温度补偿的可调谐激光器与长周期光纤光栅边带解调系统的制作方法
【专利摘要】温度补偿的可调谐激光器与长周期光纤光栅边带解调系统，涉及基于边带滤波光纤光栅解调系统的灵敏度提高与解调范围扩大，属于光纤传感及边带滤波解调光纤光栅领域。本实用新型采用波长可调谐激光器输出谱和长周期光纤光栅透射谱两个准线性边带进行边带滤波，为解决现有的光纤光栅滤波解调系统灵敏度低、动态范围小、不能检测微弱信号或微弱信号变化不明显的问题。本实用新型的光纤耦合器将波长可调谐激光器输出的光传输给光纤光栅传感器阵列，第二个光纤耦合器又将光纤光栅传感器阵列反射回来的光信号分成两路，其中一路进入长周期光纤光栅后进入光电转换及放大系统，而另一路作为补偿光路直接将光信号进入光电转换及放大电路系统，两路光一同进入数据采集及处理系统相除完成对光纤光栅传感器阵列中传感信号的处理；本实用新型具有操作方便，体积小、价格低廉、易于推广使用的用途。
【专利说明】
溫度补偿的可调谐激光器与长周期光纤光栅边带解调系统
技术领域
[0001] 本发明设及基于边带滤波光纤光栅解调系统的灵敏度提高与解调范围扩大。属于 光纤传感及边带滤波解调光纤光栅领域。
【背景技术】
[0002] 作为一种光新无源传感元件，光纤布拉格光栅(門ber Bragg Grating, FBG)传感 器具有波长编码和准分布式的独特的优点使其得W迅猛发展，将其研制成传感器已经广泛 的应用于各个领域用于大型结构健康的安全检测中。在用于微弱信号的检测中，解调系统 的灵敏度和解调范围是其重要的性能参数，提高FBG解调灵敏度可W实现FBG传感器对外界 环境的微弱变化的实时监测，在一些安全监测领域或要求监测结果精确的领域具有很高的 使用价值。
[0003] 目前，基于FBG传感器进行监测系统中，FBG波长信息解调是关键技术。通过对国内 FBG解调仪研发公司销售调查，平均每年销售额在1亿多人民币，随着市场需求逐年并呈逐 年上升趋势。目前在常用的FBG波长信息解调方法中，滤波法W其解调方法可行、结构简单、 成本低等优势成为研究热点。其中可调F-P谐滤波的精度受法-巧腔的稳定性及压电陶瓷的 非线性影响，只适用于静态或准静态测量;匹配滤波解调方法灵敏度高，但动态范围窄、易 受环境溫度影响；虽然非平坦化放大自发福射宽带光源边带滤波能实现对FBG波长信号的 解调，但光源利用率低，在C波段FBG反射谱只占光源输出能量的二百分之一;粗波分复用器 边带滤波虽有近3几纳米的动态范围，但解调灵敏度低，无法保证大量程的实现；而专利 2015 2 0758529.6提出的"边带滤波FBG解调系统灵敏度的提高"虽然提高了系统的灵敏 度，但仍然无法解决解调系统的量程，并且由于渗巧光纤放大器的引入，使系统变得复杂。 多因此，同时实现高灵敏度与大量程结构简单的边带滤波解调系统对FBG传感信号的监测 尤为重要。
【发明内容】
[0004] 本发明是为了解决现有的滤波法构成的FBG解调系统灵敏度低和解调范围小，不 能检测微弱信号或微弱信号变化不明显的问题，现提供可实现溫度补偿的可调谐激光器与 长周期光纤光栅边带解调系统。
[0005] 溫度补偿的可调谐激光器与长周期光纤光栅边带解调系统。它包括波长可调谐激 光器（1)、光纤隔离器(2)、光纤禪合器(3)、光纤光栅传感器阵列（4)、光纤禪合器(5)、长周 期光纤光栅(6)、光电转换及放大系统(7)、数据采集及处理系统(8);
[0006] 波长可调谐激光器（1)发出波长连续变化的光，该光经光纤隔离器(2)后进入禪合 比为1:9光纤禪合器(3)分成两路，其中禪合比大的那路光传输给光纤光栅传感器阵列(4);
[0007] 由光纤光栅传感器阵列(4)中每个光纤光栅传感器返回的光信号再次经由光纤禪 合器(3)，光纤禪合器(3)将返回的光送入禪合比为1:9的光纤禪合器巧），该光纤禪合器巧） 将光分成两路，其中禪合比大的那路光进入长周期光纤光栅(6)后进入光电转换及放大系 统(7)，而禪合比小的那路光作为光源波动的补偿光路将光纤光栅传感器阵列(4)返回的光 直接进入光电转换及放大系统(7)，两路光一同进入数据采集及处理系统(8)进行相除后， 完成对外传感信号的处理；
[0008] 光纤光栅传感器阵列（4)由η个串联的不同中屯、波长FBG传感器构成，其中η为正整 数。
[0009] 本新型采用线性边带滤波解调方案，利用波长可调谐激光器输出谱的准线性边带 和长周期光纤光栅透射谱准线性边带透射率与波长的线性关系，实现双边带滤波对FBG波 长信号解调。由于长周期光纤光栅和FBG都是小体积、低成本的光学无源器件，且长周期光 纤光栅透射线性边带范围宽，波长可调谐激光器输出光功率大，无须再引进其他光无源器 件进行再放大，且采用光纤禪合器将光分成两路，一路用于滤波解调，一路可补偿由于溫度 影响造成光源波动对解调信号的影响，因此本新型所述溫度补偿的可调谐激光器与长周期 光纤光栅边带解调系统能够同时实现FBG波长信息解调、光无源器件的性能测试，并且其测 量系统灵敏度高和动态范围宽，同比灵敏度提高了3倍，动态范围提高10%。
[0010] 本新型集合光学技术、模拟技术和电子技术于一体，用模块组合方式，将光传感、 信息控制和光电检测中所用的光有源和无源等各类器件的集成在一个系统，完成对外界传 感信息的测试;且本新型的系统简单，同比现有技术，复杂度降低了 1倍W上；同时具有综合 性强、操作方便，体积小的特点。
[0011] 本实用新型是为了实现对FBG传感器波长信息的间接获取，该系统设及到的光有 源和无源器件均W模块形式组装，系统中每个模块即可W独立工作也可W组成系统实现统 一的功能，通过对软件编程及模块更换，具有后续开发功能。
【附图说明】
[0012] 图1为本实用新型的整体结构图。
[0013] 图2为本实用新型的边带滤波解调FBG原理示意图，图中曲线1表示边带滤波特性 规律，曲线2表示FBG反射谱信号。
[0014] 图3为恒功率驱动下可调谐激光器输出波长与调谐电压关系，图中横坐标为调谐 电压，纵坐标为输出波长。
【具体实施方式】
[0015]
【具体实施方式】一:下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的溫度补偿的可 调谐激光器与长周期光纤光栅边带解调系统，它包括波长可调谐激光器（1)、光纤隔离器 (2)、光纤禪合器(3)、光纤光栅传感器阵列（4)、光纤禪合器巧）、长周期光纤光栅(6)、光电 转换及放大系统(7)、数据采集及处理系统(8);
[0016] 波长可调谐激光器（1)发出波长连续变化的光经光纤隔离器(2)和光纤禪合器(3) 后传输给光纤光栅传感器阵列(4)，光纤光栅传感器阵列(4)中每个光纤光栅传感器返回的 光再次经由光纤禪合器(3)送入光纤禪合器巧)分成两路，其中一路光进入长周期光纤光栅 (6)后进入光电转换及放大系统(7)，另外一路光直接进入光电转换及放大系统(7)，两路光 一同进入数据采集及处理系统(8)完成对光纤光栅传感器阵列(4)的FBG传感信号的处理。
[0017] 波长可调谐激光器输出窄线宽高功率高斯分布的谱，利用其输出谱的上升边带或 下降边带实现FBG传感反射波长信号的滤波解调，解决了利用非平坦化放大自发福射宽带 光源边带滤波解调FBG波长信号光源利用率低的问题，又基于波长可调谐激光器输出谱边 带斜率远远高于放大自发福射宽带光源输出谱边带斜率，因此提高了系统的灵敏度。
[0018] 长周期光纤光栅透射谱某一线性边带由于具有大约20nm的准线性区，用于二次边 带滤波解调FBG传感波长信号不仅提高系统解调灵敏度，同时也扩大系统的解调范围，解决 了高灵敏度、大量成的问题。
[0019] FBG传感原理:FBG反射谱中必波长为.％的FBG传感器与沿轴向应变若与和溫度变 化紐与波长变化量关系为注％=#-联短拓绰紘去讀连求
[0020] 式中Pe、记和《均为常数。
[0021] 边带滤波解调原理:将光纤滤波器的输出谱在某一波长范围内透射率与波长关系 近似为线性关系，FBG的反射光的谱密度函数近似为高斯曲线函数，入射光通过FBG的反射 和光纤滤波器的透射，光强与波长之间关系可表述为线性滤波函数与FBG反射光的谱密度 函数的相关，见图2。当FBG受到扰动时，FBG反射光中屯、波长变化与通过光电转换系统输出 电平C/化4.!间线性关系为硏如唯)'冷狡鱗A為
[0022] 式中％为FBG峰值反射率，G为光电转换系统增益，k为常数。通过检测输出电平信 号反应FBG传感信号变化大小。
[0023] 溫度补偿原理：当光源输出谱受外界影响波动时，采用两路进行除法运算实施补 偿。
【具体实施方式】 [0024] 二:本实施方式对一所述的溫度补偿的可调谐激光器 与长周期光纤光栅边带解调系统作进一步限定，本实施方式中，它还包括光纤光栅传感器 阵列（4)，该光纤光栅传感器阵列（4)是由η个串联的不同反射光中屯、波长FBG传感器构成， 其中屯、波长及其变化范围均在波长可调谐激光器(1)的调谐范围内；
【具体实施方式】 [0025] Ξ:本实施方式对一所述的溫度补偿的可调谐激光器 与长周期光纤光栅边带解调系统作进一步限定，本实施方式中，长周期光纤光栅(6)透射谱 准线性边带波长范围应与波长可调谐激光器(1)输出波长范围一致；
【具体实施方式】 [0026] 四：本实施方式对一所述的溫度补偿的可调谐激光器 与长周期光纤光栅边带解调系统作进一步限定，本实施方式中，波长可调谐激光器(1)是由 分布反馈式激光器和调谐电路组成，由调谐电路控制分布反馈式激光器使其输出连续谱， 具有输出功率高和输出谱边带斜率大的特点，其恒功率驱动下可调谐激光器输出波长与调 谐电压关系如图3;
【具体实施方式】 [0027] 五:本实施方式对一所述的溫度补偿的可调谐激光器 与长周期光纤光栅边带解调系统作进一步限定，本实施方式中，光纤禪合器(3)和光纤禪合 器巧)为1:9禪合比的禪合器；
[0028] 【具体实施方式】六:本实施方式对【具体实施方式】一所述的溫度补偿的可调谐激光器 与长周期光纤光栅边带解调系统作进一步限定，本实施方式中，光纤禪合器巧)输出的两路 光，其中一路进入长周期光纤光栅(6)完成边带滤波解调，另一路作为补偿光路进入光电转 换及放大系统(7)与光路一信号进行相除运算，消除光源波动对解调的影响。
【主权项】
1. 温度补偿的可调谐激光器与长周期光纤光栅边带解调系统，其特征在于：它包括波 长可调谐激光器（1)、光纤隔离器(2)、光纤耦合器(3)、光纤光栅传感器阵列（4)、光纤耦合 器(5)、长周期光纤光栅(6)、光电转换及放大系统(7)、数据采集及处理系统(8); 波长可调谐激光器（1)发出波长连续变化的光经光纤隔离器(2)和光纤耦合器(3)后传 输给光纤光栅传感器阵列(4); 由光纤光栅传感器阵列(4)中每个光纤光栅传感器返回的光经由光纤耦合器(3)，光纤 耦合器(3)再将返回的光送入光纤耦合器(5)分成两路，其中一路光进入长周期光纤光栅 (6) 后其透射谱进入光电转换及放大系统（7)，而另一路光直接进入光电转换及放大系统 (7) ，两路光一同进入数据采集及处理系统(8)完成对光纤光栅传感器阵列的传感信号的处 理。2. 根据权利要求1所述的温度补偿的可调谐激光器与长周期光纤光栅边带解调系统， 其特征在于:光纤光栅传感器阵列（4)是由η个串联的光纤光栅传感器构成，其中η为正整 数，且光纤光栅传感器阵列(4)中每个光纤光栅传感器的反射光中心波长都不同。3. 根据权利要求1所述的温度补偿的可调谐激光器与长周期光纤光栅边带解调系统， 其特征在于:波长可调谐激光器（1)是由分布反馈式激光器和调谐电路组成，由调谐电路控 制分布反馈式激光器使其输出连续谱，具有输出功率高和输出谱边带斜率大的特点。4. 根据权利要求1所述的温度补偿的可调谐激光器与长周期光纤光栅边带解调系统， 其特征在于:系统引入光纤耦合器(3)和光纤耦合器(5)，光纤耦合器(3)是用来传输波长可 调谐激光器（1)输出的光和光纤光栅传感器阵列(4)中FBG传感器返回的光，光纤耦合器(5) 是将光纤耦合器(3 )的一路返回光耦合成两路。5. 根据权利要求1所述的温度补偿的可调谐激光器与长周期光纤光栅边带解调系统， 其特征在于:光纤光栅传感器阵列(4)中传感器反射光中心波长及变化范围在波长可调谐 激光器(1)输出波长范围内，也在长周期光纤光栅(6)透射谱准线性边带波长范围内。
【文档编号】G01D3/028GK205619942SQ201620205539
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年3月17日
【发明人】熊燕玲, 吴明泽, 韩浚生, 陈卉, 李炜峥
【申请人】哈尔滨理工大学