专利名称：一种抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统的制作方法
技术领域：
本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及一种抗振动与噪 声千扰的光纤传感波长解调系统。
背景技术：
光纤传感器是利用光纤来感知和传输外界信号的新型传感 器。利用外界物理量对光波不同参量的调制，光纤传感器可以分 为波长调制型、光强调制型、相位调制型和偏振态调制型等类 型。波长调制型光纤传感器具有抗干扰能力强、探头结构简单、 便于大规模组网复用等优势，被广泛地应用于土木工程、交通工 程、石油工业、航空航天、国防安全等诸多领域。
光纤光栅传感器是一种典型的波长调制型传感器。光纤光栅 是利用光纤材料的光敏性在纤芯形成的空间相位光栅，其反射峰 的中心波长会随外界环境的温度、应力、压力的影响发生变化， 因此可以通过封装，制作出温度、应变、压力、振动、水声等各 种传感器。近年来还出现了以光纤光栅激光器作为传感元件的新 一代波长调制型传感器，它利用光纤光栅的反射特性和选频作用，通过在一段高增益有源光纤写入光纤光栅形成光纤激光器结 构。它输出的信号具有极窄的线宽，对外界的变化十分敏感。
波长调制型光纤传感器的波长解调方法主要有边缘滤波 法、F-P滤波法、匹配光栅法、成像光谱法等，这些方法的波长 分辨率约为0.1pm。要达到更高的分辨率，必须采用干涉式解 调法，利用非平衡光纤干涉仪，将光纤光栅中心波长的变化，转 化为干涉仪输出光信号的相位变化，通过相位解调技术还原传感 器中心波长的变化，能够达到板高的波长分辨率。常见的干涉式
解调法有相位跟踪法、3 X 3耦合器法和相位载波解调法(PGC)等。
对于干涉式解调方法，其使用的非平衡光纤干涉仪对外界的 振动和噪声非常敏感，振动和噪声会带来非平衡光纤干涉仪两臂 相位差的变化，这个相位变化叠加在传感器的中心波长位移经干 涉仪所转化来的相位变化上，使得干涉条纹的相位信息中，不仅 包含了传感器波长位移转化来的相位信号，也包含了干涉仪本身 受到外界振动和噪声干扰而发生的相位变化，进而解调系统所解 调出来的波长位移信号中也包含了干涉仪受外界振动与噪声干 扰的影响。
为了防止振动和噪声的干扰，传统的方法是对干涉仪进行隔 振、隔声封装。但是，采用这种方法制作的干涉仪体积大、重量 重、结构复杂、工艺难度大并且对振动和噪声的隔离效果通常只 能局限在有限频率范围内。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种 抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统，具有体积小、重量 轻、结构合理、工艺简单，能工作于较宽频率范围的优点。
本发明提供一种抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系 统，其特征在于，包括
一光源，提供照射光；
一耦合器，该耦合器的输入端与光源的输出端经光纤连接；
一波长调制型传感器和波长型参考器，该波长调制型传感器 和波长型参考器的输入端经光纤与耦合器的输出端连接，波长调 制型传感器用来探测信号，而波长型参考器用来提供一路参考
光；
一光纤隔离器，该光纤隔离器的输入端经光纤与耦合器的输 入端连接，该光纤隔离器接收光源经耦合器到波长调制型传感器 和波长型参考器的反射光；
一光纤干涉仪，该光纤干涉仪的输入端经光纤与光纤隔离器 的输出端连接，用于将波长调制型传感器的中心波长位移信号转 化为干涉条纹的相位信号；
一波长解复用模块，该波长解复用模块的输入端经光纤与光 纤干涉仪的输出端连接，用于将波长调制型传感器和波长型参考 器的光分开到各自的信道中；一光电转换及放大电路，该光电转换及放大电路的两输入端 经光纤与波长解复用模块的两输出端连接，用于将两路光信号转 化为电压信号并进行放大；
一解调模块，该解调模块的两输入端与光电转换及放大电路
的两输出端连接，用于解调出两路干涉条纹中的相位信号；
一减法器，该减法器的两输入端与解调模块的两输出端连 接，用于将解调后的波长调制型传感器和波长型参考器的信号相减。
其中所述的光源为宽带光源或抽运光源；该宽带光源包括自
发辐射光源、半导体超辐射二极管、半导体发光二极管。
其中所述的波长调制型传感器为光纤光栅传感器或光纤激 光传感器。
其中所述的波长调制型传感器采用光纤光栅传感器时，波长 型参考器选取一支与波长调制型传感器中心波长不同的光纤光 栅。
其中所述的波长调制型传感器采用光纤激光传感器时，波长 型参考器选取一支与波长调制型传感器中心波长不同的光纤激
光器°
其中所述的波长型参考器进行隔振、隔声封装。 其中所述的波长调制型传感器采用光纤光栅传感器时，光源
选取宽带光源，如自发辐射光源、半导体超辐射二极管、半导体
发光二极管。其中所述的波长调制型传感器为光纤激光传感器时，光源选 取抽运光源。
其中所述的光纤干涉仪是非平衡马赫曾德干涉仪或者非平 衡迈克尔逊干涉仪。
其中所述的波长解复用模块各通道的透射波长应与波长调 制型传感器和波长型参考器的中心波长相对应。
其中所述的解调模块和减法器用模拟电路或数字信号处理 器来实现。
上述的一种抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统，有 如下优点能显著降低振动与噪声对传感器波长解调的影响；能 在较宽频率范围内降低振动和噪声干扰；体积小，重量轻，结构 简单，易于实现，成本低。
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附 图详细说明如后，其中
图1是一种抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统结 构示意图2是本发明的第一实施例，显示一种抗振动与噪声干扰的 光纤传感波长解调系统应用于光纤光栅传感器PGC解调的示意 图3是本发明的第二实施例，显示一种抗振动与噪声干扰的
9光纤传感波长解调系统应用于光纤激光传感器3 X 3解调的示 意图。
具体实施例方式
通过结合附图对根据本发明的最佳实施例进行详细描述，本 发明的其他方面的优点将会变得清楚和更容易理解。
请参阅图1所示，本发明提供一种抗振动与噪声干扰的光纤 传感波长解调系统，包括
一光源l，提供照射光，该光源1为宽带光源或抽运光源； 该宽带光源包括自发辐射光源、半导体超辐射二极管、半导体发
光二极管；
一耦合器2 ，该耦合器2的输入端与光源1的输出端经光纤 连接；
一波长调制型传感器3和波长型参考器4 ，该波长调制型传 感器3和波长型参考器4的输入端经光纤与耦合器2的输出端 连接，波长调制型传感器3用来探测信号，而波长型参考器4用 来提供一路参考光；所述的波长调制型传感器3为光纤光栅传感 器或光纤激光传感器，该波长调制型传感器3采用光纤光栅传感 器时，波长型参考器4选取一支与波长调制型传感器3中心波长 不同的光纤光栅；该波长调制型传感器3采用光纤激光传感器 时，波长型参考器4选取一支与波长调制型传感器3中心波长不同的光纤激光器；该波长型参考器4要进行隔振、隔声封装；所 述的该波长调制型传感器3采用光纤光栅传感器时，光源1选取 宽带光源，如自发辐射光源、半导体超辐射二极管、半导体发光
二极管；所述的波长调制型传感器3为光纤激光传感器时，光源 1选取抽运光源；
一光纤隔离器5 ，该光纤隔离器5的输入端经光纤与耦合器
2的输入端连接，该光纤隔离器5接收光源1经耦合器2到波长 调制型传感器3和波长型参考器4的反射光；
一光纤干涉仪6 ，该光纤干涉仪6的输入端经光纤与光纤隔 离器5的输出端连接，用于将波长调制型传感器3的中心波长位 移信号转化为干涉条纹的相位信号；所述的光纤干涉仪6是非平 衡马赫曾德干涉仪或者非平衡迈克尔逊干涉仪；
一波长解复用模块7 ，该波长解复用模块7的输入端经光纤 与光纤干涉仪6的输出端连接，用于将波长调制型传感器3和波 长型参考器4的光分开到各自的信道中；所述的波长解复用模块 7各通道的透射波长应与波长调制型传感器3和波长型参考器 4的中心波长相对应；
一光电转换及放大电路8 ，该光电转换及放大电路8的两输 入端经光纤与波长解复用模块7的两输出端连接，用于将两路光
信号转化为电压信号并进行放大；
一解调模块9 ，该解调模块9的两输入端与光电转换及放大 电路8的两输出端连接，用于解调出两路干涉条纹中的相位信号，
一减法器1 0 ，该减法器1 0的两输入端与解调模块9的两 输出端连接，用于将解调后的波长调制型传感器3和波长型参考 器4的信号相减。
所述的解调模块9和减法器1 Q用模拟电路或数字信号处 理器来实现。
请再参阅图1所示，图1为一种抗振动与噪声干扰的光纤传 感波长解调系统结构示意图。光源1发出的光经耦合器2照射波 长调制型传感器3和波长型参考器4 ，反射光依次经耦合器2和 光纤隔离器5入射光纤干涉仪6 ，在光纤干涉仪6中发生干涉， 输出到波长解复用模块7 ，波长解复用模块7将波长调制型传感 器3和波长型参考器4的光信号分至各自的通道后，输入光电转 换及放大电路8 ，然后由解调模块9后进行波长解调后送入减法 器l Q将两通道信号相减，减法器1 0的输出即为消除波长解调 器受外界振动与噪声的干扰后，波长调制型传感器的波长位移信 号。
光源1用来提供照射光，耦合器2用来连接光源1 、波长调 制型传感器3 、波长型参考器4和光纤隔离器5 ，波长调制型传 感器3用来探测外界信号，波长型参考器4用来提供一束参考 光，以获得干涉仪受外界振动和噪声的干扰信号，光纤隔离器5 用来保证光的单向传输，光纤干涉仪6用来将波长位移信号转化 为干涉条纹的相位信号，波长解复用模块7用于将波长调制型传
12感器3和波长型参考器4的光分开到各自的信道中，光电转换及 放大电路8用来实现光电转换及信号放大，解调模块9用来实现
波长位移信号的解调，减法器i o最后用来将经解调模块9解调
后的波长调制型传感器3和波长型参考器4的信号相减，输出就
得到了消除波长解调器受外界振动与噪声的干扰后，波长调制型 传感器的波长位移信号。
波长型参考器4与波长调制型传感器3相对应，若波长调制 型传感器3为光纤光栅传感器，则波长型参考器4为一支中心波 长不同的光纤光栅，若波长调制型传感器3为光纤激光传感器， 则波长型参考器4为一支中心波长不同的光纤激光器。波长调制 型传感器3与波长型参考器4是波分复用的关系。波长型参考器 4要进行隔振、隔声封装。
波长调制型传感器3采用光纤光栅传感器时，光源1应选取
宽带光源，包括自发辐射光源、半导体超辐射二极管、半导体发 光二极管，耦合器2选用2 X 2光纤耦合器，波长调制型传感器 3与波长型参考器4并联，或者耦合器2选用光纤环形器，波长 调制型传感器3与波长型参考器4串联。
波长调制型传感器3采用光纤激光传感器时，光源1应选取 抽运光源，如半导体激光器，耦合器2选用波长耦合器，波长调 制型传感器3与波长型参考器4串联。
波长解复用模块7可以采用商用的密集波分复用器(DWDM)。 该抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统消除振动、噪声干扰的原理如下
对于干涉式解调，其原理是将波长调制型传感器3和波长型
参考器4的中心波长的变化AA(f)转化为相位的变化M^，其转 化关系为
<formula>formula see original document page 14</formula>(工)
其中，A。为波长调制型传感器的中心波长，"为光纤纤芯的 折射率，工为光纤的臂长差(双程)。
对于波长调制型传感器3 ，解调模块9解调出来的相位信号 l旨(O中，不仅包括波长变化转化而成的相位变化M(O，还包括
干涉仪探测到的外界的振动和噪声信号
<formula>formula see original document page 14</formula>(2 )
而波长型参考器4对外界振动、噪声不敏感，中心波长不发 生变化，经解调模块9解调出来的相位信号^—""々)即为干涉仪 接收的外界振动和噪声干扰信号^W:<formula>formula see original document page 14</formula>
经减法器i o相减后，得到
(3 )<formula>formula see original document page 15</formula>
其相位中不再含有干涉仪接收的外界振动、噪声干扰信号，
进而将(4 )式转化为光纤光栅的中心波长的变化AA力)输出后， 解调出来的波长调制型传感器3的波长位移信号中，也消除了解
调仪受外界振动、噪声的干扰。
该抗振动与噪声千扰的光纤传感波长解调系统结构简单，因 而该系统易于实现。由于不需要对干涉仪进行隔振、隔声封装， 因而具有体积小、重量轻的特点。并且由于该系统的工作原理与 振动、噪声干扰信号的频率无关，因而能够在较宽频率范围内发 挥作用。
图2为一种抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统应
用于光纤光栅传感器PGC解调的实施例。宽带光源2 0 1 (对应 图1中光源1)发出的光经2X2耦合器2 0 2 (对应图l中耦 合器2 )分为两束分别照射光纤光栅传感器2 0 3 (对应图1中 波长调制型传感器3 )和参考光纤光栅2 0 4 (对应图1中波长 型参考器4 )，被反射后依次经2 X 2耦合器2 0 2和光纤隔离 器2 0 5 (对应图1中光纤隔离器5)入射非平衡光纤迈克尔逊 干涉仪2 0 6 (对应图1中的光纤干涉仪6 )，非平衡光纤迈克 尔逊干涉仪2 0 6的光纤一臂带相位调制器，在非平衡光纤迈克 尔逊干涉仪2 0 6中发生干涉后输出到密集波分复用器2 0 8(对应波长解复用模块7 )，而密集波分复用器2 0 8将光纤光
栅传感器2 0 3和参考光纤光栅2 0 4的两束光分至各自通道 后，输入探测及信号解调模块2 0 9，经过解调后送入减法器2
1 0 (对应图1中减法器1 0 )将两通道信号相减，PGC解调法 所需要的载波信号通过载波发生电路2 0 7产生，其产生的正弦 载波信号分两路送入非平衡光纤迈克尔逊干涉仪2 0 6的相位 调制器上和探测及信号解调模块2 0 9中，减法器2 1 0的输出 即为去除解调器受外界振动与噪声的干扰后，光纤光栅传感器2
0 3的波长位移信号。
光纤光栅传感器2 0 3和参考光纤光栅2 0 4中的光纤元
件均为光纤布拉格光栅，其中心波长不同，封装形式不同，参考 光纤光栅2 0 4采用隔振、隔声封装，对外界振动、噪声均不敏 感，用来提供一路参考光信号，而光纤光栅传感器2 0 3为增敏 封装的光纤光栅传感器，用于探测外界信号。
图3为一种抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统应 用于光纤激光传感器3 X 3解调的实施例。抽运光源3 0 1 (对 应图1中光源1 )发出的光经波长耦合器3 0 2 (对应图1中耦 合器2 )依次泵浦参考光纤激光器3 0 3 (对应图1中波长型参 考器4 )和光纤激光传感器3 0 4 (对应图1中波长调制型传感 器3),参考光纤激光器3 0 3和光纤激光传感器3 0 4发出的 光依次经波长耦合器3 0 2和光纤隔离器3 0 5 (对应图1中光 纤隔离器5 )入射基于3 X 3耦合器的光纤迈克尔逊干涉仪3 06(对应图1中光纤干涉仪6 )，在基于3 X 3耦合器的光纤迈
克尔逊干涉仪3 0 6中发生干涉后分三路输出到密集波分复用 器一 3 0 7 、密集波分复用器二 3 0 8 、密集波分复用器三3 0 9 ，而密集波分复用器一 3 0 7 、密集波分复用器二 3 0 8和密 集波分复用器三3 0 9将参考光纤激光器3 0 3和光纤激光传 感器3 Q 4的光分开，输入探测及信号解调模块3 10，经过解 调后送入减法器3 1 1将两通道信号相减，减法器3 1 1的输出 即为去除解调器受外界振动与噪声的干扰后，光纤激光传感器的 波长位移信号。
参考光纤激光器3 0 3和光纤激光传感器3 0 4均为基于 光纤光栅的掺铒光纤激光器，其激射光的中心波长不同，封装形 式不同，参考光纤激光器3 0 3采用隔振、隔声封装，对外界振 动、噪声均不敏感，而光纤激光传感器3 0 4为增敏封装的光纤 激光传感器。
尽管本发明是结合其示例性实施例来具体展示和描述的，本 领域的技术人员应该理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发 明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的修改。
1权利要求
1.一种抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统，其特征在于，包括一光源，提供照射光；一耦合器，该耦合器的输入端与光源的输出端经光纤连接；一波长调制型传感器和波长型参考器，该波长调制型传感器和波长型参考器的输入端经光纤与耦合器的输出端连接，波长调制型传感器用来探测信号，而波长型参考器用来提供一路参考光；一光纤隔离器，该光纤隔离器的输入端经光纤与耦合器的输入端连接，该光纤隔离器接收光源经耦合器到波长调制型传感器和波长型参考器的反射光；一光纤干涉仪，该光纤干涉仪的输入端经光纤与光纤隔离器的输出端连接，用于将波长调制型传感器的中心波长位移信号转化为干涉条纹的相位信号；一波长解复用模块，该波长解复用模块的输入端经光纤与光纤干涉仪的输出端连接，用于将波长调制型传感器和波长型参考器的光分开到各自的信道中；一光电转换及放大电路，该光电转换及放大电路的两输入端经光纤与波长解复用模块的两输出端连接，用于将两路光信号转化为电压信号并进行放大；一解调模块，该解调模块的两输入端与光电转换及放大电路的两输出端连接，用于解调出两路干涉条纹中的相位信号；一减法器，该减法器的两输入端与解调模块的两输出端连接，用于将解调后的波长调制型传感器和波长型参考器的信号相减。
2.如权利要求1所述的一种抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统，其特征在于，其中所述的光源为宽带光源或抽运光源；该宽带光源包括自发辐射光源、半导体超辐射二极管、半 导体发光二极管。
3.如权利要求1所述的一种抗振动与噪声干扰的光纤传感 波长解调系统，其特征在于，其中所述的波长调制型传感器为光 纤光栅传感器或光纤激光传感器。
4.如权利要求1所述的一种抗振动与噪声干扰的光纤传感 波长解调系统，其特征在于，其中所述的波长调制型传感器采用 光纤光栅传感器时，波长型参考器选取一支与波长调制型传感器 中心波长不同的光纤光栅。
5.如权利要求1所述的一种抗振动与噪声干扰的光纤传感 波长解调系统，其特征在于，其中所述的波长调制型传感器采用 光纤激光传感器时，波长型参考器选取一支与波长调制型传感器 中心波长不同的光纤激光器。
6.如权利要求1所述的一种抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统，其特征在于，其中所述的波长型参考器进行隔振、 隔声封装。
7 .如权利要求1所述的一种抗振动与噪声干扰的光纤传感 波长解调系统，其特征在于，其中所述的波长调制型传感器采用 光纤光栅传感器时，光源选取宽带光源，如自发辐射光源、半导 体超辐射二极管、半导体发光二极管。
8 .如权利要求1所述的一种抗振动与噪声干扰的光纤传感 波长解调系统，其特征在于，其中所述的波长调制型传感器为光 纤激光传感器时，光源选取抽运光源。
9 .如权利要求1所述的一种抗振动与噪声干扰的光纤传感 波长解调系统，其特征在于，其中所述的光纤干涉仪是非平衡马 赫曾德干涉仪或者非平衡迈克尔逊干涉仪。
10.如权利要求1所述的一种抗振动与噪声干扰的光纤传 感波长解调系统，其特征在于，其中所述的波长解复用模块各通 道的透射波长应与波长调制型传感器和波长型参考器的中心波 长相对应。
11.如权利要求1所述的一种抗振动与噪声干扰的光纤传 感波长解调系统，其特征在于，其中所述的解调模块和减法器用 模拟电路或数字信号处理器来实现。
全文摘要
一种抗振动与噪声干扰的光纤传感波长解调系统，包括一光源；一耦合器的输入端与光源的输出端经光纤连接；一波长调制型传感器和波长型参考器的输入端经光纤与耦合器的输出端连接；一光纤隔离器的输入端经光纤与耦合器的输入端连接；一光纤干涉仪的输入端经光纤与光纤隔离器的输出端连接；一波长解复用模块的输入端经光纤与光纤干涉仪的输出端连接；一光电转换及放大电路的两输入端经光纤与波长解复用模块的两输出端连接，用于将两路光信号转化为电压信号并进行放大；一解调模块的两输入端与光电转换及放大电路的两输出端连接；一减法器的两输入端与解调模块的两输出端连接。
文档编号G02B6/42GK101561536SQ20081010424
公开日2009年10月21日 申请日期2008年4月16日 优先权日2008年4月16日
发明者俊 何, 刘育梁, 芳 李, 浩 肖 申请人:中国科学院半导体研究所