CN1760641A - 基于长周期光纤光栅对传感器的复用和解调方法及其设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种基于长周期光纤光栅对传感器的复用与解调方法及设备。目前还没有人提出一种高效廉价的LPGP的多路复用及解调方法。本发明是将宽带光源通过光纤耦合器将光强平均分配到多个具有不同的光程差的LPGP，各路信号光汇合后完成多路复用；复用后的信号光经过一个光单向隔离器进入3－dB光纤耦合器，两束信号光通过光纤准直器入射到反射镜上并反射耦合回光纤，通过控制其中一个反射镜的位置移动补偿不同的光程差的LPGP引入的相位差；补偿后的两路光信号在3－dB耦合器中汇合干涉，由光电二极管转化为电信号，由数据采集卡采集，完成解调。本发明具有成本低廉的优点，适合集成化和仪器化。

Description

基于长周期光纤光栅对传感器的复用和解调方法及其设备

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及了一种长周期光纤光栅对传感器的信号复用与解调方法以及实现该方法的设备。

背景技术

在光纤传感领域，长周期光纤光栅对(long-period grating pair，LPGP)由于其对微弯、温度、应力、折射率变化非常敏感，而成为业内一个十分重要的传感器件，尤其适用于液体折射率的高精度测量。利用第一个长周期光纤光栅将光纤芯层光能量耦合一半到光纤包层，经过一段路程的传播再由第二个光栅耦合回芯层，与另一半经过芯层的光汇合，长周期光纤光栅对事实上构成了一个以光纤芯层和包层为两臂的马赫-曾德(M-Z)干涉仪。由于光纤包层有效折射率受外界折射率的影响，该M-Z干涉仪两臂的光程差对外界折射率变化非常敏感。利用波长调制的方法，UK的T.Allsop将一个LPGP用于折射率传感，得到了1.8×10^-6的精度。国内浙江大学运用拉锥和刻蚀技术，对光栅对中间的那段光纤进行处理，提高外界折射率对包层折射率的影响程度，使测量灵敏度提高了五倍以上。

光纤布拉格光栅，由于其频域反射谱很窄(＜1nm)，利用波长分束器、非对称型M-Z干涉仪或者可调谐光纤滤波器都可以实现其在频域上的复用和解调。但是长周期光纤光栅，其频谱特征为多个透射损耗峰并存，且每个损耗峰的频域带宽相对较宽(数十nm)，在频域上无法实现复用和解调。尽管长周期光纤光栅本身具有对微弯、温度、应力、折射率敏感的传感特性，但它很少被用于分布式测量。同样道理，目前为止，还没有人提出一种高效廉价的LPGP的多路复用及解调方法。

发明内容

本发明就是针对现有技术的不足，提出了一种基于长周期光纤光栅对的传感器的多路复用及低相干光解调方案，同时提供了实现该方法的设备。

本发明的方法包括以下步骤：

1、选用波长范围覆盖长周期光栅透射损耗峰的宽带光源，光源带宽范围20～60nm；通过光纤耦合器将光强平均分配到n(n≥2)个不同光栅中心距离的LPGP传感器，每个LPGP传感器中的光信号引入不同的光程差；携带各路LPGP传感信息的信号光由光纤耦合器汇合到一根单模光纤，完成传感信号的多路复用。所述每个LPGP传感器中的光信号的光程差是利用长周期光纤光栅能把光纤芯层的光能量耦合到包层这一特性，每个LPGP传感器通过第一个长周期光纤光栅把一半光能量耦合到光纤包层，经过一段光程的传播后，被第二个长周期光纤光栅耦合回芯层，与通过芯层的另外一半光能量汇合，LPGP传感器中的光信号的光程差为：

                  OPD＝Δn·L         (1)

其中Δn表示光纤芯层与包层的有效折射率差，L表示LPGP传感器中光栅中心距离。

2、多路复用后的传感信号经过一个光单向隔离器进入一个3-dB光纤耦合器，3-dB光纤耦合器将光信号分成等光强的两束；两束等光强的信号光分别通过光纤准直器入射到反射镜上并反射耦合回光纤；通过控制其中一个反射镜的位置移动，使两路信号光之间引入另一个入光程差，并产生扫描，从而补偿不同光栅中心距离的LPGP传感器引入的光程差。单向隔离器的作用主要是防止反射光对光源的破坏作用。

3、补偿后的两路光信号在3-dB耦合器中汇合干涉，干涉信号经3-dB耦合器的一臂，由光电二极管转化为电信号，由数据采集卡采集，完成解调。

从(1)式可以看到，不同光栅中心距离的LPGP传感器引入的光程差不同，所以当麦氏干涉仪的一臂扫描到某一位置，某个LPGP传感器的光程差被补偿为零，则该LPGP传感器对应的低相干光干涉信号出现。通过并联布置一系列不同光栅中心距离的LPGP传感器，以及扫描麦氏干涉仪其中一臂，可实现多路LPGP传感器的复用和解调。

这种多路复用LPGP传感器的解调方案的分辨率主要取决于长周期光栅损耗谱的相干长度：

$l_c=\frac{2\ln 2}{\mathrm{\π}}\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{\mathrm{\Δ\λ}},---\left(2\right)$

其中，λ和Δλ分别为长周期光栅损耗峰的中心波长和带宽。

实现上述方案的设备为：并联的n(n≥2)个不同光栅中心距离的LPGP传感器输入端通过光纤耦合器与宽带光源光信号连接，输出端与另一个光纤耦合器光信号连接。光单向隔离器输入端与另一个光纤耦合器光信号连接，其输出端和光电二极管的输入端与3-dB光纤耦合器的一端光信号连接，光电二极管的输出端与数据采集卡电连接。3-dB光纤耦合器的另一端分别与两个光纤准直器光信号连接，对应两个光纤准直器位置设有两个反射镜，其中一个反射镜通过步进电机控制其位置移动。

本发明主要适用于多路复用LPGP传感器信号的解调，空间分辨率高达数十微米，最大解调信道数达数百，通过对干涉信号的处理可达到很高的测量精度，同时相比那些光谱仪等频域测量仪器，具有成本低廉的优点，适合集成化和仪器化。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，并联的多个不同光栅中心距离的LPGP传感器3输入端分别通过光纤耦合器2与宽带光源1光信号连接，输出端与另一个光纤耦合器4光信号连接。光单向隔离器5输入端与光纤耦合器4光信号连接，其输出端与和光电二极管10的输入端与3-dB光纤耦合器6的一端光信号连接，光电二极管10的输出端与数据采集卡11电连接。3-dB光纤耦合器6的另一端分别与两个光纤准直器7光信号连接，对应两个光纤准直器7位置设有两个反射镜8，其中一个反射镜通过步进电机9控制其位置移动。将上述多个LPGP传感器3作为微弯传感器预埋在被监测建筑物中，宽带光源1和信号解调部分都在监测中心，宽带光通过单模光纤进入多个LPGP传感器3，再由单模光纤将信号光传回监测中心进行信号解调与处理。

选用波长范围为60nm(可以覆盖长周期光栅透射损耗峰的宽带)光源，通过光纤耦合器将光强平均分配到多个LPGP传感器，每个不同光栅中心距离的LPGP传感器中的光信号具有不同的光程差；携带各路LPGP传感信息的信号光由光纤耦合器汇合到一根单模光纤，完成传感信号的多路复用。每个LPGP传感器中的光信号的光程差是利用长周期光纤光栅能把光纤芯层的光能量耦合到包层这一特性，每个LPGP传感器通过第一个长周期光纤光栅把一半光能量耦合到光纤包层，经过一段光程的传播后，被第二个长周期光纤光栅耦合回芯层，与通过芯层的另外一半光能量汇合，每个LPGP传感器中的光信号的光程差为：

                 OPD＝Δn·L          (1)

其中Δn表示光纤芯层与包层的有效折射率差，L表示LPGP传感器中光栅中心距离。

多路复用后的传感信号经过一个光单向隔离器进入一个3-dB光纤耦合器，3-dB光纤耦合器将光信号分成等光强的两束；两束等光强的信号光分别通过光纤准直器入射到反射镜上并反射耦合回光纤；控制其中一个反射镜的位置移动，使两路信号光之间引入另一个入光程差，并产生扫描，从而补偿不同光栅中心距离的LPGP传感器引入的光程差。

补偿后的两路光信号在3-dB耦合器中汇合干涉，干涉信号经3-dB耦合器的一臂，由光电二极管转化为电信号，由数据采集卡采集，完成解调。

从(1)式可以看到，不同光栅中心距离的LPGP传感器引入的相位差不同，所以当麦氏干涉仪扫描到某一位置，某个LPGP传感器的相位差被补偿为零，则该LPGP传感器对应的低相干光干涉信号出现。通过并联布置一系列不同光栅中心距离的LPGP传感器以及扫描麦氏干涉仪的其中一臂，可实现多路LPGP传感器的复用和解调。

这种多路复用LPGP传感器的解调方案的分辨率主要取决于长周期光栅损耗谱的相干长度：

$l_c=\frac{2\ln 2}{\mathrm{\π}}\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{\mathrm{\Δ\λ}},---\left(2\right)$

其中，λ和Δλ分别为长周期光栅损耗峰等中心波长和带宽，本实施例中λ取1550nm(光通讯典型波段)，Δλ取20nm(长周期光栅损耗峰正常带宽)，根据式(2)，干涉长度为53μm。步进电机扫描1cm，最多377个LPGP传感器信号可以被解调。为了相邻信道的LPGP干涉信号之间不发生混叠现象，根据式(1)和式(2)，再考虑普通单模光纤芯层包层折射率差Δn为10^-2左右，相邻LPGP长度差需要5.3mm。

由于微弯会引起LPGP中包层模的泄漏，从而减弱输出端干涉信号的强度，利用数据采集和处理***对干涉信号提取包络，即可获得LPGP传感器的微弯信号。扫描麦氏干涉仪，即实现了多路LPGP的复用和解调。

利用可扫描麦氏干涉仪对LPGP引入的光程差进行补偿获得包含传感信号的低相干光干涉条纹，从而实现了对LPGP传感器的复用和解调。本发明还具有分辨率高、测量带宽大、解调精度高和成本低廉的优点。

Claims (3)

1、基于长周期光纤光栅对传感器的复用和解调方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)选用波长范围覆盖长周期光纤光栅透射损耗峰的宽带光源，光源带宽范围20～60nm；通过光纤耦合器将光强平均分配到n个不同光栅中心距离的LPGP传感器，其中n≥2，每个LPGP传感器中的光信号引入不同的光程差；携带各路LPGP传感信息的信号光由光纤耦合器汇合到一根单模光纤，完成传感信号的多路复用；

(2)多路复用后的传感信号经过一个光单向隔离器进入一个3-dB光纤耦合器，3-dB光纤耦合器将光信号分成等光强的两束；两束等光强的信号光分别通过光纤准直器入射到反射镜上并反射耦合回光纤；通过控制其中一个反射镜的位置移动，使两路信号光之间引入另一个光程差，并产生扫描，从而补偿不同光栅中心距离的LPGP传感器中引入的光程差；

(3)补偿后的两路光信号在3-dB耦合器中汇合干涉，干涉信号经3-dB耦合器的一臂，由光电二极管转化为电信号，由数据采集卡采集，完成解调。

2、如权利要求1所述的基于长周期光纤光栅对传感器的复用和解调方法，其特征在于所述每个LPGP传感器中的光信号的光程差是利用长周期光纤光栅能把光纤芯层的光能量耦合到包层这一特性，每个LPGP传感器通过第一个长周期光纤光栅把一半光能量耦合到光纤包层，经过一段光程的传播后，被第二个长周期光纤光栅耦合回芯层，与通过芯层的另外一半光能量汇合，LPGP传感器中的光信号的光程差为：

                OPD＝Δn·L           (1)

其中Δn表示光纤芯层与包层的有效折射率差，L表示LPGP传感器中光栅中心距离。

3、采用权利要求1方法所使用的设备，其特征在于并联的n个不同光栅中心距离的LPGP传感器(3)输入端通过光纤耦合器(2)与宽带光源(1)光信号连接，其中n≥2，输出端与另一个光纤耦合器(4)光信号连接；光单向隔离器(5)输入端与光纤耦合器(4)光信号连接，其输出端和光电二极管(10)的输入端分别与3-dB光纤耦合器(6)的一端光信号连接，光电二极管(10)的输出端与数据采集卡(11)电连接；3-dB光纤耦合器(6)的另一端分别与两个光纤准直器(7)光信号连接，对应两个光纤准直器(7)位置设有两个反射镜(8)，其中一个反射镜通过步进电机(9)控制其位置移动。