CN100576049C - 一种光纤光栅传感网络解调的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤布拉格光栅传感网络快速解调的方法及设备。本发明中使用窄线宽的连续半导体激光器作为光源；声光调制器不对称放置在萨尼亚克环中；FBG传感网络通过一个三端口3-dB光纤耦合器与萨尼亚克环连接；传感网络上串联的每个FBG在室温下布拉格波长与激光光源的中心波长一致；声光调制器由可频率可变的射频信号驱动，射频信号频率改变时，萨尼亚克干涉计的透射率改变，通过快速傅立叶变换以及相关运算，得到传感网络上各个传感FBG的布拉格波长的漂移量，最终得到所传感的物理量的变化。本发明是一种新型的FBG传感网络，适用于需要多节点、高精度、抗电磁干扰性好、实时监测的传感网络的领域。

Description

一种光纤光栅传感网络解调的方法和设备

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，适用于需要多节点、高精度、抗电磁干扰性好、实时监测的传感网络的领域。特别涉及了一种新型的利用声光调制器改变光波频率引起干涉仪不对称结构的效应以及光纤布拉格光栅(FBG)斜边检测技术来实现FBG传感网络解调的方法，以及实现该方法的设备。

背景技术

FBG由于其特有的光纤内部敏感、波长编码、易于组网等优点而成为光纤传感的一种重要器件。基于已经发展起来的波分复用(WDM)和时分复用(TDM)技术，光纤光栅阵列被广泛用于光纤准分布式传感，如：铁路、大桥、水坝等的健康监测，主干输电线沿线的温度监控。其中，WDM要求每一个FBG传感器具有不同的布拉格波长，需要一个宽带光源(带宽往往大于40nm)作为输入光源，还需要一套相对复杂的波长敏感系统来进行复用信号的解复用，如：可调法布里-泊罗滤波器、富里叶频谱计、波长敏感耦合器等。而在TDM中，一般采用窄脉冲光源输入，各个FBG传感器的反射光信号利用不同的延时实现信号复用，并被解调端的高速门处理电路解复用。这两套复用技术，都需要成本较高的光源和复杂的解调系统，直接导致了FBG传感网络的成本居高不下，限制了其很多实际应用。

声光调制器利用多普勒效应，可以在一定范围内精确改变经过调制器的光波的频率，是业内常用的一种光频变换器件；萨尼亚克(Sagnac)环由于其结构的对称性，对外界温度变化，机械振动等干扰不敏感，在光纤传感，光纤检测等领域应用也十分广泛；使用基于声光调制器光频变转的Sagnac干涉计实现的FBG准分布式传感网络，结构简单，抗干扰性强，不需要高速的光电元件，成本很低，因此非常适用于实际应用。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，使用声光调制器光频变换技术，提出了一种实现新型FBG准分布式传感网络的解决方案。使用连续(CW)半导体激光光源，低速光电二极管，低速数据采集卡和傅立叶频率计，以及Sagnac干涉计作为系统关键元件，具有低成本、抗干扰性好、结构简单实用、能实现实时检测的优点。同时提供了实现该方法的设备。

本发明的方法包括以下步骤：

1、使用中心波长在光通信波段的单频连续半导体激光器作为光源，激光器3dB线宽小于等于0.1nm。光源发出的激光通过光纤隔离器和四端口3-dB光纤耦合器后，进入Sagnac环中。

2、激光进入Sagnac环后分为两路，其中一路首先经过长度已知的测量段单模光纤，再经过三端口3-dB光纤耦合器入射到FBG传感网络；入射光被传感网络上的串联的各个FBG反射，反射光经过三端口3-dB光纤耦合器回到Sagnac环中；回到Sagnac环的激光再经过声光调制器后，频率蓝移。所述的声光调制器中晶体材料为TeO₂，正弦信号发生器产生驱动信号驱动声光调制器，TeO₂晶体在超声波驱动下，形成布拉格光栅，多普勒效应使衍射的一级光发生频移；变频后的激光经过长度已知连接段单模光纤，最后回到四端口3-dB光纤耦合器；被传感网络上各个传感FBG反射的激光回到四端口3-dB光纤耦合器时相位增加量各不相同，其中被第i个传感FBG反射的激光相位增加量为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{1-i}=2\mathrm{\πn}[\frac{L_a+2L_i}{C}v+\frac{L_b}{C}(v+\mathrm{\Δv})]---\left(1\right)$

其中下标i表示传感网络上第i个传感FBG，Δφ_1-i为传感网络上第i个传感FBG反射的激光的相位增加量，n为单模光纤在频率为v时的折射率，C为光速，v为半导体激光器的中心频率，Δv为声光调制器的驱动频率，L_i为传感网络上第i个传感FBG与三端口3-dB光纤耦合器之间的光纤长度，L_a为测量段单模光纤的长度，L_b为连接段单模光纤的长度，L_a＞＞L_b。

另一路激光首先经过长度已知的连接段单模光纤，再经过声光调制器后，激光频率蓝移；变频后的激光经过三端口3-dB光纤耦合器入射到FBG传感网络；入射光被传感网络上的串联的各个FBG反射，反射光经过三端口3-dB光纤耦合器回到Sagnac环中；回到Sagnac环的激光再经过长度已知的测量段单模光纤，回到四端口3-dB光纤耦合器；被传感网络上各个传感FBG反射的激光回到四端口3-dB光纤耦合器时相位增加量各不相同，其中被第i个传感FBG反射的激光相位增加量为：

${\mathrm{\Δ\φ}}_{2-i}=2\mathrm{\πn}[\frac{L_b}{C}v+\frac{L_a+2L_i}{C}(v+\mathrm{\Δv})]+\mathrm{\π}---\left(2\right)$

其中Δφ_2-i为另一路传感网络上第i个传感FBG反射的激光的相位增加量。π为Sagnac干涉计引入的相位增加。

第i个FBG对应的两束激光在四端口3-dB光纤耦合器中发生干涉，透射的激光的相位分别为

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{Ti}}=2\mathrm{\πn}\frac{L_a+2L_i-L_b}{C}\mathrm{\Δv}+\mathrm{\π}---\left(3\right)$

声光调制器的驱动频率Δv按照ωt作线性变化，通过线性扫描，各个传感FBG反射的激光的透射光强分别按cos(f_it)变化

$f_{i}t=2\mathrm{\πn}\frac{L_a+2L_i-L_b}{C}\mathrm{\ωt}---\left(4\right)$

其中f_i为光强变化的频率。

3、透过Sagnac环的光波的强度由光电二极管探测，光强信号转化为电信号后，经数据采集卡，进行快速傅立叶变换(FFT)，在频谱上可以得到式(4)对应的各个峰。通过测量各个峰的频率f_i的大小可以得到各个峰对应的传感FBG在FBG传感网络上的位置L_i

$L_i=(\frac{C{f}_i}{2\mathrm{\πn\ω}}-L_a+L_b)/2---\left(5\right)$

4、频谱上各个峰的强度由对应的各个传感FBG中心波长与光源的中心波长的位置差的大小决定。改变各分测量光路中的FBG的中心波长向长波方向漂移，记录中心波长的移动量与频谱上对应的各个峰的强度改变的关系。

5、将各个FBG安装在需要传感的环境中，环境中待测物理量改变时，使用步骤4记录的数据，通过各个传感FBG在频谱对应的峰值的强度改变量，得到各个FBG中心波长的移动量，从而得到各个FBG所传感的环境物理量。

FBG的中心波长的波长漂移量与对应传感的环境的变化(微弯、温度、应力等变化)间的关系为现有技术。

实现上述方案的设备为：半导体激光器通过光纤隔离器与四端口3-dB光纤耦合器的一个输入端口光连接；四端口3-dB光纤耦合器的另一个输入端口与光电二极管的输入端光连接，光电二极管的输出端与数据采集卡的输入端电连接，数据采集卡的输出端与FFT分析仪电连接。

四端口3-dB光纤耦合器的两个输出端口通过单模光纤连接，单模光纤由声光调制器分为两段，分别为测量段单模光纤和连接段单模光纤，长度分别为L_a和L_b，L_a＞＞L_b。声光调制器的电驱动信号口与正弦信号发生器电连接。测量段单模光纤中插入三端口3-dB光纤耦合器，三端口3-dB光纤耦合器的输入端的两端口分别与两段测量段单模光纤连接，另一个端口与传感网络单模光纤连接。多个传感FBG依次串联在传感网络单模光纤上。

本发明中，声光调制器利用多普勒效应，可以在一定范围内精确改变经过调制器的光波的频率，是业内常用的一种光频变换器件。同时，Sagnac环对外界温度变化、机械振动等干扰不敏感。

本发明适用于一般性的FBG准分布式传感网络，与传统的FBG传感网络方案相比，采用了电子频率扫描，而不是使用低速的机械控制的波长扫描装置，能做到极高的响应速度，满足实时传感的要求；并且由于不需要短脉冲激光，高速光电二极管和高速数据采集卡，因此成本相对较低；另外由于传感网络连入Sagnac环中，设备抗外界温度波动以及机械扰动性能强。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明一具体实施例的定标数据。

具体实施方式

如图1所示，半导体激光器1通过光纤隔离器2与四端口3-dB光纤耦合器3的一个输入端口光连接；四端口3-dB光纤耦合器3的另一个输入端口与光电二极管4的输入端光连接，光电二极管4的输出端与数据采集卡5的输入端电连接，数据采集卡5的输出端与FFT分析仪6电连接。四端口3-dB光纤耦合器3的两个输出端口通过单模光纤连接，单模光纤由声光调制器8分为两段，分别为测量段单模光纤11和连接段单模光纤7，长度分别为L_a和L_b，L_a＞＞L_b。声光调制器8的电驱动信号口与正弦信号发生器9电连接。测量段单模光纤11中插入三端口3-dB光纤耦合器10，三端口3-dB光纤耦合器10的输入端的两端口分别与两段测量段单模光纤11连接，另一个端口与传感网络单模光纤13连接。多个传感FBG 12依次串联在传感网络单模光纤13上。

具体的检测方法包括以下步骤：

使用中心波长在光通信波段的单频连续半导体激光器作为光源，激光器3dB线宽小于等于0.1nm。光源发出的激光通过光纤隔离器和四端口3-dB光纤耦合器后，进入Sagnac环中。激光进入Sagnac环后分为两路，其中一路首先经过长度已知的测量段单模光纤，再经过三端口3-dB光纤耦合器入射到FBG传感网络；入射光被传感网络上的串联的各个FBG反射，反射光经过三端口3-dB光纤耦合器回到Sagnac环中；回到Sagnac环的激光再经过声光调制器后，频率蓝移。所述的声光调制器中晶体材料为TeO₂，正弦信号发生器产生驱动信号驱动声光调制器，TeO₂晶体在超声波驱动下，形成布拉格光栅，多普勒效应使衍射的一级光发生频移；变频后的激光经过长度已知连接段单模光纤，最后回到四端口3-dB光纤耦合器；被传感网络上各个传感FBG反射的激光回到四端口3-dB光纤耦合器时相位增加量各不相同，其中被第i个传感FBG反射的激光相位增加量为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{1-i}=2\mathrm{\πn}[\frac{L_a+2L_i}{C}v+\frac{L_b}{C}(v+\mathrm{\Δv})]---\left(1\right)$

其中下标i表示传感网络上第i个传感FBG，Δφ_1-i为传感网络上第i个传感FBG反射的激光的相位增加量，n为单模光纤在频率为v时的折射率，C为光速，v为半导体激光器的中心频率，Δv为声光调制器的驱动频率，L_i为传感网络上第i个传感FBG与三端口3-dB光纤耦合器之间的光纤长度，L_a为测量段单模光纤的长度，L_b为连接段单模光纤的长度，L_a＞＞L_b。

另一路激光首先经过长度已知的连接段单模光纤，再经过声光调制器后，激光频率蓝移；变频后的激光经过三端口3-dB光纤耦合器入射到FBG传感网络；入射光被传感网络上的串联的各个FBG反射，反射光经过三端口3-dB光纤耦合器回到Sagnac环中；回到Sagnac环的激光再经过长度已知的测量段单模光纤，回到四端口3-dB光纤耦合器；被传感网络上各个传感FBG反射的激光回到四端口3-dB光纤耦合器时相位增加量各不相同，其中被第i个传感FBG反射的激光相位增加量为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{2-i}=2\mathrm{\πn}[\frac{L_b}{C}v+\frac{L_a+2L_i}{C}(v+\mathrm{\Δv})]+\mathrm{\π}---\left(2\right)$

其中Δφ_2-i为另一路传感网络上第i个传感FBG反射的激光的相位增加量。π为Sagnac干涉计引入的相位增加。

第i个FBG对应的两束激光在四端口3-dB光纤耦合器中发生干涉，透射的激光的相位分别为

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{Ti}}=2\mathrm{\πn}\frac{L_a+2L_i-L_b}{C}\mathrm{\Δv}+\mathrm{\π}---\left(3\right)$

声光调制器的驱动频率Δv按照ωt作线性变化，通过线性扫描，各个传感FBG反射的激光的透射光强分别按cos(f_it)变化

$f_{i}t=2\mathrm{\πn}\frac{L_a+2L_i-L_b}{C}\mathrm{\ωt}---\left(4\right)$

其中f_i为光强变化的频率。

透过Sagnac环的光波的强度由光电二极管探测，光强信号转化为电信号后，经数据采集卡，进行快速傅立叶变换(FFT)，在频谱上可以得到式(4)对应的各个峰。通过测量各个峰的频率f_i的大小可以得到各个峰对应的传感FBG在FBG传感网络上的位置L_i

$L_i=(\frac{C{f}_i}{2\mathrm{\πn\ω}}-L_a+L_b)/2---\left(5\right)$

频谱上各个峰的强度由对应的各个传感FBG中心波长与光源的中心波长的位置差的大小决定。改变各分测量光路中的FBG的中心波长向长波方向漂移，记录中心波长的移动量与频谱上对应的各个峰的强度改变的关系。

将各个FBG安装在需要传感的环境中，环境中待测物理量改变时，使用定标的数据，通过各个传感FBG在频谱对应的峰值的强度改变量，得到各个FBG中心波长的移动量，从而得到各个FBG所传感的环境物理量。

Claims (2)

1、一种光纤光栅传感网络解调的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)使用中心波长在光通信波段的单频连续半导体激光器作为光源，激光器3dB线宽小于等于0.1nm；光源发出的激光通过光纤隔离器和四端口3-dB光纤耦合器后，进入萨尼亚克环中；

(2)激光进入萨尼亚克环后分为两路，其中一路首先经过长度已知的测量段单模光纤，再经过三端口3-dB光纤耦合器入射到布拉格光纤光栅传感网络；入射光被传感网络上的串联的各个布拉格光纤光栅反射，反射光经过三端口3-dB光纤耦合器回到萨尼亚克环中；回到萨尼亚克环的激光再经过声光调制器后，频率蓝移；

所述的声光调制器中晶体材料为TeO₂，正弦信号发生器产生驱动信号驱动声光调制器，TeO₂晶体在超声波驱动下，形成布拉格光栅，多普勒效应使衍射的一级光发生频移；变频后的激光经过长度已知连接段单模光纤，最后回到四端口3-dB光纤耦合器；被传感网络上各个布拉格光纤光栅反射的激光回到四端口3-dB光纤耦合器时相位增加量各不相同，其中被第i个布拉格光纤光栅反射的激光相位增加量为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{1-i}=2\mathrm{\πn}[\frac{L_a+2L_i}{\text{C}}v+\frac{L_b}{C}(v+\mathrm{\Δv})---\left(1\right)$

其中下标i表示传感网络上第i个布拉格光纤光栅，Δφ_1-i为传感网络上第i个布拉格光纤光栅反射的激光的相位增加量，n为单模光纤在频率为v时的折射率，C为光速，v为半导体激光器的中心频率，Δv为声光调制器的驱动频率，L_i为传感网络上第i个布拉格光纤光栅与三端口3-dB光纤耦合器之间的光纤长度，L_a为测量段单模光纤的长度，L_b为连接段单模光纤的长度，L_a＞＞L_b；

另一路激光首先经过长度已知的连接段单模光纤，再经过声光调制器后，激光频率蓝移；变频后的激光经过三端口3-dB光纤耦合器入射到布拉格光纤光栅传感网络；入射光被传感网络上的串联的各个布拉格光纤光栅反射，反射光经过三端口3-dB光纤耦合器回到萨尼亚克环中；回到萨尼亚克环的激光再经过长度已知的测量段单模光纤，回到四端口3-dB光纤耦合器；被传感网络上各个布拉格光纤光栅反射的激光回到四端口3-dB光纤耦合器时相位增加量各不相同，其中被第i个布拉格光纤光栅反射的激光相位增加量为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{2-i}=2\mathrm{\πn}[\frac{L_b}{C}v+\frac{L_a+2L_i}{C}(v+\mathrm{\Δv})]+\mathrm{\π}---\left(2\right)$

其中Δφ_2-i为另一路传感网络上第i个布拉格光纤光栅反射的激光的相位增加量，π为萨尼亚克干涉计引入的相位增加；

第i个布拉格光纤光栅对应的两束激光在四端口3-dB光纤耦合器中发生干涉，透射的激光的相位分别为

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{Ti}}=2\mathrm{\πn}\frac{L_a+2L_i-L_b}{C}\mathrm{\Δv}+\mathrm{\π}---\left(3\right)$

声光调制器的驱动频率Δv按照ωt作线性变化，通过线性扫描，各个布拉格光纤光栅反射的激光的透射光强分别按cos(f_it)变化

$f_{i}t=2\mathrm{\πn}\frac{L_a+2L_i-L_b}{C}\mathrm{\ωt}---\left(4\right)$

其中f_i为光强变化的频率；

(3)透过萨尼亚克环的光波的强度由光电二极管探测，光强信号转化为电信号后，经数据采集卡，进行快速傅立叶变换(FFT)，在频谱上可以得到式(4)对应的各个峰；通过测量各个峰的频率f_i的大小得到各个峰对应的布拉格光纤光栅在布拉格光纤光栅传感网络上的位置L_i

$L_i=(\frac{{\mathrm{Cf}}_i}{2\mathrm{\πn\ω}}-L_a+L_b)/2---\left(5\right)$

(4)频谱上各个峰的强度由对应的各个布拉格光纤光栅中心波长与光源的中心波长的位置差的大小决定，改变各分测量光路中的布拉格光纤光栅的中心波长向长波方向漂移，记录中心波长的移动量与频谱上对应的各个峰的强度改变的关系；

(5)将各个布拉格光纤光栅安装在需要传感的环境中，环境中待测物理量改变时，使用步骤4记录的数据，通过各个布拉格光纤光栅在频谱对应的峰值的强度改变量，得到各个布拉格光纤光栅中心波长的移动量，从而得到各个布拉格光纤光栅所传感的环境物理量。

2、如权利要求1所述的光纤光栅传感网络解调的方法所使用的设备，其特征在于：半导体激光器通过光纤隔离器与四端口3-dB光纤耦合器的一个输入端口光连接；四端口3-dB光纤耦合器的另一个输入端口与光电二极管的输入端光连接，光电二极管的输出端与数据采集卡的输入端电连接，数据采集卡的输出端与FFT分析仪电连接；

四端口3-dB光纤耦合器的两个输出端口通过单模光纤连接，单模光纤由声光调制器分为两段，分别为测量段单模光纤和连接段单模光纤，长度分别为L_a和L_b，L_a＞＞L_b；声光调制器的电驱动信号口与正弦信号发生器电连接；测量段单模光纤中插入三端口3-dB光纤耦合器，三端口3-dB光纤耦合器的输入端的两端口分别与两段测量段单模光纤连接，另一个端口与传感网络单模光纤连接；多个布拉格光纤光栅依次串联在传感网络单模光纤上。

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