CN108981762A - 利用窄带双相移光纤光栅进行热稳定传感解调***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用窄带双相移光纤光栅进行热稳定传感解调***及方法，该***包括相互连接的波长可调谐激光器、偏振控制器、相位调制器、三端口光环形器、双相移光纤光栅、光纤放大器、光电探测器、微波放大器、微波耦合器；所述光环形器的第一端口与所述相位调制器的输出端口相连，所述光环形器的第二端口与一双相移光纤光栅相连，所述光环形器的第三端口与光纤放大器相连；所述微波耦合器的输入端与微波放大器的输出端相连，所述微波耦合器的第一输出端与相位调制器射频端相连，所述微波耦合器的第二输出端与一电频谱仪相连。
Description
技术领域
本发明涉及微波信号产生的微波光子领域和光纤光栅传感领域，更具体地，涉及一种利用窄带双相移光纤光栅进行热稳定传感解调***及方法。
背景技术
光纤传感技术由于具有抗电磁干扰、抗化学腐蚀、本质安全、耐高/低温、体积小、重量轻、柔软灵活等诸多优点，已在航空航天、土木工程、电力***、石油化工、医疗健康、家庭安防等领域中获得了广泛而重要的应用。
光纤光栅作为光纤传感技术中的重要光学器件，一直是研究者们关注的热点。光纤光栅型传感器对传感信息具有波长编码特性，也称为波长调制特性，即传感器感受到的外界信息会造成光波长的改变。将传感信息从光波长变化中提取出来并按需要进行数据处理，也就是传感解调技术。波长编码型传感器对光源功率波动、光纤弯曲损耗和连接损耗引起的光强变化不敏感，具有很高的稳定性与可靠性，并且可复用性强，易于波分、时分复用，实现准分布式测量，但是也在一定程度上增加了解调难度，因此传感信号的解调是光纤光栅型传感器进一步产业化的关键，探索有效且低成本的解调方式成为了领域内的研究重点。
另外，由于光纤光栅对温度与应力同时敏感，即温度与应力会同时引起光纤光栅中心波长移动，使得仅仅通过测量光纤光栅中心波长移动无法对温度与应力的影响加以区分，这就是交叉敏感问题。交叉敏感问题是光纤光栅传感器的一个本征问题。可以说，它伴随着光纤光栅传感器的出现而出现。随着光纤光栅制作技术的日益成熟，交叉敏感成了制约光纤光栅传感器实用化的一个重要问题。为了克服交叉敏感效应，实现单个物理量的准确测量，人们已经提出了许多技术方案，并且不断有新的方法出现。
发明内容
本发明提供一种利用窄带双相移光纤光栅进行热稳定传感解调***，该***能够实现热稳定的光纤光栅波长解调。
本发明的又一目的在于提供一种利用窄带双相移光纤光栅进行热稳定传感解调方法。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种利用窄带双相移光纤光栅进行热稳定传感解调***，包括相互连接的波长可调谐激光器、偏振控制器、相位调制器、三端口光环形器、双相移光纤光栅、光纤放大器、光电探测器、微波放大器、微波耦合器；所述光环形器的第一端口与所述相位调制器的输出端口相连，所述光环形器的第二端口与一双相移光纤光栅相连，所述光环形器的第三端口与光纤放大器相连；所述微波耦合器的输入端与微波放大器的输出端相连，所述微波耦合器的第一输出端与相位调制器射频端相连，所述微波耦合器的第二输出端与一电频谱仪相连。
进一步地，所述波长可调谐激光器、偏振控制器、相位调制器、三端口光环形器、双相移光纤光栅、光纤放大器、光电探测器由通过光纤相连；所述光电探测器、微波放大器、微波耦合器、相位调制器的微波输入端通过微波同轴线顺次相连。
进一步地，所述相位调制器、三端口光环形器、双相移光纤光栅、光纤放大器、光电探测器、微波放大器、微波耦合器构成了一个稳定闭合光电振荡回路。
一种利用窄带双相移光纤光栅进行热稳定传感解调方法，具体过程如下：
S1：波长可调谐激光器的输出光波经偏振控制器到达相位调制器，由相位调制器输出的光信号经三端口光环形器的输入端口达到双相位光纤光栅；
S2：通过双相移光纤光栅反射的光信号经该三端口光环形器的输出端口达到光纤放大器放大后，进入光电探测器进行光电转换，光电探测器输出的电信号通过微波放大器进行放大；
S3：微波放大器的输出端与微波耦合器输入端连接，微波耦合器输出的电信号中的一部分加载到相位调制器的射频端，形成光电振荡器的环路，另一部分作为微波信号输出。
进一步地，微波耦合器输出的微波信号包括fe1、fe2、fb：
fe1＝fp1-fC fe2＝fp2-fC fb＝fe2-fe1
其中，fC,fp1,fp2分别代表激光器输出光的频率、双相移光纤光栅其中一个相移峰的中心频率以及双相移光纤光栅另一个相移峰的中心频率，fb为由于光电振荡环路的非线性而产生的差频，fC＜fp1＜fp2。
进一步地，双相移光纤光栅中频率为fp2的相移区域作为传感区域感受外界待测物理量变化，当外界传感物理量发生变化时，该相移峰的中心频率会随之发生改变Δf，同时光电振荡产生的微波频率fe2也会改变Δf；而由于中心频率为fp1的相移区域感受不到外界物理量变化，因此光电振荡产生的的微波频率fe1不变，导致差频fb改变Δf，通过测量差频频率改变从而可以对待测物理量进行解调。
进一步地，当外界环境温度改变时，双相移光纤光栅中的两处相移区域都能感受到温度变化，fp1、fp2同时发生频率改变ΔfT，因此差频fb保持不变，因此可以避免外界环境温度改变对测量结果的影响，进行热稳定传感解调。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明融合了光纤光栅传感技术与微波光子学技术，其中双相移光纤光栅同时作为传感元件及光电振荡器中的滤波单元，当外界待测物理量改变光栅波长，光电振荡产生的微波频率也随之改变，而外界环境温度变化则不会对该微波频率产生影响，克服了测量中的交叉敏感问题。由于将波长变化转换到微波域进行解调，此种方法能够充分发挥光电振荡器所生成的优质微波信号测量分辨率高、处理速度快的特点，以期实现高分辨率和高解调速度的传感测量，且无需昂贵的高频微波信号源，装置简单。
附图说明
图1为本发明***的结构图；
图2-4为本发明方法原理示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
如图1所示，一种利用窄带双相移光纤光栅进行热稳定传感解调***，包括:波长可调谐激光器1、偏振控制器2、相位调制器3、光环形器4、双相移光纤光栅5、光放大器6、光电探测器7、微波放大器8、微波耦合器9；
波长可调谐激光器用于产生光载波，输出单波长光波，所述偏振控制器2的输入端与波长可调谐激光器1相连接，输出端与相位调制器3连接，所述偏振控制器2用于调节光载波的偏振态；
偏振控制器2输出端与相位调制器3相连，该相位调制器用于对输入光载波进行相位调制。
相位调制器3输出端与光环形器4的a端相连接；光环形器4的b端与双相移光纤光栅5的一端相连接，该双相移光纤光栅一方面作为传感元件，一方面用于滤除相位调制后的光信号中的部分频率。
光环形器4的c端与光放大器6的输入端相连接，该光放大器用于放大光信号，光放大器6的输出端与光电探测器7的输入端相连接，该光电探测器将光信号转换为微波信号。
光电探测器7的输出端与微波放大器8的输入端相连接，该微波放大器用于放大光电探测器产生的微波信号。微波放大器8的输出端与微波耦合器9的输入端相连接，该微波耦合器输出的电信号中的一部分加载到相位调制器的射频输入端，形成光电振荡器的环路，另一部分作为微波信号输出。
波长可调谐激光器1与偏振控制器2之间、偏振控制器2与相位调制器3之间、相位调制器3与光环形器4之间、光环形器4与双相移光纤光栅5之间、光环形器4与光放大器6之间、光放大器6与光电探测器7之间用标准单模光纤连接，其余器件之间用标准射频连接线连接。
波长可调谐激光器产生的光载波fC进入相位调制器进行相位调制，在光电振荡器稳定振荡输出以前，调制信号具有宽带频率成分，调制后的信号具有一系列边带。调制后的信号通过光环形器a端口进入双相移光纤光栅，落入相移光纤光栅反射谱中窄带透射峰的两个边带(图2中的fp1,2)将不能反射回到光环形器b端口，对应于载波的对称边带fC-fe1,2通过光环形器进入光电探测器与光载波拍频产生频率为fe1、fe2的微波信号，同时这两个微波信号拍频产生差频信号fb。而当其他边带进入光电探测器时，由于其上边带与载波的拍频信号和对应下边带与载波拍频信号相位相反、幅度相同，从而相互抵消只产生直流信号。光电探测器产生的微波信号fe1、fe2、fb经过微波放大以及微波耦合器后，一部分作为输出振荡信号，一部分输入相位调制器的射频输入端对载波进行调制，形成正反馈回路，当环路中的增益足以补偿环路中的损耗时，环路中就可以形成稳定振荡的微波信号。
如图3所示，该双相移光纤光栅中频率为fp2的相移区域作为传感区域感受外界待测物理量变化，当外界传感物理量发生变化时，该相移峰的中心频率会随之发生改变Δf，同时光电振荡产生的微波频率fe2也会改变Δf；而由于中心频率为fp1的相移区域感受不到外界物理量变化，因此光电振荡产生的的微波频率fe1不变，导致差频fb改变Δf，通过测量差频频率改变从而可以对待测物理量进行解调。
如图4所示，当外界环境温度改变时，双相移光纤光栅中的两处相移区域都能感受到温度变化，fp1、fp2同时发生频率改变ΔfT，因此差频fb保持不变，因此可以避免外界环境温度改变对测量结果的影响，进行热稳定传感解调。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种利用窄带双相移光纤光栅进行热稳定传感解调***，其特征在于，包括相互连接的波长可调谐激光器、偏振控制器、相位调制器、三端口光环形器、双相移光纤光栅、光纤放大器、光电探测器、微波放大器、微波耦合器；所述光环形器的第一端口与所述相位调制器的输出端口相连，所述光环形器的第二端口与一双相移光纤光栅相连，所述光环形器的第三端口与光纤放大器相连；所述微波耦合器的输入端与微波放大器的输出端相连，所述微波耦合器的第一输出端与相位调制器射频端相连，所述微波耦合器的第二输出端与一电频谱仪相连。
2.根据权利要求1所述的利用窄带双相移光纤光栅进行热稳定传感解调***，其特征在于，所述波长可调谐激光器、偏振控制器、相位调制器、三端口光环形器、双相移光纤光栅、光纤放大器、光电探测器由通过光纤相连；所述光电探测器、微波放大器、微波耦合器、相位调制器的微波输入端通过微波同轴线顺次相连。
3.根据权利要求2所述的利用窄带双相移光纤光栅进行热稳定传感解调***，其特征在于，所述相位调制器、三端口光环形器、双相移光纤光栅、光纤放大器、光电探测器、微波放大器、微波耦合器构成了一个稳定闭合光电振荡回路。
4.一种利用窄带双相移光纤光栅进行热稳定传感解调***的解调方法，其特征在于，具体过程如下：
S1：波长可调谐激光器的输出光波经偏振控制器到达相位调制器，由相位调制器输出的光信号经三端口光环形器的输入端口达到双相位光纤光栅；
S2：通过双相移光纤光栅反射的光信号经该三端口光环形器的输出端口达到光纤放大器放大后，进入光电探测器进行光电转换，光电探测器输出的电信号通过微波放大器进行放大；
S3：微波放大器的输出端与微波耦合器输入端连接，微波耦合器输出的电信号中的一部分加载到相位调制器的射频端，形成光电振荡器的环路，另一部分作为微波信号输出。
5.根据权利要求4所述的利用窄带双相移光纤光栅进行热稳定传感解调方法，其特征在于，微波耦合器输出的微波信号包括fe1、fe2、fb：
fe1＝fp1-fC fe2＝fp2-fC fb＝fe2-fe1
其中，fC,fp1,fp2分别代表激光器输出光的频率、双相移光纤光栅其中一个相移峰的中心频率以及双相移光纤光栅另一个相移峰的中心频率，fb为由于光电振荡环路的非线性而产生的差频，fC＜fp1＜fp2。
6.根据权利要求5所述的利用窄带双相移光纤光栅进行热稳定传感解调方法，其特征在于，双相移光纤光栅中频率为fp2的相移区域作为传感区域感受外界待测物理量变化，当外界传感物理量发生变化时，该相移峰的中心频率会随之发生改变Δf，同时光电振荡产生的微波频率fe2也会改变Δf；而由于中心频率为fp1的相移区域感受不到外界物理量变化，因此光电振荡产生的的微波频率fe1不变，导致差频fb改变Δf，通过测量差频频率改变从而可以对待测物理量进行解调。
7.根据权利要求6所述的利用窄带双相移光纤光栅进行热稳定传感解调方法，其特征在于，当外界环境温度改变时，双相移光纤光栅中的两处相移区域都能感受到温度变化，fp1、fp2同时发生频率改变ΔfT，因此差频fb保持不变，因此可以避免外界环境温度改变对测量结果的影响，进行热稳定传感解调。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110736436A (zh) * | 2019-09-01 | 2020-01-31 | 天津大学 | 基于波长跟随的相移光纤光栅传感灵敏度稳定***及方法 |
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