CN102607618A - 一种光纤传感方法、光纤传感装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤传感方法、光纤传感装置及其使用方法。本发明的光纤传感方法采用使微波扫频信号调制的光单边带扫频信号通过光纤光栅的方法得到光纤光栅的传输函数曲线。本发明的光纤传感装置包括：微波扫频源、窄线宽激光器、宽带光单边带调制器、窄带光纤光栅传感器、光探测器、微波幅度相位信息提取模块、数据处理控制模块、显示模块。本发明还公开了一种上述光纤传感装置的使用方法。相比现有技术，本发明具有很高的传感精度和较大的测量范围，并可采用多个具有不同阻带中心波长的窄带光纤光栅级联的方式实现分布式传感。

Description

一种光纤传感方法、光纤传感装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种光纤传感方法及光纤传感装置，尤其涉及一种基于窄带光纤光栅的光纤传感方法及光纤传感装置，属于光纤传感、微波光子学技术领域。

背景技术

光纤传感是将来自光源的光经光纤送入感应器件，感应器件根据待测参数改变经其传输的光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等)，然后分析经过感应器件的光的光学性质，反演出待测参数。光纤传感具有灵敏度高、适用面广等优点，但其测量精度较大程度地依赖光学探测装置和方法的精确度。

以基于光纤光栅的光纤传感为例，该方法以光纤光栅的传输函数变化反映待测参数的变化。一般地，采用波长解调装置解调通过光纤光栅后的宽谱光信号的方法检测其传输函数。当前比较成熟且已商用的波长解调装置是基于法布里-珀罗干涉仪(FPI)实现的，其典型的结构如图1所示。其操作原理为：利用光环形器2将宽带光源1输出的光送至光纤光栅传感器3，并将光纤光栅反射的光经由光环行器2’送至法布里-珀罗干涉仪6。同时，通过数据处理控制单元5控制法布里-珀罗干涉仪6的谐振波长，扫描其谐振波长，当进入法布里-珀罗干涉仪6的反射光的波长与法布里-珀罗干涉仪的谐振波长相同时，该光信号将由光环形器2’送至光电探测器4，使其输出一个电信号至数据处理控制单元5。当数据处理控制单元5收到信号时，记录此时法布里-珀罗干涉仪的谐振波长，并根据谐振波长反演出待测参数。

受法布里-珀罗干涉仪精细度(一般小于1000)和扫描步长(一般大于7.5MHz)限制，该装置的光波长检测准确度不高，因此，传感精度较差、测量范围受限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种光纤传感方法、光纤传感装置及其使用方法，具有更高的传感精度和更广的测量范围。

具体而言，本发明采用以下技术方案解决上述技术问题。

一种光纤传感方法，利用宽带光单边带调制器将微波扫频源产生的微波信号调制到窄线宽激光器输出的光载波上，产生由光载波与一个光边带组成的光单边带信号；利用光探测器接收经窄带光纤光栅作用后的光单边带信号，经拍频将光单边带信号中载波和边带的幅度相位相对变化所携的光纤光栅传输函数信息传递到至其输出的微波信号中；以微波扫频源的输出信号为参考，利用微波幅度相位信息提取模块提取光探测器输出信号所携的光单边带信号中载波和边带的幅度相位相对变化的光纤光栅传输函数信息；通过数据处理控制模块，接收、存储和处理微波幅度相位信息提取模块提取的幅度相位信息，并反演出待测参数的变化。

一种光纤传感装置，该装置包括：

微波扫频源，用以产生频率可调谐的微波信号；

窄线宽激光器，用以产生窄线宽光载波信号；

宽带光单边带调制器，其光输入端口与所述窄线宽激光器连接，微波输入端口与所述微波扫频源输出端口连接；

窄带光纤光栅传感器，其输入端口与所述宽带光单边带调制器输出端口相连；

光探测器，用以接收经过窄带光纤光栅传感器传输的光单边带信号，并将其转化成微波信号；

微波幅度相位信息提取模块，以微波扫频源的输出信号为参考，提取光探测器输出微波信号的幅度和相位信息；

数据处理控制模块，接收、存储和处理微波幅度相位信息提取模块提取的幅度相位信息，并反演出窄带光纤光栅传感器感应到的待测参数的值，同时控制微波扫频源对频率的扫描；

显示模块，显示经数据处理控制模块处理后的结果。

进一步地，所述窄带光纤光栅传感器由多个具有不同阻带中心波长的窄带光纤光栅级联而成，从而可实现分布式传感。

一种如上所述光纤传感装置的使用方法，包括以下步骤：

光载波波长设置步骤：将窄线宽激光器的出射波长设置在窄带光纤光栅传感器的阻带中心波长附近的平坦响应处；

测量装置校准步骤：移除装置中的窄带光纤光栅，将宽带光单边带调制器输出端口与光探测器输入端口直接相连，其他装置不变，对微波扫频源的频率进行扫描，数据处理控制模块记录移除窄带光纤光栅后的***传输函数，以用于校正实际测量结果的校正；

测试步骤：将窄带光纤光栅置于待测环境中，对微波扫频源的频率进行扫描，数据处理控制模块记录传输函数，应用校准步骤所得的传输函数对记录的传递函数传输函数进行校准，通过数值拟合的方法获得校准后传递函数的陷波波长，并根据待测参数与陷波波长的关系反演出待测参数。

本发明采用使微波扫频信号调制的光单边带扫频信号通过光纤光栅的方法得到光纤光栅的传输函数曲线。由于窄线宽激光器输出的光载波线宽可小于100kHz，微波扫频信号的扫频间隔可小于50Hz且扫频范围可大于40GHz，所以可以得到较大频响范围(大于40GHz)和较小扫频间隔(小于100kHz)的传输函数曲线。这使得本发明的测量精度相当于基于精细度为40万的法布里-珀罗干涉仪的波长解调装置的方案。因此，相比现有技术，本发明具有很高的传感精度(大致为一般光纤光栅传感装置的几百至几千倍)和较大的测量范围。

附图说明

图1为一种现有采用法布里-珀罗干涉仪作为波长解调装置的传感装置的结构框图；其中，1为宽带光源，2、2’为光环形器，3为光纤光栅传感器，4为光电探测器，5为数据处理控制单元，6为法布里-珀罗干涉仪；

图2为本发明的光纤传感装置的结构框图；

图3(a)为本发明实施例的温度传感装置的结构框图；

图3(b)为本发明实施例的温度传感装置的频谱原理示意图；

图4为本发明实施例中宽带光单边带调制器的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的光纤传感装置，其结构如图2所示，包括：

微波扫频源，用以产生频率可调谐的微波信号；

窄线宽激光器，用以产生窄线宽光载波信号；

宽带光单边带调制器，其光输入端口与所述窄线宽激光器连接，微波输入端口与所述微波扫频源输出端口连接；

窄带光纤光栅传感器，其输入端口与所述宽带光单边带调制器输出端口相连；

光探测器，用以接收经过窄带光纤光栅传感器传输的光单边带信号，并将其转化成微波信号；

微波幅度相位信息提取模块，以微波扫频源的输出信号为参考，提取光探测器输出微波信号的幅度和相位信息；

数据处理控制模块，接收、存储和处理微波幅度相位信息提取模块提取的幅度相位信息，并反演出窄带光纤光栅传感器感应到的待测参数的值，同时控制微波扫频源对频率的扫描；

显示模块，显示经数据处理控制模块处理后的结果。

宽带光单边带调制器的光输入端口与窄线宽激光器相连，微波输入端口与微波扫频源输出端口相连，其后依次连接窄带光纤光栅传感器、光探测器、微波幅度相位信息提取模块、数据处理控制模块和显示模块。微波幅度相位信息提取模块的参考信号输入端口与微波扫频源的输出端口相连。数据处理控制模块的控制信号输出端口与微波扫频源的控制信号输入端口相连，其结果输出端口与显示模块相连。

宽带光单边带调制器将微波扫频源产生的微波信号调制到窄线宽激光器输出的光载波上，产生由光载波与一个光边带组成的光单边带信号。当该光单边带信号通过窄带光纤光栅传感器时，其载波和边带受到窄带光纤光栅传感器传输函数的作用，幅度和相位发生相对变化。光探测器对接收到的通过光纤光栅的光单边带信号拍频，得到携带光单边带信号中载波和边带幅度相位的相对变化信息的微波信号。微波幅度相位信息提取模块以微波扫频源输出的微波信号为参考，提取光探测器输出的微波信号的幅度和相位信息。用数据处理控制模块储存幅度值和相位值信息，并对存储的信息进行处理，从而得到待测参数的值。

实际测量时，首先，将光载波波长设置在窄带光纤光栅传感器陷波波长附近；然后，移除光纤光栅，宽带光单边带调制器的输出端口直接与光探测器的输入端口相连，对微波扫频源输出的微波信号进行频率扫描，得到没有级联窄带光纤光栅情况下的***传输函数；最后，将该***中级联的窄带光纤光栅置于待测环境中，扫描微波扫频源输出微波信号的频率，使数据处理控制模块得到光纤光栅的传输函数，再用没有级联窄带光纤光栅情况下得到的***传递函数对得到的光纤光栅传输函数进行校正，得到实际的光纤光栅传输函数，并由此反演出待测参数值。

要实现该传感装置的精确传感，以下条件必须满足：

(1)微波扫频源的扫频范围足够大且扫频间隔足够小；

(2)窄线宽激光器输出的连续光载波信号具有较窄的谱线宽度；

(3)宽带光单边带调制器输出的光单边带信号具有高边带抑制比；

(4)窄带光纤光栅传感器的传输函数具有深且窄的阻带。

利用本发明的光纤传感装置即可对温度、振动等待测参数进行精确测量。为了便于公众理解本发明的技术方案，下面举一个光纤温度传感装置的具体实施例。

该光纤温度传感装置的结构如图3(a)所示，由微波扫频源，窄线宽激光器、宽带光单边带调制器、窄带光纤光栅传感器、光探测器、微波幅度相位信息提取模块、数据处理控制模块和显示模块组成。其中，宽带光单边带调制器由90°微波定向耦合器和马赫-曾德尔双臂调制器组成；90°微波定向耦合器的输入端与所述微波扫频源的输出端连接，两个输出端分别与马赫-曾德尔双臂调制器(MZM)的两个微波输入端连接，马赫-曾德尔双臂调制器的光输入端口与所述窄线宽激光器连接，如图4所示，通过90°微波定向耦合器将输入的微波信号分成两路功率相等的正交信号，分别输入至马赫-曾德尔双臂调制器的两个微波输入端口。利用该调制器，将从微波输入端口输入的两路正交微波信号调制在从光输入端口输入的光载波上，产生由光载波和一个光边带组成的光单边带信号。微波幅度相位信息提取模块通过其内两个微波幅相检测器分别提取微波扫频信号源和光探测器输出的微波信号的幅度和相位，并将提取的幅度和相位信息送至数据处理控制模块。该装置的频谱原理如图3(b)所示，A为窄线宽激光器输出的光载波频谱图，B为经单边带调制器调制后得到的光单边带信号的频谱，C为受光纤光栅作用时的频谱图，虚线为光纤光栅的幅频响应曲线，D为经拍频后将光纤光栅光域幅频响应曲线移至电域，以便于被微波幅度相位信息提取模块所检测。

实际使用上述光纤温度传感装置时，按照以下步骤：

光载波波长设置步骤：将窄线宽激光器的出射波长设置在窄带光纤光栅传感器的阻带中心波长(即陷波波长)附近的平坦响应处；

测量装置校准步骤：移除装置中的窄带光纤光栅，将宽带光单边带调制器输出端口与光探测器输入端口直接相连，其他装置不变，对微波扫频源的频率进行扫描，数据处理控制模块记录移除窄带光纤光栅后的***传输函数H′(ω)，以用于实际测量结果的校正；

测试步骤：将窄带光纤光栅置于待测环境中，对微波扫频源的频率进行扫描，数据处理控制模块记录传输函数，应用校准步骤所得的传输函数对记录的传输函数进行校准，通过数值拟合的方法获得校准后传递函数的陷波波长，并根据待测参数与陷波波长的关系反演出待测参数。

下面对该光纤温度传感装置的工作原理进行简要介绍：

宽带光单边带调制器将微波扫频源产生的微波信号

调制到窄线宽激光器输出的光载波上，产生由光载波与一个光边带组成的光单边带信号

当光单边带信号通过窄带光纤光栅时，其光载波和边带受到***传输函数H(ω)+H′(ω)的作用，幅度和相位发生相对变化。得到的光单边带信号为：

在光探测器里，光单边带信号的载波与边带拍频得到微波信号：

此微波信号携带了光纤光栅传输函数的信息。通过微波幅度相位信息提取模块可获得E(ω_e)相对于微波扫频源输出的微波信号的幅度和相位变化的信息。由于载频ω_o是固定的，因此，H^*(ω_o)+H′^*(ω_o)是一个复常数，且α、A₀、A₁、

和均为已知常数，所以可得

其中α为光探测器响应系数，A₀为单边带信号中光载波的幅度，A₁为单边带信号中光边带的幅度，

为单边带信号中光载波的初始相位，

为单边带信号中光边带的初始相位，H^*(ω_o)为单边带信号中光载频处光纤光栅传输函数值的共轭，E(ω_e)为检测到的光探测器输出的微波信号相对于微波扫频源输出的微波信号的幅度和相位变化。

用没有级联窄带光纤光栅情况下得到的***传递函数H′(ω)对得到的光纤光栅传输函数H(ω)进行校正，得到实际的光纤光栅传输函数：

根据所得的窄带光纤光栅传输函数，我们可以得到窄带光纤光栅实际传输函数的阻带中心频点。由于阻带中心频点的偏移量包含了窄带光纤光栅传感器周围环境温度的信息，因此，可以通过数据处理控制模块反演出窄带光纤光栅周围环境温度。

本装置中，传感的实时性和测量范围主要由微波扫频源的扫频速率和扫频范围决定，而传感精度则由微波扫频源的扫频间隔和光载波线宽中的较大者决定。

本装置中，光单边带扫频信号是采用将微波扫频信号调制到光载波上的方式得到的，因此具有很高的分辨率，能精确的够获得阻带中心频点，从而实现高精度传感。同时，通过级联放置在不同位置的多个阻带中心频点不同的光纤光栅可实现高精度分布式温度传感。

Claims (5)

1.一种光纤传感方法，其特征在于，利用宽带光单边带调制器将微波扫频源产生的微波信号调制到窄线宽激光器输出的光载波上，产生由光载波与一个光边带组成的光单边带信号；利用光探测器接收经窄带光纤光栅作用后的光单边带信号，经拍频将光单边带信号所携的光纤光栅传输函数信息传递至其输出的微波信号中；以微波扫频源的输出信号为参考，利用微波幅度相位信息提取模块提取光探测器输出信号所携的光纤光栅传输函数信息；通过数据处理控制模块，接收、存储和处理微波幅度相位信息提取模块提取的幅度相位信息，并反演出待测参数的变化。

2.一种光纤传感装置，其特征在于，该装置包括：

微波扫频源，用以产生频率可调谐的微波信号；

窄线宽激光器，用以产生窄线宽光载波信号；

宽带光单边带调制器，其光输入端口与所述窄线宽激光器连接，微波输入端口与所述微波扫频源输出端口连接；

窄带光纤光栅传感器，其输入端口与所述宽带光单边带调制器输出端口相连；

光探测器，用以接收经窄带光纤光栅传感器传输的光单边带信号，并将其转化成微波信号；

微波幅度相位信息提取模块，以微波扫频源的输出信号为参考，提取光探测器输出微波信号的幅度和相位信息；

数据处理控制模块，接收、存储和处理微波幅度相位信息提取模块提取的幅度相位信息，并反演出窄带光纤光栅传感器感应到的待测参数的值，同时控制微波扫频源对频率的扫描；

显示模块，显示经数据处理控制模块处理后的结果。

3.如权利要求2所述光纤传感装置，其特征在于，所述窄带光纤光栅传感器由多个具有不同阻带中心波长的窄带光纤光栅级联而成。

4.如权利要求2所述光纤传感装置，其特征在于，所述宽带光单边带调制器由90°微波定向耦合器和马赫-曾德尔双臂调制器组成；90°微波定向耦合器的输入端与所述微波扫频源的输出端连接，两个输出端分别与马赫-曾德尔双臂调制器的两个微波输入端连接；马赫-曾德尔双臂调制器的光输入端口与所述窄线宽激光器连接。

5.如权利要求2所述光纤传感装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

光载波波长设置步骤：将窄线宽激光器的出射波长设置在窄带光纤光栅传感器的阻带中心波长附近的平坦响应处；

测量装置校准步骤：移除装置中的窄带光纤光栅，将宽带光单边带调制器输出端口与光探测器输入端口直接相连，其他装置不变，对微波扫频源的频率进行扫描，数据处理控制模块记录移除窄带光纤光栅后的***传输函数，以用于实际测量结果的校正；

测试步骤：将窄带光纤光栅置于待测环境中，对微波扫频源的频率进行扫描，数据处理控制模块记录传输函数，应用校准步骤所得的传输函数对记录的传输函数进行校准，通过数值拟合的方法获得校准后传递函数的陷波波长，并根据待测参数与陷波波长的关系反演出待测参数。

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