基于级联长周期光栅的波长匹配的双fbg解调系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光纤通信、光纤传感等领域，具体地讲是一种基于级联长周期光栅的 波长匹配的双FBG解调系统。
【背景技术】
[0002] 光纤布拉格光栅（FBG)传感器作为一种较为成熟的光学传感元件，能够有效克服 常规传感系统在长期稳定性、耐久性、抗电磁干扰和分布式等方面的不足，且对温度和应变 等环境参量具有较高的灵敏度，易于埋入智能结构内部实现结构的健康检测。波长解调技 术是FBG传感系统的关键技术之一。通常采用光纤光栅匹配滤波法、可调谐法布里珀罗腔 法等进行波长编码的解调。其中光纤光栅匹配滤波法结构简单但精度不高；可调谐法布里 珀罗腔法精度较高但价格昂贵。级联长周期光纤光栅（CLPG)是由两个参数相同的均匀长 周期光纤光栅（LPG)和一段普通单模光纤连接而成，级联后可以获得比单个LPG更好的光 谱性能。采用级联长周期光纤光栅搭建了 FBG解调系统，虽然该系统具有价格低、结构简 单、解调速度快。但被监测信号中往往掺杂有光源抖动以及系统其它不稳定因素等带来的 噪声，给系统带来较大误差，降低了系统的精度。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术存在的问题，本发明利用CLPG的宽谱特性，提出了一种基于级联长 周期光栅的波长匹配的双FBG解调系统，利用级联长周期光纤光栅的宽谱特性，在级联长 周期光栅透射谱正负斜率线性区域内各监测一个FBG中心波长处的信号功率变化，从而消 除了除噪声带来的不利影响，提高被监测信号的精度。
[0004] 本发明采取的技术方案为：
[0005] 基于级联长周期光栅的波长匹配的双FBG解调系统，宽带光源发出的光经过级联 长周期光纤光栅CLPG滤波后，再经第一 Y型光纤耦合器分为两路光：一路光经第二Y型光 纤耦合器和第一光纤布拉格光栅FBG传感器后，反射光经过第一光电检测模块转化为第一 路光强信号；另一路光经第三Y型光纤親合器和第二光纤布拉格光栅FBG传感器后，反射光 经过第二光电检测模块转化为第二路光强信号，第一路光强信号、第二路光强信号经过数 据采集卡后，送入PC机进行处理。
[0006] 所述级联长周期光纤光栅CLPG由至少两个长周期光栅串联而成，且每个长周期 光栅中心波长相同，串联后的级联长周期光栅的透射光谱与光纤布拉格光栅FBG的反射光 谱相交，该交点位于级联长周期光纤光栅CLPG透射光谱线性段内。
[0007] 所述宽带光源的波长范围为1200nm?1600nm。
[0008] 所述第二Y型光纤耦合器、第三Y型光纤耦合器分别包括三个端口 ： 1#端口、2#端 口、3#端口，其中1#端口连接光纤布拉格光栅FBG、2#端口连接输入光、3#端口为光纤布拉 格光栅FBG的反射光端口。
[0009] 所述第一光电检测模块、第二光电检测模块均：由光电探测器、温度补偿电路、调 零电路、两级放大电路和外界输出接口依次连接组成。
[0010] 本发明基于级联长周期光栅的波长匹配的双FBG解调系统，技术效果如下：
[0011] 1)、本发明提出的基于级联长周期光栅的波长匹配的双FBG解调方案，利用了 CLPG的宽谱特性，在CLPG透射谱正负斜率线性区域内各监测一个FBG中心波长处的信号功 率变化，消除了被监测信号中往往掺杂有光源抖动以及系统其它不稳定因素等带来的噪声 影响，因此较大的提高了系统的精度。
[0012] 2)本发明采用光强解调法，将光纤布拉格光栅中心波长的变化转变为光强的变 化，由光电探测器将光信号转变为电信号，方便测量结果的记录，存储和控制。光电探测器 和调理电路方便制成模块，改变光纤布拉格光栅与匹配长周期光栅可以采用该模块化的电 路，节省成本。
【附图说明】
[0013] 图1是本发明基于级联长周期光栅的波长匹配的双FBG解调系统示意图。
[0014] 图2是本发明两个FBG和CLPG的光谱图。
[0015] 图3是本发明的耦合器的连接示意图。
[0016] 图4是本发明高温情况下第一 FBG、第二FBG的反射光强（通过光电探测器用电压 VI、V2反映）随温度变化的工作曲线。
[0017] 图5是本发明根据VI和V2可得V=V1-V2与高温关系曲线。
【具体实施方式】
[0018] 基于级联长周期光栅的波长匹配的双FBG解调系统，宽带光源1发出的光经过级 联长周期光纤光栅CLPG滤波后，再经第一 Y型光纤耦合器3分为两路光：一路光经第二Y 型光纤親合器4和第一光纤布拉格光栅FBG传感器5后，反射光经过第一光电检测模块6 转化为第一路光强信号；另一路光经第三Y型光纤耦合器7和第二光纤布拉格光栅FBG传 感器8后，反射光经过第二光电检测模块9转化为第二路光强信号，第一路光强信号、第二 路光强信号经过数据采集卡10后，送入PC(ll)机进行处理。
[0019] 所述级联长周期光纤光栅CLPG由至少两个长周期光栅串联而成，且每个长周期 光栅中心波长相同，串联后的级联长周期光栅的透射光谱与光纤布拉格光栅FBG的反射光 谱相交，该交点位于级联长周期光纤光栅CLPG透射光谱线性段内。
[0020] 所述宽带光源1的波长范围为1200nm?1600nm。
[0021] 所述第二Y型光纤耦合器4、第三Y型光纤耦合器7分别包括三个端口 ：1#端口、 2#端口、3#端口，其中1#端口连接光纤布拉格光栅FBG、2#端口连接输入光、3#端口为光纤 布拉格光栅FBG的反射光端口。
[0022] 所述第一光电检测模块6、第二光电检测模块9均：由光电探测器、温度补偿电路、 调零电路、两级放大电路和外界输出接口依次连接组成。
[0023] 原理分析：
[0024] 由于级联长周期光纤光栅CLPG是透射型光纤器件，插入损耗低，系统利用了级联 长周期的透射光，而光纤Bragg光栅是反射型光纤器件，反射率高，系统则利用了光纤布拉 格光栅FBG的反射光。当光纤Bragg光栅中心波长变化后，光纤布拉格光栅FBG反射光信 号通过级联长周期光栅CLPG滤波后的光强会发生相应变化。采用高速光电探测器将光信 号（输出光强的变化量）转化为电信号，光路部分输出的光信号较弱，经光电转换后得到电 压信号也较微弱，设计了信号调理电路对信号进行放大、滤波等。通过调理电路输出的电信 号反推出光纤布拉格光栅中心波长的变化量。
[0025] 所述级联长周期光纤光栅CLPG由至少两个长周期光栅串联而成，且每个长周期 光栅中心波长相同，串联后的级联长周期光栅的透射光谱与Bragg光栅的反射光谱相交， 该交点位于级联长周期光栅透射光谱线性段内。级联长周期的透射光谱与普通长周期光栅 的光谱不同，由于该系统利用级联长周期光栅的线性滤波特性，故仅对光谱线性段进行分 析。级联长周期光栅的光谱线性段的斜率远大于单根长周期光栅，因此经级联长周期光栅 滤波后的光强变化量较大，方便光电探测器监测，多个长周期级联可显著提高解调的精度。
[0026] 光纤布拉格光栅的反射光谱与级联长周期光栅的透射光谱的线性段相交，以保证 调制后的光功率线性变化。级联长周期光谱线性段的波长范围大于单根长周期光栅，采用 该方案可增加解调的波长范围。该发明为全光纤结构，无需机械部件调谐，解调速度取决于 于光电探测器的带宽和后端电路的处理速度，而高速光电探测器的带宽通常为几个GHz，因 此本发明的解调速度高。根据光纤布拉格光栅的中心波长选择与之匹配的级联长周期光 栅，光纤布拉格光栅的中心波长必须位于级联长周期光栅光谱中心波长的左侧线性段内或 右侧线性段内。当光纤布拉格光栅的中心波长小于长周期光栅时（位于左侧线性段内），随 着光纤布拉格光栅中心波长的增加，经级联长周期调制后的谐振波长对应的光功率逐渐减 小，反之，光功率增加；光纤布拉格光栅的中心波长大于长周期光栅时，随着光纤布拉格光 栅中心波长的增加，谐振波长对应的光功率逐渐增大，反之，光功率减小。
[0027] 本发明的具体原理是：
[0028] 级联长周期光栅的透射谱T(A)的两个线性区分别用TJA)(负斜率线性区）和 T2(X)(正斜率线性区）表示，则有：
[0029] (入）=A1A+B1 (1-1)
[0030] T2 (人）=A2 人 +B2 (1_2)
[0031] 式中：A^A2为两条直线的斜率，B^B2为两条直线的截距。
[0032] 两个FBG的反射谱札（A )和R2 ( A )可以表示为：
【主权项】
1. 基于级联长周期光栅的波长匹配的双FBG解调系统，其特征在于， 宽带光源（1)发出的光经过级联长周期光纤光栅CLPG滤波后，再经第一 Y型光纤禪合 器（3)分为两路光： 一路光经第二Y型光纤禪合器（4)和第一光纤布拉格光栅FBG传感器（5)后，反射光经 过第一光电检测模块（6)转化为第一路光强信号； 另一路光经第S Y型光纤禪合器（7 )和第二光纤布拉格光栅FBG传感器（8 )后，反射光 经过第二光电检测模块（9)转化为第二路光强信号， 第一路光强信号、第二路光强信号经过数据采集卡（10)后，送入PC机（11)进行处理。
2. 根据权利要求1所述基于级联长周期光栅的波长匹配的双FBG解调系统，其特征 在于，所述级联长周期光纤光栅CLPG由至少两个长周期光栅串联而成，且每个长周期光栅 中屯、波长相同，串联后的级联长周期光栅的透射光谱与光纤布拉格光栅FBG的反射光谱相 交，该交点位于级联长周期光纤光栅CLPG透射光谱线性段内。
3. 根据权利要求1所述基于级联长周期光栅的波长匹配的双FBG解调系统，其特征在 于，所述宽带光源（1)的波长范围为1200nm?1600皿。
4. 根据权利要求1所述基于级联长周期光栅的波长匹配的双FBG解调系统，其特征在 于，所述第二Y型光纤禪合器（4)、第S Y型光纤禪合器（7)分别包括S个端口 ： 1#端口、2# 端口、3#端口，其中1#端口连接光纤布拉格光栅FBG、2#端口连接输入光、3#端口为光纤布 拉格光栅FBG的反射光端口。
5. 根据权利要求1所述基于级联长周期光栅的波长匹配的双FBG解调系统，其特征在 于，所述第一光电检测模块（6)、第二光电检测模块（9)均；由光电探测器、温度补偿电路、 调零电路、两级放大电路和外界输出接口依次连接组成。
【专利摘要】基于级联长周期光栅的波长匹配的双FBG解调系统，宽带光源发出的光经过级联长周期光纤光栅CLPG滤波后，再经第一Y型光纤耦合器分为两路光：一路光经第二Y型光纤耦合器和第一光纤布拉格光栅FBG传感器后，反射光经过第一光电检测模块转化为第一路光强信号；另一路光经第三Y型光纤耦合器和第二光纤布拉格光栅FBG传感器后，反射光经过第二光电检测模块转化为第二路光强信号，第一路光强信号、第二路光强信号经过数据采集卡后，送入PC机进行处理。本发明基于级联长周期光栅的波长匹配的双FBG解调系统，利用级联长周期光纤光栅的宽谱特性，在级联长周期光栅透射谱正负斜率线性区域内各监测一个FBG中心波长处的信号功率变化，从而消除了除噪声带来的不利影响，提高被监测信号的精度。
【IPC分类】G01D3-028, G01D5-26
【公开号】CN104535090
【申请号】CN201410785324
【发明人】邹红波, 王飞
【申请人】三峡大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月16日