射光纤光栅的数目为100个～1000个，这些弱反射光纤光栅的反射率为-20db～-30db。
30.超连续谱激光源经光纤连接光分路器的输入端口。光分路器的一个输出端口经光纤连接光环形器的第一端口
①
，光环形器的第二端口
②
经光纤连接光纤光栅传感器阵列，光环形器的第三端口
③
经光纤连接传感光偏振分束器的输入端口，传感光偏振分束器的x轴输出端口经光纤连接x轴光合束器的一个输入端口，传感光偏振分束器的y轴输出端口经光纤连接y轴光合束器的一个输入端口。光分路器的另一个输出端口经光纤连接参考光偏振分束器的输入端口，参考光偏振分束器的x轴输出端口经光纤连接x轴光合束器的另一个输入端口，参考光偏振分束器的y轴输出端口经光纤连接y轴光合束器的另一个输入端口。x轴光合束器的输出端口经光纤连接x轴光谱色散器的输入端口，x轴光谱色散器输出端口正对x轴ccd波长阵列探测器的探测窗口，并使得x轴光谱色散器色散后的各波长激光完全到达x轴ccd波长阵列探测器的探测窗口，x轴ccd波长阵列探测器的输出端口经电信号线接入数据处理单元的一个输入端口。y轴光合束器的输出端口经光纤连接y轴光谱色散器的输入端口，y轴光谱色散器输出端口正对y轴ccd波长阵列探测器的探测窗口，并使得y轴光谱色散器色散后的各波长激光完全到达y轴ccd波长阵列探测器的探测窗口，y轴ccd波长阵列探测器的输出端口经电信号线接入数据处理单元的另一个输入端口。
31.上述系统所实现的一种级联光纤光栅传感阵列的位置及波长解调方法，其包括步骤如下：
32.超连续谱激光源产生光谱宽度为40nm～100nm的超连续的宽谱激光，并将超连续的宽谱激光输入至光分路器。
33.光分路器将超连续谱激光源输入的宽谱激光分为检测激光和参考激光，并将检测激光输入至光环形器的第一端口
①
，参考激光输入至参考光偏振分束器。
34.光纤光栅传感器阵列的将检测激光转换为传感光信号，并将传感光信号反射至光环行器的第二端口
②
。光纤光栅传感器阵列的每一个光纤光栅反射波长的变化与外界待测物理参数有关。
35.光环形器，将第二端口
②
输入的传感光信号由第三端口
③
输出，并将传感光信号输入至传感光偏振分束器。
36.传感光偏振分束器将传感光信号分束为正交的x轴传感偏振光和y轴传感偏振光，并将x轴传感偏振光输入至x轴光合束器，y轴传感偏振光输入至y轴光合束器。
37.参考光偏振分束器将参考光分束为正交的x轴参考偏振光和y轴参考偏振光，并将
x轴参考偏振光输入至x轴光合束器，y轴参考偏振光输入至y轴光合束器。
38.x轴光合束器将输入的x轴传感偏振光和x轴参考偏振光合束干涉，产生x轴干涉光，并将x轴干涉光输入至x轴光谱色散器。
39.x轴光谱色散器将x轴干涉光的波长在空间上进行分离，并将x轴分离后的多波长光输入至x轴ccd波长阵列探测器。
40.x轴ccd波长阵列探测器将x轴分离后的多波长光在空间上进行并行采样得到x轴波长对应的强度信号，并将x轴波长对应的强度信号输入至数据处理单元。
41.y轴光合束器将输入的y轴传感偏振光和y轴参考偏振光合束干涉，产生y轴干涉光，并将y轴干涉光输入至y轴光谱色散器。
42.y轴光谱色散器将y轴干涉光的波长在空间上进行分离，并将y轴分离后的多波长光输入至y轴ccd波长阵列探测器。
43.y轴ccd波长阵列探测器将y轴分离后的多波长光在空间上进行并行采样得到y轴波长对应的强度信号，并将y轴波长对应的强度信号输入至数据处理单元。
44.数据处理单元，首先将x轴波长对应的强度信号和y轴波长对应的强度信号进行均方根运算；然后再进行傅里叶变换得到传感信号空间对应的强度关系，实现光纤光栅传感器的光纤光栅空间寻址，确定光纤光栅传感器中复用光纤光栅的具体位置；最后对光纤光栅传感器中复用光纤光栅实施逆傅立叶变换解调出每一个光纤光栅的反射波长。
45.需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。