一种相移光纤光栅解调系统的制作方法

本发明涉及光纤传感器领域，特别是涉及一种相移光纤光栅解调系统。

背景技术：

光纤布拉格光栅作为一种新型传感器件，因其独特的优点已经得到越来越多的关注，应用领域也日趋广泛。相比于传统的电学、光学传感器，光纤光栅的传感信号为波长编码而不受电磁干扰，灵敏度高且易于复用。当它受到外界环境温度、压力等物理量影响时，其中心波长会发生变化，因此基于光纤光栅的传感器可用于测量外界物理量的变化。光纤光栅传感系统具有耐腐蚀、化学性能稳定、体积小、重量轻等优点，可广泛应用于测量温度、压力、应变、加速度等物理量，目前在土木结构、航空航天、石油化工和医学等领域已得到广泛的应用。

传统光纤光栅传感器反射带宽为0.2nm-0.5nm，其温度和应变的解调精度最高可达到0.1℃和1微应变。而传感领域对高精度传感器的需求正在日益增加，光纤光栅的解调精度受限于其反射带宽，减小反射带宽有利于提高波长分辨率。相移光纤光栅作为一种新型的光纤光栅，它所具有的窄带透射峰使它能够用于高精度传感领域，如超声传感、弱信号探测等。相移光纤光栅是一种非均匀周期光栅，折射率分布不连续。该光栅是在常规光纤布拉格光栅的某一特定部位引入π的相移，产生2个相互异相的光栅。这2个相互异相的光栅类似于波长选择谐振腔，允许谐振波长的光注入到阻带，在阻带中打开一个线宽极窄的透射窗口，该窗口的3-dB带宽约为10pm，其带宽与普通光纤光栅的反射带宽相比减小了一个数量级，且窄带透射峰的中心波长与外界应变、温度呈线性关系，因此适合于高精度传感。

相移光纤光栅传统解调方案多采用边缘滤波法，该解调方案虽然灵敏度高，但是易受环境温度的影响，需要实时调节光源的中心波长来实现最佳灵敏度，增加了系统复杂度。另外该方案的测量范围小，只能覆盖透射带宽的大小，约10pm的范围。受限于制作工艺，每个相移光纤光栅的中心波长无法做到pm量级的一致性，所以每个传感点均需要配备一个窄线宽激光光源，无法使用一套光源系统进行多点同时传感。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种相移光纤光栅解调系统，用以解决现有相移光纤光栅传感系统无法进行多点同时传感的问题，实现解调精度高，可以复用多个相移光纤光栅，且测量范围大。

为解决上述技术问题，本发明中的一种相移光纤光栅解调系统，包括扫频激光器、耦合器、第一环形器、第二环形器、相移光纤光栅阵列、气体吸收室、光纤FP干涉仪、光电探测器组、数据采集装置和解调模块；

所述扫频激光器输出的扫频光经过所述耦合器后分成第一路、第二路和第三路扫频光；所述第一路扫频光通过所述第一环形器入射到所述相移光纤光栅阵列后，并通过所述第一环形器输出相移光纤光栅传感信号；所述第二路扫频光入射到所述气体吸收室后，输出气体吸收室的透射信号；所述第三路扫频光通过所述第二环形器入射到所述光纤FP干涉仪后，并通过所述第二环形器输出光纤FP干涉仪反射信号；所述相移光纤光栅传感信号、所述气体吸收室的透射信号和所述光纤FP干涉仪反射信号经过所述光电探测器组后，分别转换成对应模拟信号后，经过所述数据采集装置完成模拟信号采集；所述解调模块用于对采集的模拟信号进行解调。

可选地，所述扫频激光器的瞬时线宽小于10pm量级。

可选地，相移光纤光栅阵列由至少2个相移光纤光栅串连在同一根光纤中。

具体地，相移光纤光栅阵列由串连在同一根光纤中至少2个相移光纤光栅组成。

具体地，所述相移光纤光栅阵列通过空分复用进行通道数扩展。

可选地，所述光电探测器组包括第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器。

可选地，所述第三路扫频光通过所述第二环形器入射到所述光纤FP干涉仪，经过所述光纤FP干涉仪进行等波数细分后，并通过所述第二环形器输出具有等波数间隔反射峰的光纤FP干涉仪反射信号。

具体地，所述解调模块，具体用于将采集的模拟信号分别进行数模转换后，得到气体吸收谱、光纤FP干涉仪反射谱和相移光纤光栅透射谱；

将所述气体吸收谱作为绝对波长标准，根据所述气体吸收谱和所述光纤FP干涉仪反射谱的各反射峰的相对位置关系，确定光纤FP干涉仪反射谱的各反射峰的绝对波长；

基于所述绝对波长对所述相移光纤光栅透射谱进行解调。

具体地，所述基于所述绝对波长对所述相移光纤光栅透射谱进行解调，包括：

确定所述相移光纤光栅透射谱的窄带透射峰的时域位置；

根据所述绝对波长，在该时域位置两侧找到相邻的反射峰；

根据找到的反射峰，通过线性插值算法计算出相移光纤光栅窄带透射峰的中心波长，从而实现相移光纤光栅的解调。

具体地，所述线性插值算法具体为：

式中，λsensor为相移光纤光栅窄带透射峰的中心波长，tsensor为窄带透射峰的时域位置，tref1和tref2分别为该时域位置两侧的相邻的反射峰的位置，λref1和λref2分别为两侧的相邻的反射峰的对应的波长。

本发明有益效果如下：

本发明有效解决现有相移光纤光栅传感系统无法进行多点同时传感的问题，实现解调精度高，可以复用多个相移光纤光栅，且测量范围大。

附图说明

图1是本发明实施例中一种相移光纤光栅解调系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中解调算法原理流程图；

图3是本发明实施例中三个探测器上时域信号示意图。

具体实施方式

为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种基于扫频法的相移光纤光栅解调系统。本发明提出的相移光纤光栅解调系统使用的扫频光源的非线性抖动噪声与相移光纤光栅的窄带透射峰带宽均在10pm量级，如果采用传统的非线性校准方案，则引入的误差较大，因此需要进行高精度的非线性校准。为此使用基于光纤FP干涉仪和气体吸收室的组合式绝对波长参考来校准波长扫描中的非线性，将非线性标定精度提高至pm量级，且通过波分、时分复用可将多个相移光纤复用在一根光纤上进行多点高精度大范围传感。以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供一种相移光纤光栅解调系统，包括扫频激光器1、1x3耦合器2、第一环形器3、第二环形器8、相移光纤光栅阵列4、气体吸收室6、光纤FP干涉仪9、光电探测器组(包括光电传感器5、7和10)、数据采集装置11和解调模块12；

所述扫频激光器1输出的扫频光经过所述耦合器2后分成第一路、第二路和第三路扫频光；所述第一路扫频光通过所述第一环形器3入射到所述相移光纤光栅阵列4后，并通过所述第一环形器3输出相移光纤光栅传感信号；所述第二路扫频光入射到所述气体吸收室6后，输出气体吸收室的透射信号；所述第三路扫频光通过所述第二环形器8入射到所述光纤FP干涉仪9后，并通过所述第二环形器8输出光纤FP干涉仪反射信号；所述相移光纤光栅传感信号、所述气体吸收室的透射信号和所述光纤FP干涉仪反射信号经过所述光电探测器组后，分别转换成对应模拟信号后，经过所述数据采集装置11完成模拟信号采集；所述解调模块12用于对采集的模拟信号进行解调。

在上述实施例的基础上，进一步提出上述实施例的变型实施例，在此需要说明的是，为了使描述简要，在各变型实施例中仅描述与上述实施例的不同之处。

在本发明的一个实施例中，所述扫频激光器的瞬时线宽小于10pm量级。相移光纤光栅阵列由至少2个相移光纤光栅串连在同一根光纤中。

进一步说，所述至少2个相移光纤光栅通过波分和分时复用串连在同一根光纤中。

再进一步说，所述相移光纤光栅阵列通过空分复用进行通道数扩展。

所述光电探测器组包括第一光电探测器5、第二光电探测器7和第三光电探测器10。

其中，解调模块12具体为处理器。

本发明使用了窄线宽扫频激光器1，该激光器的瞬时线宽小于10pm量级，可在时域上采集到相移光纤光栅反射谱中的窄带透射峰信号。

同时，使用了气体吸收室6和光纤FP干涉仪9共同作为波长参考。气体吸收室作为绝对波长标准，而光纤FP干涉仪9则作为等波数间隔多波长滤波器，二者可以构成带有绝对波长标记的波长尺。进一步说，光纤FP干涉仪9可对扫频光谱进行等波数细分，干涉仪反射谱中各峰之间的扫频轨迹可近似为线性扫描，从而有效校准扫频过程中的非线性，提高波长解调的精确度。

在本发明的另一个实施例中，所述第三路扫频光通过所述第二环形器入射到所述光纤FP干涉仪，经过所述光纤FP干涉仪进行等波数细分后，并通过所述第二环形器输出具有等波数间隔反射峰的光纤FP干涉仪反射信号。

进一步说，所述解调模块，具体用于将采集的模拟信号分别进行数模转换后，得到气体吸收谱、光纤FP干涉仪反射谱和相移光纤光栅透射谱；

将所述气体吸收谱作为绝对波长标准，根据所述气体吸收谱和所述光纤FP干涉仪反射谱的各反射峰的相对位置关系，确定光纤FP干涉仪反射谱的各反射峰的绝对波长；

基于所述绝对波长对所述相移光纤光栅透射谱进行解调。

其中，所述基于所述绝对波长对所述相移光纤光栅透射谱进行解调，包括：

确定所述相移光纤光栅透射谱的窄带透射峰的时域位置；

根据所述绝对波长，在该时域位置两侧找到相邻的反射峰；

根据找到的反射峰，通过线性插值算法计算出相移光纤光栅窄带透射峰的中心波长，从而实现相移光纤光栅的解调。

其中，所述线性插值算法具体为：

式中，λsensor为相移光纤光栅窄带透射峰的中心波长，tsensor为窄带透射峰的时域位置，tref1和tref2分别为该时域位置两侧的相邻的反射峰的位置，λref1和λref2分别为两侧的相邻的反射峰的对应的波长。

本发明实施例根据气体吸收谱线与光纤FP干涉仪反射谱各峰的相对位置关系，确定光纤FP干涉仪反射谱各峰的绝对波长。然后通过寻峰算法找到相移光纤光栅的窄带透射峰的时域位置，在此位置两侧找到相邻的光纤FP干涉仪的反射峰，进而通过线性插值算法计算出相移光纤光栅窄带透射峰的中心波长，实现多个相移光纤光栅的同时大范围高精度解调。

举例说明本发明实施例。

如图1所示，窄线宽扫频激光器1是一台带有输出尾纤的光源，其输出光经过耦合器2分成三束，第一束经过环形器3到达相移光纤光栅阵列4(图示为2个相移光纤光栅串联)，其反射光经过环形器的第三个端口被光电探测器5接收；耦合器输出的第二束光经过气体吸收室6，其透射光被光电探测器7接收；耦合器的第三束光经过环形器8，到达光纤FP干涉仪9，其干涉信号经环形器的第三个端口被光电探测器10接收。由于窄线宽扫频激光器其输出中心波长随时间周期性连续变化，因此反射或透射光谱信号会被转换成时域光强信号，被三个光电探测器接收，转换成模拟电信号后进入基于数据采集卡11和处理器12的解调模块。

参考信号中，气体吸收室的吸收谱线可以作为绝对波长标准，光纤FP干涉仪因为其腔长的特殊设计可获得FSR为50pm量级的干涉条纹，结合气体吸收室的吸收谱线可以形成一个波长标记的等波数间隔波长尺，可对相移光纤光栅的窄带透射峰的中心波长进行高精度测量。测量的方法是线性插值法，可以通过测量窄带透射峰的相对位置来测量相移光纤光栅中心波长的变化，实现对外界物理量的传感解调。

本发明的解调算法的流程图如图2所示，利用数据采集卡采集同步后的三个光电探测器上的模拟信号，以一个完整周期的采集信号作为处理对象，首先将模拟电信号进行数模转换和数字滤波，通过设置合适的寻峰阈值和峰宽确定相移光纤光栅窄带透射峰的位置。如图3所示，信号①为相移光纤光栅传感信号，信号②为光纤FP干涉仪反射峰信号，信号③为气体吸收室的透射信号。通过气体吸收室的透射峰其线宽较窄，约为10pm量级，而光纤FP干涉仪的FSR约为50pm，换算成频率值则是一个定值，因此可通过气体吸收谱线的绝对波长和干涉仪的FSR值可定位出每个干涉仪反射峰的绝对波长，由此上述两个参考信号便构成一个等波数间隔的波长尺。

以其中某个传感相移光纤光栅为例，设其时间位置为tsensor,通过寻峰算法可找到时域上其相邻两侧的干涉仪反射峰的位置tref1和tref2，其对应的波长分别为λref1和λref2。通过插值算法可求解出传感相移光纤光栅中心波长而此中心波长的变化与外界物理量是呈一一对应关系的，因而可实现对外界物理量的传感。

本发明的有益效果是：

1.多相移光纤光栅的复用。多个相移光纤光栅可通过波分、时分复用串联在同一根光纤中，并可进一步通过空分复用进行通道数扩展，提高了系统的传感点数量。

2.解调范围大。即动态范围大，传统方法解调的范围不超过相移光纤光栅窄带透射峰的3-dB带宽，约10pm，而该解调法则不受此限制，可以进行大量程传感，其解调范围是由扫频带宽及光栅复用数量决定的。

3.高精度。使用了非线性校准法，采用可对扫频范围进行细分的光纤FP干涉仪(自由光谱程为50pm量级)，使扫频非线性得到了校准，并借由气体吸收室获得高精度绝对波长解调。

虽然本申请描述了本发明的特定示例，但本领域技术人员可以在不脱离本发明概念的基础上设计出来本发明的变型。

本领域技术人员在本发明技术构思的启发下，在不脱离本发明内容的基础上，还可以对本发明的做出各种改进，这仍落在本发明的保护范围之内。