光纖傳感的波長解調方法

專利名稱：光纖傳感的波長解調方法
技術領域：
本發明應用于在光纖傳感，特別是光纖布拉格光柵(FBG)傳感中，凡 利用測定光波長變化來確定被傳感量(如溫度、應變等)變化的傳感應用。 屬于光纖傳感中的波長解調技術。
背景技術：
在光纖傳感中，有一些傳感是通過光波長的變化來反映被傳感量的變化 的，典型的是FBG。當外界被傳感量，如溫度或應變等發生變化時，由FBG 反射回來的光波長也發生相應的變化，二者存在一定的函數關系。如果測定 了反射光波長的變化，也就測定了欲傳感的物理量的變化，這個過程稱為波 長解調。
現有比較成熟的，并實現商用的波長解調裝置是采用法布里一珀羅(F-P) 干涉儀作為濾波器進行波長解調，其工作過程如圖1 (a)所示。寬帶光源1 發出的光經光耦合器2"傳到FBG 3，并有波長很窄的一部分光被反射回來， 反射光的波長隨FBG 3周圍被傳感物理量的變化而變化。反射光經耦合器2" 和第一耦合器2到達受壓電陶瓷7控制的F-P濾波器6。鋸齒波發生器8產生 的電壓信號驅動壓電陶瓷7，再帶動F-P濾波器6，對諧振波長進行掃描。當 諧振波長等于FBG 3反射回來的波長時，光又被反射回第一耦合器2，并傳 到第一PIN光電二極管4轉變為電信號。此時，記錄下鋸齒波的瞬時電壓幅 度，就能對應出F-P濾波器6的諧振波長，也就是FBG 3的反射波長，從而 實現波長解調。
應該強調指出的是，這種方法測量的是電壓幅度。 一般，幅度量易受外 界因素的干擾，測量精度不高。另外，該裝置比較復雜，價格昂貴，限制了相應光纖傳感的廣泛應用。
還有一些已報導的波長解調方法，這些方法都沒有進入商用階段，大多 都是將光波長的變化轉變成電信號的幅度變化，同樣存在易受干擾，測量精 度不高的問題。
圖1 (b)是實驗室中常用的用光譜分析儀9直接進行波長解調的方法。 這種方法看起來似乎很簡單，但光譜分析儀9十分昂貴，且龐大、笨重，不 能在實際工程中應用。

發明內容
本發明的目的是提出一種計數的方法進行光纖傳感的波長解調，該方法 完全避開了通過測量信號的幅度變化來測量波長的變化，具有抗干擾能力強， 測量精度高的優點。
本發明提出的光纖傳感的波長解調方法是一種在光纖傳感測量中，利用 對光纖環鏡輸出信號的計數方法來進行波長解調，利用短雙折射光纖環鏡的 輸出光強隨波長變化的單調特性，確定長雙折射光纖計數的方向的方法。其 采用的具體步驟為
1、將波長變化的光信號經光耦合器分為強度相等的兩束光，第一束光經 第一光耦合器分為強度相等的兩束光并分別沿順時針方向和逆時針方向繞著 由普通光纖、長雙折射光纖和偏振控制器組成的同一環路傳輸，然后返回第 一光耦合器，并同時輸出到第一 PIN光電二極管后轉變為電信號。第一PIN
光電二極管得到的第一透射率曲線a，如圖5所示。第二束光經第二光耦合器 分為強度相等的兩束光并分別沿順時針方向和逆時針方向繞著由另一普通光 纖、短雙折射光纖和偏振控制器組成的同一環路傳輸，然后返回第二光耦合 器，并同時輸出到第二PIN光電二極管后轉變為電信號。第二PIN光電二極 管得到的第二透射率曲線b，如圖5所示。其中的短雙折射光纖為使第二透射
率曲線b小于半個振動周期的雙折射光纖。
2、 對第一透射率曲線a的上升沿和下降沿都進行計數，利用第二透射率 曲線b的單調性判斷波長的增減，當第二透射率曲線b隨波長單調增時，對 第一透射率曲線a的計數增加，當第二透射率曲線b隨波長單調減時，對第
一透射率曲線a的計數減少。
3、 根據對第一透射率曲線a的最終計數值i ，利用公式A^AA計算出波 長的大小，其中，義為波長，A義為兩次計數間的波長差；從而確定了波長的 變化，完成波長解調。
其中所述的長雙折射光纖為使第一透射率曲線a每納米波長大于5個振 動周期的光纖。
其中，步驟2和3可通過由放大器和比較器組成的信號處理電路和單片 機來完成，具體步驟為(D、第一PIN光電二極管4、第二PIN光電二極管4' 輸出的電信號分別經第一放大器18和第二放大器18'進行放大。第一放大器 的輸出信號同時送給上升沿比較器19和下降沿比較器19，，基準電壓20作 為兩個比較器的比較電壓值。當信號電壓上升或下降越過基準電壓時，兩個 比較器分別會輸出計數信號，單片機5接收到該信號。
② 、在單片機5先后收到兩個比較器送來的計數信號時，分別先后將放 大器18'送來的信號進行兩次A/D轉換，然后將兩次轉換的值進行比較，由 短雙折射光纖環鏡輸出光強的單調性，可確定是進行加1運算還是減1運算， 然后進行運算。
③ 、單片機可將計數的結果轉換為對應的波長值，并驅動顯示器21將波 長值顯示出來。
圖3給出了利用雙折射光纖環鏡進行波長解調的原理圖。波長變化的光 信號由端口 15輸入到光耦合器中，在光耦合器的另一端分為強度相等的兩束
光并分別沿順時針方向和逆時針方向繞著由普通光纖、雙折射光纖和偏振控
制器組成的環路傳輸，然后返回耦合器，并同時輸出到PIN光電二極管后轉
變為電信號。電信號的大小反映了兩束光相干涉后光強度的變化，也就是雙 折射光纖環鏡的光強透射率的變化。該透射率的變化是與輸入光波長的變化
相關的，其函數關系如圖4所示。可以看出，光透射率隨波長呈周期性變化。 理論證明，變化的周期與雙折射光纖的長度近似成反比，也就是波長頻率與 雙折射光纖的長度近似成正比。如果采用較長的雙折射光纖，就可以得到如 圖5所示的波長頻率變化很快的透射率曲線。在圖5中，設測量時波長不斷 增加，在透射率的上升沿，如16點及下降沿，如17點，我們都進行計數， 這樣計數的多少就對應了波長的大小，也就是通過計數，能夠實現波長解調。 應該特別指出的是，上升沿和下降沿的計數點(如圖5中的16點和17點) 與波長的對應是穩定的，如果由于外界的干擾使透射率的幅度發生變化，則 圖5中曲線的峰值和谷值會發生改變，而計數點與波長的對應值不會發生改 變，所以計數波長解調的方法具有很強的抗干擾能力和很高的測量精確度。
雖然計數的方法具有上述優點，但還需要解決計數增減方向的判斷問題。 在計數過程中，存在兩種情況。 一種情況是當波長連續增加或連續減少時， 透射率上升沿和下降沿都交替出現，計數值應不斷增加或不斷減少。另一種 情況是當波長值先增后減或先減后增時，透射率上升沿和下降沿也都會交替 出現，這種情況的計數方向應是先增后減或先減后增。如何從相同的上升沿 和下降沿交替出現的現象中正確判斷上述兩種情況，使計數值與波長值能正 確對應是計數解調方法的關鍵問題。前面談到過，光纖環鏡透射率的波長周 期與雙折射光纖的長度近似成反比。采用很短的雙折射光纖，另外制作一個 光纖環鏡，使其透射率曲線在測量波長范圍內不能完成半個振動周期，這樣， 在測量波長范圍內，曲線隨波長的增減就是單調的了。利用長雙折射光纖環鏡計數，同時利用短雙折射光纖環鏡判斷計數增減方向。判斷的方法是測量 并比較相鄰兩次計數時的短雙折射光纖的透射率幅度值，由于透射率曲線隨 波長的變化是單調的，所以很容易判斷波長的增減方向，從而正確調整計數 的增減方向。應該說明的是，雖然這里采用了測量透射率幅度的方法，但只 是在短時間內定性地判斷相鄰兩次計數時刻的幅度大小，并沒有記錄幅度的 絕對值，所以，幅度量的不穩定性不會在這里造成什么影響。
本發明的波長解調方法完全避開了通過測量信號的幅度變化來測量波長 的變化，具有抗干擾能力強，測量精度高的優點。


圖1 (a):采用法布里一珀羅(F-P)干涉儀作為濾波器進行波長解調的裝置
圖1 (b):采用光譜分析儀直接進行波長解調的裝置 圖2:由雙光纖環鏡構成的傳感器計數光波長解調結構 圖3:利用雙折射光纖環鏡進行光纖傳感波長解調的原理圖 圖4:雙折射光纖環鏡透射率隨輸入光波長變化的函數關系
圖5:長雙折射光纖和短雙折射光纖分別構成的光纖環鏡的輸出光強(與透射 率成正比)隨輸入光波長變化的函數關系 圖6:單片機控制的電路處理系統結構 圖7:單片機程序流程圖
圖中，l一寬帶光源，2—第一光耦合器，2' —第二光耦合器，2"—光耦合 器，3—FBG， 4一第一PIN光電二極管，4'一第二PIN光電二極管，5 —單片 機，6—F-P濾波器，7 —壓電陶瓷，8 —鋸齒波發生器，9一光譜分析儀，10 一長雙折射光纖，IO，一短雙折射光纖，ll一第一光纖，11，一第二光纖，12 — 第一偏振控制器，12' —第二偏振控制器，13—硬紙筒，14一信號處理電路， 15 —光輸入端口， 16 —上升沿上的點，17—下降沿上的點，18—第一放大器，18' —第二放大器，19—上升沿比較器，19，—下降沿比較器，20—基準電壓，
21 —顯示器。
具體實施例方式
下面結合附圖具體說明本發明的優選實施例。
根據本發明提出的方法所設計的光纖傳感的波長解調裝置參見圖2，為進 行FBG傳感波長解調的實驗結構圖。包括將波長變化的光信號分為光強相等 的兩束光的光耦合器2"、兩個類似的光纖環鏡并接、PIN光電二極管、信號 處理電路14、單片機5及顯示器21。環鏡包括光耦合器，普通光纖，雙折射 光纖。第一光纖環鏡由第一光耦合器2及第一光纖11、長雙折射光纖IO、第 一偏振控制器12組成的環路構成。第二光纖環境由第二光耦合器2'及第二光 纖11'、短雙折射光纖10'、第二偏振控制器12'組成的環路構成。由第一、 第二環境輸出的光信號分別經第一 PIN光電二極管4、第二 PIN光電二極管4' 轉變為電信號，兩個PIN光電二極管接信號處理電路14，信號處理電路14 連接到單片機5上。
信號處理電路14包括兩個放大器、兩個比較器。其中，第一放大器18接 PIN光電二極管4將電信號放大，并輸出到上升沿比較器19和下降沿比較器 19'，第二放大器18'接單片機5。
雙折射光纖環鏡的長雙折射光纖10的長度為30米，將其繞在一個硬紙 筒13上。短雙折射光纖環鏡的短雙折射光纖10'的長度為0.05米。每個環鏡 都有一個光耦合器分別為第一光耦合器2和第二光耦合器2'及一個繞有3圈 普通光纖的第一偏振控制器12和第二偏振控制器12'。兩個環鏡的輸入端并 接，共同接收傳感器送來的波長變化的信號。它們的輸出端分別通過兩個PIN 光電二極管，將光信號轉換為電信號，并通過信號處理電路14送給單片機5， 由單片機5對信號進行處理及計數。
利用圖2的裝置，我們在1530nm到1570nm波長范圍內，對FBG 3的傳 感信號進行了波長解調，其波長分辨率可達0.067nm。采用方法的具體步驟如 下利用波長掃描光源從1530nm到1570nm范圍內對光波長進行連續掃描輸 出，并送入光耦合器2"。光耦合器2"將光分為等強度的兩束并分別經兩個光 纖環鏡到達PIN光電二極管4和4'，然后轉換為電信號送入信號處理電路14。 當第一光電二極管4輸出的信號電壓增加并越過基準電壓20時，上升沿比較 器19輸出高電平，給單片機5發出計數信號。單片機5立即啟動對放大器18' 送來的信號的A/D轉換。由于PIN光電二極管4輸出的是周期增減變化的信 號，隨后信號電壓會減小，并下落越過基準電壓20，此時下降沿比較器19'對 單片機5輸出計數的高電平信號，單片機5隨即對放大器18'送來的信號進行 第二次A/D轉換。如果單片機沒有接收到計數信號，則其會不斷査詢計數信 號輸入口的狀況。以上過程屬于流程圖7中判斷比較器"19和19'是否發出 計數信息？"，然后進行相應處理的部分。若單片機相繼收到兩次計數信號， 則其比較兩次A/D轉換的結果，如果后次轉換值大于前次轉換值，則計數值 i加1，相反，則i減1。這一過程屬于流程圖7中"比較結果是否符合加1 運算？"并進行運算的部分。在解調的過程中，如果需要顯示結果，單片機 會利用計數值i進行相應運算，并驅動顯示器21將傳感結果顯示出來，同時 單片機還會繼續査詢計數信號輸入口，進行新的計數。如果不需要顯示結果， 單片機就繼續計數。這一過程屬于流程圖7中"是否需要顯示結果？并進行 相應處理的部分。
由公式AX^Ao"(LAn)，可以計算出兩次相鄰計數所對應的波長間隔(如 圖5中16、 17點所對應的波長差)。式中，A人為相鄰兩次計數所對應的波長 差；Xo為測量波長范圍(1530nm到1570nm)的中心波長，這里Afl二1550nm; L二30m，為我們所使用的雙折射光纖的長度；An=0. 0012，為我們所使用的雙 折射光纖的折射率差。將相應數據代入公式，可計算出AX二0.067nm，或者 說，我們獲得了 0.067nm的波長解調分辨率。如圖5所示，這一結果與實驗 符合。若要進一步提高分辨率，由公式可知，只需增加雙折射光纖10的長度即可。
前面提到，可利用公式義^7U，根據某時刻的計數值i,計算出該時刻的 測量波長X ，并送顯示器21顯示。另外，利用測量波長與被傳感物理量的特 定函數關系，單片機還可計算出被傳感物理量的值，并通過顯示器顯示出來。
權利要求
1、光纖傳感的波長解調方法，其特征在于是利用對光纖環鏡輸出信號的計數方法來進行波長解調，利用短雙折射光纖環鏡的輸出光強隨波長變化的單調特性，確定長雙折射光纖計數的方向的方法，其采用的具體步驟為1)、將波長變化的光信號經光耦合器分為強度相等的兩束光，第一束光經第一光耦合器分為強度相等的兩束光并分別沿順時針方向和逆時針方向繞著由普通光纖、長雙折射光纖和偏振控制器組成的同一環路傳輸，然后返回第一光耦合器，并同時輸出到第一PIN光電二極管(4)，然后轉變為電信號；第一透射率曲線(a)為輸入到第一PIN光電二極管(4)的透射率曲線；第二束光經第二光耦合器分為強度相等的兩束光并分別沿順時針方向和逆時針方向繞著由另一普通光纖、短雙折射光纖和偏振控制器組成的同一環路傳輸，然后返回第二光耦合器，并同時輸出到第二PIN光電二極管(4’)，然后轉變為電信號；第二透射率曲線(b)為輸入到第二PIN光電二極管(4’)的透射率曲線，其中的短雙折射光纖為使第二透射率曲線(b)小于半個振動周期的雙折射光纖；2)、對第一透射率曲線(a)的上升沿和下降沿都進行計數，利用第二透射率曲線b的單調性判斷波長的增減，當第二透射率曲線(b)隨波長單調增時，對第一透射率曲線(a)的計數增加，當第二透射率曲線(b)隨波長單調減時，對第一透射率曲線(a)的計數減少；3)、根據對第一透射率曲線(a)的最終計數值i，利用公式λ＝iΔλ計算出波長的大小，其中，λ為波長，Δλ為兩次計數間的波長差，從而確定波長的變化，完成波長解調。
2、 根據權利要求1所述的光纖傳感的波長解調方法，其特征在于所述的長 雙折射光纖為使第一透射率曲線(a)每納米波長大于5個振動周期的光纖。
3、 根據權利要求1所述的光纖傳感的波長解調方法，其特征在于所述的步驟2)和3)可通過由放大器和比較器組成的信號處理電路和單片機來完成， 具體步驟為(D、第一PIN光電二極管(4)、第二PIN光電二極管(4')輸 出的電信號分別經第一放大器(18)和第二放大器(18，)進行放大；第一放 大器的輸出信號同時送給上升沿比較器(19)和下降沿比較器(19，)，基準電 壓(20)作為兩個比較器的比較電壓值；當信號電壓上升或下降越過基準電 壓時，兩個比較器分別會輸出計數信號，單片機(5)接收到該信號；0)、在單片機(5)先后收到兩個比較器送來的計數信號時，分別先后將 放大器(18')送來的信號進行兩次A/D轉換，然后將兩次轉換的值進行比較， 由短雙折射光纖環鏡輸出光強的單調性，確定是進行加1運算還是減1運算， 然后進行運算；③、單片機將計數的結果轉換為對應的波長值，并驅動顯示器(21)將 波長值顯示出來。
全文摘要
光纖傳感的波長解調方法，屬于光纖傳感中的波長解調技術。是利用對光纖環鏡輸出信號的計數方法來進行波長解調，利用短雙折射光纖環鏡的輸出光強隨波長變化的單調特性，確定長雙折射光纖計數的方向的方法。計數可通過由放大器和比較器組成的信號處理電路和單片機來完成。本發明完全避開了通過測量信號的幅度變化來測量波長的變化，具有抗干擾能力強，測量精度高的優點。
文檔編號G01D5/26GK101196410SQ20061016983
公開日2008年6月11日 申請日期2006年12月29日 優先權日2006年12月29日
發明者何士雅, 胡曙陽, 趙啟大 申請人:北京工業大學