[實用新型]干涉型光纖傳感器輸出波長快速解調系統

有效

• 申請號: 201720092095.3
• 申請日: 2017-01-22
• 公開（公告）號: CN206378144U
• 公開（公告）日: 2017-08-04
• 發明（設計）人: 呂方興;丁暉
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本實用新型具體涉及一種干涉型光纖傳感器輸出波長快速解調系統。

背景技術

光纖傳感器作為一種越來越成熟的傳感器件而廣泛應用于各領域，相比于傳統傳感器，光纖傳感有著眾多不可比擬的優點。其中，基于干涉型的光纖傳感器是極其重要的一類光纖傳感器，得到人們的廣泛關注。干涉型光纖傳感器是利用在光纖中傳播的光的相位隨待測物理量變化的光學效應來實現對某些物理、生物或化學參量等進行檢測的光纖傳感器。檢測傳感器輸出波長的變化信息，實現對被測物理量的測量。對于該類傳感器，其輸出波長解調系統的優劣對正確獲取傳感器的輸出信息至關重要。解調系統的性能優劣主要表現在兩個方面：①解調靈敏度。對波長的解調靈敏度越高，系統的測量靈敏度就越高，反之則越低；②解調速度。當被測量是快變信號時，要求系統對傳感器輸出波長具有較高的解調速度，否則將無法準確、及時地捕獲被測信號的動態變化信息。

目前，國內外主要采用的解調方法分為兩大類：光譜分析法和光功率檢測法。光譜分析法主要采用光譜儀或者波長可調諧濾波器等器件對傳感器的輸出光譜進行掃描，獲取傳感器的輸出波長信息。光譜分析法的優點是解調靈敏度高，但該方法的解調速度較低(響應速度一般為毫秒級)，因此這種方法只適合于被測信號為低頻信號的情況，而無法獲取高頻信號信息。

光功率檢測法是利用受到外界物理量變化時干涉型光纖傳感器輸出光功率的變化實現對被測量的解調，檢測輸出光功率的變化，就可以實現對被測物理量的有效解調。工程實踐中，可以選擇調諧輸入傳感器的窄帶光源的波長，使其工作波長位于輸出光譜線性變化區域，當周期性干涉光譜隨著外界物理量的改變發生變化時，該工作波長處的光功率隨之發生改變；也可以通過邊緣濾波器、非平衡馬赫-曾德干涉儀等器件將傳感器輸出波長的變化轉化換為功率的變化。這種方法的優點是解調速度快，適用于對快變信號的測量。但是該方法測量范圍一般為干涉譜的線性區。此外光源波動，系統噪聲，環境溫度變化等等都是影響系統穩定工作的因素。

對于某一確定的干涉型光纖傳感器，其易受溫度、振動等外界環境的影響而發生隨機的相位漂移，即所謂的相位衰弱現象，從而導致系統解調的靈敏度降低。所以，抗相位衰弱是干涉型光纖傳感器輸出波長解調的關鍵技術。現有技術中，采用抗相位衰弱的解調方法包括3×3耦合器法、外差解調法、相位生成載波(PGC)調制解調法以及其它基于開環或者閉環控制系統控制工作點的解調法。這些方法大都需要增加額外光路或者電路，使得解調系統結構較為復雜。例如，3×3耦合器法需在傳感器輸出后面加入3×3耦合器，需要進行三路光信號采集和處理，增加了系統的復雜度。

實用新型內容

針對當前干涉型光纖傳感器輸出波長解調中存在的光功率波動對測量精度的影響大，測量范圍與解調速度難以同時提高等難題，本實用新型提供了一種干涉型光纖傳感器輸出波長快速解調系統。

為實現上述目的，本實用新型采取的技術方案為：

干涉型光纖傳感器輸出波長快速解調系統，包括從左往右依次相連的飛秒激光器、干涉型光纖傳感器、耦合器、摻鉺光纖放大器、色散補償光纖、第一光電探測器和第一示波器，所述耦合器還通過第二光電探測器連接有第二示波器；飛秒激光器輸出的光信號，經過干涉型光纖傳感器和耦合器后，分兩路輸出，一路進入第一光電探測器輸出作為參考信號通過第一示波器進行顯示；另外一路進入摻鉺光纖放大器進行功率放大后，進入色散補償光纖進行色散延時展開，然后通過第二光電探測器輸出至第二示波器進行顯示，干涉光譜不同的光波長對應不同的延時時間，波長變化時對應的時域信號產生相應變化；此時，通過示波器檢測光電探測器探測到時域的光功率變化，就可以得到對應的波長變化信息，從而檢測被測物理量的大小，實現干涉型光纖傳感器輸出波長的快速有效解調。“光譜-時域”信息映射的精細度越高意味著光譜信息在對應的時域中反映得越準確、精細。因此，精細準確的映射關系是準確獲取傳感器輸出信息的技術基礎。當干涉譜波長變化時，相應的時域信號的時間間隔會產生一個相應的變化。假設示波器的時間分辨精度為50ps(20GHz采樣率)，色散系數為5.2ns/nm(40km的色散補償光纖)，那么此時的波長分辨精度約為10pm。

作為優選，所述飛秒激光器的光譜范圍1540～1580nm，輸出平均光功率30mW；重復頻率40MHz。

作為優選，所述干涉型光纖傳感器的自由光譜范圍FSR小于飛秒激光器光譜范圍。

作為優選，所述色散補償光纖的工作波長覆蓋飛秒激光器光譜范圍，色散系數典型值為-130ps/nm·km；傳輸損耗典型值0.6dB/km。