[發明專利]基于非均勻光纖布拉格光柵分布式傳感的光譜識別方法

有效

• 申請號: 201310455613.X
• 申請日: 2013-09-29
• 公開（公告）號: CN103528599A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發明（設計）人: 于雪蓮;沈濤;熊艷玲;胡超;楊倩茹;王偉佳
• 申請（專利權）人: 哈爾濱理工大學
• 主分類號: G01D3/028
• 分類號: G01D3/028
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 張宏威

技術領域

本發明涉及光譜識別技術領域，具體涉及基于非均勻光纖布拉格光柵分布式傳感的光譜識別技術領域。

背景技術

光纖布拉格光柵（FBG，即，fiber?Bragg?grating）作為傳感元件廣泛地應用于傳感系統中，光纖布拉格光柵傳感器是一種基于波長調制的新型光纖傳感器。通常的傳感應用往往都是準分布式傳感。所謂的準分布式傳感就是在光柵長度遠遠小于被測物尺寸的時候，可以把每個光柵看成是一個測量點，為了分析外場對被測物的影響，一般在被測物上設置多個光柵，然后通過同時測量所有測量點的外場來實現對被測物所受到的外場進行分析的一種傳感方式。在這種情況下，可以認為沿光柵軸向施加的傳感參數是常量，光柵的光譜沒有發生形變，而僅僅是光譜出現了整體移動。因此，傳感參數的作用就可以通過光譜的峰值反射率對應的布拉格波長的偏移來反映，進而實現對傳感參數的傳感。

與FBG在傳感系統中的準分布式傳感不同，當光柵長度與被測物的尺寸相當，同時被測物體內又存在一個非均勻的傳感參數的作用場時，那么FBG的反射譜形狀會發生改變，原有的光柵布拉格波長同傳感參數之間的線性對應關系也就不成立了，所以此時不能再通過測量布拉格波長的偏移量來進行傳感參數的測量，而是應該對FBG的反射譜進行更加深入的理解和分析。通常情況下，為了實現各種不均勻傳感參量在傳感上的應用，采用的基本途徑是對非均勻外界作用場下的FBG進行合成，通過光譜合成可以得到光柵上傳感參數的分布情況，人們把這個過程稱作光柵的分布式傳感應用。所有這些基于光柵的傳感系統其空間分辨率都受限于光柵的長度，并且光柵上非均勻應力場也影響應力的分辨率，特別是用于材料中有破壞或者應力集中的地方，光柵的光譜形狀常常會出現有意義畸變。這種畸變往往是由于光柵的光纖軸上存在應力梯度、非均勻或者不連續的應力場等情況而引起的，因而可以通過實驗中測量得到的畸變光譜來判斷FBG所受到的外界力場作用，這一點在材料健康監測上是有潛在應用的。

發明內容

本發明為了解決現有光譜識別方法在進行光譜識別時，當光纖布拉格光柵長度與被測物體的尺寸相當，同時被測物體體內存在非均勻的傳感參數的作用場時，導致光纖布拉格光柵的反射譜形狀發生改變，進而影響光譜識別效率的問題，提出了基于非均勻光纖布拉格光柵分布式傳感的光譜識別方法。

基于非均勻光纖布拉格光柵分布式傳感的光譜識別方法，它包括以下步驟：

步驟一、計算非均勻應變場作用下的光柵折射率分布；

步驟二、建立非均勻外界應變場作用下光柵光譜識別的傳輸矩陣模型；

步驟三、根據步驟二得到的傳輸矩陣模型得出非均勻外界應變場作用下直角三角譜光纖布拉格的光譜變化。

建立非均勻外界應變場作用下光柵光譜識別的傳輸矩陣模型，它是由以下步驟實現的：

步驟二一、對沒有加入外界應變之前光柵的有效周期進行計算；

步驟二二、通過步驟二一得到的沒有加入外界應變之前光柵的有效周期和外界應變引起的光柵周期變化與外界應變的關系，計算出非均勻力場作用下的相位變化；

步驟二三、計算在非均勻外界應變場作用下，光纖中前向傳播光場包絡的耦合模和后向傳播光場包絡的耦合模；

步驟二四、計算出外界應變作用下，光傳輸到光柵位置z處的波數失諧量與外界應變之間的關系；

步驟二五、計算出微應變下光柵耦合系數與非均勻應變場作用下的交流折射率、非均勻應變場作用下的折射率交流分量的變化量和光柵的相位之間的關系；

步驟二六、計算出在外界應變作用下，在坐標位置z處與z+△l_ε(z)處的第d段光場的傳輸矩陣，△l_ε(z)為非均勻應變場作用下光柵第d段光場長度，即△l_ε(z)=△l(1+ε(z))，△l為沒有非均勻應變場作用時光柵第d段光場長度，△l=L/N，N為沒有外界應變作用之前光柵長度L平均分成的層數，ε(z)為外界應變；

步驟二七、通過步驟二六得到在外界應變作用下總的傳輸矩陣；

步驟二八、通過步驟二七得到的在外界應變作用下總的傳輸矩陣計算出微應變下光柵光譜的反射系數。

有益效果：本發明提出的基于非均勻光纖布拉格光柵分布式傳感的光譜識別方法通過傳輸矩陣法對非均勻光纖布拉格光柵在外界應變場作用下的傳輸矩陣進行推導，能夠使光纖布拉格光柵長度與被測物體的尺寸相當，同時被測物體體內存在非均勻的傳感參數的作用場時，光線布拉格光柵的反射譜形狀不會發生改變，同時使本發明的光譜識別方法更加簡單和便于計算，進而使光譜識別效率提高了5%以上。