CN101324447A - 基于ccd和长周期光纤光栅的布拉格光栅传感解调*** - Google Patents
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Abstract
一种基于CCD和长周期光纤光栅的布拉格光栅传感解调***，它是把长周期光纤光栅(1)侧面紧贴在CCD(2)的表面，用不透光的盒子(3)把长周期光纤光栅和CCD密封在一起，长周期光纤光栅一端接光电探测器(4)，一端接布拉格光栅传感单元(7)；CCD和控制器(5)电连接，光电探测器、控制器和信号处理单元(6)电连接；光电探测器探测的数据和CCD控制器获得的数据一起送入信号处理单元，信号处理单元对两路数据处理得到布拉格光栅传感单元布拉格光栅的波长漂移量。信号处理单元根据CCD采集耦合到长周期光纤光栅包层的光功率和光电探测器采集透射过来的光功率，判断布拉格光栅传感单元光源的光功率波动。
Description
技术领域
本发明涉及基于电荷耦合器件(CCD)和长周期光纤光栅的布拉格光栅传感解调***，适用于光纤通信、光纤传感、交通信息工程及控制技术等领域。
背景技术
光纤布拉格光栅传感器的工作原理是将外界被测量的变化转变为布拉格波长的变化，因此如何检测布拉格波长的微小变化即对波长编码信号进行解调成了光纤布拉格光栅传感器实用化的关键问题。解调***就是用来完成测量布拉格波长的变化。只有通过解调***才能获取外界被测量的信息，实现传感的价值和意义，它在整个传感器***中起着举足轻重的作用。
光纤布拉格光栅传感具有光纤传输***的不带电、抗射频、抗电磁干扰、防燃、防爆、抗腐蚀、耐高压、耐电离辐射、重量轻、体积小及具有大信号传输带宽等优点，光纤光栅传感应用越来越广泛。
长周期光纤光栅的光谱中，一部分耦合到包层中，这部分能量为P1，余下的经过长周期光纤光栅继续向前传播，这部分的能量为P2，P1+P2就是光源的功率，长周期光纤光栅的每个透射峰的短波长侧或者长波长侧是上升的曲线或者下降的曲线，是波长的函数，因此P1和P2都是波长的函数【Erdogan T.Fibergrating spectra.[J].Lightwave Technology，Journal of，1997，15(8)：1277-1294.】。
解调方法常用的有笨重、价格昂贵的光谱仪法；采用可调谐光源以及光纤法布里-珀罗滤波加宽带光源的解调方法，这种方法，需要的器件复杂，成本高；非平衡马赫-曾德干涉仪的滤波原理对传感信号的波长变化量转化为相位变化量进行滤波解调，稳定性差，干涉仪相位变化范围决定其测量范围非常有限，并会出现绝对波长测量的损耗；匹配滤波法是利用另一个布拉格光栅(参考光栅)，在驱动元件的作用下借助外差载波技术来跟踪布拉格光栅(传感光栅)的波长变化，使得参考光栅的反射波长在某个时刻或某段时间内和传感光栅的反射波长一致，实现参考光栅对传感光栅信号的解调，这种方法扫描速度慢，驱动元件的非线性严重影响解调精度。目前也有采用CCD来解调的***，但是采用把端面的发射出来的光采用体光学元件把出射光分开解调【李学胜.CCD光谱成像技术在光纤光栅解调技术中的应用[D].黑龙江大学，2007；Zhou K.，Simpson A.G.，Chen X.，Zhang L.，Bennion I.Fiber Bragg grating sensor interrogation system usinga CCD side detection method with Superimposed blazed gratings.[J].PhotonicsTechnology Letters，IEEE，2004，16(6)：1549-1551】，或者需要附加光路来消除光源的波动影响。
由于上述光纤光栅传感解调方法的不足，光纤光栅传感解调技术是发挥光纤光栅传感优势和加快光纤光栅传感推进的拦路虎。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有的布拉格光栅传感解调方法的不足，提供一种基于CCD和长周期光纤光栅的布拉格光栅传感解调***。
本发明的技术方案：
一种基于CCD和长周期光纤光栅的布拉格光栅传感解调***，它是把长周期光纤光栅侧面紧贴在CCD的表面，用不透光的盒子把长周期光纤光栅和CCD密封在一起，长周期光纤光栅一端接光电探测器，一端接布拉格光栅传感单元；
CCD和控制器电连接，光电探测器、控制器和信号处理单元电连接；
光电探测器探测的数据和CCD控制器获得的数据一起送入信号处理单元，处理单元对两路数据处理得到布拉格光栅传感单元布拉格光栅的波长漂移量。
CCD采集耦合到长周期光纤光栅的包层中的光功率。
光电探测器采集经过长周期光纤光栅透射过来的光功率。
信号处理单元根据CCD采集耦合到长周期光纤光栅包层的光功率和光电探测器采集透射过来的光功率，判断布拉格光栅传感单元光源的光功率波动。
长周期光纤光栅的光谱宽度很宽，可以把部分能量耦合到包层中辐射出去；布拉格光栅的光谱较窄，能把特定波长的入射光反射回去。如果传感单元采用布拉格光栅反射回来的，经过长周期光纤光栅时，长周期光纤光栅把部分能量耦合到包层出来，部分直接经过长周期光纤光栅透射出来；耦合到包层的能量为P1，直接透射的能量为P2，布拉格光栅反射回来进入长周期光纤光栅的能量为P，P＝P1+P2。由于长周期光纤光栅的透射曲线是波长的函数，因此耦合到包层的能量P1和直接透射的能量P2也是波长的函数，当耦合到包层的能量P1增加时，直接透射的能量P2就减少，直接透射的能量P2减少的量就是耦合到包层的能量P1增加的量。因此本发明可以消除传感单元的光源功率波动的影响。
当传感单元在外界因素作用下，耦合到包层的能量P1由CCD检测，耦合到包层的能量可以得到，通过CCD测量得到的能量P1变化就可以计算出传感单元的波长变化，实现了传感单元波长解调。但是有时候，传感单元的光源功率会发生波动，对CCD来说，也是功率变化，导致计算出传感单元的布拉格光栅波长发生了变化，产生误报，但是这是时候把探测器测量的功率P2与CCD测量得到的能量P1运算，就可以推出是传感单元的光源波动所引起，消除传感单元光源波动引起的误差。
本发明的有益效果：采用长周期光纤光栅耦合到包层的功率变化来判断传感单元的布拉格光栅的波长变化，结构简单，体积小，成本低；利用长周期光纤光栅透射的光功率来校准光源的功率波动，不需要额外增加光路和光路元件，减少了额外的开销，并大大提高解调的精度。这对降低布拉格光栅解调成本，推进布拉格光栅传感应用，发挥布拉格光栅传感优势具有重要的意义。
附图说明
图1基于CCD和长周期光纤光栅的布拉格光栅传感解调***示意图。
图2长周期光纤光栅透射光谱图。
图3布拉格光栅反射光谱图。
图4长周期光纤光栅透射光谱图。
图5布拉格光栅反射光谱图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
实施例一
一种基于CCD和长周期光纤光栅的布拉格光栅传感解调***，它是把长周期光纤光栅1侧面紧贴在CCD 2的表面，用不透光的盒子3把长周期光纤光栅1和CCD 2密封在一起，长周期光纤光栅3一端接光电探测器4，一端接布拉格光栅传感单元7；
CCD 2和控制器5电连接，光电探测器4、控制器5和信号处理单元6电连接；
光电探测器4探测的数据和CCD2控制器5获得的数据一起送入信号处理单元6，处理单元对两路数据处理得到布拉格光栅传感单元7布拉格光栅的波长漂移量。
布拉格光栅传感单元7的布拉格光栅反射峰位于长周期光纤光栅1透射峰的长波长侧，受到被传感量的作用时，布拉格光栅反射波长向长波长方向移动，布拉格光栅传感单元7反射回来进入长周期光栅1的能量耦合到包层中的能量减少，透过长周期光纤光栅1的能量进入光电探测器4的能量增加；耦合到包层的能量P1由CCD检测，透过长周期光纤光栅的能量P2由光电探测器4检测，CCD检测得到的数据和光电探测器得到的数据输入到信号处理单元，信号处理单元6对两路数据处理得到布拉格光栅传感单元7布拉格光栅的波长漂移量；实现传感解调。
实施例二
器件连接同实施例一。
布拉格光栅传感单元7的布拉格光栅反射峰位于长周期光纤光栅1透射峰的短波长侧，受到被传感量的作用时，布拉格光栅反射波长向短波长方向移动，布拉格光栅传感元7反射回来进入长周期光栅1的能量耦合到包层中的能量减少，透过长周期光纤光栅1的能量进入光电探测器4的能量增加；耦合到包层的能量P1由CCD检测，透过长周期光纤光栅的能量P2由光电探测器4检测，CCD检测得到的数据和光电探测器得到的数据输入到信号处理单元，信号处理单元6对两路数据处理得到布拉格光栅传感单元7布拉格光栅的波长漂移量；实现传感解调。
实施例三
器件连接同实施例一。
布拉格光栅传感单元7的布拉格光栅反射峰位于长周期光纤光栅1透射峰的短或长波长侧，受到被传感量的作用时，布拉格光栅反射波长向短波长方向移动，布拉格光栅传感单元7反射回来进入长周期光栅1的能量耦合到包层中的能量减少或增加，透过长周期光纤光栅1的能量进入光电探测器4的能量增加或减少；耦合到包层的能量P1由CCD检测，透过长周期光纤光栅的能量P2由光电探测器4检测，CCD检测得到的数据和光电探测器得到的数据输入到信号处理单元，信号处理单元6对两路数据处理得到传感单元7布拉格光栅的波长漂移量；实现传感解调。
布拉格光栅传感单元7受到被传感量的作用时，布拉格光栅反射波长向长波长方向移动，与上述情况下的探测到的能量变化规律相反。
图2长周期光纤光栅透射光谱图、图3布拉格光栅反射光谱图。说明布拉格光栅传感单元7在长周期光栅1上的长波长侧的情况。
图4长周期光纤光栅透射光谱图、图5布拉格光栅反射光谱图。说明布拉格光栅传感单元7在长周期光栅1上的短波长侧的情况。
本发明所使用的器件均为市售器件。
Claims (4)
1.一种基于CCD和长周期光纤光栅的布拉格光栅传感解调***，特征在于：把长周期光纤光栅(1)侧面紧贴在CCD(2)的表面，用不透光的盒子(3)把长周期光纤光栅(1)和CCD(2)密封在一起，长周期光纤光栅(3)一端接光电探测器(4)，一端接布拉格光栅传感单元(7)；
CCD(2)和控制器(5)电连接，光电探测器(4)、控制器(5)和信号处理单元(6)电连接；
光电探测器(4)探测的数据和CCD(2)控制器(5)获得的数据一起送入信号处理单元(6)，信号处理单元对两路数据处理得到布拉格光栅传感单元(7)布拉格光栅的波长漂移量。
2.根据权利要求1所述的一种基于CCD和长周期光纤光栅的布拉格光栅传感解调***，其特征在于：CCD(2)采集耦合到长周期光纤光栅(1)的包层中的光功率。
3.根据权利要求1所述的一种基于CCD和长周期光纤光栅的布拉格光栅传感解调***，其特征在于：光电探测器(4)采集经过长周期光纤光栅(1)透射过来的光功率。
4.根据权利要求1所述的一种基于CCD和长周期光纤光栅的布拉格光栅传感解调***，其特征在于：信号处理单元(6)根据CCD(2)采集耦合到长周期光纤光栅(1)包层的光功率和光电探测器(4)采集透射过来的光功率，判断布拉格光栅传感单元(7)光源的光功率波动。
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2008
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