專利名稱：一種光纖傳感方法、光纖傳感裝置及其使用方法
技術領域：
本發明涉及一種光纖傳感方法及光纖傳感裝置，尤其涉及一種基于窄帶光纖光柵的光纖傳感方法及光纖傳感裝置，屬于光纖傳感、微波光子學技術領域。
背景技術：
光纖傳感是將來自光源的光經光纖送入感應器件，感應器件根據待測參數改變經其傳輸的光的光學性質(如光的強度、波長、頻率、相位、偏振態等)，然后分析經過感應器件的光的光學性質，反演出待測參數。光纖傳感具有靈敏度高、適用面廣等優點，但其測量精度較大程度地依賴光學探測裝置和方法的精確度。以基于光纖光柵的光纖傳感為例，該方法以光纖光柵的傳輸函數變化反映待測參數的變化。一般地，采用波長解調裝置解調通過光纖光柵后的寬譜光信號的方法檢測其傳輸函數。當前比較成熟且已商用的波長解調裝置是基于法布里-珀羅干涉儀(FPI)實現的， 其典型的結構如圖I所示。其操作原理為利用光環形器2將寬帶光源I輸出的光送至光纖光柵傳感器3，并將光纖光柵反射的光經由光環行器2’送至法布里-珀羅干涉儀6。同時，通過數據處理控制單元5控制法布里-珀羅干涉儀6的諧振波長，掃描其諧振波長，當進入法布里-珀羅干涉儀6的反射光的波長與法布里-珀羅干涉儀的諧振波長相同時，該光信號將由光環形器2 ’送至光電探測器4，使其輸出一個電信號至數據處理控制單元5。當數據處理控制單元5收到信號時，記錄此時法布里-珀羅干涉儀的諧振波長，并根據諧振波長反演出待測參數。受法布里-珀羅干涉儀精細度(一般小于1000)和掃描步長(一般大于7. 5MHz) 限制，該裝置的光波長檢測準確度不高，因此，傳感精度較差、測量范圍受限。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術的不足，提供一種光纖傳感方法、 光纖傳感裝置及其使用方法，具有更高的傳感精度和更廣的測量范圍。具體而言，本發明采用以下技術方案解決上述技術問題。—種光纖傳感方法，利用寬帶光單邊帶調制器將微波掃頻源產生的微波信號調制到窄線寬激光器輸出的光載波上，產生由光載波與一個光邊帶組成的光單邊帶信號；利用光探測器接收經窄帶光纖光柵作用后的光單邊帶信號，經拍頻將光單邊帶信號中載波和邊帶的幅度相位相對變化所攜的光纖光柵傳輸函數信息傳遞到至其輸出的微波信號中；以微波掃頻源的輸出信號為參考，利用微波幅度相位信息提取模塊提取光探測器輸出信號所攜的光單邊帶信號中載波和邊帶的幅度相位相對變化的光纖光柵傳輸函數信息；通過數據處理控制模塊，接收、存儲和處理微波幅度相位信息提取模塊提取的幅度相位信息，并反演出待測參數的變化。一種光纖傳感裝置，該裝置包括微波掃頻源，用以產生頻率可調諧的微波信號；
窄線寬激光器，用以產生窄線寬光載波信號； 寬帶光單邊帶調制器，其光輸入端口與所述窄線寬激光器連接，微波輸入端口與所述微波掃頻源輸出端口連接；窄帶光纖光柵傳感器，其輸入端口與所述寬帶光單邊帶調制器輸出端口相連；光探測器，用以接收經過窄帶光纖光柵傳感器傳輸的光單邊帶信號，并將其轉化成微波信號；微波幅度相位信息提取模塊，以微波掃頻源的輸出信號為參考，提取光探測器輸出微波信號的幅度和相位信息；數據處理控制模塊，接收、存儲和處理微波幅度相位信息提取模塊提取的幅度相位信息，并反演出窄帶光纖光柵傳感器感應到的待測參數的值，同時控制微波掃頻源對頻率的掃描；顯示模塊，顯示經數據處理控制模塊處理后的結果。進一步地，所述窄帶光纖光柵傳感器由多個具有不同阻帶中心波長的窄帶光纖光柵級聯而成，從而可實現分布式傳感。一種如上所述光纖傳感裝置的使用方法，包括以下步驟光載波波長設置步驟將窄線寬激光器的出射波長設置在窄帶光纖光柵傳感器的阻帶中心波長附近的平坦響應處；測量裝置校準步驟移除裝置中的窄帶光纖光柵，將寬帶光單邊帶調制器輸出端口與光探測器輸入端口直接相連，其他裝置不變，對微波掃頻源的頻率進行掃描，數據處理控制模塊記錄移除窄帶光纖光柵后的系統傳輸函數，以用于校正實際測量結果的校正；測試步驟將窄帶光纖光柵置于待測環境中，對微波掃頻源的頻率進行掃描，數據處理控制模塊記錄傳輸函數，應用校準步驟所得的傳輸函數對記錄的傳遞函數傳輸函數進行校準，通過數值擬合的方法獲得校準后傳遞函數的陷波波長，并根據待測參數與陷波波長的關系反演出待測參數。本發明采用使微波掃頻信號調制的光單邊帶掃頻信號通過光纖光柵的方法得到光纖光柵的傳輸函數曲線。由于窄線寬激光器輸出的光載波線寬可小于100kHz，微波掃頻信號的掃頻間隔可小于50Hz且掃頻范圍可大于40GHz，所以可以得到較大頻響范圍(大于 40GHz)和較小掃頻間隔(小于IOOkHz)的傳輸函數曲線。這使得本發明的測量精度相當于基于精細度為40萬的法布里-珀羅干涉儀的波長解調裝置的方案。因此，相比現有技術， 本發明具有很高的傳感精度(大致為一般光纖光柵傳感裝置的幾百至幾千倍)和較大的測量范圍。
圖I為一種現有采用法布里-珀羅干涉儀作為波長解調裝置的傳感裝置的結構框圖；其中，I為寬帶光源，2、2’為光環形器，3為光纖光柵傳感器，4為光電探測器，5為數據處理控制單元，6為法布里-珀羅干涉儀；圖2為本發明的光纖傳感裝置的結構框圖；圖3(a)為本發明實施例的溫度傳感裝置的結構框圖；圖3 (b)為本發明實施例的溫度傳感裝置的頻譜原理示意圖4為本發明實施例中寬帶光單邊帶調制器的原理框圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的技術方案進行詳細說明本發明的光纖傳感裝置，其結構如圖2所示，包括微波掃頻源，用以產生頻率可調諧的微波信號；窄線寬激光器，用以產生窄線寬光載波信號；寬帶光單邊帶調制器，其光輸入端口與所述窄線寬激光器連接，微波輸入端口與所述微波掃頻源輸出端口連接；窄帶光纖光柵傳感器，其輸入端口與所述寬帶光單邊帶調制器輸出端口相連；光探測器，用以接收經過窄帶光纖光柵傳感器傳輸的光單邊帶信號，并將其轉化成微波信號；微波幅度相位信息提取模塊，以微波掃頻源的輸出信號為參考，提取光探測器輸出微波信號的幅度和相位信息；數據處理控制模塊，接收、存儲和處理微波幅度相位信息提取模塊提取的幅度相位信息，并反演出窄帶光纖光柵傳感器感應到的待測參數的值，同時控制微波掃頻源對頻率的掃描；顯示模塊，顯示經數據處理控制模塊處理后的結果。寬帶光單邊帶調制器的光輸入端口與窄線寬激光器相連，微波輸入端口與微波掃頻源輸出端口相連，其后依次連接窄帶光纖光柵傳感器、光探測器、微波幅度相位信息提取模塊、數據處理控制模塊和顯示模塊。微波幅度相位信息提取模塊的參考信號輸入端口與微波掃頻源的輸出端口相連。數據處理控制模塊的控制信號輸出端口與微波掃頻源的控制信號輸入端口相連，其結果輸出端口與顯示模塊相連。寬帶光單邊帶調制器將微波掃頻源產生的微波信號調制到窄線寬激光器輸出的光載波上，產生由光載波與一個光邊帶組成的光單邊帶信號。當該光單邊帶信號通過窄帶光纖光柵傳感器時，其載波和邊帶受到窄帶光纖光柵傳感器傳輸函數的作用，幅度和相位發生相對變化。光探測器對接收到的通過光纖光柵的光單邊帶信號拍頻，得到攜帶光單邊帶信號中載波和邊帶幅度相位的相對變化信息的微波信號。微波幅度相位信息提取模塊以微波掃頻源輸出的微波信號為參考，提取光探測器輸出的微波信號的幅度和相位信息。用數據處理控制模塊儲存幅度值和相位值信息，并對存儲的信息進行處理，從而得到待測參數的值。實際測量時，首先，將光載波波長設置在窄帶光纖光柵傳感器陷波波長附近；然后，移除光纖光柵，寬帶光單邊帶調制器的輸出端口直接與光探測器的輸入端口相連，對微波掃頻源輸出的微波信號進行頻率掃描，得到沒有級聯窄帶光纖光柵情況下的系統傳輸函數；最后，將該系統中級聯的窄帶光纖光柵置于待測環境中，掃描微波掃頻源輸出微波信號的頻率，使數據處理控制模塊得到光纖光柵的傳輸函數，再用沒有級聯窄帶光纖光柵情況下得到的系統傳遞函數對得到的光纖光柵傳輸函數進行校正，得到實際的光纖光柵傳輸函數，并由此反演出待測參數值。要實現該傳感裝置的精確傳感，以下條件必須滿足
(I)微波掃頻源的掃頻范圍足夠大且掃頻間隔足夠小；(2)窄線寬激光器輸出的連續光載波信號具有較窄的譜線寬度；(3)寬帶光單邊帶調制器輸出的光單邊帶信號具有高邊帶抑制比；(4)窄帶光纖光柵傳感器的傳輸函數具有深且窄的阻帶。利用本發明的光纖傳感裝置即可對溫度、振動等待測參數進行精確測量。為了便于公眾理解本發明的技術方案，下面舉一個光纖溫度傳感裝置的具體實施例。該光纖溫度傳感裝置的結構如圖3(a)所示，由微波掃頻源，窄線寬激光器、寬帶光單邊帶調制器、窄帶光纖光柵傳感器、光探測器、微波幅度相位信息提取模塊、數據處理控制模塊和顯示模塊組成。其中，寬帶光單邊帶調制器由90°微波定向耦合器和馬赫-曾德爾雙臂調制器組成；90°微波定向耦合器的輸入端與所述微波掃頻源的輸出端連接，兩個輸出端分別與馬赫-曾德爾雙臂調制器(MZM)的兩個微波輸入端連接，馬赫-曾德爾雙臂調制器的光輸入端口與所述窄線寬激光器連接，如圖4所示，通過90°微波定向耦合器將輸入的微波信號分成兩路功率相等的正交信號，分別輸入至馬赫-曾德爾雙臂調制器的兩個微波輸入端口。利用該調制器，將從微波輸入端口輸入的兩路正交微波信號調制在從光輸入端口輸入的光載波上，產生由光載波和一個光邊帶組成的光單邊帶信號。微波幅度相位信息提取模塊通過其內兩個微波幅相檢測器分別提取微波掃頻信號源和光探測器輸出的微波信號的幅度和相位，并將提取的幅度和相位信息送至數據處理控制模塊。該裝置的頻譜原理如圖3(b)所示，A為窄線寬激光器輸出的光載波頻譜圖，B為經單邊帶調制器調制后得到的光單邊帶信號的頻譜，C為受光纖光柵作用時的頻譜圖，虛線為光纖光柵的幅頻響應曲線，D為經拍頻后將光纖光柵光域幅頻響應曲線移至電域，以便于被微波幅度相位信息提取模塊所檢測。實際使用上述光纖溫度傳感裝置時，按照以下步驟光載波波長設置步驟將窄線寬激光器的出射波長設置在窄帶光纖光柵傳感器的阻帶中心波長(即陷波波長)附近的平坦響應處；測量裝置校準步驟移除裝置中的窄帶光纖光柵，將寬帶光單邊帶調制器輸出端口與光探測器輸入端口直接相連，其他裝置不變，對微波掃頻源的頻率進行掃描，數據處理控制模塊記錄移除窄帶光纖光柵后的系統傳輸函數H' ( )，以用于實際測量結果的校正；測試步驟將窄帶光纖光柵置于待測環境中，對微波掃頻源的頻率進行掃描，數據處理控制模塊記錄傳輸函數，應用校準步驟所得的傳輸函數對記錄的傳輸函數進行校準， 通過數值擬合的方法獲得校準后傳遞函數的陷波波長，并根據待測參數與陷波波長的關系反演出待測參數。下面對該光纖溫度傳感裝置的工作原理進行簡要介紹寬帶光單邊帶調制器將微波掃頻源產生的微波信號盡周制到窄線寬激光器輸出的光載波尾=4/ 上，產生由光載波與一個光邊帶組成的光單邊帶信號 Eossb = A0el(^+A/[(a,^)t+n]。當光單邊帶信號通過窄帶光纖光柵時，其光載波和邊帶受到系統傳輸函數H( )+H' (co)的作用，幅度和相位發生相對變化。得到的光單邊帶信號為
權利要求
1.一種光纖傳感方法，其特征在于，利用寬帶光單邊帶調制器將微波掃頻源產生的微波信號調制到窄線寬激光器輸出的光載波上，產生由光載波與一個光邊帶組成的光單邊帶信號；利用光探測器接收經窄帶光纖光柵作用后的光單邊帶信號，經拍頻將光單邊帶信號所攜的光纖光柵傳輸函數信息傳遞至其輸出的微波信號中；以微波掃頻源的輸出信號為參考，利用微波幅度相位信息提取模塊提取光探測器輸出信號所攜的光纖光柵傳輸函數信息；通過數據處理控制模塊，接收、存儲和處理微波幅度相位信息提取模塊提取的幅度相位信息，并反演出待測參數的變化。
2.一種光纖傳感裝置，其特征在于，該裝置包括微波掃頻源，用以產生頻率可調諧的微波信號；窄線寬激光器，用以產生窄線寬光載波信號；寬帶光單邊帶調制器，其光輸入端口與所述窄線寬激光器連接，微波輸入端口與所述微波掃頻源輸出端口連接；窄帶光纖光柵傳感器，其輸入端口與所述寬帶光單邊帶調制器輸出端口相連；光探測器，用以接收經窄帶光纖光柵傳感器傳輸的光單邊帶信號，并將其轉化成微波信號;微波幅度相位信息提取模塊，以微波掃頻源的輸出信號為參考，提取光探測器輸出微波信號的幅度和相位信息；數據處理控制模塊，接收、存儲和處理微波幅度相位信息提取模塊提取的幅度相位信息，并反演出窄帶光纖光柵傳感器感應到的待測參數的值，同時控制微波掃頻源對頻率的掃描;顯示模塊，顯示經數據處理控制模塊處理后的結果。
3.如權利要求2所述光纖傳感裝置，其特征在于，所述窄帶光纖光柵傳感器由多個具有不同阻帶中心波長的窄帶光纖光柵級聯而成。
4.如權利要求2所述光纖傳感裝置，其特征在于，所述寬帶光單邊帶調制器由90°微波定向耦合器和馬赫-曾德爾雙臂調制器組成；90°微波定向耦合器的輸入端與所述微波掃頻源的輸出端連接，兩個輸出端分別與馬赫-曾德爾雙臂調制器的兩個微波輸入端連接；馬赫-曾德爾雙臂調制器的光輸入端口與所述窄線寬激光器連接。
5.如權利要求2所述光纖傳感裝置的使用方法，其特征在于，包括以下步驟光載波波長設置步驟將窄線寬激光器的出射波長設置在窄帶光纖光柵傳感器的阻帶中心波長附近的平坦響應處；測量裝置校準步驟移除裝置中的窄帶光纖光柵，將寬帶光單邊帶調制器輸出端口與光探測器輸入端口直接相連，其他裝置不變，對微波掃頻源的頻率進行掃描，數據處理控制模塊記錄移除窄帶光纖光柵后的系統傳輸函數，以用于實際測量結果的校正；測試步驟將窄帶光纖光柵置于待測環境中，對微波掃頻源的頻率進行掃描，數據處理控制模塊記錄傳輸函數，應用校準步驟所得的傳輸函數對記錄的傳輸函數進行校準，通過數值擬合的方法獲得校準后傳遞函數的陷波波長，并根據待測參數與陷波波長的關系反演出待測參數。
全文摘要
本發明公開了一種光纖傳感方法、光纖傳感裝置及其使用方法。本發明的光纖傳感方法采用使微波掃頻信號調制的光單邊帶掃頻信號通過光纖光柵的方法得到光纖光柵的傳輸函數曲線。本發明的光纖傳感裝置包括微波掃頻源、窄線寬激光器、寬帶光單邊帶調制器、窄帶光纖光柵傳感器、光探測器、微波幅度相位信息提取模塊、數據處理控制模塊、顯示模塊。本發明還公開了一種上述光纖傳感裝置的使用方法。相比現有技術，本發明具有很高的傳感精度和較大的測量范圍，并可采用多個具有不同阻帶中心波長的窄帶光纖光柵級聯的方式實現分布式傳感。
文檔編號G01D5/353GK102607618SQ20121003918
公開日2012年7月25日 申請日期2012年2月21日 優先權日2012年2月21日
發明者劉建國, 唐震宙, 梁洪剛, 潘時龍, 王超, 祝寧華, 薛敏, 趙永久, 韓威, 顧曉文 申請人:南京航空航天大學