高波长分辨率光纤光栅解调系统及方法与流程

本发明涉及光纤光栅解调技术领域，具体地指一种高波长分辨率光纤光栅解调系统及方法。

技术背景

由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、绝缘性能好、耐腐蚀、动态范围大、测量范围广等优势因此被广泛应用于航空航天、桥梁监测、石油化工、结构损伤检测等众多领域。温度、应力等物理量的改变会引起光纤光栅中心波长的漂移，通过解调光纤光栅的中心波长可以检测外界物理量。具有高波长分辨率的光纤光栅解调系统能够更精确的测量微小的中心波长漂移量，还原外界物理量，同时意味着系统的灵敏度高，感知微弱的信号的能力强，适用于高精度、高灵敏度测量领域。

目前，常用的光纤光栅的解调方法有滤波解调、可调谐光源解调、干涉解调等，但众多解调系统的波长分辨率仍为pm级别。例如基于可调谐的F-P滤波器的光纤光栅解调方案，通过引入多波长校准具来校准，系统的测量波长分辨率通常为0.97pm-5pm；又如哈尔滨工业大学的李秋仪设计的基于DSP的高分辨率FBG解调系统，采用基于DSP的高精度可调谐激光器和用DSP处理的锁相放大器来进行解调，其波长分辨率的理论值为1.58pm；又如南京大学光通信工程研究中心设计的高精度光纤光栅解调系统，为了降低F-P滤波器的非线性效应带来的影响，在基本的F-P滤波解调中引入F-P标准具动态校准其采集到的波长，同时利用标准具及ASE光源特性进行频谱分区解调，其波长分辨率为0.33pm；再如中国专利CN1908713A发明的高精度光纤光栅解调系统，通过引入一个高精度温度控制芯片，控制封装了两个单模光纤的金属盒所构成的可调谐滤波器，其分辨率可以低于0.3pm。但这些解调系统的分辨率还不能满足高精度、高灵敏度的测量领域的要求。

技术实现要素：

本发明的目的就是要提供一种高波长分辨率光纤光栅解调系统及方法，该系统及方法能有效克服可调谐激光器的非线性调谐缺陷，大大提高波长的分辨率，能够满足微小物理量的测量，系统的灵敏度、精度高(波长分辨率可以达到10飞米)。

为实现此目的，本发明所设计的高波长分辨率光纤光栅解调系统，其特征在于：包括可调谐激光器、第一光分路器、第二光分路器、第一光耦合器、第二光耦合器、第一光电探测器、多波长校准具、第二光电探测器、解调光路、第三光电探测器和数据采集器及处理器，其中，可调谐激光器的信号输出端连接第一光分路器的信号输入端，第一光分路器的第一信号输出端连接第二光分路器的信号输入端，第二光分路器的第一信号输出端连接第一光耦合器的输入端，第一光耦合器的第一扫频光信号输出端通过光纤连接第二光耦合器的第一信号输入端，第一光耦合器的第二扫频光信号输出端通过延时光纤连接第二光耦合器的第二信号输入端，第二光耦合器的信号输出端连接第一光电探测器的信号输入端，第二光分路器的第二信号输出端连接多波长校准具的信号输入端，多波长校准具的信号输出端连接第二光电探测器的信号输入端，第一光分路器的第二信号输出端连接解调光路的信号输入端，解调光路的信号输出端连接第三光电探测器的信号输入端，所述第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器的输出端连接数据采集器及处理器的信号输入端。

一种利用上述系统的高波长分辨率光纤光栅解调方法，它包括如下步骤：

步骤1：可调谐激光器输出线性扫频光给第一光分路器；

步骤2：第一光分路器的第一信号输出端与第二信号输出端输出按1:99的光功率比将线性扫频光分为两束扫频光；

步骤3：第一光分路器的第一信号输出端输出的扫频光通过第二光分路器按50：50的光功率比等分为两束扫频光，第二光分路器输出的一束扫频光传输至第一光耦合器，第一光耦合器将收到的扫频光按50：50的光功率比等分为两束扫频光，第一光耦合器输出的两束扫频光中的一束扫频光通过光纤输入第二光耦合器的第一信号输入端，第一光耦合器输出的两束扫频光中的另一束扫频光通过延时光纤输入第二光耦合器的第二信号输入端，第二光耦合器将接收到的两束扫频光进行耦合，第一光电探测器接收第二光耦合器输出的拍频信号光并将拍频信号光转换为电信号，第一光电探测器输出的电信号为参考通道电信号；

第二光分路器输出的另一束扫频光传输至多波长校准具，多波长校准具输出具有特征波长的扫频光，第二光电探测器将上述具有特征波长的扫频光转换成对应的电信号，第二光电探测器输出端的电信号为校准通道电信号；

第一光分路器的第二信号输出端输出的扫频光输入解调光路，解调光路对输入的扫频光进行调制处理输出带光纤光栅波长信息的扫频光，第三光电探测器将带光纤光栅波长信息的扫频光转换为对应的电信号，第三光电探测器输出的电信号为解调通道电信号；

步骤4：第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器输出的电信号传输给数据采集器及处理器，数据采集器及处理器通过检测参考通道电信号的过零点，以相邻两个过零点对应的时间为区间用插值方式分别对校准通道电信号和解调通道电信号进行重采样，得到补偿了可调谐激光器非线性扫频影响的校准通道电信号和解调通道电信号，利用补偿了可调谐激光器非线性扫频影响的解调通道电信号通过解调算法得到解调光路里待测光栅中心波长对应的时间，利用补偿了可调谐激光器非线性扫频影响的校准通道电信号得到特征波长与特征波长对应的时间，利用特征波长与特征波长对应的时间算出扫频激光器实际扫频速率，通过所述扫频激光器实际扫频速率、特征波长与特征波长对应的时间、解调光路里待测光栅中心波长对应的时间算出解调光路里待测光栅的中心波长。

本发明通过参考通道补偿可调谐激光器的非线性缺陷，通过校准通道校准调谐激光器的输出波长，解调通道的波长分辨率由采样频率f_s和扫频速率γ_v决定，调整采样频率、扫频速率可以将波长的分辨率提高到飞米级别。

本发明提出用可调谐激光器为光源构建光栅解调系统，通过构建M-Z干涉参考通道，采用多波长校准具校准输出波长，解调通道获取光栅光谱信息，同步采集三路信号，实现光纤光栅的解调。

本发明能有效克服可调谐激光器的非线性调谐缺陷(因为通过参考通道对另外两个通道采集到的信号进行了修正，所以就对非线性效应进行了补偿)，实现了非线性修正，大大提高波长的分辨率，能够满足微小物理量的测量，系统的灵敏度、精度高(波长分辨率可以达到10飞米)。

附图说明

图1为本发明的系统结构图；

图2中的a部分为参考通道的拍频信号的实际波形图和修正后的波形图，图2中的b部分为可调谐激光器的光源信号的实际波形图和修正后的波形图；

图3为本发明中校准通道求解波长值示意图；

图中，1—可调谐激光器、2—第一光分路器、3—第二光分路器、4—第一光耦合器、5—第二光耦合器、6—第一光电探测器、7—多波长校准具、8—第二光电探测器、9—解调光路、10—第三光电探测器、11—数据采集器及处理器、12—光纤、13—延时光纤。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

本发明所设计的一种高波长分辨率光纤光栅解调系统，如图1所示，包括可调谐激光器1、第一光分路器2、第二光分路器3、第一光耦合器4、第二光耦合器5、第一光电探测器6、多波长校准具7、第二光电探测器8、解调光路9、第三光电探测器10和数据采集器及处理器11，其中，可调谐激光器1的信号输出端连接第一光分路器2的信号输入端，第一光分路器2的第一信号输出端连接第二光分路器3的信号输入端，第二光分路器3的第一信号输出端连接第一光耦合器4的输入端，第一光耦合器4的第一扫频光信号输出端通过光纤12连接第二光耦合器5的第一信号输入端，第一光耦合器4的第二扫频光信号输出端通过延时光纤13连接第二光耦合器5的第二信号输入端，第二光耦合器5的信号输出端连接第一光电探测器6的信号输入端，第二光分路器3的第二信号输出端连接多波长校准具7的信号输入端，多波长校准具7的信号输出端连接第二光电探测器8的信号输入端，第一光分路器2的第二信号输出端连接解调光路9的信号输入端，解调光路9的信号输出端连接第三光电探测器10的信号输入端，所述第一光电探测器6、第二光电探测器8和第三光电探测器10的输出端连接数据采集器及处理器11的信号输入端(采集器对电信号进行采集，采集到的信号通过处理器进行修正、解调等一系列处理)。

上述技术方案中，多波长校准具7的特点是在某个波段范围内输出信号具有多个特征波长，这些特征波长值稳定，不易受到温度、应力等外界物理量的改变而变化。

上述技术方案中，所述解调光路9是基于扫频光设计的包含待测光栅的光纤光栅传感网络。

上述技术方案中，所述第一光分路器2的第一信号输出端与第二信号输出端输出的光功率比为1:99。该设计为了保证解调光路可以针对弱光栅解调。

上述技术方案中，所述第二光分路器3的第一信号输出端与第二信号输出端输出的光功率比为50：50。

上述技术方案中，所述第一光耦合器4的第一扫频光信号输出端与第二扫频光信号输出端的光功率比为50：50。

上述技术方案中，所述第二光耦合器5的第一信号输入端与第二信号输入端的光功率比为50：50。

上述技术方案中，所述第一光耦合器4、第二光耦合器5和第一光电探测器6构成参考通道，所述多波长校准具7和第二光电探测器8构成校准通道，所述解调光路9和第三光电探测器10构成解调通道。

上述技术方案中，第一光耦合器4、第二光耦合器5和一段延时光纤构成M-Z干涉仪。调谐光由第一光耦合器4分为两束调谐光进入M-Z干涉仪的两干涉臂，由第二光耦合器5耦合输出至第一光电探测器6。

上述技术方案中，参考通道用于引入参考干涉仪修正可调谐激光器的非线性扫频缺陷；校准通道用于根据加入的多波长校准具校准可调谐激光器的输出波长；解调通道是基于可调谐激光器设计的解调光路；参考通道、解调通道和校准通道同步采集信号，实现光纤光栅高波长分辨率解调。本发明通过修正激光器的非线性调谐和校准输出波长，能够将光纤光栅的波长解调分辨率提高到飞米级别。

解调通道由以可调谐激光器为基础的解调光路构成，能够提取待测光纤光栅的光谱信息，解调通道的有效信号光传输至第三光电探测器10。第一光电探测器6、第二光电探测器8和第三光电探测器10经数据采集器同步采集，实现光纤光栅高波长分辨率的解调。

一种利用上述系统的高波长分辨率光纤光栅解调方法，它包括如下步骤：

步骤1：可调谐激光器1输出线性扫频光给第一光分路器2；

步骤2：第一光分路器2的第一信号输出端与第二信号输出端输出按1:99的光功率比将线性扫频光分为两束扫频光；

步骤3：第一光分路器2的第一信号输出端输出的扫频光通过第二光分路器3按50：50的光功率比等分为两束扫频光，第二光分路器3输出的一束扫频光传输至第一光耦合器4，第一光耦合器4将收到的扫频光按50：50的光功率比等分为两束扫频光，第一光耦合器4输出的两束扫频光中的一束扫频光通过光纤12输入第二光耦合器5的第一信号输入端，第一光耦合器4输出的两束扫频光中的另一束扫频光通过延时光纤13输入第二光耦合器5的第二信号输入端，第二光耦合器5将接收到的两束扫频光进行耦合，第一光电探测器6接收第二光耦合器5输出的拍频信号光并将拍频信号光转换为电信号，第一光电探测器6输出的电信号为参考通道电信号；

第二光分路器3输出的另一束扫频光传输至多波长校准具7，多波长校准具7输出具有特征波长的扫频光，第二光电探测器8将上述具有特征波长的扫频光转换成对应的电信号，第二光电探测器8输出端的电信号为校准通道电信号；

第一光分路器2的第二信号输出端输出的扫频光输入解调光路9，解调光路9对输入的扫频光进行调制处理输出带光纤光栅波长信息的扫频光，第三光电探测器10将带光纤光栅波长信息的扫频光转换为对应的电信号，第三光电探测器10输出的电信号为解调通道电信号；

步骤4：第一光电探测器6、第二光电探测器8和第三光电探测器10输出的电信号传输给数据采集器及处理器11，数据采集器及处理器11通过检测参考通道电信号的过零点，以相邻两个过零点对应的时间为区间用插值方式分别对校准通道电信号和解调通道电信号进行重采样，得到补偿了可调谐激光器非线性扫频影响的校准通道电信号和解调通道电信号，利用补偿了可调谐激光器非线性扫频影响的解调通道电信号通过解调算法得到解调光路里待测光栅中心波长对应的时间，利用补偿了可调谐激光器非线性扫频影响的校准通道电信号得到特征波长与特征波长对应的时间，利用特征波长与特征波长对应的时间算出扫频激光器实际扫频速率，通过所述扫频激光器实际扫频速率、特征波长与特征波长对应的时间、解调光路9里待测光栅中心波长对应的时间算出解调光路9里待测光栅的中心波长。

上述技术方案中，由于可调谐激光器1存在非线性扫频的缺陷，解调时需要对可调谐激光器1进行非线性补偿，补偿的原理是重采样。参考通道的两条干涉臂存在固定长度差，两路调谐光在第一光耦合器4上产生拍频现象，理论上经第一光电探测器6输出的信号为固定频率的正弦波，但由于可调谐激光器1的非线性扫频，会使得实际检测到可调谐激光器1的输出信号频谱展宽。

参考通道一路干涉臂的光信号可表示为：

E(t)＝E₀exp[jφ(t)] (1)

其中，E(t)表示参考通道一路干涉臂的光信号的波函数，E₀为光信号的振幅，Φ(t)表示随时间变化的相位，j为虚数单位，相位变化信号可表示为：

$\mathrm{\φ}\left(t\right)={\mathrm{\φ}}_0+2\mathrm{\π}{\∫}_0^{t}f\left(x\right)dx---\left(2\right)$

其中，Φ₀表示光波的初始相位，f(x)，即f(t)表示可调谐激光器输出的瞬时光信号的频率，t表示扫频时间，另一路干涉臂由于存在时延τ，其光信号的波函数可表示为E(t-τ)，由第一光电探测器6探测的电信号为：

$U\left(t\right)=\mathrm{\η}{\[E\left(t\right)+E(t-\mathrm{\τ})\]}^2=2{\mathrm{\ηE}}_0^2\{1+cos\[\mathrm{\φ}\left(t\right)-\mathrm{\φ}(t-\mathrm{\τ})\]\}---\left(3\right)$

其中，E(t)表示光波的波函数，η为光纤探测器的灵敏度系数，将Φ(t-τ)在t处泰勒展开，Φ(t-τ)表示第二路参考臂上光的相位：

$\mathrm{\Φ}(t-\mathrm{\τ})=\underset{i=0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}\frac{{(-\mathrm{\τ})}^i}{i!}{\mathrm{\φ}}^{\left(i\right)}\left(t\right)---\left(4\right)$

其中，φ⁽ⁱ⁾⁽t)表示相位对时间的i阶导数；

由(2)式可以知道，φ⁽ⁱ⁾(t)可表示为：

φ⁽ⁱ⁾(t)＝2πf^(i-1)(t) (5)

其中，f^(i-1)(t)表示光频对时间的i-1阶导数；

结合(4)式、(5)式可得：

$\mathrm{\φ}(t-\mathrm{\τ})-\mathrm{\φ}\left(t\right)=2\mathrm{\π}\mathrm{\τ}f\left(t\right)-2\mathrm{\π}\underset{i=2}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}\frac{{(-\mathrm{\τ})}^i}{i!}{f}^{(i-1)}\left(t\right)---\left(6\right)$

光源的扫频速度为γ_v(t)，当满足τ²γ_v(t)＜＜1时，(6)式中的二阶和高阶项可省略，此时拍频信号可以表示为：

$U\left(t\right)=2{\mathrm{\ηE}}_0^2\{1+\cos \[2\mathrm{\π}\mathrm{\τ}f\left(t\right)\]\}---\left(7\right)$

该信号相邻过零点对应时刻的可调谐激光器扫频光频率差为定值。

通过检测参考通道的采集信号的过零点数，以相邻两个过零点作为一个区间，用插值的方式对参考通道、校准通道、解调通道的数据重采样。经参考通道非线性修正后，参考通道的拍频信号的频谱修正为固定单一的冲击频谱，可调谐激光器1的输出光可看作是线性扫频的。假定修正后的校准通道的相邻两波长λ₁、λ₂对应的时刻为t₁、t₂，则t_i时刻的输出波长可由求解。由解调通道提取光栅中心波长处对应的时刻t_i解调中心波长。修正后的系统的波长分辨率为其中γ_v为激光器的扫频速率，λ_r为校准的波长值，f_s为系统设置的采样频率，c为真空中光的传播速率，波长分辨率由扫频速率γ_v、系统设置采样频率f_s决定。

如图2所示，图中，u表示电信号强度，f表示扫频光的频率，T是修正后的拍频信号的周期，Δf表示参考通道相邻过零点对应的扫频信号频率差，t是扫频时间，由于可调谐激光器1的非线性扫描，其光源信号如图2中b部分实线所示，这样参考通道的光电探测器采集到的拍频信号并不是单一频率的正弦波信号，而是呈周期性的频谱展宽，其波形如图2中a部分实线所示。由先前的演算可知，实际拍频信号的相邻过零点的频率差是一定的，本发明以拍频信号相邻零点对应的时间为一个重采样区间，对三个通道采集到的信号进行修正，修正后可使得拍频信号的频率变为固定的，其波形可用图2中a部分图虚线表示。由光拍原理可以推断，由于参考通道中两束光光程差是一定的，当拍频信号修正为频率单一的正弦波信号，则相当于在参考通道可调谐激光器的非线性扫频已经得到了补偿，其等效波形如图2中b部分中虚线所示。

如图3所示，本发明修正后校准通道的波形示意图。t_i时刻的波长由解调通道的信息提取光纤光栅中心波长处对应的时刻t_i，解调中心波长值。

处理时，以重采样的技术对参考通道、校准通道、解调通道修正，修正后可调谐激光器激光器的输出光谱呈现线性扫频变化，解调通道的波长分辨率由可调谐激光器的扫频速率γ_v、数据采集器的采样率f_s所决定，联合设置γ_v、f_s可使波长分辨率达到飞米级别。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。