一种有源光纤光栅传感器波长解调系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光纤传感器技术领域，是一种有源光纤光栅传感器波长解调系统及方法。
【背景技术】
[0002]光纤光栅传感器由于具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、耐腐蚀、耐温性好、复用能力强、距离传输远、灵敏度高等特性，已广泛应用于水利电力、材料化工等工业现场。
[0003]光纤光栅传感器是利用光纤光栅反射光波长随温度、应力变化的特性，实现物理量的测量，因此光纤光栅反射光波长的测量精确性决定了传感器的性能。然而目前普遍使用的光纤光栅的反射光谱宽度为亚纳米级，光纤光栅宽的反射光谱特性从本质上限制了反射波长测量的精确性，进而制约了光纤光栅传感器的分辨率、灵敏度等性能指标的进一步提高，使得现有的光纤光栅传感器很难满足高分辨、高灵敏度等高精度测量要求。
[0004]有源光纤光栅传感器是以有源相移光纤光栅作为传感单元，其在栗浦光入射下产生的出射光谱线宽极窄，仅为kHz量级，因此相对于普通光纤光栅传感器，有源光纤光栅传感器能够实现更高分辨与灵敏度的物理量测量，可满足高精度测量需求。
[0005]对于有源光纤光栅传感器，其传感光波长的测量可通过光谱分析法、干涉解调法等方式实现，而应用于普通光纤光栅传感器的波长扫描方法已不再适用。光谱分析法是利用分光元件实现光波长的测量，该系统分辨率低，且价格较贵，解调速度慢；干涉仪法解调速度快，精度高，但系统稳定性差，易受外界扰动影响。因此如何精确、灵敏地解调有源光纤光栅传感器的光波长，实现解调系统的低成本、集成化与稳定可靠是有源光纤光栅传感器推广与应用的关键。
【发明内容】
[0006]为实现有源光纤光栅传感器传感光波长的高精度解调，解决有源光纤光栅波长解调系统同时具有集成化、低成本、可靠与灵敏等特性的难题，而提供一种有源光纤光栅传感器波长解调方法，一种以可调滤波器实现波长扫描，以标准具实现波长标定的有源光纤光栅波长解调方法。
[0007]本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种有源光纤光栅传感器波长解调系统，由栗浦光源、波分复用器、合束器、宽带光源、光衰减器、热稳定标准具、耦合器、可调谐滤波器、光探测器以及控制与信号处理器构成，其中栗浦光源用于激励有源光纤光栅，并通过波分器产生1550nm波段的传感光；宽带光源与标准具用于产生标准的梳状光谱；合束器将传感光谱与标准的梳状光谱合束形成汇合光谱；光衰减器用于降低标准具输出的梳状光谱强度，使梳状光谱的谱线光强低于传感光的强度，使经合束器输出的汇合光谱形成以高强度的传感光为主、低强度梳状光谱为背景的光谱构成；可调谐滤波器在控制与信号处理器输出的锯齿波控制信号的驱动下完成对的汇合光谱的扫描，光探测器完成扫描光谱的探测后由控制与信号处理器完成信号的采集与处理。
[0008]栗浦光源选用波长为980nm或1480nm的激光器；根据栗浦光源的光波长，波分复用器选用的工作波长为980nm/1550nm或1480nm/1550nm，以实现栗浦光与波段为1550nm的传感光的分波与合波。
[0009]栗浦光源的出射端与波分复用器相同工作波长的端口连接，波分复用器的合波端同有源光纤光栅传感器连接，波分复用器中工作波段为1550nm的端口与合束器的一个分支端连接；宽带光源的出光端同光衰减器一端连接，光衰减器的另一端同热稳定标准具的入口端连接，标准具的出口端与合束器的另一分支端连接；合束器将传感光与标准具的出射光合束成汇合光谱后与可调谐滤波器的一端连接，可调谐滤波器的输出端与光探测器连接，光探测器的输出端与控制与信号处理器连接。
[0010]本发明所述的这种有源光纤光栅传感器波长解调方法，该方法包括谱峰寻位、谱峰判定以及波长计算三个部分，其中谱峰寻位采用包括但不限于高斯拟合方法对探测采集的光强信号数组进行寻峰处理，获得各谱峰的位置索引及强度；谱峰判定中根据传感光与梳状谱线的光强差异，将寻峰结果中的各谱峰区分为传感光谱与标准梳状光谱；波长计算中，根据梳状谱峰与传感谱峰的位置索引以及梳状光谱的标准波长值，采用包括但不限于二次拟合方法计算获得传感谱峰的波长值。
[0011]本发明的有益效果为:
[0012]a、本发明采用可调谐滤波器的波长扫描方法，使得解调系统具有速度快，灵敏度尚的特性。
[0013]b、本发明采用高强度传感光谱与低强度标准梳状光谱叠加的方式，实现了标准具梳状光谱对传感光谱的标定，使得系统能够测量有源光纤光栅的绝对波长，并具有高的测量精度。
[0014]c、本发明采用可调谐滤波器与热稳定标准具作为系统的核心器件，使得系统稳定、可靠，不受外界环境干扰。
[0015]d、本发明有源光纤光栅波长解调系统结构简单，集成度高，成本较低，具有工程实用价值。
【附图说明】
[0016]图1有源光纤光栅波长解调系统示意图；
[0017]图2扫描测量光谱示意图。
[0018]其中:1传感光谱，2标准具输出的标准梳状谱峰。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明:
[0020]参见图1与图2，本发明提出的有源光纤光栅波长解调系统由栗浦光源、波分复用器、宽带光源、光衰减器、热稳定标准具、合束器、可调谐滤波器、光探测器以及控制与信号处理器构成，实施过程为:
[0021](1)栗浦光源选用波长为980nm或1480nm的激光器；根据栗浦光源的光波长，波分复用器选用的工作波长为980nm/1550nm或1480nm/1550nm，以实现栗浦光与波段为1550nm的传感光的分波与合波。
[0022](2)栗浦光源的出射端与波分复用器相同工作波长的端口连接，波分复用器的合波端同有源光纤光栅传感器连接，波分复用器中工作波段为1550nm的端口与合束器的一个分支端连接。
[0023](3)宽带光源的出光端同光衰减器一端连接，光衰减器的另一端同热稳定标准具的入口端连接，标准具的出口端与合束器的另一分支端连接。
[0024](4)合束器将传感光与标准具的出射光合束形成汇合光谱后与可调谐滤波器的一端连接，可调谐滤波器的输出端与光探测器连接，光探测器的输出端与控制与信号处理器连接。
[0025](5)所述的光衰减器用于降低标准具输出的梳状光谱强度，使其谱线光强低于传感光的强度，使经合束器输出的汇合光谱形成以高强度的传感光为主、低强度梳状光谱为背景的光谱构成，如附图2所示。
[0026](6)可调谐滤波器在控制与信号处理器输出的锯齿波控制信号的驱动下完成对的汇合光谱的扫描，探测器完成扫描光谱的探测后由控制与信号处理器完成信号的采集与处理。
[0027](7)对探测采集的光强信号数组采用包括但不限于高斯拟合方法进行寻峰处理，获得各谱峰的位置索引及强度
[0028](8)根据传感光与梳状谱线的光强差异，将寻峰结果中的各谱峰区分为传感光谱与标准梳状光谱。
[0029](9)根据梳状谱峰与传感谱峰的位置索引以及梳状光谱的标准波长值，采用包括但不限于二次拟合方法计算获得传感谱峰的波长值。
[0030](10)所述宽带光源选用ASE光源，系统的解调光谱范围为1525nm?1565nm。
[0031]除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
【主权项】
1.一种有源光纤光栅传感器波长解调系统，其特征在于:由栗浦光源、波分复用器、合束器、宽带光源、光衰减器、热稳定标准具、耦合器、可调谐滤波器、光探测器以及控制与信号处理器构成，其中栗浦光源用于激励有源光纤光栅，并通过波分器产生1550nm波段的传感光；宽带光源与标准具用于产生标准的梳状光谱；合束器将传感光谱与标准的梳状光谱合束形成汇合光谱；光衰减器用于降低标准具输出的梳状光谱强度，使梳状光谱的谱线光强低于传感光的强度，使经合束器输出的汇合光谱形成以高强度的传感光为主、低强度梳状光谱为背景的光谱构成；可调谐滤波器在控制与信号处理器输出的锯齿波控制信号的驱动下完成对的汇合光谱的扫描，光探测器完成扫描光谱的探测后由控制与信号处理器完成信号的采集与处理。2.根据权利要求1所述的有源光纤光栅传感器波长解调系统，其特征在于:栗浦光源选用波长为980nm或1480nm的激光器；根据栗浦光源的光波长，波分复用器选用的工作波长为980nm/1550nm或1480nm/1550nm，以实现栗浦光与波段为1550nm的传感光的分波与合波。3.根据权利要求1所述的有源光纤光栅传感器波长解调系统，其特征在于:栗浦光源的出射端与波分复用器相同工作波长的端口连接，波分复用器的合波端同有源光纤光栅传感器连接，波分复用器中工作波段为1550nm的端口与合束器的一个分支端连接；宽带光源的出光端同光衰减器一端连接，光衰减器的另一端同热稳定标准具的入口端连接，标准具的出口端与合束器的另一分支端连接；合束器将传感光与标准具的出射光合束成汇合光谱后与可调谐滤波器的一端连接，可调谐滤波器的输出端与光探测器连接，光探测器的输出端与控制与信号处理器连接。4.一种采用如有源光纤光栅传感器波长解调系统的解调方法，其特征在于:该方法包括谱峰寻位、谱峰判定以及波长计算三个部分，其中谱峰寻位采用包括但不限于高斯拟合方法对探测采集的光强信号数组进行寻峰处理，获得各谱峰的位置索引及强度；谱峰判定中根据传感光与梳状谱线的光强差异，将寻峰结果中的各谱峰区分为传感光谱与标准梳状光谱；波长计算中，根据梳状谱峰与传感谱峰的位置索引以及梳状光谱的标准波长值，采用包括但不限于二次拟合方法计算获得传感谱峰的波长值。
【专利摘要】本发明涉及一种有源光纤光栅传感器解调系统及方法，由泵浦光源、波分复用器、合束器、宽带光源、光衰减器、热稳定标准具、耦合器、可调谐滤波器、光探测器以及控制与信号处理器构成，其中合束器将传感光与标准具输出的标准梳状光谱汇合；光衰减器用于降低梳状光谱的强度，使合束器出射的汇合光形成以高强度的传感光为主、低强度梳状光谱为背景的光谱构成；可调谐滤波器在线性电压驱动下实现汇合光谱的扫描与测量。所述解调方法，对测量光信号采用谱峰寻位、谱峰判定以及波长计算三个数据处理步骤，实现有源光纤传感器传感光波长的精确解调。本发明有益的效果：本发明具有系统结构简单，稳定可靠、集成度高，成本较低，测量精度高等特点。
【IPC分类】G01D5/26
【公开号】CN105241482
【申请号】CN201510663365
【发明人】郝凤欢, 刘鹏飞, 葛辉良
【申请人】中国船舶重工集团公司第七一五研究所
【公开日】2016年1月13日
【申请日】2015年10月14日