[發(fā)明專利]基于級聯(lián)長周期光纖光柵的Bragg光柵高速解調(diào)系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910035214.1
• 申請日: 2009-09-15
• 公開（公告）號: CN101650509A
• 公開（公告）日: 2010-02-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 曾捷;梁大開;蘆吉云;胡興柳;陸觀;張小麗
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G02F2/00
• 分類號: G02F2/00
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司
• 代理人: 唐小紅

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于級聯(lián)長周期光纖光柵的Bragg光柵高速解調(diào)系統(tǒng)，屬于光纖智能材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域。

背景技術(shù)

光纖光柵傳感器的應(yīng)用是一個方興未艾的領(lǐng)域，有著非常廣闊的發(fā)展前景，目前限制光纖光柵傳感器大量實際應(yīng)用最主要的障礙是傳感信號的解調(diào)。解調(diào)是利用光纖光柵具有波長編碼的特點，通過波長解調(diào)可獲得傳感信號的變化狀態(tài)。研究開發(fā)適用于實際工程應(yīng)用的解調(diào)系統(tǒng)，降低成本，是光纖光柵傳感器能夠在實際工程應(yīng)用中得到推廣的至關(guān)重要的問題。

目前，光纖光柵傳感信號的實用化解調(diào)系統(tǒng)有以下幾種方案：(1)采用寬帶光源和可調(diào)諧光纖F-P濾波器對傳感光纖光柵的反射譜進行濾波掃描，該解調(diào)方法存在高精度的可調(diào)諧法布里珀羅腔價格較高，濾波損耗大的問題；(2)采用色散元件和CCD陣列相結(jié)合的光譜成像技術(shù)進行波長分析，解調(diào)儀器體積大，不易攜帶，不宜現(xiàn)場使用，更重要的是它不能輸出電信號，這對于測量結(jié)果的記錄、存儲、顯示以及提供給控制回路必要的電信號以達到工業(yè)生產(chǎn)過程自動控制的目的都是極為不利的；(3)采用匹配光柵濾波法對傳感光纖光柵進行波長解調(diào)，該解調(diào)法結(jié)構(gòu)簡單、成本低但精度不高。各國的研究者相繼提出了其他解調(diào)方法，如可調(diào)諧窄帶激光源法、非平衡馬赫-曾德干涉儀法、傅立葉變換解調(diào)法，以及將光纖光柵傳感元件用作光纖激光器腔鏡實現(xiàn)傳感測量等。

歐美等國傳感器的應(yīng)用形式主要是以光纖Bragg光柵采集信息，將光纖Bragg光柵傳感器反射波長引入光譜儀或干涉儀中提取測量信息，美國MICRONOPTICS公司的光纖BRAGG光柵-IS波長解調(diào)儀是這一領(lǐng)域先進技術(shù)的代表。而國內(nèi)的傳感技術(shù)與歐美等國相比，還存在一定的差距，特別是在光纖傳感器的共性基礎(chǔ)技術(shù)、中間試驗技術(shù)、生產(chǎn)裝備技術(shù)方面尤為突出，但近年國內(nèi)?在光纖光柵傳感器及其解調(diào)方面已先后取得了一批應(yīng)用前景廣泛的研究成果。

香港理工大學(xué)電機工程系和南開大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)研究所合作，曾提出匹配光柵調(diào)諧光纖激光器波長掃描尋址解調(diào)方案，即采用光纖光柵作為光纖激光器的波長調(diào)諧元件，微機控制光纖激光器步進掃描，并同步采集光電探測器的輸出信號，根據(jù)對應(yīng)于光電探測器最大輸出的調(diào)諧步數(shù)確定傳感光柵的中心反射波長值。由于光纖激光器的掃描步長較大，此方法所獲得的波長位移分辨率不夠高。為了提高波長位移分辨率，他們對其作了改進。改進方案中，微機控制光纖激光器完成一次掃描過程后，用高斯-牛頓法對光電探測器輸出電壓與激光波長之間的關(guān)系數(shù)據(jù)進行曲線擬合，通過擬合確定傳感光柵的中心反射波長值。這樣，提高了解調(diào)分辨率，從而實現(xiàn)了高分辨率的溫度及應(yīng)變測量。

浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)系對干涉型光纖傳感器的相位載波調(diào)制-解調(diào)技術(shù)進行了研究，分析得出了新的相位載波檢測帶寬要求，并在實驗室中用相位載波檢測方式檢測到了較為穩(wěn)定的模擬傳感信號，從而克服了有源跟蹤零差檢測中使用壓電陶瓷相調(diào)器和復(fù)位系統(tǒng)引入較大的附加噪聲問題。因此，不僅適用于無源檢測、遙測和陣列復(fù)用，而且在遠(yuǎn)距離、惡劣環(huán)境、無源檢測和復(fù)用傳感系統(tǒng)中有很大的應(yīng)用前景。

清華大學(xué)精儀系精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室對干涉型光纖傳感器的相位生成載波解調(diào)技術(shù)進行了研究，并對相位生成載波解調(diào)方法進行了的改進，提出采用一個參考傳感器來監(jiān)測光源頻率抖動或環(huán)境漂移的影響，通過測量傳感光纖Bragg光柵與參考光纖Bragg光柵相比的方法消除系統(tǒng)熱擾動的影響。

北京理工大學(xué)光電工程系在進行Mach-Zehnder干涉型光纖水聽器研究中，重點研究了用3×3耦合器組成的干涉型光纖水聽器的解調(diào)原理，并指出采用3×3耦合器解調(diào)技術(shù)是構(gòu)成全光纖干涉型水聽器系統(tǒng)的優(yōu)選方案。這是因為采用3×3耦合器來使干涉儀的輸出成120°更可靠和穩(wěn)定，因而簡便實用。

光學(xué)學(xué)報2004年第24卷第2期199～202頁報道了南開大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)研究所對長周期光纖光柵邊緣濾波線性解調(diào)方法進行了研究。解調(diào)方案為寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)3dB耦合器進入傳感光柵。由傳感布拉格光柵反射后形成窄帶光譜，再經(jīng)耦合器均分成兩路光束。其中一束經(jīng)線性濾波器到達光電檢測器。另一束直接檢測，以補償由于光源強度波動對實驗造成的影響。該方案適用于動態(tài)、靜態(tài)測量，具有成本較低，使用方便等優(yōu)點，但解調(diào)精度較低，且可解調(diào)的波長范圍小。。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種監(jiān)測精度高、速度快，波長范圍寬的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)。