布拉格波长光谱询问装置的制作方法

本发明涉及光纤布拉格(bragg)光栅中的(通过时域多路复用)测量领域，更具体地，涉及可用于光纤传感器中的布拉格波长光谱询问器(interrogator)。

背景技术：

1、在光纤传感器领域，布拉格光栅经常被用来提取光谱信息。一种测量提取技术是时域多路复用(time-domain multiplexing，tdm)。这种技术涉及从布拉格光栅线逐个测量布拉格峰。这种方法涉及连续测量不一致的峰(每个布拉格峰相对于前一个峰在时间上有延迟)。

2、在现有技术中，有两种主要的基于tdm的解决方案。第一种解决方案涉及通过光纤布拉格光栅(fibre bragg grating，fbg)的空间距离进行时间分离。

3、图5a示意性地示出了根据现有技术的通过空间距离进行时间分离的光谱询问装置。

4、光谱询问装置包括光源103、测量光纤105、循环器123和检测器109。当光信号由光源103发射时，光信号由光循环器123引导至测量光纤105。测量光纤105包括几个有足够间隔的布拉格光栅115，以便产生可由检测器109的电子器件管理的时间间隙。由不同布拉格光栅反射的光峰然后被光循环器123引导到检测器109。

5、这种装置相对简单，在采集链中不需要任何额外的元件。然而，需要设置两个连续布拉格光栅之间的最小距离，通常约为至少1米。例如，对于发射30ns光脉冲的光源，时间延迟必须至少为30ns，以便能够区分两个连续的光峰。考虑到由两个连续的布拉格光栅反射的两个峰的返回行程，这两个连续的布拉格光栅之间的距离必须对应于15ns的延迟。考虑到二氧化硅中的光速，15ns的延迟对应于3m的光栅间距离。此外，常规应用通常包括大约15个布拉格光栅，因此需要至少45m的光纤长度。考虑到10％至20％的安全余量，这使得光纤长度至少为55m。这使得小尺寸的应用变得不可能或非常复杂，例如在飞机发动机的叶片中或在尺寸相对较小的其他设备或装置中。

6、为了解决这个问题，目前有第二种解决方案，它提出了通过光谱延迟的时间分离。该解决方案涉及根据光信号的波长或光谱范围设置延迟。该方法需要添加一个光谱辨别元件和一个延迟元件，并且可以在两种配置中实现。

7、图5b示意性地示出了根据现有技术的通过并行延迟进行时间分离的光谱询问装置。

8、根据该第一配置的使用并行延迟的光谱询问装置包括光源103、两个解复用—多路复用模块114、116、具有并行延迟的一组光纤118、测量光纤105、光循环器123和检测器109。

9、由光源103发射的光信号经由第一解复用—多路复用模块114被分解成n个光谱通道。每个通道都与递增的行程长度相关联。通道1将覆盖长度l1，通道2将覆盖大于l1的长度l2……通道n将覆盖大于ln-1的长度ln。

10、选择两个连续长度之间的差值，使得检测器109的电子器件能够区分来自两个不同光谱通道的信号。

11、然后，n个光谱通道由第二解复用—多路复用模块116重新组合，再被引导到包括几个布拉格光栅115的测量光纤105。由布拉格光栅反射的光峰在被循环器123引导到检测器109之前以相反的方向行进。

12、图5c示意性地示出了根据现有技术的通过串行延迟进行时间分离的光谱询问装置。

13、根据该第二配置的使用串行延迟的光谱询问装置包括光源103、两个光循环器123、124、具有串行延迟的光纤线120、测量光纤105和检测器109。

14、具有串行延迟120的光纤线包括具有不同波长的布拉格光栅115。每个布拉格光栅都是某一光谱带的反射器。因此，两个布拉格光栅之间的距离确保了两个光谱通道之间的延迟。

15、由光源103发射的光信号通过第一光循环器123被引导到具有串行延迟的光纤线120。然后，由不同布拉格光栅反射的不同通道被第二光循环器124引导到测量光纤105，并返回到检测器109。

16、然而，通过并行光谱延迟或串行延迟的时间分离需要相对长的光纤，通常需要几十米，以便在布拉格光栅测量之间产生延迟。此外，光栅的光谱定位也受到限制，这要求每个布拉格光栅的波长与定义的光谱范围精确一致。

17、此外，在现有技术的所有光谱询问装置中，布拉格光栅的数量和布拉格光栅之间的延迟通过设计是固定的。无法根据各种应用所需的延迟的功能来调整设计设定的延迟。应当注意，给定的应用由一定数量的参数定义，这些参数包括布拉格光栅的数量、布拉格光栅的波长和这些光栅之间的间距。因此，如果应用发生变化，必须修改整个硬件配置，以使参数适应新的应用。

18、本发明的目的是通过提出一种光谱询问装置来克服上述缺点，该光谱询问装置可以精确地、稳定地和灵活地连续测量至少一根光纤的布拉格波段，并且参数可以适应于应用。

技术实现思路

1、本发明涉及一种布拉格波长光谱询问装置，包括：设计成发射光信号的至少一个光源；包括一系列连续的布拉格光栅的至少一个测量光纤，布拉格光栅被设计成反射不同波段中的光信号；包括全反射元件的至少一个反射光纤；至少一个波长检测器；以及被设计成根据三种操作模式的序列在至少一个光源、至少一个测量光纤、至少一个反射光纤和至少一个检测器之间切换光信号的通路的至少一个光开关。三种操作模式包括：第一种模式、第二种模式和第三种模式，第一种模式被称为启动模式，在第一种模式中，由给定光源发射的光信号从光源被引导到相应的测量光纤，第二种模式被称为测量模式，在第二种模式中，光信号被引导在由测量光纤和相应的反射光纤之间的耦合形成的线路中进行预定次数的回程，从而在连续的布拉格光栅之间产生预定的延迟，以及第三种模式被称为检测模式，在第三种模式中，光信号被引导到相应的检测器，检测器被设计成连续地测量与包括在测量光纤中的布拉格光栅相关的波段。

2、该装置可以精确地、稳定地、灵活地连续测量至少一根光纤的布拉格波段。它可以大大减少对两个连续的布拉格光栅之间的距离的限制。对于布拉格光栅的波段的选择是任意的。它们不必处于给定范围的中心。此外，因为测量光纤本身充当延迟器，该装置需要很短的光纤长度。

3、有利地，该装置包括至少一个可参数化驱动器，该驱动器被设计成在启动、测量和检测模式期间根据预定参数控制光开关的切换。

4、按照这种方式，该装置是动态的，使得它可以容易地适应各种类型的应用。

5、有利地，至少一个可参数化驱动器被设计成在测量模式期间根据布拉格光栅之间的距离和检测器的测量速率来控制光信号的预定回程次数。

6、按照这种方式，通过根据连续布拉格光栅之间的期望延迟来调整回程的次数，该装置可以在两个连续布拉格光栅之间具有最小距离，因此可以安装在更小的设备中。

7、有利地，至少一个光源是具有宽光谱带的光信号源，该宽光谱带的宽度在大约10nm和大约150nm之间，光脉冲的周期在大约10ns和大约100ns之间。

8、有利地，至少一个光源是宽光谱光源(例如：sled或ase)，该宽光谱光源被设计成在每个发射时间发射包括光谱带的所有波长的光信号。

9、有利地，该装置包括附加长度的光纤，该附加长度的光纤的设计考虑了光信号的传播时间以及光开关的切换时间。

10、这样就可以留出一定的不确定性余量，以便不精确到纳秒，并确保队列不会在中间被切断。

11、根据第一实施例，该装置包括至少一个循环器，该循环器被设计成在启动模式期间将测量光纤耦合到相应的光源，并且在检测模式期间将测量光纤耦合到相应的检测器。

12、有利地，至少一个光开关被设计成在两个切换操作中切换光信号的通路。该两个切换操作包括第一切换操作和第二切换操作，在第一切换操作中，测量光纤根据启动模式经由相应的循环器连接到相应的光源，在第二切换操作中，测量光纤根据测量模式连接到相应的反射光纤，并返回到第一切换操作，在第一切换操作中测量光纤根据检测模式经由循环器连接到相应的检测器。

13、有利地，该装置包括：n个第一光纤通道的集合，每个第一光纤通道包括光源、循环器和检测器；n个第二光纤通道的集合，每个第二光纤通道对应于反射光纤；以及m个第三光纤通道的集合，每个第三光纤通道对应于测量光纤。至少一个光开关是多路光开关，该多路光开关被设计成根据启动、测量和检测模式将不同的第一通道、第二通道和第三通道连接在一起，并将n个第一通道的集合与n个第二通道的集合相关联，以询问m个第三通道的集合中包括的布拉格光栅。

14、根据第二实施例，至少一个光开关被设计成根据三种连接切换光信号的通路，该三种连接包括第一连接、第二连接和第三连接。在第一连接中，测量光纤根据启动模式连接到相应的光源，在第二连接中，测量光纤根据测量模式连接到相应的反射光纤，在第三连接中，反射光纤根据检测模式连接到相应的检测器。

15、有利地，该装置包括：n个第一光纤通道的集合，每个第一光纤通道包括光源；n个第二光纤通道的集合，每个第二光纤通道对应于反射光纤；m个第三光纤通道的集合，每个第三光纤通道对应于测量光纤；以及n个第四光纤通道的集合，每个第四光纤通道具有检测器。至少一个光开关是多路开关，该多路开关被设计成根据启动、测量和检测模式将不同的第一通道、第二通道、第三通道和第四通道连接在一起，并将n个第一通道的集合与n个第二通道的集合和n个第四通道的集合相关联，以询问m个第三通道的集合中包括的布拉格光栅。

16、本发明还涉及一种传感器，包括根据前述特征中任意一个的装置，该传感器被设计成根据布拉格波段的变化来测量物理参数。

17、本发明的其他优点和特征将在下文的非限制性详细描述中变得明显。