專利名稱：基于級聯(lián)長周期光纖光柵的Bragg光柵高速解調(diào)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種基于級聯(lián)長周期光纖光柵的Bragg光柵高速解調(diào)系統(tǒng)，屬于 光纖智能材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光纖光柵傳感器的應(yīng)用是一個方興未艾的領(lǐng)域，有著非常廣闊的發(fā)展前景，目前 限制光纖光柵傳感器大量實際應(yīng)用最主要的障礙是傳感信號的解調(diào)。解調(diào)是利用光纖光柵 具有波長編碼的特點，通過波長解調(diào)可獲得傳感信號的變化狀態(tài)。研究開發(fā)適用于實際工 程應(yīng)用的解調(diào)系統(tǒng)，降低成本，是光纖光柵傳感器能夠在實際工程應(yīng)用中得到推廣的至關(guān) 重要的問題。目前，光纖光柵傳感信號的實用化解調(diào)系統(tǒng)有以下幾種方案(1)采用寬帶光源 和可調(diào)諧光纖F-P濾波器對傳感光纖光柵的反射譜進行濾波掃描，該解調(diào)方法存在高精度 的可調(diào)諧法布里珀羅腔價格較高，濾波損耗大的問題；(2)采用色散元件和CCD陣列相結(jié)合 的光譜成像技術(shù)進行波長分析，解調(diào)儀器體積大，不易攜帶，不宜現(xiàn)場使用，更重要的是它 不能輸出電信號，這對于測量結(jié)果的記錄、存儲、顯示以及提供給控制回路必要的電信號以 達到工業(yè)生產(chǎn)過程自動控制的目的都是極為不利的；(3)采用匹配光柵濾波法對傳感光纖 光柵進行波長解調(diào)，該解調(diào)法結(jié)構(gòu)簡單、成本低但精度不高。各國的研究者相繼提出了其他 解調(diào)方法，如可調(diào)諧窄帶激光源法、非平衡馬赫_曾德干涉儀法、傅立葉變換解調(diào)法，以及 將光纖光柵傳感元件用作光纖激光器腔鏡實現(xiàn)傳感測量等。歐美等國傳感器的應(yīng)用形式主要是以光纖Bragg光柵采集信息，將光纖Bragg光 柵傳感器反射波長引入光譜儀或干涉儀中提取測量信息，美國MICR0N0PTICS公司的光纖 BRAGG光柵-IS波長解調(diào)儀是這一領(lǐng)域先進技術(shù)的代表。而國內(nèi)的傳感技術(shù)與歐美等國相 比，還存在一定的差距，特別是在光纖傳感器的共性基礎(chǔ)技術(shù)、中間試驗技術(shù)、生產(chǎn)裝備技 術(shù)方面尤為突出，但近年國內(nèi)在光纖光柵傳感器及其解調(diào)方面已先后取得了 一批應(yīng)用前 景廣泛的研究成果。香港理工大學(xué)電機工程系和南開大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)研究所合作，曾提出匹配光柵調(diào)諧 光纖激光器波長掃描尋址解調(diào)方案，即采用光纖光柵作為光纖激光器的波長調(diào)諧元件，微 機控制光纖激光器步進掃描，并同步采集光電探測器的輸出信號，根據(jù)對應(yīng)于光電探測器 最大輸出的調(diào)諧步數(shù)確定傳感光柵的中心反射波長值。由于光纖激光器的掃描步長較大， 此方法所獲得的波長位移分辨率不夠高。為了提高波長位移分辨率，他們對其作了改進。 改進方案中，微機控制光纖激光器完成一次掃描過程后，用高斯-牛頓法對光電探測器輸 出電壓與激光波長之間的關(guān)系數(shù)據(jù)進行曲線擬合，通過擬合確定傳感光柵的中心反射波長 值。這樣，提高了解調(diào)分辨率，從而實現(xiàn)了高分辨率的溫度及應(yīng)變測量。浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)系對干涉型光纖傳感器的相位載波調(diào)制_解調(diào)技術(shù) 進行了研究，分析得出了新的相位載波檢測帶寬要求，并在實驗室中用相位載波檢測方式 檢測到了較為穩(wěn)定的模擬傳感信號，從而克服了有源跟蹤零差檢測中使用壓電陶瓷相調(diào)器和復(fù)位系統(tǒng)引入較大的附加噪聲問題。因此，不僅適用于無源檢測、遙測和陣列復(fù)用，而且 在遠距離、惡劣環(huán)境、無源檢測和復(fù)用傳感系統(tǒng)中有很大的應(yīng)用前景。清華大學(xué)精儀系精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室對干涉型光纖傳感器的相 位生成載波解調(diào)技術(shù)進行了研究，并對相位生成載波解調(diào)方法進行了的改進，提出采用一 個參考傳感器來監(jiān)測光源頻率抖動或環(huán)境漂移的影響，通過測量傳感光纖Bragg光柵與參 考光纖Bragg光柵相比的方法消除系統(tǒng)熱擾動的影響。北京理工大學(xué)光電工程系在進行Mach-Zehnder干涉型光纖水聽器研究中，重點 研究了用3X3耦合器組成的干涉型光纖水聽器的解調(diào)原理，并指出采用3X3耦合器解調(diào) 技術(shù)是構(gòu)成全光纖干涉型水聽器系統(tǒng)的優(yōu)選方案。這是因為采用3X3耦合器來使干涉儀 的輸出成120°更可靠和穩(wěn)定，因而簡便實用。光學(xué)學(xué)報2004年第24卷第2期199 202頁報道了南開大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)研究所對 長周期光纖光柵邊緣濾波線性解調(diào)方法進行了研究。解調(diào)方案為寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)3dB 耦合器進入傳感光柵。由傳感布拉格光柵反射后形成窄帶光譜，再經(jīng)耦合器均分成兩路光 束。其中一束經(jīng)線性濾波器到達光電檢測器。另一束直接檢測，以補償由于光源強度波動 對實驗造成的影響。該方案適用于動態(tài)、靜態(tài)測量，具有成本較低，使用方便等優(yōu)點，但解調(diào) 精度較低，且可解調(diào)的波長范圍小。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種監(jiān)測精度高、速度快，波長范圍寬的光纖Bragg 光柵解調(diào)系統(tǒng)。一種基于級聯(lián)長周期光纖光柵的Bragg光柵高速解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于組成如 下寬帶光源通過單模光纖與Y型光纖耦合器的一個輸出端相連，該Y型光纖耦合器的輸入 端接光纖Bragg光柵，該Y型光纖耦合器另一輸出端通過另一單模光纖依次接級聯(lián)長周期 光柵、高速光電探測器、調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、計算機；上述級聯(lián)長周期光柵，由至少兩個 長周期光柵串聯(lián)而成，且每個長周期光柵中心波長相同，串聯(lián)后的級聯(lián)長周期光柵的透射 光譜與Bragg光柵的反射光譜相交，該交點位于級聯(lián)長周期光柵透射光譜線性段內(nèi)。由于級聯(lián)長周期光柵是透射型光纖器件，插入損耗低，系統(tǒng)利用了級聯(lián)長周期的 透射光，而光纖Bragg光柵是反射型光纖器件，反射率高，系統(tǒng)則利用了光纖Bragg光柵的 反射光。當(dāng)光纖Bragg光柵中心波長變化后，光纖Bragg光柵反射光信號通過級聯(lián)長周期 光柵濾波后的光強會發(fā)生相應(yīng)變化。采用高速光電探測器將光信號(輸出光強的變化量) 轉(zhuǎn)化為電信號，光路部分輸出的光信號較弱，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后得到電壓信號也較微弱，設(shè)計了 信號調(diào)理電路對信號進行放大、濾波等。通過調(diào)理電路輸出的電信號反推出光纖Bragg光 柵中心波長的變化量。所述級聯(lián)長周期光柵由至少兩個長周期光柵串聯(lián)而成，且每個長周期光柵中心波 長相同，串聯(lián)后的級聯(lián)長周期光柵的透射光譜與Bragg光柵的反射光譜相交，該交點位于 級聯(lián)長周期光柵透射光譜線性段內(nèi)。級聯(lián)長周期的透射光譜與普通長周期光柵的光譜不 同，由于該系統(tǒng)利用級聯(lián)長周期光柵的線性濾波特性，故僅對光譜線性段進行分析。級聯(lián)長 周期光柵的光譜線性段的斜率遠大于單根長周期光柵，因此經(jīng)級聯(lián)長周期光柵濾波后的光 強變化量較大，方便光電探測器監(jiān)測，多個長周期級聯(lián)可顯著提高解調(diào)的精度。[0014]所述的光纖Bragg光柵的反射光譜與級聯(lián)長周期光柵的透射光譜的線性段相交， 以保證調(diào)制后的光功率線性變化。級聯(lián)長周期光譜線性段的波長范圍大于單根長周期光 柵，采用該方案可增加解調(diào)的波長范圍。該實用新型為全光纖結(jié)構(gòu)，無需機械部件調(diào)諧，解調(diào)速度取決于于光電探測器的 帶寬和后端電路的處理速度，而高速光電探測器的帶寬通常為幾個GHz，因此本實用新型的 解調(diào)速度高。根據(jù)光纖Bragg光柵的中心波長選擇與之匹配的級聯(lián)長周期光柵，光纖Bragg光 柵的中心波長必須位于級聯(lián)長周期光柵光譜中心波長的左側(cè)線性段內(nèi)或右側(cè)線性段內(nèi)。當(dāng) 光纖Bragg光柵的中心波長小于長周期光柵時(位于左側(cè)線性段內(nèi))，隨著光纖Bragg光柵 中心波長的增加，經(jīng)級聯(lián)長周期調(diào)制后的諧振波長對應(yīng)的光功率逐漸減小，反之，光功率增 加；光纖Bragg光柵的中心波長大于長周期光柵時，隨著光纖Bragg光柵中心波長的增加， 諧振波長對應(yīng)的光功率逐漸增大，反之，光功率減小。本實用新型的有益效果是1、本實用新型提出的基于級聯(lián)長周期光柵的解調(diào)方案，利用了長周期光柵的帶阻 濾波特性，級聯(lián)長周期光柵周期長，無背向反射使長周期光柵在光路中不會對光源產(chǎn)生干 擾，制作簡單成本低，因此本實用新型有望代替現(xiàn)有昂貴的高速光纖Bragg光柵解調(diào)設(shè)備。2、本實用新型采用光強解調(diào)法，將光纖Bragg光柵中心波長的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴姷?變化，由光電探測器將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，方便測量結(jié)果的記錄，存儲和控制。光電探測 器和調(diào)理電路方便制成模塊，改變光纖Bragg光柵與匹配長周期光柵可以采用該模塊化的 電路，節(jié)省成本。3、本實用新型將級聯(lián)長周期光柵特性于光纖光柵傳感器中心波長監(jiān)測技術(shù)有效 地結(jié)合在一起，可用于航天飛行器、橋梁、大壩、水下建筑等的沖擊、振動監(jiān)測。

圖1是基于級聯(lián)長周期光柵的Bragg光柵高速解調(diào)系統(tǒng)。圖2是解調(diào)原理圖。圖3是普通長周期光柵與級聯(lián)長周期光柵光譜對比圖。圖4是級聯(lián)長周期光柵調(diào)制后的光譜圖。圖5是調(diào)理電路。圖中的標(biāo)號名稱1.寬帶光源，2.單模光纖，3. Y型光纖耦合器，4.光纖Bragg光 柵，5單模光纖，6.級聯(lián)長周期光柵，7.高速光電探測器，8.調(diào)理電路9.數(shù)據(jù)采集卡，10.計 算機，11.調(diào)零電路，12.交流放大電路，13.濾波電路。
具體實施方式
由圖1可知，本實用新型的一種基于級聯(lián)長周期光纖光柵的Bragg光柵高速解調(diào) 系統(tǒng)的具體組成是，寬帶光源1(可用波長范圍為1520nm-1570nm的寬帶光源)發(fā)出的光通 過單模光纖2經(jīng)由Y型耦合器3入射到光纖Bragg光柵傳感器4上，反射光通過單模光纖 5經(jīng)Y型耦合器3耦合入級聯(lián)長周期光柵6進入到高速光電探測器7。至此，光信號轉(zhuǎn)變?yōu)?電壓信號，通過調(diào)理電路8將信號放大、濾波后由數(shù)據(jù)采集卡9傳輸至計算機10顯示。[0028]級聯(lián)長周期光柵由至少兩個長周期光柵串聯(lián)而成，且每個長周期光柵中心波長相 同，串聯(lián)后的級聯(lián)長周期光柵的透射光譜與Bragg光柵的反射光譜相交，該交點位于級聯(lián) 長周期光柵透射光譜線性段內(nèi)?；诩壜?lián)長周期光纖光柵的光纖Bragg光柵高速解調(diào)系統(tǒng)的工作方法包括如下 步驟第一步，寬帶光源的光通過耦合器后激勵光纖Bragg光柵傳感器；第二步，90%以上的光經(jīng)光纖Bragg光柵反射，通過耦合器后入射至級聯(lián)長周期 光柵進行調(diào)制；第三步，當(dāng)光纖Bragg光柵的中心波長變化后，經(jīng)長周期光柵調(diào)制后的光纖Bragg 光柵出射光強發(fā)生線性變化；第四步，光電探測器將光功率變化轉(zhuǎn)化為電壓信號的變化，經(jīng)過信號調(diào)理后由數(shù) 據(jù)采集卡輸出至計算機進行處理。第五步，由電壓的變化量反推光纖Bragg光柵的中心波長的變化；第六步，設(shè)計友好的人機交互界面；第七步，對解調(diào)系統(tǒng)進行標(biāo)定。圖2為解調(diào)原理示意圖。設(shè)光纖Bragg光柵的中心波長為λ。，當(dāng)光纖Bragg光柵 中心波長變化后，設(shè)光纖Bragg光柵反射光信號通過級聯(lián)長周期光柵濾波后輸出光強的變 化量Δ I與波長漂移量λ-λ ^的函數(shù)關(guān)系為F(X)，在光源波長近似為線性的范圍內(nèi)，該 濾波函數(shù)可表示為F(A) = A(A-A0)(1)假設(shè)Bragg光柵反射光為譜寬為Δ λ的Gaussian分布，反射光強為
權(quán)利要求一種基于級聯(lián)長周期光纖光柵的Bragg光柵高速解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于組成如下寬帶光源(1)通過單模光纖(2)與Y型光纖耦合器(3)的一個輸出端相連，該Y型光纖耦合器(3)的輸入端接光纖Bragg光柵(4)，該Y型光纖耦合器(3)另一輸出端通過另一單模光纖(5)依次接級聯(lián)長周期光柵(6)、高速光電探測器(7)、調(diào)理電路(8)、數(shù)據(jù)采集卡(9)、計算機(10)；上述級聯(lián)長周期光柵(6)，由至少兩個長周期光柵串聯(lián)而成，且每個長周期光柵中心波長相同，串聯(lián)后的級聯(lián)長周期光柵的透射光譜與Bragg光柵(4)的反射光譜相交，該交點位于級聯(lián)長周期光柵透射光譜線性段內(nèi)。
專利摘要本實用新型公開了一種基于級聯(lián)長周期光纖光柵(LPFG)的光纖Bragg光柵(FBG)高速解調(diào)系統(tǒng)，屬于光纖智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域。系統(tǒng)包括寬帶光源(1)通過單模光纖(2)與Y型光纖耦合器(3)的輸出端相連，該Y型光纖耦合器(3)的輸入端接光纖Bragg光柵(4)，另一輸出端接級聯(lián)長周期光柵(6)，級聯(lián)長周期光柵另一端接高速光電探測器(7)，高速光電探測器的輸出端接調(diào)理電路(8)連于與數(shù)據(jù)采集卡(9)相連的計算機(10)。該解調(diào)方法將級聯(lián)長周期光柵特性于光纖光柵傳感器中心波長監(jiān)測技術(shù)有效地結(jié)合在一起，具有靈敏度高，解調(diào)速度高，成本低等優(yōu)點，可用于航天飛行器、橋梁、大壩、水下建筑等的沖擊、振動監(jiān)測。
文檔編號G01H9/00GK201716502SQ20092023571
公開日2011年1月19日 申請日期2009年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月15日
發(fā)明者張小麗, 曾捷, 梁大開, 胡興柳, 蘆吉云, 陸觀 申請人:南京航空航天大學(xué)