CN105806379A - 弱反射光纤布拉格光栅-珐泊腔传感器的解调*** - Google Patents

弱反射光纤布拉格光栅-珐泊腔传感器的解调*** Download PDF

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Abstract

本发明提供一种弱反射光纤布拉格光栅-珐泊腔传感器的解调***，包括：宽谱光源、光纤连接器、传感器、全光纤多光束干涉仪、压电陶瓷调制器、光电探测器、相位生成载波解调器，其中，传感器为弱反射光纤布拉格光栅-珐泊腔传感器，宽谱光源发出的光通过光纤连接器进入传感器，传感器反射出波长与传感器的布拉格波长相同的光，反射的光在发生一次干涉后经由光纤连接器进入全光纤多光束干涉仪，压电陶瓷调制器控制全光纤多光束干涉仪的相位变化以使进入全光纤多光束干涉仪的光在被调相的同时发生二次干涉，光电探测器将被调相的发生二次干涉的光转换为电信号，相位生成载波解调器接收所述电信号进行解调。本发明能够提升解调结果的精度。

Description

弱反射光纤布拉格光栅-珐泊腔传感器的解调***
技术领域
本发明属于光学工程领域，更具体地说，涉及一种弱反射光纤布拉格光栅-珐泊腔传感器的解调***。
背景技术
在现有的准分布式传感技术中，光纤传感具有抗电磁干扰、易于长距离通信组网等独特优势。准分布式光纤传感主要有布拉格光栅(FBG)传感和弱反射布拉格光栅-珐泊腔(FBG-FP)传感两种。FBG作为一种波长调制传感器已经存在很成熟的解调方法，并得到成功的应用，而弱反射FBG-FP具有灵敏度高、动态范围大的优势，适合进行多点振动、声波信号探测，在石油勘探、水下信号探测、周界安防领域具有很大的应用前景。
传统的弱反射FBG-FP解调方法主要有高相干光源直接解调和非平衡匹配干涉仪解调。高相干光源直接解调由于只能对光源加载调制信号而使得光源在调制过程中会产生一定的相位噪声，从而增加了***噪声，而且噪声随着弱反射FBG-FP的光程差增加而增大。而非平衡匹配干涉仪解调可以对光源或干涉仪进行调制，对光源进行调制会带来相位噪声，对干涉仪进行调制则由于干涉仪存在着偏振扰动噪声导致***中噪声大、条纹对比度低。由于***中噪声大、条纹对比度低直接影响解调结果，所以需要一种能够抑制***噪声、提高条纹对比度的弱反射光纤布拉格光栅-珐泊腔传感器的解调***。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种低噪声、条纹对比度高的弱反射光纤布拉格光栅-珐泊腔传感器的解调***。
本发明提供一种弱反射光纤布拉格光栅-珐泊腔传感器的解调***，其特征在于，所述解调***包括：宽谱光源、光纤连接器、传感器、全光纤多光束干涉仪、压电陶瓷调制器、光电探测器、相位生成载波解调器，其中，传感器为弱反射光纤布拉格光栅-珐泊腔传感器，所述全光纤多光束干涉仪的传输光纤缠绕在压电陶瓷调制器上，其中，宽谱光源发出的光通过光纤连接器进入传感器，传感器反射出波长与传感器的布拉格波长相同的光，反射的光在发生一次干涉后经由光纤连接器进入全光纤多光束干涉仪，压电陶瓷调制器控制全光纤多光束干涉仪的相位变化以使进入全光纤多光束干涉仪的光在被调相的同时发生二次干涉，光电探测器将被调相的发生二次干涉的光转换为电信号，相位生成载波解调器接收所述电信号进行解调，或者，宽谱光源发出的光进入全光纤多光束干涉仪，压电陶瓷调制器控制全光纤多光束干涉仪的相位变化以使进入全光纤多光束干涉仪的光在被调相的同时发生一次干涉，全光纤多光束干涉仪通过光纤连接器将被调相的发生一次干涉的光输出到传感器，传感器反射出所述发生一次干涉的光中波长与传感器的布拉格波长相同的光，并使反射的光发生二次干涉，光电探测器通过光纤连接器接收发生二次干涉的光并将所述光转换为电信号，相位生成载波解调器接收所述电信号进行解调。
可选地，所述光纤连接器、所述传感器、所述全光纤多光束干涉仪为保偏型光纤器件，所述光纤连接器与所述宽谱光源、所述传感器、所述全光纤多光束干涉仪的连接均为保偏熔接。
可选地，所述光纤连接器与所述传感器、所述全光纤多光束干涉仪的连接均为保偏熔接。
可选地，所述光纤连接器为光纤耦合器或光纤环形器。
可选地，所述全光纤多光束干涉仪为本征型珐泊干涉仪或由两个三端口光纤耦合器首尾相连组成的光纤环。
可选地，所述解调***包括：n个传感器、n个光电探测器和波分复用器，其中，所述n个传感器分别具有不同的布拉格波长，并依次串联连接，n为大于1的整数，第i传感器反射出宽谱光源的光中波长与第i传感器的布拉格波长相同的光，第i传感器反射出的光在发生一次干涉后通过光纤连接器进入全光纤多光束干涉仪，以使一次干涉光被调相的同时发生二次干涉，从而产生被调相的第i二次干涉光，其中，i∈[1,n]，波分复用器接收已被调相的n个二次干涉光，并将n个二次干涉光分别输出到对应的光电探测器，n个光电探测器分别将接收的二次干涉光转换为电信号，相位生成载波解调器接收所述电信号进行解调，或者，第i传感器反射出已被调相的发生一次干涉的光中波长与第i传感器的布拉格波长相同的光，第i传感器反射出的光在发生二次干涉后通过光纤连接器进入波分复用器，波分复用器接收n个二次干涉光，并将n个二次干涉光分别输出到对应的光电探测器，n个光电探测器分别将接收的二次干涉光转换为电信号，相位生成载波解调器接收所述电信号进行解调。
可选地，每个传感器的腔长度分别近似或等于全光纤多光束干涉仪的传输光纤的长度的整数倍。
可选地，所述波分复用器的n个输出端的通带分别在对应的传感器中的两个弱反射光纤布拉格光栅的反射带的重叠范围之内。
根据本发明提供的一种弱反射光纤布拉格光栅-珐泊腔传感器的解调***，能够降低解调***中的噪声、提高条纹对比度，从而得到准确的解调结果。
将在接下来的描述中部分阐述本发明另外的方面和/或优点，还有一部分通过描述将是清楚的，或者可以经过本发明的实施而得知。
附图说明
通过下面结合附图进行的对实施例的描述，本发明的上述和/或其它目的和优点将会变得更加清楚，其中：
图1是示出根据本发明第一示例性实施例的弱反射光纤布拉格光栅-珐泊腔传感器的解调***的光路图；
图2是示出根据本发明第二示例性实施例的弱反射光纤布拉格光栅-珐泊腔传感器的解调***的光路图；
图3是示出根据本发明第三示例性实施例的弱反射光纤布拉格光栅-珐泊腔传感器的解调***的光路图。
具体实施方式
现将详细描述本发明的示例性实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中，相同的标号指示相同的部分。以下将通过参照附图来说明所述实施例，以便解释本发明。
图1是示出根据本发明第一示例性实施例的弱反射光纤布拉格光栅-珐泊腔传感器的解调***的光路图。
如图1所示，根据本发明的弱反射光纤布拉格光栅-珐泊腔传感器的解调***100包括：宽谱光源101、光纤连接器102、弱反射光纤布拉格光栅-珐泊腔传感器(以下简称传感器)103、全光纤多光束干涉仪104、压电陶瓷调制器105、光电探测器106和相位生成载波解调器(即，PGC相位解调器)107。
宽谱光源101为发出光谱范围较宽的光的光源。这里，宽谱光源101发出的光能够在光纤中单模低损耗传输。
光纤连接器102连接宽谱光源101和传感器103使宽谱光源101发出的光通过光纤连接器102进入传感器103，同时，光纤连接器102还与全光纤多光束干涉仪104连接以使传感器103反射的光进入全光纤多光束干涉仪104。这里，光纤连接器102可以为光纤耦合器或光纤环形器。
优选地，宽谱光源101和光纤连接器102之间可以连接光纤隔离器，以防止光返回宽谱光源101对宽谱光源101的输出造成影响。
传感器103将进入到传感器103的光中波长与传感器103的布拉格波长相同的光反射，反射的光在发生一次干涉后经由光纤连接器102进入全光纤多光束干涉仪104。
具体地说，传感器103由两个相同的弱反射光纤布拉格光栅组成(即，构成传感器103的两个弱反射光纤布拉格光栅的波长相同)。来自宽谱光源101的光进入传感器103到达这两个弱反射光纤布拉格光栅后，这两个光栅分别反射波长与弱反射光纤布拉格光栅的波长(即，布拉格波长)相同的光，反射的两束光发生一次干涉后从传感器103经由光纤连接器102进入全光纤多光束干涉仪104。传感器103用于检测振动信号或声波信号等，在振动信号或声波信号作用于传感器103时，传感器103的腔长度会随振动信号或声波信号发生相应变化从而改变传感器103的相位。
这里，可使用现有的各种弱反射光纤布拉格光栅-珐泊腔传感器。
全光纤多光束干涉仪104的传输光纤的长度在压电陶瓷调制器105的控制下发生变化，使得进入全光纤多光束干涉仪104的光被调相的同时发生二次干涉，全光纤多光束干涉仪104将被调相的二次干涉光输出到光电探测器106。这里，全光纤多光束干涉仪104可以为本征型珐泊干涉仪或由两个三端口光纤耦合器首尾相连组成的光纤环。优选地，使用本征型珐泊干涉仪，以减小偏振扰动噪声。并且，全光纤多光束干涉仪104具有较高的精细度，优选地，所述精细度要大于传感器103的腔长度与全光纤多光束干涉仪104的传输光纤的长度的比值的四倍。将全光纤多光束干涉仪104的传输光纤缠绕在压电陶瓷调制器105上，压电陶瓷调制器105在调制信号的作用下伸缩从而使缠绕在压电陶瓷调制器105上的所述传输光纤的长度变化，进而调制全光纤多光束干涉仪104中传输的光的相位。优选地，所述压电陶瓷调制器105的半径要大于所述传输光纤的最小弯曲半径。由此，能够避免由传输光纤损耗带来的全光纤多光束干涉仪104的精细度下降。所述调制信号可以为相位生成载波解调器107输出的周期性正弦信号，也可以为外部输入的周期性正弦信号。这里，调制信号和相位生成载波解调器107里的用于混频的基频信号相位差为零。
传感器103的腔长度近似或等于全光纤多光束干涉仪104的传输光纤的长度的整数倍时，通过全光纤多光束干涉仪104得到的二次干涉光的条纹的包络近似为：
这里，λ为宽谱光源输出的光的波长，μ为预定值，R(λ)为传感器的光纤布拉格光栅的反射率，n(λ)为光纤折射率，l为传感器的腔长度，l0为全光纤多光束干涉仪的传输光纤的长度，k为大于0的整数，l≈kl0。由于式(1)只有交流项，而不存在直流项，所以得到的二次干涉光的条纹对比度可近似为1。
另外，由于传感器103的腔长度近似或等于全光纤多光束干涉仪104的传输光纤的长度的整数倍，所以传感器103的误差范围近似或等于全光纤多光束干涉仪104的误差范围的整数倍，从而降低了传感器103的制作工艺的难度。
光电探测器106将被调相的二次干涉光转换为电信号并发送给相位生成载波解调器107。这里，可以使用现有的能够探测波长为传感器103的布拉格波长的光的各种光电探测器。
相位生成载波解调器107接收所述电信号，并根据调制参数(例如，调制信号的诸如频率、相位和幅值的特征参数)通过相位生成载波解调算法(即，PGC解调算法)从所述电信号解调出传感器103的相位的改变量。
图1所示的解调***100中的光纤连接器102、传感器103、全光纤多光束干涉仪104均为保偏型光纤器件，并且光纤连接器102与宽谱光源101、传感器103、全光纤多光束干涉仪104的连接均为保偏熔接，由此减小所述解调***的偏振扰动噪声。
在另一实施例中，将图1所示的解调***100中的全光纤多光束干涉仪104连接在宽谱光源101和光纤连接器102之间也可以实现传感器103的解调，如图2所示。
图2是示出根据本发明第二示例性实施例的弱反射光纤布拉格光栅-珐泊腔传感器的解调***的光路图。
如图2所示，弱反射光纤布拉格光栅-珐泊腔传感器的解调***200中宽谱光源101发出的光进入全光纤多光束干涉仪104，全光纤多光束干涉仪104的传输光纤的长度在压电陶瓷调制器105的控制下变化，使全光纤多光束干涉仪104接收的光被调相的同时发生一次干涉，全光纤多光束干涉仪104使被调相的一次干涉光通过光纤连接器102进入传感器103，传感器103将被调相的一次干涉光中波长与传感器103的布拉格波长相同的光反射并使反射的光发生二次干涉，发生二次干涉的光通过光纤连接器102输出到光电探测器106，光电探测器106将接收的光转换为电信号并输出到相位生成载波解调器107，相位生成载波解调器107接收所述电信号，并根据所述电信号解调出传感器103的相位的改变量。
图2所示的解调***200中的光纤连接器102与传感器103、全光纤多光束干涉仪104的连接均为保偏熔接，由此减小所述解调***的偏振扰动噪声。
在图1和图2所示的弱反射光纤布拉格光栅-珐泊腔传感器的解调***包括一个传感器。下面将结合图3描述包括n个传感器的的解调***。
图3是示出根据本发明第三示例性实施例的弱反射光纤布拉格光栅-珐泊腔传感器的解调***的光路图。
如图3所示，弱反射光纤布拉格光栅-珐泊腔传感器的解调***300包括：宽谱光源101、光纤连接器102、n个传感器103、全光纤多光束干涉仪104、压电陶瓷调制器105、n个光电探测器106、波分复用器301和相位生成载波解调器107。
这里，n个传感器103分别具有不同的布拉格波长，所述n个传感器103依次串联连接，n为大于1的整数。第i传感器103所对应的布拉格波长为λi。
第i传感器103将进入到第i传感器103的光中波长与第i传感器103的布拉格波长相同的光反射，并将所述进入到第i传感器103的光中波长与第i传感器103的布拉格波长不同的光透射。第i传感器103反射出的光在发生一次干涉后通过光纤连接器102进入全光纤多光束干涉仪104，以使一次干涉光被调相的同时发生二次干涉，从而产生被调相的第i二次干涉光，其中，i∈[1,n]。
波分复用器301接收来自全光纤多光束干涉仪104的已被调相的n个二次干涉光，并将n个二次干涉光分别输出到对应的光电探测器106，n个光电探测器106分别将接收的二次干涉光转换为电信号，并输出到相位生成载波解调器107，相位生成载波解调器107接收所述电信号，并基于压电陶瓷调制器105的调制参数解调出n个传感器103的相位的改变量。
这里，波分复用器301可以使用现有的各种波分复用器。所述波分复用器301的n个输出端的通带分别在对应的传感器103中的两个弱反射光纤布拉格光栅的反射带的重叠范围之内。即，波分复用器301的第一输出端输出波长为λ1的光，所述第一输出端的通带在对应的布拉格波长为λ1的第一传感器103中的两个弱反射光纤布拉格光栅的反射带的重叠范围之内。由此，能够消除背景光及弱反射光纤布拉格光栅边带的背景光噪声的影响。
图3所示的弱反射光纤布拉格光栅-珐泊腔传感器的解调***300具有n个串联的传感器103，因此能够同时检测多个待测点的振动信号或声波信号等。
在另一实施例中，将图3的解调***300中的全光纤多光束干涉仪104连接在宽谱光源101和光纤连接器102之间来实现n个传感器103的解调。此时，第i传感器103反射出已被调相的发生一次干涉的光中波长与第i传感器103的布拉格波长相同的光，第i传感器103反射出的光在发生二次干涉后通过光纤连接器102进入波分复用器301。
波分复用器301接收n个二次干涉光，并将n个二次干涉光分别输出到对应的光电探测器106，n个光电探测器106分别将接收的二次干涉光转换为电信号，并输出到相位生成载波解调器107，相位生成载波解调器107接收所述电信号，并根据所述电信号解调出n个传感器103的相位的改变量。
根据本发明示例性实施例的弱反射光纤布拉格光栅-珐泊腔传感器的解调***，不需要对光源进行调制，同时使用保偏型光纤器件以及通过保偏熔接模式对光纤器件进行连接能够有效降低解调***中的噪声，并且由于弱反射光纤布拉格光栅-珐泊腔传感器的腔长度近似或等于全光纤多光束干涉仪的传输光纤的长度的整数倍时，得到的二次干涉光的条纹对比度近似为1，进而能够使得解调结果更准确。
另外，由于本发明示例性实施例的弱反射光纤布拉格光栅-珐泊腔传感器的解调***中采用了波分复用机理，有效的提升了传输光纤的复用容量。
本发明的以上实施例仅仅是示例性的，而本发明并不受限于此。本领域技术人员应该理解：在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可对这些实施例进行改变，其中，本发明的范围在权利要求及其等同物中限定。

Claims (8)

1.一种弱反射光纤布拉格光栅-珐泊腔传感器的解调***，其特征在于，所述解调***包括：宽谱光源、光纤连接器、传感器、全光纤多光束干涉仪、压电陶瓷调制器、光电探测器、相位生成载波解调器，
其中，传感器为弱反射光纤布拉格光栅-珐泊腔传感器，所述全光纤多光束干涉仪的传输光纤缠绕在压电陶瓷调制器上，
其中，宽谱光源发出的光通过光纤连接器进入传感器，传感器反射出波长与传感器的布拉格波长相同的光，反射的光在发生一次干涉后经由光纤连接器进入全光纤多光束干涉仪，压电陶瓷调制器控制全光纤多光束干涉仪的相位变化以使进入全光纤多光束干涉仪的光在被调相的同时发生二次干涉，光电探测器将被调相的发生二次干涉的光转换为电信号，相位生成载波解调器接收所述电信号进行解调，
或者，宽谱光源发出的光进入全光纤多光束干涉仪，压电陶瓷调制器控制全光纤多光束干涉仪的相位变化以使进入全光纤多光束干涉仪的光在被调相的同时发生一次干涉，全光纤多光束干涉仪通过光纤连接器将被调相的发生一次干涉的光输出到传感器，传感器反射出所述发生一次干涉的光中波长与传感器的布拉格波长相同的光，并使反射的光发生二次干涉，光电探测器通过光纤连接器接收发生二次干涉的光并将所述光转换为电信号，相位生成载波解调器接收所述电信号进行解调。
2.根据权利要求1所述的解调***，其特征在于，所述光纤连接器、所述传感器、所述全光纤多光束干涉仪为保偏型光纤器件，
所述光纤连接器与所述宽谱光源、所述传感器、所述全光纤多光束干涉仪的连接均为保偏熔接。
3.根据权利要求1所述的解调***，其特征在于，所述光纤连接器与所述传感器、所述全光纤多光束干涉仪的连接均为保偏熔接。
4.根据权利要求1所述的解调***，其特征在于，所述光纤连接器为光纤耦合器或光纤环形器。
5.根据权利要求1所述的解调***，其特征在于，所述全光纤多光束干涉仪为本征型珐泊干涉仪或由两个三端口光纤耦合器首尾相连组成的光纤环。
6.根据权利要求1所述的解调***，其特征在于，所述解调***包括：n个传感器、n个光电探测器和波分复用器，
其中，所述n个传感器分别具有不同的布拉格波长，并依次串联连接，n为大于1的整数，
第i传感器反射出宽谱光源的光中波长与第i传感器的布拉格波长相同的光，第i传感器反射出的光在发生一次干涉后通过光纤连接器进入全光纤多光束干涉仪，以使一次干涉光被调相的同时发生二次干涉，从而产生被调相的第i二次干涉光，其中，i∈[1,n]，波分复用器接收已被调相的n个二次干涉光，并将n个二次干涉光分别输出到对应的光电探测器，n个光电探测器分别将接收的二次干涉光转换为电信号，相位生成载波解调器接收所述电信号进行解调，
或者，第i传感器反射出已被调相的发生一次干涉的光中波长与第i传感器的布拉格波长相同的光，第i传感器反射出的光在发生二次干涉后通过光纤连接器进入波分复用器，波分复用器接收n个二次干涉光，并将n个二次干涉光分别输出到对应的光电探测器，n个光电探测器分别将接收的二次干涉光转换为电信号，相位生成载波解调器接收所述电信号进行解调。
7.根据权利要求6所述的解调***，其特征在于，每个传感器的腔长度分别近似或等于全光纤多光束干涉仪的传输光纤的长度的整数倍。
8.根据权利要求6所述的解调***，其特征在于，所述波分复用器的n个输出端的通带分别在对应的传感器中的两个弱反射光纤布拉格光栅的反射带的重叠范围之内。
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