專利名稱：基于級聯長周期光纖光柵的Bragg光柵高速解調系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于級聯長周期光纖光柵的Bragg光柵高速解調系統，屬 于光纖智能材料結構健康監測領域。
背景技術：
光纖光柵傳感器的應用是一個方興未艾的領域,有著非常廣闊的發展前景,目 前限制光纖光柵傳感器大量實際應用最主要的障礙是傳感信號的解調。解調是利 用光纖光柵具有波長編碼的特點,通過波長解調可獲得傳感信號的變化狀態。研 究開發適用于實際工程應用的解調系統,降低成本,是光纖光柵傳感器能夠在實際 工程應用中得到推廣的至關重要的問題。
目前，光纖光柵傳感信號的實用化解調系統有以下幾種方案:(l)采用寬帶光源 和可調諧光纖F-P濾波器對傳感光纖光柵的反射譜進行濾波掃描，該解調方法存 在高精度的可調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陣列相結合的光譜成像技術進行波長分析，解調儀器體積大，不易攜 帶，不宜現場使用，更重要的是它不能輸出電信號，這對于測量結果的記錄、存 儲、顯示以及提供給控制回路必要的電信號以達到工業生產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，該解 調法結構簡單、成本低但精度不高。各國的研究者相繼提出了其他解調方法，如 可調諧窄帶激光源法、非平衡馬赫-曾德干涉儀法、傅立葉變換解調法，以及將 光纖光柵傳感元件用作光纖激光器腔鏡實現傳感測量等。
歐美等國傳感器的應用形式主要是以光纖Bragg光柵釆集信息，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 MICRONOPTICS公司的光纖BRAGG光柵-IS波長解調儀是這一領域先進技術的 代表。而國內的傳感技術與歐美等國相比，還存在一定的差距，特別是在光纖傳 感器的共性基礎技術、中間試驗技術、生產裝備技術方面尤為突出，但近年國內在光纖光柵傳感器及其解調方面已先后取得了一批應用前景廣泛的研究成果。
香港理工大學電機工程系和南開大學現代光學研究所合作，曾提出匹配光柵 調諧光纖激光器波長掃描尋址解調方案，即釆用光纖光柵作為光纖激光器的波長 調諧元件，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， 根據對應于光電探測器最大輸出的調諧步數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 系數據進行曲線擬合，通過擬合確定傳感光柵的中心反射波長值。這樣，提高了 解調分辨率，從而實現了高分辨率詢溫度及應變測量。
浙江大學信息與電子工程學系對干涉型光纖傳感器的相位載波調制-解調技 術進行了研究，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 使用壓電陶瓷相調器和復位系統引入較大的附加噪聲問題。因此，不僅適用于無 源檢測、遙測和陣列復用，而且在遠距離、惡劣環境、無源檢測和復用傳感系統 中有很大的應用前景。
清華大學精儀系精密測試技術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技術進行了研究，并對相位生成載波解調方法進行了的改 進，提出采用一個參考傳感器來監測光源頻率抖動或環境漂移的影響，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熱擾動的影響。
北京理工大學光電工程系在進行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原理,并指出采用3x3耦合 器解調技術是構成全光纖干涉型水聽器系統的優選方案。這是因為采用3x3耦合 器來使干涉儀的輸出成120。更可靠和穩定，因而簡便實用。
光學學報2004年第24卷第2期199 202頁報道了南開大學現代光學研究所對 長周期光纖光柵邊緣濾波線性解調方法進行了研究。解調方案為寬帶光源發出的 光經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,再經耦合 器均分成兩路光束。其中一束經線性濾波器到達光電檢測器。另一東直接檢測, 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、靜態測量，具
4有成本較低,使用方便等優點，但解調精度較低，且可解調的波長范圍小。
發明內容
本發明的目的在于提供一種監測精度高、速度快，波長范圍寬的光纖Bragg 光柵解調系統。
一種基于級聯長周期光纖光柵的Bragg光柵高速解調系統，其特征在于組成 如下寬帶光源通過單模光纖與Y型光纖耦合器的輸出端相連，該Y型光纖耦 合器的輸入端接光纖Bragg光柵，另 一輸出端通過另 一單模光纖依次接級聯長周 期光柵、高速光電探測器、調理電路、數據采集卡、計算機；上述級聯長周期 光柵，由至少兩個長周期光柵串聯而成，且每個長周期光柵中心波長相同，串聯 后的級聯長周期光柵的透射光譜與Bmgg光柵的反射光譜相交，該交點位于級聯 長周期光柵透射光譜線性段內。
由于級聯長周期光柵是透射型光纖器件，插入損耗低，系統利用了級聯長周 期的透射光，而光纖Bragg光柵是反射型光纖器件，反射率高，系統則利用了光 纖Bragg光柵的反射光。當光纖Bragg光柵中心波長變化后，光纖Bragg光柵反 射光信號通過級聯長周期光柵濾波后的光強會發生相應變化。釆用高速光電探測 器將光信號(輸出光強的變化量)轉化為電信號，光路部分輸出的光信號較弱， 經光電轉換后得到電壓信號也較微弱，設計了信號調理電路對信號進行放大、濾 波等。通過調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。
所述級聯長周期光柵由至少兩個長周期光柵串聯而成，且每個長周期光柵中 心波長相同，串聯后的級聯長周期光柵的透射光譜與Bragg光柵的反射光譜相 交，該交點位于級聯長周期光柵透射光譜線性段內。級聯長周期的透射光譜與普 通長周期光柵的光譜不同，由于該系統利用級聯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，因此經級聯長周期光柵濾波后的光強變化量較大，方便光電探測器監測， 多個長周期級聯可顯著提高解調的精度。
根據權力要求書，光纖Bragg光柵的反射光譜與級聯長周期光柵的透射光譜 的線性段相交，以保證調制后的光功率線性變化。級聯長周期光譜線性段的波長
5范圍大于單根長周期光柵，采用該方案可增加解調的波長范圍。
該發明為全光纖結構，無需機械部件調諧，解調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 本發明的解調速度高。
根據光纖Bmgg光柵的中心波長選擇與之匹配的級聯長周期光柵，光纖 Bmgg光柵的中心波長必須位于級聯長周期光柵光譜中心波長的左側線性段內或 右側線性段內。當光纖Bragg光柵的中心波長小于長周期光柵時(位于左側線性 段內)，隨著光纖Bragg光柵中心波長的增加，經級聯長周期調制后的諧振波長 對應的光功率逐漸減小，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，諧振波長對應的光功率逐漸 增大，反之，光功率減小。 本發明的有益效果是
1、 本發明提出的基于級聯長周期光柵的解調方案，利用了長周期光柵的帶 阻濾波特性，級聯長周期光柵周期長，無背向反射使長周期光柵在光路中不會對 光源產生干擾，制作簡單成本低，因此本發明有望代替現有昂貴的高速光纖 Bragg光柵解調設備。
2、 本發明釆用光強解調法，將光纖Bragg光柵中心波長的變化轉變為光強 的變化，由光電探測器將光信號轉變為電信號，方便測量結果的記錄，存儲和控 制。光電探測器和調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，節省成本。
3、 本發明將級聯長周期光柵特性于光纖光柵傳感器中心波長監測技術有效 地結合在一起，可用于航天飛行器、橋梁、大壩、水下建筑等的沖擊、振動監測。
圖l是基于級聯長周期光柵的Bragg光柵高速解調系統。 圖2是解調原理圖。
圖3是普通長周期光柵與級聯長周期光柵光譜對比圖。
圖4是級聯長周期光柵調制后的光譜圖。
圖5是調理電路。
圖中的標號名稱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.級聯長周期光柵，7.高速光電探測器，8.調理電路 9.數據采集卡，IO.計算機，ll.調零電路，12.交流放大電路，13.濾波電路。
具體實施例方式
由圖1可知，本發明的一種基于級聯長周期光纖光柵的Bragg光柵高速解調 系統的具體組成是，寬帶光源l (可用波長范圍為1520nm-1570nm的寬帶光源) 發出的光通過單模光纖2經由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Y型耦合器3耦合入級聯長周期光柵6進入到高速光電 探測器7。至此，光信號轉變為電壓信號，通過調理電路8將信號放大、濾波后 由數據采集卡9傳輸至計算機10顯示。
級聯長周期光柵由至少兩個長周期光柵串聯而成，且每個長周期光柵中心波 長相同，串聯后的級聯長周期光柵的透射光譜與Bragg光柵的反射光譜相交，該 交點位于級聯長周期光柵透射光譜線性段內。
基于級聯長周期光纖光柵的光纖Bragg光柵高速解調系統的工作方法包括 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%以上的光經光纖Bragg光柵反射，通過耦合器后入射至級聯長 周期光柵進行調制；
第三步，當光纖Bragg光柵的中心波長變化后，經長周期光柵調制后的光纖 Bragg光柵出射光強發生線性變化；
第四步，光電探測器將光功率變化轉化為電壓信號的變化，經過信號調理后 由數據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，設計友好的人機交互界面； 第七步，對解調系統進行標定。
圖2為解調原理示意圖。設光纖Bragg光柵的中心波長為A,當光纖Bmgg
光柵中心波長變化后，設光纖Bragg光柵反射光信號通過級聯長周期光柵濾波后 輸出光強的變化量A/與波長漂移量義—^的函數關系為F(人)，在光源波長近似為
線性的范圍內，該濾波函數可表示為
7<formula>formula see original document page 8</formula> (1)
假設Bragg光柵反射光為譜寬為的Gaussian分布，反射光強為
<formula>formula see original document page 8</formula>(2)
其中/。為信號光強，R為光纖光柵的反射率，A/l為反射峰的半峰寬度，A為線
性濾波器的比例系數，當光纖Bragg光柵反射光譜透過長周期光柵后光功率變 為
<formula>formula see original document page 8</formula> (3)
由(2), (3)式可得:
<formula>formula see original document page 8</formula>
(4)
通過測量i^可求出動態&值，這種方法是基于光強監測。
圖3是級聯長周期光柵、普通長周期光柵及光纖Bragg光柵的光譜圖，設中 心波長1530.360nrn的長周期光柵為LPFG1,中心波長為1530.040nm的長周期 光柵為LPFG2。級聯長周期光柵是由中心波長分別為1530.360nm及1530.040nm 的LPFG構成，由于LPFG制作工藝的局限，無法獲得兩個中心波長完全一致的 LPFG,使得級聯LPFG在1530nm波長附近存在光譜噪聲，故僅考慮波長在 1525nm- 1529nm、 1531nm - 1535nm范圍內的光譜。由LPFG光譜曲線可以看 出在1526nm - 1528nm、 1531nm - 1533nm波長范圍內光功率與波長可近似認為 成線性關系，而級聯LPFG光譜曲線在1526nm- 1529nm、 1531nm- 1534nm波 長范圍內光功率與波長可近似認為成線性關系，其中LPFG1透射譜在該段波長 范圍內斜率最小；級聯長周期的光譜斜率最大。光纖Bragg光柵反射光譜的中心 波長分別為1527.050nm、 1527.843nm，對應的光功率分別為-15.321dB 、 -15.923dB。由圖3可見光纖Bragg光柵反射光譜與LPFG2及級聯LPFG的透射 譜曲線相交，即LPFG2與級聯LPFG可作為邊緣濾波器對光纖Bragg光柵調制， 而LPFG1不能對光纖Bragg光柵進行調制。圖3僅為級聯兩個長周期光柵的光譜圖，當級聯多個長周期光柵時，斜率變化(增加)會更加明顯。
圖4是級聯長周期光柵調制后的光譜圖。在中心波長為1527.050nm的FBG 波長變化200nm同時中心波長為1527.843nm的FBG波長偏移500nm的情況下， 經LPFG2及級聯LPFG調制的FBG的出射譜變化情況見圖(a)、圖(b)所示。隨 著FBG中心波長的增加，諧振波長對應的光功率逐漸減小，通過圖(a)與圖(b)測 量結果的對比可得FBG在相同中心波長漂移情況下，經級聯LPFG調制后的光 強變化量較大。
圖5是調理電路示意圖，包括三個部分，分別是調零電路、交流放大電路和 濾波電路。在電子電路中，當微弱信號需要放大時， 一般要用到放大電路，為了 是運算放大器正常工作和放大輸出電壓信號準確，需采用調零電路。在動態信 號檢測過程中，由于光電轉換模塊有較大的輸出電壓基值，當相對電壓變化量較 小時，若直接將光電轉換模塊輸出的電信號放大，會導致放大器飽和、損壞數據 采集卡等，不利于數據采集和分析。設計調零電路，減去電壓基值，在光纖Bragg 光柵中心波長不變的情況下，調節電路中的變阻器使電路輸出電壓為零。通過光 電轉換和放大之后的信號多已受到干擾，信號幅值或相位發生畸變，出現噪聲， 因此需對信號進行濾波。
權利要求
1.一種基于級聯長周期光纖光柵的Bragg光柵高速解調系統，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)，另一輸出端通過另一單模光纖(5)依次接級聯長周期光柵(6)、高速光電探測器(7)、調理電路(8)、數據采集卡(9)、計算機(10)；上述級聯長周期光柵(6)，由至少兩個長周期光柵串聯而成，且每個長周期光柵中心波長相同，串聯后的級聯長周期光柵的透射光譜與Bragg光柵(4)的反射光譜相交，該交點位于級聯長周期光柵透射光譜線性段內。
全文摘要
本發明公開了一種基于級聯長周期光纖光柵(LPFG)的光纖Bragg光柵(FBG)高速解調系統，屬于光纖智能結構健康監測領域。系統包括寬帶光源(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)，另一輸出端接級聯長周期光柵(6)，級聯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理電路(8)連于與數據采集卡(9)相連的計算機(10)。該解調方法將級聯長周期光柵特性于光纖光柵傳感器中心波長監測技術有效地結合在一起，具有靈敏度高，解調速度高，成本低等優點，可用于航天飛行器、橋梁、大壩、水下建筑等的沖擊、振動監測。
文檔編號G02F2/00GK101650509SQ20091003521
公開日2010年2月17日 申請日期2009年9月15日 優先權日2009年9月15日
發明者張小麗, 捷 曾, 梁大開, 胡興柳, 蘆吉云, 觀 陸 申請人:南京航空航天大學