CN104215605A - 一种快速的光纤光栅解调***的动态定标方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于可调谐F-P光滤波器的FBG解调***动态定标方法，属光纤光栅(FBG)解调技术领域。装置包括可调激光光源、环形器、光纤光栅、光电探测器、梳状滤波器、乙炔气体单元及数字信号处理单元。该方法利用联合梳状滤波器与乙炔气体的吸收谱，对可调谐F-P滤波器进行动态定标的方法，消除了PZT的非线性与不稳定性对测量带来的影响，解决了传统解调***中参考光栅数目对解调精度的限制。该方法使得光纤光栅解调***达到了低成本、快速、高精度的测量要求。
Description
技术领域
本发明涉及光纤光栅解调温度及应变定标方法，尤其是一种基于可调谐F-P光滤波器的FBG解调***动态定标方法，属光纤传感技术领域。
背景技术
分布式光纤传感***可以实现对输油管道、铁轨、路基等大型管线的应变、温度等参量的长期监控，在基础设施的结构健康监测中具有广泛的应用前景。但是，分布式光纤传感***一般采用检测光纤中布里渊散射或瑞利散射光的方法，完成一次有效测量的时间长达几十秒～几分钟，因此分布式光纤传感***不适用于实时性要求较高的监测场合；此外，对于分布式光纤传感***，需要在施工时将光纤预埋在待测物体内，限制了***的应用范围。通过时分、波分等复用方式，光纤光栅(FBG)能够组成准分布式传感***，可以实现大范围的定点监控；被测的参量仅取决于FBG的反射波长，通过波长解调技术得到相应的被测参量，不需要多次平均，可以有效提高检测的速度与精度；通过各种封装的技术，实现FBG与各种待测物体有效的物理接触，扩大了FBG的应用范围。
一个完整的FBG传感***由FBG传感器、传输光路与解调设备构成。FBG解调设备采用波长解调方法，解调方法不仅影响传感***的测量精度、测量速度，而且决定传感***中FBG的复用方式、复用数量及传感网络的拓扑结构。
利用参考光栅对传感光栅进行解调的方案，可以得到较高的波长分辨率与较高的速度，但是，这种方案不利于FBG的复用；使用阵列波导光栅(AWG)的解调方案，可同时实现对多个FBG传感器的解调，可解调的信号频率超过100kHz，但是，该方案中一个光栅需要一个AWG通道和一个光接收单元，提高了***复杂度；使用干涉光谱法实现对FBG的快速解调，可解调信号的频率高达48.6MHz，但是，该方案中复用FBG的数量有限；使用宽带光源与可调谐法布里-泊罗(F-P)滤波器对FBG进行解调，复用光栅的数量有所增加，解调速度达到1,000次／秒，波长分辨率达到2pm，但是，复用的FBG数量与波长检测精度不足。
对于一般的FBG传感***的应用场合，要求传感***有较大的覆盖范围，即要求较多的FBG复用数量；***有较快的响应速度，1,000次／秒的解调速度可以满足大多数实时监控的需要；***的波长分辨精度小于1pm，相对应得温度检测精度小于0.1℃，微应变检测精度小于1με。
本发明使用基于半导体光放大器(SOA)的环形激光器作为FBG传感***的光源，使用可调谐F-P滤波器进行波长扫描，联合使用梳状滤波器与乙炔气体的吸收谱对波长进行动态定位，有效提高了可利用的光谱宽度，复用路数，复用的FBG数量，及扫描频率和光谱分辨精度。
发明内容：
本发明的目的在于消除了PZT的非线性与不稳定性对测量带来的影响，解决了传统解调***中参考光栅数目对解调精度的限制。该方法使得光纤光栅解调***达到了快速、高精度的测量要求。
为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：
基于可调谐F-P光滤波器的FBG解调***，其特征在于激光光源采用压电陶瓷(PZT)调节的可调谐F-P滤波器与SOA来实现可调谐波长的输出；激光光源输出端经多路耦合器，多路耦合器的30个输出端均为光纤光栅传感通道，均连接至环形器的第一端口，环形器的第二端口连接串联的若干个不同波长光纤光栅传感器，环形器的第三个端口连接光探测器；其中多路耦合器的另2第31、32个输出端分别连接两个校准通道；一个通道通过光纤连接至乙炔气体标定器件，再连接至光探测器；另一个通道通过光纤连接至光梳状滤波器，再连接至光探测器；最终将所有的光探测器送入信号处理单元进行处理。
优选地，所述梳状滤波器两个峰之间的间隔为标准的0.8nm，将F-P滤波器的自由谱区分成100个区，每个区的电压对波长的变化可以认为是线性关系。
优选地，为了校正所诉梳状滤波器带来的误差，注入乙炔气体的气室被引进所述方案中。
优选地，所述乙炔气体有6个较大的吸收谱峰：1528.12nm，1530.37nm，1531.59nm，1532.84nm，1534.12nm与1535.40nm，它们被用来对所述梳状滤波器进行校正。
优选地，在所述***环形激光器的环形腔中引入一个谱宽约为75nm宽带滤波器，使实际环形激光器的输出波长限定在1525～1600nm的范围。
附图说明
图1为基于可调谐F-P光滤波器的FBG解调***动态定标方法实现图。
具体实施方式
本发明提供一种基于可调谐F-P光滤波器的FBG解调***动态定标方法，其方法实现***装置特征在于激光光源采用压电陶瓷(PZT)调节的可调谐F-P滤波器1来实现可调谐波长的输出；激光光源输出端连接至多路耦合器2，多路耦合器的30个输出端均为光纤光栅传感通道，均分别连接至30个环形器3的第一端口31，环形器的第二端口32连接串联的若干个不同波长光纤光栅传感器4，环形器的第三个端口33连接光探测器5；其中多路耦合器的另2个输出端分别连接两个校准通道；一个通道231通过光纤连接至乙炔气体标定器件7，再连接至光探测器；另一个通道232通过光纤连接至光梳状滤波器6，再连接至光探测器；最终将所有的光探测器送入信号处理单元进行处理。
通过改变施加在PZT上的电压改变F-P滤波器的腔长，当电压从0v变到18v，环形激光器的输出波长扫过一个F-P滤波器的自由谱区，一个确定的电压对应着环形激光器一个确定的输出波长。环形激光器在波长域内对各分路中的FBG进行扫描，采集到的FBG的反射谱为光功率与电压的分布关系，由F-P滤波器的中心波长与施加在PZT上电压的关系曲线可以对FBG的反射谱波长进行标定，得到真实的FBG的反射谱。
梳状滤波器也会受到温度的影响，因此定标器件也会带来测量误差。由于气体的吸收谱线不随温度变化，为了校正梳状滤波器带来的误差，注入乙炔气体的气室被引进所述方案中。
在1530nm附近，乙炔气体有6个较大的吸收谱峰：1528.12nm，1530.37nm，1531.59nm，1532.84nm，1534.12nm与1535.40nm，它们被用来对梳状滤波器进行校正。此外，由于在1518nm附近，乙炔气体也有6个较大的吸收谱峰，因此在***环形激光器的环形腔中引入一个谱宽约为75nm宽带滤波器，使实际环形激光器的输出波长限定在1525～1600nm的范围。
实际***中每次扫描过程中需要对可调谐F-P滤波器进行动态标定，同时构成一个闭环控制过程，通过被标定的波长，动态的调整PZT扫描电压的起始值，使F-P滤波器工作在一个受控的稳定状态。
进行一次扫描后可以由梳状滤波器对吸收峰进行标定，得到的结果与标准的吸收谱线的差值即为由温度引起的测量误差，用这个误差对FBG的反射谱进行校正，就可以得到真实的反射谱。
上述实施例仅用于说明而非限制本发明的技术方案。任何不脱离本发明精神和范围的技术方案均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。
Claims (1)
1.一种基于可调谐F-P光滤波器的FBG解调***，该***装置包括可调激光光源、多路耦合器，环形器、光纤光栅、光电探测器、梳状滤波器、乙炔气体传感基元及数字信号处理单元。其特征在于激光光源采用压电陶瓷(PZT)调节的可调谐F-P滤波器来实现可调谐波长的输出；激光光源输出端经多路耦合器，多路耦合器的30个输出端均为光纤光栅传感通道，均连接至环形器的第一端口，环形器的第二端口连接串联的若干个不同波长光纤光栅传感器，环形器的第三个端口连接光探测器；其中多路耦合器的31、32输出端分别连接两个校准通道；一个通道通过光纤连接至乙炔气体标定器件，再连接至光探测器；另一个通道通过光纤连接至光梳状滤波器，再连接至光探测器；最终将所有的光探测器送入信号处理单元进行处理。
如权利要求1中所述的基于可调谐F-P光滤波器的FBG解调***装置，其特征在于光纤光栅传感通道中，光栅的反射率为0.9，传输光纤长度为10km。
如权利要求1中所述的基于可调谐F-P光滤波器的FBG解调***装置，其特征在于所述光探测器PIN，检测灵敏度小于1μw。
如权利要求1中所述的基于可调谐F-P光滤波器的FBG解调***装置，其特征在于整个30个传感通道温度传感光栅的个数为1000左右，或应变传感光栅的个数为240左右；光电探测器个数与光栅通道个数对应，为30。
如权利要求1中所述的基于可调谐F-P光滤波器的FBG解调***装置，其特征在于所述梳状滤波器两个峰之间的间隔为标准的0.8nm，将F-P滤波器的自由谱区分成100个区，每个区的电压对波长的变化可以认为是线性关系。
如权利要求1中所述的基于可调谐F-P光滤波器的FBG解调***装置，其特征在于所述乙炔气体单元在1530nm附近，有6个较大的吸收谱峰：1528.12nm，1530.37nm，1531.59nm，1532.84nm，1534.12nm与1535.40nm，它们被用来对所述梳状滤波器进行校正。
如权利要求1中所述的基于可调谐F-P光滤波器的FBG解调***装置，其特征在于：实际***中每次扫描过程中需要对可调谐F-P滤波器进行动态标定，同时构成一个闭环控制过程，通过被标定的波长，动态的调整PZT扫描电压的起始值，使F-P滤波器工作在一个受控的稳定状态。
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