專利名稱：基于awg的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及通信領域中的光纖傳感技術，具體地，涉及一種基于陣列波導光柵 (AffG)的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)及方法。
背景技術：
光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating,簡稱FBG)是80年代后期產(chǎn)生的一種光 纖傳感器。FBG的傳感原理是基于光纖光柵布拉格波長漂移理論，先將待測信息變化量轉(zhuǎn) 化為波長漂移量，再通過解調(diào)波長漂移量判斷待測信息變化量，是一種波長調(diào)制型光纖傳 感器；與傳統(tǒng)的機電類傳感器相比，在傳感網(wǎng)絡應用中具有顯著的技術優(yōu)勢。但是，目前的波長解調(diào)難度大，系統(tǒng)成本高，實用性不強；因此，在傳感網(wǎng)絡應用領 域需要出現(xiàn)一種實用性較強、成本較低的信號解調(diào)技術。迄今為止，已出現(xiàn)許多光纖光柵信 號解調(diào)的方法，如光譜儀法、干涉法、可調(diào)F-P濾波器解調(diào)法、邊緣濾波解調(diào)法、匹配FBG可 調(diào)濾波解調(diào)法等；每種解調(diào)方法都有其特點和優(yōu)點，也存在諸多的局限性。在實現(xiàn)本發(fā)明過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術中至少存在如下問題(1)成本高如光譜儀法，信息明確直觀但價格昂貴；(2)實用性差非平衡Mach-Zehnder干涉儀法，具有較高的測量靈敏度，但僅適于 動態(tài)檢測，不適于檢測靜態(tài)量；(3)可靠性差、分辨率低可調(diào)F-P濾波器解調(diào)法，具有較寬的調(diào)諧范圍，可大大提 高測量范圍和傳感光柵復用個數(shù)，但由于光纖F-P腔可調(diào)諧濾波器的重復性不好，對最終 傳感量的測量精度影響比較大；(4)解調(diào)速度慢匹配FBG可調(diào)濾波檢測法，它雖具有較高分辨率，但光路中需使 用較多的耦合器，使系統(tǒng)信噪比比較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術中成本高、實用性差、可靠性差、分辨率低、解調(diào)速 度慢的缺陷，提出一種基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，以實現(xiàn)成本低、實用 性強、可靠性高、分辨率高、解調(diào)速度快、結(jié)構(gòu)簡單和波長范圍寬。本發(fā)明的另一目的是針對現(xiàn)有技術中成本高、實用性差、可靠性差、分辨率低、解 調(diào)速度慢的缺陷，提出一種基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)方法，以實現(xiàn)成本低、 實用性強、可靠性高、分辨率高、解調(diào)速度快、結(jié)構(gòu)簡單和波長范圍寬。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一個方面，提供了一種基于AWG的高速多通道光纖光 柵傳感解調(diào)系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明實施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，包括光源， 用于產(chǎn)生激勵光信號；光纖光柵基準，用于產(chǎn)生所述系統(tǒng)的波長基準；多路光開關，用于對 入射的激勵光信號進行空分復用；FBG探頭，用于采集載有待測物理量變化信息的光強信 號，沿原光路反射；雙窗口的AWG，用于接收反射回來的光強信號，并分成2N個不同波長的窄帶光；光電二極管探測器陣列，用于基于所述2N個窄帶光的光信號，進行光電轉(zhuǎn)換，獲取 對應的電信號；信號放大和A/D變換器組，用于基于所述2N個窄帶光的電信號，進行信號放 大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，獲取對應的數(shù)字信號；信號解調(diào)處理器，用于基于所述2N個窄帶光的數(shù)字 信號，進行信號解調(diào)，獲取對應的待測物理量的變化量。以上所述的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，所述信號解調(diào)處理器 包括解調(diào)單元，用于基于所述2N個窄帶光的數(shù)字信號，進行差值計算，獲取對應的波長漂 移量；計算單元，用于基于所述波長漂移量，求取所述雙窗口的AWG相鄰光通道的輸出光的 波長比的對數(shù)。以上所述的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)還包括隔離 器，用于傳輸所述光源產(chǎn)生的激勵光信號，并阻止反射回來的光強信號所述光源的影響； 2X2分路器，用于將隔離器輸出的激勵光信號分束，并分別射入所述光纖光柵基準和所 述多路光開關；1 X 2分路器用于將反射回來的光強信號分束，再分別射入所述雙窗口的 AffG0以上所述的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，所述多路光開關為高 速光開關。以上所述的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，所述FBG探頭由N個 通過單模光纖串接而成的FBG探頭串組成。以上所述的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)還包括N個 FBG探頭連接器，用于將多路光開關的N個輸出端分別連接到對應的FBG探頭中的FBG探頭
串ο為實現(xiàn)上述另一目的，根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種基于AWG的高速多 通道光纖光柵傳感解調(diào)方法。根據(jù)本發(fā)明實施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)方法，包括中心 波長為I-N的光纖布拉格光柵FBG探頭采集載有待測物理量變化信息的光強信號，沿原光 路反射；其中，N為自然數(shù)；接收反射回來的光強信號，進行信號解調(diào)，獲取對應的波長漂移 量；基于所述的波長漂移量，進行計算，獲取對應的待測物理量的變化量。以上所述的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)方法，所述接收反射回來的 光強信號，進行信號解調(diào)，獲取對應的波長漂移量的步驟包括雙窗口的AWG接收反射回來 的光強信號，并分成2N個不同波長的窄帶光；基于所述2N個窄帶光的光信號，進行光電轉(zhuǎn) 換，獲取對應的電信號；基于所述2N個窄帶光的電信號，進行信號放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，獲取對 應的數(shù)字信號；基于所述2N個窄帶光的數(shù)字信號，進行差值計算，獲取對應的波長漂移量。以上所述的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)方法，基于所述的波長漂移 量，進行計算，獲取對應的待測物理量的變化量的步驟包括當載有待測物理量變化信息的 光強信號反射回雙窗口的AWG時，求取雙窗口的AWG相鄰光通道的輸出光的波長比的對數(shù)， 便得到對應的待測物理量的變化量。以上所述的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)方法，所述雙窗口的AWG的 工作在C波段和/或L波段和/或C+L波段。本發(fā)明各實施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)及方法，可以將 FBG探頭置于待測物理場中，當待測物理量發(fā)生變化時，F(xiàn)BG探頭會將載有待測物理量變化信息的光強信號按原光路反射，反射回來的光強信號經(jīng)雙窗口的AWG分成不同波長的窄帶 光，再將每個窄帶光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、信號放大和A/D轉(zhuǎn)換，得到對應的波長漂移量，再基于得 到的波長漂移量求取解調(diào)函數(shù)的值，即可得到對應的待測物理量的變化量；從而可以克服 現(xiàn)有技術中成本高、實用性差、可靠性差、分辨率低、解調(diào)速度慢的缺陷，以實現(xiàn)成本低、實 用性強、可靠性高、分辨率高、解調(diào)速度快、結(jié)構(gòu)簡單和波長范圍寬。本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變 得顯而易見，或者通過實施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點可通過在所寫的說明 書、權利要求書、以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)和獲得。下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細描述。


附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明的實 施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在附圖中圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)方法的流程 示意圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明實施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)方法的又一 流程示意圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明實施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)的原理 框圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明實施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)中AWG 傳輸光譜和FBG反射光譜的解調(diào)波形示意圖；圖5為根據(jù)本發(fā)明實施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)中單個 FBG波長各自在AWG兩個相鄰通道波長范圍內(nèi)的變化圖；圖6為根據(jù)本發(fā)明實施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)的又一 原理框圖；圖7為根據(jù)本發(fā)明實施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)中40 通道的AWG器件的C波段光譜圖；圖8為根據(jù)本發(fā)明實施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)中AWG 器件的C波段部分波長參數(shù)表圖；圖9a為根據(jù)本發(fā)明實施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)中FBG 探頭反射波長和溫度的變化關系圖之一；圖9b為根據(jù)本發(fā)明實施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)中FBG 探頭反射波長和溫度的變化關系圖之二；圖10為根據(jù)本發(fā)明實施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)中16 通道的AWG器件的L波段光譜圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優(yōu)選實 施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
本發(fā)明的基本思想是寬帶光源產(chǎn)生激勵光信號，經(jīng)隔離器射入2X2分路器； 2X2分路器將射入的激勵光信號分束，并分別射入光纖光柵基準和多路光開關；光纖光柵 基準基于射入的激勵光信號產(chǎn)生基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)的波長基 準；多路光開關對射入的激勵光信號空分復用為N路，并經(jīng)FBG探頭連接器，射入FBG探頭 中對應的FBG探頭串；FBG探頭串所測物理量發(fā)生變化時，F(xiàn)BG探頭串相應地發(fā)生波長漂移， 并將載有被測物理量的變化信息的光強信號按原光路反射，依次經(jīng)FBG探頭連接器、多路 光開關、2X2分路器和1X2分路器；IX2分路器將反射回來的光強信號分束，并反射到雙 窗口的AWG ；雙窗口的AWG將反射回來的光強信號分成不同波長的窄帶光，并導入光電二極 管探測器陣列的對應通道；光電二極管探測器陣列將導入的窄帶光的光信號轉(zhuǎn)換為對應的 電信號，再經(jīng)信號放大和A/D變換器組，將窄帶光的電信號由模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后經(jīng) 信號解調(diào)處理器，基于窄帶光對應的數(shù)字信號，進行差值計算，獲取對應的波長漂移量，再 基于對應的波長漂移量，求取雙窗口的AWG相鄰光通道的輸出光的波長比的對數(shù)，便得到 對應的待測物理量的變化量。方法實施例實施例一根據(jù)本發(fā)明實施例，提供了一種基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)方法。 圖1為根據(jù)本發(fā)明基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)方法的流程示意圖。如圖1所 示，本實施例包括步驟101 采集載有待測物理量變化信息的光強信號，并沿原光路反射；具體的將FBG探頭置于待測物理場中，當待測物理場中的待測物理量發(fā)生變化時，F(xiàn)BG探 頭收到的激勵光信號發(fā)生波長漂移，并將載有待測物理量變化信息的光強信號沿原光路反 射；步驟102 接收步驟101中反射回來的光強信號，進行信號解調(diào)，獲取對應的波長 漂移量；具體的雙窗口的AWG接收步驟101中FBG探頭反射回來的載有待測物理量變化信息的光 強信號，并分成不同波長的窄帶光；每個窄帶光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，得到對應的電信號；每個窄帶 光的電信號經(jīng)信號放大和A/D轉(zhuǎn)換，得到對應的數(shù)字信號；基于每個窄帶光對應的數(shù)字信 號，進行差值計算，得到對應的波長漂移量；步驟103 基于步驟102中得到的波長漂移量，進行計算，獲取對應的待測物理量 的變化量；具體的基于步驟102中得到的波長漂移量，求取雙窗口的AWG相鄰光通道的輸出光的波 長比的對數(shù)，便可得到待測物理量的變化量。實施例二圖2為根據(jù)本發(fā)明基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)方法的又一流程示意 圖。如圖2所示，本實施例包括步驟201 采集載有待測物理量變化信息的光強信號，并沿原光路反射；步驟202 雙窗口的AWG接收步驟201中反射回來的光強信號，并分成多個不同波 長的窄帶光；步驟203 將步驟202中的窄帶光進行光電轉(zhuǎn)換，獲取每個窄帶光對應的電信號；
步驟204 將步驟203種的電信號進行信號放大和A/D轉(zhuǎn)換，獲取每個窄帶光對應 的數(shù)字信號；步驟205 基于步驟204中的數(shù)字信號，進行差值計算，獲取每個窄帶光對應的波 長漂移量；步驟206 基于步驟205中的波長漂移量，求取雙窗口的AWG相鄰光通道的輸出光 的波長比的對數(shù)，便可獲取對應的待測物理量的變化量。AWG作解調(diào)器用時，由復合波長λ 1、λ 2......λ η組成的信號輸入到陣列波導
中。在本實施例中，由于通過AWG的任意兩個相鄰通道來解調(diào)一個光纖光柵傳感信號時，這 個光纖光柵傳感信號的波長變化范圍在AWG兩個相鄰通道的中心波長之間；所以，在獲取 待測物理量的變化量之前或之后，需要對AWG通道進行管理。具體的，需要確定和標記每個 FBG探頭光柵與AWG的哪兩個相鄰通道相對應，以及確定通道間的邊界和信號變化范圍，并 確定各通道的信號、波長和傳感信息之間的關系。在本實施例中，多路光開關對多路FBG探頭組成的傳感器進行空分復用，這樣系 統(tǒng)可同時連接多根光纖，每根光纖又可波分復用多只光纖布拉格光柵傳感器，使得系統(tǒng)可 以同時解調(diào)上千只光纖布拉格光柵傳感器，以滿足大型工程傳感網(wǎng)絡的實時監(jiān)測。具體的， 信號處理器通過對應的接口獲知置于待測物理場中的FBG探頭的數(shù)量、位置、編號，為解調(diào) 器分配光開關通道，分時進行光開關通道切換和管理，進行所有通道的數(shù)據(jù)查詢，從而獲知 FBG探頭的傳感信息。在本實施例中，在測量時，還可以進行設備及其功能的檢查。具體的，可以根據(jù)接 收的通道探頭個數(shù)判斷是否有探頭丟失，根據(jù)接收的探頭傳感數(shù)據(jù)判斷探頭工作狀態(tài)是否 正確，獲知設備及其功能的實時狀態(tài)，從而可以通過通訊網(wǎng)絡，實現(xiàn)無人值守或遠程操作。在上述各方法實施例中，將成熟的AWG光纖通信技術轉(zhuǎn)化為AWG光纖傳感監(jiān)測中。 在上述各方法中，F(xiàn)BG波長的解調(diào)技術是FBG傳感器實用化的關鍵，相比正在研究的解調(diào)方 法，研究經(jīng)費較低。上述各方法采用AWG的波分復用特性對光纖光柵傳感信號進行解調(diào)。具體的，準
分布的多個FBG，通過不同F(xiàn)BG的反射光波長(如λ ，.....λ η)，與待測量沿程各測量點
(如1，......η)相對應，分別感受待測量沿線分布各測量點的條件變化，而當外界的溫度
或壓力等改變時，都會導致FBG的λ i發(fā)生變化；從而可以通過測量FBG的中心反射波長的 變化，探知待測量的變化。上述各方法首先采用AWG的波分特性對FBG的反射波長進行波分，將反射回來的 一束光分解成不同波長的窄帶光導入到多個通道中，同時采用AWG任意兩個相鄰通道來解 調(diào)一個光纖光柵傳感信號，這個光纖光柵傳感信號變化范圍在AWG兩個相鄰通道的中心波 長之間。通過測量相鄰通道反射的光強信號獲知FBG反射的中心波長的變化，可以進一步 探知待測量的變化。具體的，可以求取AWG相鄰光通道的輸出光的波長比的對數(shù)，得到對應的待測物 理量的變化量。當載有傳感信息的FBG反射光波長通過兩個相鄰的光通道時，由于信道的 特征不同，輸出的光特征也不同，理論上輸出光譜等于輸人光譜和所通過信道特征的卷積。 我們定義AWG相鄰兩通道的輸出比的對數(shù)為解調(diào)函數(shù)，即
其中λ bi為第i個光纖布拉格光柵的反射波長。光纖布拉格光柵反射譜與陣列 波導光柵通道的透射譜均可以很好地近似為高斯函數(shù)，光纖布拉格光柵反射譜與陣列波導 光柵通道透射譜的重疊部分決定了陣列波導光柵通道輸出光強的大小。陣列波導光柵相鄰 通道強度比值對數(shù)與光纖布拉格光柵波長在高斯近似下呈線性關系。進一步的，上述方法采用雙窗口的AWG來進行光纖光柵傳感信號的解調(diào)，AWG可以 根據(jù)應用需要分別選擇C波段、L波段或C+L波段，實現(xiàn)寬范圍多波長解調(diào)，使基于AWG的 高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)的波長解調(diào)范圍跨越C波段、L波段，超過SOnm以上。上述各方法與現(xiàn)有技術主要區(qū)別點在于采用陣列波導光柵AWG波分復用技術對 FBG波長進行解調(diào)，并且，該方法的實施成本低，實施方式靈活；以并行的方式同時對FBG的 多個反射波長進行波分，大大提高了解調(diào)速度，具有濾波特性好、性能穩(wěn)定、串擾小、解調(diào)速 度快的優(yōu)點.適合于解調(diào)大容量的波長信息；另外，采用求取AWG相鄰光通道的輸出光的波 長比的對數(shù)，得到對應的待測物理量的變化量。具有傳感檢測效率高，易于形成傳感網(wǎng)絡的 優(yōu)點，為其實際應用開辟了廣闊的前景。本發(fā)明上述各方法實施例，可以將FBG探頭置于待測物理場中，當待測物理量發(fā) 生變化時，F(xiàn)BG探頭會將載有待測物理量變化信息的光強信號按原光路反射，反射回來的 光強信號經(jīng)雙窗口的AWG分成不同波長的窄帶光，再將每個窄帶光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、信號處理 和A/D轉(zhuǎn)換，得到對應的波長漂移量，再基于得到的波長漂移量求取解調(diào)函數(shù)的值，即可得 到對應的待測物理量的變化量；將雙窗口的AWG型波分復用/解復用器用于傳感信號的解 調(diào)，當置于待測物理場中的FBG探頭受物理量變化的影響而發(fā)生波長漂移時，檢測解調(diào)出 該波長漂移量的大小，從而計算出對應的待測物理量的變化量；從而可以克服現(xiàn)有技術中 成本高、實用性差、可靠性差、分辨率低、解調(diào)速度慢的缺陷，以實現(xiàn)成本低、實用性強、可靠 性高、分辨率高、解調(diào)速度快、結(jié)構(gòu)簡單和波長范圍寬。系統(tǒng)實施例實施例一根據(jù)本發(fā)明實施例，提供了一種基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)。圖3為根據(jù)本發(fā)明基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。如 圖3所示，本實施例包括光源301、隔離器302、2X2分路器303、1X2分路器304、光纖光 柵基準305、多路光開關306、FBG探頭309及對應的FBG探頭連接器、第一 AWG310、第二 AWG311、第一光電二極管探測器陣列312、第二光電二極管探測器陣列313、信號放大和A/D 變換器組314、信號解調(diào)處理器315，其中，F(xiàn)BG探頭由N個通過單模光纖串接而成的FBG探 頭串組成，每個探頭串通過對應的FBG探頭連接器連接在多路光開關306的對應輸出端；如 第一 FBG探頭連接器307和第N FBG探頭連接器308分別用于連接多路光開關306的對應 輸出端與FBG探頭309中對應的FBG探頭串。這里，N為自然數(shù)。其中，第一 AWG310和第二 AWG311組成雙窗口的AWG。光源301作為FBG探頭309的激勵光源，為FBG探頭產(chǎn)生激勵光信號，與隔離器 302的輸入端連接。在本實施例中，光源301可以是寬帶光源。
隔離器302可以單方向傳輸激勵光信號，同時阻止反射回來的光強信號影響光源 301，隔離器302的輸出端與2 X 2分路器303的第一輸入端連接，2 X 2分路器303的第一輸 出端與光纖光柵基準305連接、第二輸出端與多路光開關306連接，2 X 2分路器303對經(jīng)隔 離器302的激勵光信號進行分束，使得一小部分激勵光信號進入光纖光柵基準305，從而為 本實施例的傳感解調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生波長基準，同時大部分激勵光信號經(jīng)過多路光開關306射入 FBG 探頭 309。多路光開關306對射入的激勵光信號進行空分復用，使得本實施例的傳感解調(diào)系 統(tǒng)可以同時解調(diào)上千只FBG探頭探測得到的物理量，從而可以滿足大型工程傳感網(wǎng)絡的實 時監(jiān)測。2 X 2分路器303的第二輸入端與1 X 2分路器304的輸入端連接，1 X 2分路器304 的第一輸出端與第一 AWG310的公共端連接，1X2分路器304的第二輸出端與第二 AWG311 的公共端連接；第一 AWG310和第二 AWG311的容量均為1XN，即均有一個公共端作為輸入端 和N個輸出端，能夠?qū)⑸淙氲墓鈴娦盘柗殖刹煌ㄩL的窄帶，并將光導入到多個光電二極 管探測器陣列通道中，實現(xiàn)波分復用。多路光開關306的每一個輸出端分別經(jīng)對應的FBG探頭連接器與FBG探頭309中 對應的FBG探頭連接；每個FBG探頭串的一端通過傳輸光纜316與對應的FBG探頭連接器 連接、另一端可以安置在待測物理場中的待測位置上；第一 AWG310的多個輸出端分別與第 一光電二極管探測器陣列312的對應輸入端連接，第二AWG311的多個輸出端分別與第二光 電二極管探測器陣列313的對應輸入端連接；第一光電二極管探測器陣列312和第二光電 二極管探測器陣列313的多個輸出端分別與信號放大和A/D變換器組314的對應輸入端連 接；信號放大和A/D變換器組314的輸出端與信號解調(diào)處理器315的輸入端相連。在本實施例中，還可以包括顯示裝置317。顯示裝置317可以連接在信號解調(diào)處理 器315的輸出端，用于顯示信號解調(diào)處理器315的處理結(jié)果。使用本實施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，將FBG探頭309 置于待測物理場中，當待測物理場中的某物理量發(fā)生變化時，將引起FBG探頭309發(fā)生波 長漂移；FBG探頭309將載有該物理信息的光強信號沿原光路反射，反射的光強信號依次經(jīng) FBG探測連接器、多路光開關306、2 X 2分路器303和1 X 2分路器304，并進入雙窗口的AWG， 即分別進入第一 AWG310和第二 AWG311 ；雙窗口的AWG將反射回來的光強信號分成2N個窄 帶光，每個窄帶光分別反射回第一光電二極管探測器陣列312和第二光電二極管探測器陣 列313的對應通道；第一光電二極管探測器陣列312和第二光電二極管探測器陣列313可 以將反射回來的窄帶光由光信號轉(zhuǎn)換為電信號。這樣，反射回來的波長漂移光強信號能夠?qū)е碌谝?AWG310和第二 AWG311各通道 內(nèi)光強信號的變化；第一AWG310和第二AWG311各通道內(nèi)光強信號的變化，引起第一光電二 極管探測器陣列312和第二光電二極管探測器陣列313的對應通道電信號的流變化，再分 別經(jīng)信號放大和A/D變換器組314進行A/D轉(zhuǎn)換，得到對應的數(shù)字信號；信號解調(diào)處理器 315可以包括解調(diào)單元和計算單元，其中，解調(diào)單元根據(jù)該數(shù)字信號，經(jīng)差值計算得到反射 回來的光強信號的波長漂移量；計算單元基于該波長漂移量，求取雙窗口的AWG相鄰光通 道的輸出光的波長比的對數(shù)，即可得到待測物理量的變化量。由于采用多路光開關306將激勵光信號分成N束，分別射入N個FBG探頭串組成的FBG探頭309 ；FBG探頭309中每個FBG探頭可以編號，分別置于待測物理場中的待測位 置，當待測物理量發(fā)生變化時，對應的FBG探頭串發(fā)生波長漂移，并將載有待測物理量變化 信息的光強信號沿原光路反射；反射回來的光強信號進入雙窗口的AWG，在對應通道經(jīng)光 電轉(zhuǎn)換、信號放大、A/D轉(zhuǎn)換和信號解調(diào)處理，得到對應待測物理量的變化量；從而可以實 現(xiàn)多個FBG探頭串的高速解調(diào)。圖4為根據(jù)本發(fā)明實施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)中AWG 傳輸光譜和FBG反射光譜的解調(diào)波形示意圖。如圖4所示，AWG的傳感解調(diào)原理如下AWG是一種平面集成光波導無源器件，是利 用平面波導技術在芯片襯底上制作的陣列波導光柵；當AWG作解復用器時，其工作原理為
由復合波長λ 、λ2......λ η組成的信號光耦合到輸入波導的中心波導上并在輸入平板
波導內(nèi)產(chǎn)生衍射，衍射的高斯光束耦合到陣列波導中。由于相鄰的陣列波導以相同長度差 排列，于是不同波長的光波產(chǎn)生了不同的光程差，這樣經(jīng)過陣列波導傳輸后就被聚焦在不 同的輸出波導位置，完成了解復用的功能；當AWG作復用器時，原理與之相反。可見，AWG波 分復用/解復用的特點和作用正好適用于光纖光柵傳感信號的解調(diào)。本實施例采用雙窗口 AWG的任意兩個相鄰通道來解調(diào)一個光纖光柵傳感信號，這 個光纖光柵傳感信號變化范圍在AWG的兩個相鄰通道的中心波長之間。對于容量為IXN的AWG，可以將任意頻段內(nèi)的入射光分成不同波長的窄帶光導入 到多個通道中，實現(xiàn)波分復用。在實際應用中，可以將每個FBG探頭串的中心波長定義為 1-Ν，每個FBG探頭光柵與AWG的兩個相鄰通道相對應，F(xiàn)BG探頭光柵波長隨被測參量如溫 度或應力等而變化，變化范圍在AWG兩個鄰近通道的中心波長之間。圖5為根據(jù)本發(fā)明實施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)中單個 FBG波長各自在AWG兩個相鄰通道波長范圍內(nèi)的變化圖。如圖5所示，當載有傳感信息的FBG反射光波長通過兩個相鄰的光通道時，由于信 道的特征不同，輸出的光特征也不同，理論上輸出光譜等于輸人光譜和所通過信道特征的 卷積。可以將AWG的相鄰兩通道的輸出比的對數(shù)定義為解調(diào)函數(shù)，即 剛 其中λ bi為第i個FBG的反射波長。FBG反射譜與AWG通道的透射譜均可以近似 為高斯函數(shù)，F(xiàn)BG反射譜與AWG通道透射譜的重疊部分決定了 AWG通道輸出光強的大小。 AffG相鄰通道強度比值對數(shù)與FBG波長在高斯近似下呈線性關系。顯然，AWG相鄰兩通道的輸出值可通過測量得到，再通過后期的數(shù)據(jù)處理可以得到 波長值。這就是陣列波導光柵AWG波長檢測的原理。FBG探頭可安裝于被測物體和材料內(nèi)部，對滲壓、溫度、應力、應變、流速、流量等各 種物理量進行檢測，當由于各種不同的因素導致FBG探頭周圍環(huán)境個件發(fā)生變化時，將導 致FBG反射波長位移△ λ，通過監(jiān)測這些光譜變化情況，即可獲得被測物理量的變化狀況， 達到檢測目的。實施例二圖6為根據(jù)本發(fā)明基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)的又一結(jié)構(gòu)框圖。如圖6所示，本實施例包括光源601、隔離器602、2X2分路器603、1X2分路 器604、光纖光柵基準605、多路光開關606、FBG探頭609及對應的FBG探頭連接器、第一 AWG610、第二 AWG611、第一光電二極管探測器陣列612、第二光電二極管探測器陣列613、信 號放大和A/D變換器組614、信號解調(diào)處理器615和顯示屏617。其中，光源601、隔離器602和2X2分路器603單向連接，2X2分路器603的輸出 端分別與光纖光柵基準605和1X8路光開關606的輸入端連接，1 X8路光開關606的輸 出端分別經(jīng)第一 FBG探頭連接器607至第八FBG探頭連接器608與FBG探頭609中對應的 FBG探頭串連接。這里，F(xiàn)BG探頭連接器通過傳輸光纜616與FBG探頭串連接。FBG探頭609可以安置于待測物理場中，反射回來的載有待測物理量變換信息的 光強信號依次經(jīng)第一 FBG探頭連接器607至第八FBG探頭連接器608、1 X 8路光開關606和 2X2分路器603，再經(jīng)1 X2分路器604分別反射到雙窗口的AWG，即AWG-C610和AWG-L611。AWG-C610和AWG-L611分別將反射到其中的光強信號分成2N個不同波長的窄帶 光，并導入到第一光電二極管探測器陣列612和第二光電二極管探測器陣列613的對應通 道，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，得到的電信號導入到信號放大和A/D變換器組614的對應通道，經(jīng)信號放 大和A/D轉(zhuǎn)換，得到對應的數(shù)字信號，再經(jīng)信號解調(diào)處理器615，經(jīng)信號解調(diào)處理，得到對應 的待測物理量的變化量，并通過顯示屏617顯示測量結(jié)果。在本實施例中，各元器件的作用可參見圖3的相關說明。將雙窗口的AWG型波分復 用/解復用器件用于解調(diào)傳感信號，具體做法將FBG探頭置于待測物理場中，當待測物理 場中的物理量發(fā)生變化時，F(xiàn)BG探頭受該物理量變化的影響發(fā)生波長漂移，通過該基于AWG 的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)可以檢測解調(diào)出FBG探頭的波長漂移量的大??；根據(jù) 該波長漂移量的大小，通過計算，可以得到被測物理量的變化量。在本實施例中，信號解調(diào)處理器615可以包含解調(diào)單元和計算單元，其中，解調(diào)單 元用于根據(jù)A/D變換器組614輸出的數(shù)字信號，進行差值計算，獲取反射回來的光強信號的 波長漂移量；計算單元用于根據(jù)波長漂移量，求取雙窗口的AWG相鄰光通道的輸出光的波 長比的對數(shù)，即可得到待測物理量的變化量。在上述各實施例中，將兩個分別工作在C波段和L波段的兩個窗口、同時窗口邊沿 相重合的AWG型波分復用/解復用器用于解調(diào)傳感信號，即AWG可以根據(jù)應用需要分別選 擇C波段、L波段或C+L波段，實現(xiàn)寬范圍多波長解調(diào)，使基于AWG的高速多通道光纖光柵 傳感解調(diào)系統(tǒng)的波長解調(diào)范圍跨越C波段、L波段，超過SOnm以上。AWG每個通道的接收函數(shù)或傳輸光譜采用高斯型分別，采用兩個相鄰通道解調(diào)一 個光纖光柵傳感信號，每串FBG探頭的中心波長定義為1-N，它們隨被測參量如溫度或應力 變化，變化范圍在AWG兩個鄰近通道的中心波長之間；當載有傳感信息的FBG反射光波長通 過相鄰的光通道時，可以定義AWG相鄰兩通道的輸出比的對數(shù)為解調(diào)函數(shù)。上述寬帶光源可以采用C波段、L波段或C+L波段的寬譜激光光源，使系統(tǒng)的波長 解調(diào)范圍達80nm以上。對分別工作在C波段和L波段兩個窗口的第一 AWG和第二 AWG的輸出波長進行編 碼檢測，以確定探測點探頭的位置；當系統(tǒng)同時連接多根光纖時，每根光纖又可波分復用多 只FBG傳感器，使得系統(tǒng)可以同時解調(diào)上千只FBG傳感器，滿足大型工程傳感網(wǎng)絡的實時監(jiān)測。另外，上述各實施例中的多路光開關均可以采用高速光開關。實施例三在本實施例中，光源601可以是光譜范圍為1527 1562nm的C波段寬帶光源； 2X2分路器603的分束比可以為10 90 ;1X2分路器604可以是3db的耦合器，其分束 比為50 50 ;FBG探頭609可以包含兩個串聯(lián)的FBG溫度探頭；AWG可以包含40個輸出 通道，光譜范圍為1528. 55 1560. 61nm，信道間隔100GHz/0. 8nm，高斯分布，IdB通道帶寬 0. 24nm, 3dB通道帶寬0. 40nm,插損5. 36 6. 28dB,相鄰通道串擾32. 56 37. 20dB ；A/D變 換器組614可以是M⑶單片機。將光纖光柵基準605置于恒溫箱中，恒溫精度為0. 1°C。為了提高系統(tǒng)精確度和分 辨率，光纖光柵基準605可以采用切趾光纖光柵。圖7為根據(jù)本發(fā)明實施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)中40 通道的AWG器件的C波段光譜圖，圖8為根據(jù)本發(fā)明實施例的基于AWG的高速多通道光纖 光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)中AWG器件的C波段部分波長參數(shù)表圖。如圖7和圖8所示，本實施例的兩個FBG溫度探頭的中心波長分別為λ 1 = 1534. 6401nm, λ 2 = 1536. 9850nm,間距為 2. 3449，其中λ 1 = 1534. 6401nm,位于 40 通道 的陣列波導光柵AWG的第6-7通道之間，λ 2 = 1536. 9850nm，位于40通道的陣列波導光柵 AffG的第9-10通道之間。光電二極管探測器的精度為0. OOldBm。根據(jù)實驗值，在2h內(nèi)溫度和波長的標準偏差分別為0. 05°C和0. 5pm，最大漂移范 圍約 0. 18°C和 2pm。圖9a為根據(jù)本發(fā)明實施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)中FBG 探頭反射波長和溫度的變化關系圖之一；圖9b為根據(jù)本發(fā)明實施例的基于AWG的高速多通 道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)中FBG探頭反射波長和溫度的變化關系圖之二。如圖9a和圖9b所示，F(xiàn)BG之間的串擾對解調(diào)系統(tǒng)有一些影響，實質(zhì)上是由于串擾 變化將對相鄰光纖布拉格光柵解調(diào)通道的探測光強造成干擾，從而產(chǎn)生解調(diào)測量誤差。實 例中測量了 FBG2因傳感溫度變化，如25°C到105°C，對其相鄰的FBGl解調(diào)通道的串擾變化 以及傳感測量誤差。獲得FBG2串擾變化引起FBGl對應的AWG雙通道強度比(即對數(shù)值) 的變化范圍為-0. 382 0. 244dBm，相應的標準偏差為0. 126dB，結(jié)合測得的系統(tǒng)波長和溫 度的靈敏度，計算得到波長和溫度的標準偏差為2pm。實施例四本實施例中各元器件及其連接關系可參見實施例二。具體的，在本實施例中，包括C+L波段寬帶光源，光譜范圍為1528 1601nm ； 2X2分路器的分束比為10 90 ;1X2分路器可以是3db耦合器，分束比為50 50 ； — 個串聯(lián)FBG滲壓傳感探頭，量程為250kPa ； —個16通道的AWG，光譜范圍為1574. 213 1599. 541nm，采用高斯分布，光譜范圍信道間隔50GHz/l. 5nm, IdB通道帶寬0. 420nm，3dB通 道帶寬0. 640nm，插損5. 56 6. 68dB，相鄰通道串擾32. 16 37. 70dB。在本實施例中，采用MCU單片機代替上述圖3或圖6中的A/D變換器組。圖10為根據(jù)本發(fā)明實施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)中16 通道的AWG器件的L波段光譜圖。
如圖10所示，本實施例采用的一個FBG滲壓傳感探頭量程為250kPa，對應25米 液位量程，該滲壓傳感探頭中有兩個FBG，一個應變光柵，一個溫度補償光柵，其中心波長分 別為λ 1 = 1576. 541nm, λ 2 = 1582. 522nm。波長間距5. 981nm，滲壓傳感探頭中的λ 1 =1576. 541nm，位于16通道的AWG的第2_3通道之間，λ 2 = 1582. 522nm，位于16通道的 AffG的第6-7通道之間，液位試驗管的控制范圍為0. 5m 2m，在1. 5m范圍內(nèi)液位最大漂移 范圍約2mm。光電二極管探測器的精度為O.OOldBm。根據(jù)實驗值，本實施例相應波長的標準偏差為2pm，液位最大漂移范圍約2cm，優(yōu) 于總量程的千分之二。在本發(fā)明各實施例中，可以設置外部通訊接口，例如RS232/RS485、USB和RJ45等， 用戶可以選擇對應的接口，進行接口管理，與上位機建立通訊聯(lián)系，從通訊接口接受上位機 發(fā)來的命令，向上位機發(fā)送系統(tǒng)中各個通道的傳感信息，報警信息，通過對相應端口的操作 點亮相應通道的指示燈。使用本發(fā)明各實施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，可以對一 些危險場合的參數(shù)采用電子手段測量如光信號到電信號的轉(zhuǎn)換、光波長信號的解調(diào)、預報 警監(jiān)測、實現(xiàn)了現(xiàn)場環(huán)境的參數(shù)測量，安全性較高。本發(fā)明各實施例將AWG型波分復用/解復用器件用于傳感信號的解調(diào)，類似一個 基于陣列波導光柵強度解調(diào)技術的準分布式FBG高速、高精度的傳感器，具有結(jié)構(gòu)相對簡 單、成本低、波長分辨率高、解調(diào)速度快、使用穩(wěn)定等優(yōu)點；另外，采用波長編碼技術、波分復 用技術實現(xiàn)了分布式、大容量光纖光柵傳感解調(diào)，充分利用了資源，保證了系統(tǒng)的可靠性要 求。綜上所述，本發(fā)明各實施例可以將雙窗口的AWG型波分復用/解復用器件用于傳 感信號的解調(diào)，當置于待測物理場中的FBG探頭受物理量變化的影響而發(fā)生波長漂移時， 通過本系統(tǒng)可檢測解調(diào)出該波長漂移量的大小，從而計算出該物理量的變化；AWG在還不 具有100以上更多通道工藝的今天，采用雙窗口的AWG并行工作，其中第一 AWG工作在C波 段，第二 AWG工作在L波段，并且兩波段的邊緣相重合，可以實現(xiàn)C+L波段的寬范圍波長解 調(diào)；同時AWG每兩個相鄰通道可對應一個傳感探頭的中心波長，每個通道中光強的大小反 應通過的信號波長的大小，與現(xiàn)有技術相比，具有成本低、實用性強、可靠性高、分辨率高、 解調(diào)速度快、結(jié)構(gòu)簡單和波長范圍寬的優(yōu)點。本領域普通技術人員可以理解實現(xiàn)上述方法實施例的全部或部分步驟可以通過 程序指令相關的硬件來完成，前述的程序可以存儲于一計算機可讀取存儲介質(zhì)中，該程序 在執(zhí)行時，執(zhí)行包括上述方法實施例的步驟；而前述的存儲介質(zhì)包括R0M、RAM、磁碟或者 光盤等各種可以存儲程序代碼的介質(zhì)。最后應說明的是以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明， 盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，對于本領域的技術人員來說，其依然可 以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換。 凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的 保護范圍之內(nèi)。
權利要求
一種基于陣列波導光柵AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于，包括光源，用于產(chǎn)生激勵光信號；光纖光柵基準，用于產(chǎn)生所述系統(tǒng)的波長基準；多路光開關，用于對入射的激勵光信號進行空分復用；FBG探頭，用于采集載有待測物理量變化信息的光強信號，沿原光路反射；雙窗口的AWG，用于接收反射回來的光強信號，并分成2N個不同波長的窄帶光；光電二極管探測器陣列，用于基于所述2N個窄帶光的光信號，進行光電轉(zhuǎn)換，獲取對應的電信號；信號放大和A/D變換器組，用于基于所述2N個窄帶光的電信號，進行信號放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，獲取對應的數(shù)字信號；信號解調(diào)處理器，用于基于所述2N個窄帶光的數(shù)字信號，進行信號解調(diào)，獲取對應的待測物理量的變化量。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于， 所述信號解調(diào)處理器包括解調(diào)單元，用于基于所述2N個窄帶光的數(shù)字信號，進行差值計算，獲取對應的波長漂 移量；計算單元，用于基于所述波長漂移量，求取所述雙窗口的AWG相鄰光通道的輸出光的 波長比的對數(shù)。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于， 該系統(tǒng)還包括隔離器，用于傳輸所述光源產(chǎn)生的激勵光信號，并阻止反射回來的光強信號所述光源 的影響；2X2分路器，用于將隔離器輸出的激勵光信號分束，并分別射入所述光纖光柵基準和 所述多路光開關；1X2分路器用于將反射回來的光強信號分束，再分別射入所述雙窗口的AWG。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于， 所述多路光開關為高速光開關。
5.根據(jù)權利要求1-4中任一項所述的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)， 其特征在于，所述FBG探頭由N個通過單模光纖串接而成的FBG探頭串組成。
6.根據(jù)權利要求5所述的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于， 該系統(tǒng)還包括N個FBG探頭連接器，用于將多路光開關的N個輸出端分別連接到對應的FBG探頭中的 FBG探頭串。
7.一種基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)方法，其特征在于，包括中心波長為I-N的光纖布拉格光柵FBG探頭采集載有待測物理量變化信息的光強信 號，沿原光路反射；其中，N為自然數(shù)；接收反射回來的光強信號，進行信號解調(diào)，獲取對應的波長漂移量； 基于所述的波長漂移量，進行計算，獲取對應的待測物理量的變化量。
8.根據(jù)權利要求7所述的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)方法，其特征在于， 所述接收反射回來的光強信號，進行信號解調(diào)，獲取對應的波長漂移量的步驟包括雙窗口的AWG接收反射回來的光強信號，并分成2N個不同波長的窄帶光； 基于所述2N個窄帶光的光信號，進行光電轉(zhuǎn)換，獲取對應的電信號； 基于所述2N個窄帶光的電信號，進行信號放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，獲取對應的數(shù)字信號； 基于所述2N個窄帶光的數(shù)字信號，進行差值計算，獲取對應的波長漂移量。
9.根據(jù)權利要求8所述的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)方法，其特征在于， 基于所述的波長漂移量，進行計算，獲取對應的待測物理量的變化量的步驟包括當載有待測物理量變化信息的光強信號反射回雙窗口的AWG時，求取雙窗口的AWG相 鄰光通道的輸出光的波長比的對數(shù)，便得到對應的待測物理量的變化量。
10.根據(jù)權利要求8或9所述的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)方法，其特征 在于，所述雙窗口的AWG的工作在C波段和/或L波段和/或C+L波段。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)及方法，其中，該系統(tǒng)包括光源、光纖光柵基準、多路光開關、FBG探頭、雙窗口的AWG、光電二極管探測器陣列、信號放大和A/D變換器組、信號解調(diào)處理器；該方法包括采集載有待測物理量變化信息的光強信號，沿原光路反射；接收反射回來的光強信號，進行信號解調(diào)，獲取對應的波長漂移量；基于所述的波長漂移量，進行計算，獲取對應的待測物理量的變化量。本發(fā)明所述系統(tǒng)及方法，可以克服現(xiàn)有技術中成本高、實用性差、可靠性差、分辨率低、解調(diào)速度慢等缺陷，以實現(xiàn)成本低、實用性強、可靠性高、分辨率高、解調(diào)速度快、結(jié)構(gòu)簡單和波長范圍寬。
文檔編號G02B6/34GK101881634SQ20091013630
公開日2010年11月10日 申請日期2009年5月8日 優(yōu)先權日2009年5月8日
發(fā)明者劉信, 王清偉, 趙風琴 申請人:劉信