本發(fā)明屬于光纖傳感領(lǐng)域，特別涉及一種基于微波光子濾波器的光纖布拉格光柵橫向壓力傳感系統(tǒng)及其測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

光纖布拉格光柵傳感器屬于一種重要的波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器。基于光纖布拉格光柵的傳感過(guò)程是，當(dāng)光纖布拉格光柵受到溫度及應(yīng)變作用時(shí)，其中心波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生線性變化，因此通過(guò)檢測(cè)波長(zhǎng)的移動(dòng)即可還原溫度和應(yīng)變等物理參數(shù)的信息。光纖布拉格光柵傳感器可以貼在結(jié)構(gòu)的表面或預(yù)先埋入結(jié)構(gòu)中，對(duì)結(jié)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行健康檢測(cè)、沖擊檢測(cè)、以及監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的缺陷情況等。與傳統(tǒng)的電氣傳感器相比，光纖布拉格光柵傳感器具有不受電磁干擾影響、抗腐蝕性強(qiáng)、靈敏度高、反應(yīng)速度快、可復(fù)用性強(qiáng)、以及探頭尺寸小等優(yōu)勢(shì)而備受人們關(guān)注。

目前大多數(shù)光纖布拉格光柵傳感器主要用于檢測(cè)沿著光纖軸向作用的應(yīng)力，然而在結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)、沖擊檢測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)合，人們還對(duì)光纖布拉格光柵用于橫向壓力的測(cè)量提出了要求。然而，在橫向壓力作用下，光纖布拉格光柵的光譜變化并非簡(jiǎn)單的波長(zhǎng)移動(dòng)，而是發(fā)生展寬或者分裂，理論上通過(guò)測(cè)量光譜分裂后的兩個(gè)峰值的中心波長(zhǎng)差就可以實(shí)現(xiàn)橫向壓力的測(cè)量。然而，由于光纖布拉格光柵的橫向壓力靈敏度非常低，加之常見(jiàn)的光譜分析儀的波長(zhǎng)分辨率只有十幾pm，因而傳統(tǒng)的采用光譜分析儀的光纖布拉格光柵傳感解調(diào)方案無(wú)法精確地測(cè)量橫向壓力，并且難以實(shí)施和實(shí)用化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服已有技術(shù)的不足之處，提供可實(shí)現(xiàn)高分辨率橫向壓力測(cè)量的光纖布拉格光柵傳感器系統(tǒng)及其測(cè)量方法。通過(guò)將光纖布拉格光柵因橫向壓力造成的光域的中心波長(zhǎng)差轉(zhuǎn)換成電域的微波陷波濾波器的諧振頻率的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)作用在光纖布拉格光柵上的橫向壓力的精確測(cè)量。與傳統(tǒng)的基于光譜分析的橫向壓力解調(diào)方案相比，本發(fā)明可以大大提高光纖布拉格光柵傳感器的橫向壓力靈敏度，并具有高分辨率、高信噪比、測(cè)量范圍大的優(yōu)點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

基于微波光子濾波器的光纖布拉格光柵橫向壓力傳感器系統(tǒng)，包括寬帶光源、電光強(qiáng)度調(diào)制器、第一光纖耦合器、光纖布拉格光柵、光纖偏振分束器、可調(diào)光纖延時(shí)線、可調(diào)光纖衰減器、第二光纖耦合器、色散補(bǔ)償光纖、光電探測(cè)器和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀；所述電光強(qiáng)度調(diào)制器的光輸入端與寬帶光源的輸出端相連，所述電光強(qiáng)度調(diào)制器的輸出端口與第一光纖耦合器的一個(gè)輸入端口相連，所述電光強(qiáng)度調(diào)制器的射頻輸入端與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的射頻輸出端口相連；所述第一光纖耦合器的輸出端與光纖布拉格光柵相連，所述第一光纖耦合器的另一個(gè)輸入端口與光纖偏振分束器的輸入端相連；所述光纖偏振分束器的一個(gè)輸出端連接可調(diào)光纖延時(shí)線的輸入端，另外一個(gè)輸出端連接可調(diào)光纖衰減器的輸入端；所述第二光纖耦合器的兩個(gè)輸入端分別連接可調(diào)光纖諧延時(shí)線的輸出端和可調(diào)光纖衰減器的輸出端，所述第二光纖耦合器的輸出端與色散補(bǔ)償光纖的輸入端相連；所述色散補(bǔ)償光纖的輸出端與光電探測(cè)器的輸入端相連，所述光電探測(cè)器的輸出端與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸入端相連。

上述基于微波光子濾波器的光纖布拉格光柵橫向壓力傳感器系統(tǒng)的測(cè)量方法，包括如下步驟：寬譜光源輸出的寬帶光譜經(jīng)過(guò)電光強(qiáng)度調(diào)制器被矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀所發(fā)出的微波信號(hào)調(diào)制，獲得調(diào)制信號(hào)，隨后經(jīng)過(guò)第一光纖耦合器輸入到加了橫向負(fù)載的傳感光纖布拉格光柵上；從光纖布拉格光柵反射回來(lái)的光信號(hào)再次經(jīng)過(guò)第一光纖耦合器，隨后輸入到光纖偏振分束器，經(jīng)過(guò)光纖偏振分束器的作用將該信號(hào)分離成兩束對(duì)應(yīng)不同偏振方向的光信號(hào)，其中一束光信號(hào)沿著可調(diào)光纖延時(shí)線傳輸，另一束光信號(hào)沿著可調(diào)光纖衰減器傳輸，這兩個(gè)路徑傳輸?shù)墓庑盘?hào)通過(guò)第二光纖耦合器再次匯聚到一起并進(jìn)入到色散補(bǔ)償光纖進(jìn)行進(jìn)一步的采樣和時(shí)延，最后進(jìn)入光電探測(cè)器恢復(fù)得到電信號(hào)；通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行微波電信號(hào)頻率的掃描，并通過(guò)內(nèi)置的電功率計(jì)測(cè)量恢復(fù)電信號(hào)的功率，測(cè)量并記錄頻率響應(yīng)譜線，獲得諧振頻率，所述諧振頻率為電功率計(jì)測(cè)得的功率值的極小點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的微波電信號(hào)頻率，根據(jù)所述諧振頻率的頻率移動(dòng)值與被測(cè)橫向壓力值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，求取被測(cè)橫向壓力信號(hào)的大小。

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明的效果和益處是：

本發(fā)明采用基于光纖布拉格光柵、偏振分束器和色散光纖相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)微波光子陷波濾波器；傳感光纖布拉格光柵上作用的橫向壓力將導(dǎo)致其產(chǎn)生兩個(gè)不同中心波長(zhǎng)的光纖布拉格光柵，分別對(duì)應(yīng)于兩個(gè)相互正交的偏振態(tài)，橫向壓力的變化將引起上述兩個(gè)光纖布拉格光柵的中心波長(zhǎng)差發(fā)生變化，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的色散補(bǔ)償光纖的作用后，兩個(gè)光信號(hào)的中心波長(zhǎng)差的變化會(huì)造成它們傳播時(shí)延差發(fā)生改變，從而改變了該微波光子濾波器的自由光譜范圍以及諧振頻率。通過(guò)光電探測(cè)器恢復(fù)出電信號(hào)并通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得該諧振頻率來(lái)最終實(shí)現(xiàn)橫向壓力的測(cè)量。本發(fā)明是將光域內(nèi)光纖布拉格光柵反射光譜的中心波長(zhǎng)變化的測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娪騼?nèi)微波信號(hào)頻率的測(cè)量，因而具有很高的分辨率，即可探測(cè)非常微小的橫向壓力值。本發(fā)明還具有靈敏度高以及方便可調(diào)的特點(diǎn)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)防電磁干擾的遠(yuǎn)距離橫向壓力測(cè)量。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明在不同的時(shí)延差的條件下產(chǎn)生的微波光子濾波器的頻率響應(yīng)譜線；

圖3為本發(fā)明在不同橫向壓力作用下微波光子濾波器的頻率響應(yīng)譜線；

圖4為放大后的第一個(gè)諧振頻率隨不同橫向壓力的變化曲線；

圖5為橫向壓力值與微波光子濾波器的第一個(gè)諧振頻率之間的關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種基于微波光子濾波器的光纖布拉格光柵橫向壓力傳感系統(tǒng)，采用普通單模光纖制作的光纖布拉格光柵作為傳感單元，其包括寬帶光源1、電光強(qiáng)度調(diào)制器2、第一光纖耦合器3、光纖布拉格光柵4、光纖偏振分束器5、可調(diào)光纖延時(shí)線6、可調(diào)光纖衰減器7、第二光纖耦合器8、色散補(bǔ)償光纖9、光電探測(cè)器10和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀11。

參考圖1所示，電光強(qiáng)度調(diào)制器2的光輸入端與寬帶光源1的輸出端相連，其輸出端口與第一光纖耦合器3的一個(gè)輸入端口相連，其射頻輸入端與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀11的射頻輸出端口相連；光纖布拉格光柵4與第一光纖耦合器3的輸出端相連；光纖偏振分束器5的輸入端與第一光纖耦合器3的另一個(gè)輸入端口相連，光纖偏振分束器5的一個(gè)輸出端連接可調(diào)光纖延時(shí)線6的輸入端，另外一個(gè)輸出端連接可調(diào)光纖衰減器7的輸入端；第二光纖耦合器8的兩個(gè)輸入端分別連接可調(diào)光纖諧延時(shí)線6的輸出端和可調(diào)光纖衰減器7的輸出端；色散補(bǔ)償光纖9的輸入端與第二光纖耦合器8的輸出端相連；光電探測(cè)器10的輸入端與色散補(bǔ)償光纖9的輸出端相連；矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀11的輸入端與光電探測(cè)器10的輸出端相連。其中光電探測(cè)器10與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀11之間、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀11與電光強(qiáng)度調(diào)制器2之間用標(biāo)準(zhǔn)射頻連接線連接，其余器件之間用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖連接。

為進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案原理，下面對(duì)本發(fā)明的工作原理做進(jìn)一步說(shuō)明：

寬帶光源1產(chǎn)生的光進(jìn)入電光強(qiáng)度調(diào)制器2進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，調(diào)制后的光信號(hào)通過(guò)第一光纖耦合器3進(jìn)入光纖布拉格光柵4，當(dāng)光纖布拉格光柵4受到橫向壓力作用時(shí)，雙折射效應(yīng)會(huì)使其反射兩束不同中心波長(zhǎng)、并且偏振態(tài)相互正交的光信號(hào)。這兩束光信號(hào)再次經(jīng)過(guò)第一光纖耦合器3輸入到光纖偏振分束器5，經(jīng)過(guò)光纖偏振分束器5后分別沿著不同的路徑傳輸，其中一路光信號(hào)輸入到可調(diào)諧光纖延時(shí)線6，由光纖延時(shí)線產(chǎn)生預(yù)置的時(shí)延。另外一路光信號(hào)連接可變衰減器7，通過(guò)調(diào)節(jié)可變衰減器以保證兩路光信號(hào)功率近似相等，目的是獲取最大的陷波深度，以提高橫向壓力傳感的分辨率。兩路光信號(hào)隨后在第二光纖耦合器8輸出端重新匯聚到一起，并輸入到一段色散補(bǔ)償光纖9當(dāng)中，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的色散補(bǔ)償光纖9的作用，兩束光信號(hào)的傳輸時(shí)間再次引入新的時(shí)延差，顯然，橫向壓力的變化將引起上述兩個(gè)光纖布拉格光柵的中心波長(zhǎng)差發(fā)生變化，而兩個(gè)光信號(hào)的中心波長(zhǎng)差的變化又會(huì)造成他們經(jīng)過(guò)整個(gè)鏈路的時(shí)延發(fā)差發(fā)生改變，從而最終改變了該微波光子濾波器的自由光譜范圍和諧振頻率。通過(guò)光電探測(cè)器10恢復(fù)出電信號(hào)，并利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀11進(jìn)行該濾波器頻率響應(yīng)曲線的測(cè)量，通過(guò)跟蹤諧振頻率的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)橫向壓力的測(cè)量。其中，第一個(gè)諧振頻率的值與橫向壓力的關(guān)系可以按如下方法獲得：首先，兩個(gè)新產(chǎn)生的光纖布拉格光柵其中心波長(zhǎng)差與橫向壓力的關(guān)系可以表示為：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}=-2n^2{\mathrm{\λ}}_B\frac{1+\mathrm{\υ}}{\mathrm{\π}lbE}(p_{11}-p_{12})\·F---\left(1\right)$

其中，n是光纖的有效折射率，λ_B是光柵的初始中心波長(zhǎng)，p₁₁和p₁₂是光纖的彈光系數(shù)，E是楊氏模量，υ是柏松比，F(xiàn)是橫向壓力，l為受力光纖的長(zhǎng)度，b是光纖的半徑。假設(shè)可調(diào)光纖延時(shí)線6預(yù)置的初始時(shí)延為ΔT₀，而由色散補(bǔ)償光纖9造成的時(shí)延差為ΔT₁，假設(shè)色散補(bǔ)償光纖的色散量為k(ps/nm)，則兩束光信號(hào)之間總的時(shí)延差可表示為：

ΔT_d＝ΔT₀+ΔT₁＝ΔT₀+k·Δλ (2)

可以看出，這種結(jié)構(gòu)形成了一個(gè)典型的2抽頭濾波器。將(2)帶入(1)，再利用微波光子2抽頭濾波器的基本原理可以得到第一個(gè)諧振頻率的頻率移動(dòng)與橫向壓力變化的關(guān)系為：

${\mathrm{\Δf}}_{notch}=\frac{1}{2}(\frac{1}{{\mathrm{\ΔT}}_d}-\frac{1}{{\mathrm{\ΔT}}_0})\≈\frac{1}{2}\frac{k\·C}{{\left({\mathrm{\ΔT}}_0\right)}^2}F---\left(3\right)$

其中對(duì)于公式(3)來(lái)說(shuō)，只要設(shè)定初始時(shí)延為ΔT₀遠(yuǎn)大于ΔT₁，就可以獲得諧振頻率的移動(dòng)與橫向壓力成線性關(guān)系的特性，從而非常適合傳感應(yīng)用。

圖2為系統(tǒng)在不同的預(yù)設(shè)時(shí)延差的條件下產(chǎn)生的濾波器頻率響應(yīng)譜線，可以看到，兩個(gè)抽頭的時(shí)延差越大，則自由光譜范圍越小，諧振頻率的值也越小。事實(shí)上，濾波器的諧振頻率的大小與時(shí)延差成反比關(guān)系。

圖3為本發(fā)明在不同橫向壓力作用下濾波器的頻率響應(yīng)圖，不同的橫向壓力使光纖布拉格光柵的兩個(gè)諧振峰之間的波長(zhǎng)間隔發(fā)生變化，從而造成總的時(shí)延發(fā)生變化，最終實(shí)現(xiàn)了光域的光纖布拉格光柵中心波長(zhǎng)差的變化轉(zhuǎn)換成電域的微波光子濾波器的諧振頻率的移動(dòng)。

圖4為放大后的濾波器的第一個(gè)諧振頻率隨橫向壓力的變化曲線，從圖中可以看到，隨著橫向壓力的增加，諧振頻率會(huì)發(fā)生紅移。理論上來(lái)說(shuō)，在系統(tǒng)工作帶寬內(nèi)的其他更高頻率的諧振頻率同樣會(huì)隨著橫向壓力的增加而紅移，但是本發(fā)明選取第一個(gè)諧振頻率點(diǎn)作為測(cè)量點(diǎn)的好處是它工作在較低的頻率處，對(duì)系統(tǒng)的器件和儀器的要求比較低。并且，由于長(zhǎng)距離光纖傳輸往往存在色散造成的高頻信號(hào)的衰減問(wèn)題，因此選取頻率最低的第一個(gè)諧振頻率作為測(cè)量點(diǎn)可以獲得更高的穩(wěn)定性和信噪比，從而獲得更好的測(cè)量精度。

圖5為橫向壓力與系統(tǒng)產(chǎn)生的濾波器的第一個(gè)諧振頻率之間的關(guān)系圖。從關(guān)系圖看出，通過(guò)測(cè)得的諧振頻率可以得知加載在光纖布拉格光柵上的橫向壓力大小，即通過(guò)微波頻率解碼實(shí)現(xiàn)了傳感功能。

應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，所做的任何修改和替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。