[發(fā)明專利]一種光纖布拉格光柵的解調(diào)系統(tǒng)及方法

有效

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• 申請日: 2020-06-15
• 公開（公告）號: CN111707300B
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 尹向輝;梁斌;王學(xué)謙;朱曉俊;劉厚德
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)深圳國際研究生院
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353
• 代理公司: 深圳新創(chuàng)友知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44223
• 代理人: 孟學(xué)英

本發(fā)明提供一種光纖布拉格光柵的解調(diào)系統(tǒng)及方法，包括依序連接、穩(wěn)定設(shè)置的：光源、光環(huán)形器、光纖布拉格光柵、干涉器陣列；光源，用于發(fā)射寬頻光并通過環(huán)形器的第一端口進(jìn)入，第二端口輸出到光纖布拉格光柵；光纖布拉格光柵，用于接收光源的光并反射，將反射的光從光環(huán)形器的第二端口進(jìn)入第三端口輸出到干涉器陣列，干涉器陣列，包括多個干涉器，用于接收光纖布拉格光柵從光環(huán)形器傳輸來的光，并將光的波長信息轉(zhuǎn)換為強度信息，通過壓縮感知技術(shù)利用強度信息解調(diào)光纖布拉格光柵。提出了采用包含多個干涉器的干涉器陣列對回波信號進(jìn)行空域采樣，提高了解調(diào)速度；引入壓縮感知的思想，通過采樣的隨機化減少了對干涉器陣列的數(shù)目的要求，降低成本。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光纖布拉格光柵的解調(diào)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種光纖布拉格光柵的解調(diào)系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

光纖傳感器因其敏感度高、抗干擾能力強、光纖纖細(xì)形狀可變等優(yōu)點普遍應(yīng)用于溫度傳感、曲率傳感等領(lǐng)域，其中光纖布拉格光柵因為制作工藝成熟、可以一條光纖上加工多個傳感點等優(yōu)點在光纖傳感器中應(yīng)用最為廣泛。

目前光纖布拉格光柵的技術(shù)較為成熟，光纖布拉格光柵是將傳統(tǒng)通信光纖經(jīng)過摻雜、載氫等處理后，利用光刻技術(shù)在光纖內(nèi)沿光傳播方向刻寫折射率周期變化的光柵，每一個折射率變化的界面都會讓光能量少部分反射，而當(dāng)界面間隔(光柵周期)與某個光的波長相一致時，該波長的能量就強烈反射，其它波長正常通過不被反射。當(dāng)光柵收到如彎曲、溫度變化等影響導(dǎo)致光柵周期發(fā)生變化時，該光柵反射的波長就發(fā)生改變，解調(diào)儀通過測量反射光的波長變化可以測量某個光柵受到的彎曲或溫度變化。光柵對外界條件的變化非常敏感，一般微弧度級別的彎曲就可以造成光波長的變化。

目前光纖布拉格光柵工藝較為成熟，其主要研究熱點在于解調(diào)方法。工程上較為成熟的解調(diào)方法速度較慢，一般回報率在百Hz以下，大部分產(chǎn)品在Hz級別，且解調(diào)速度與光柵數(shù)量、解調(diào)精度相關(guān)，因此光纖布拉格光柵目前更廣泛應(yīng)用于建筑物的長期形變測量、環(huán)境長期監(jiān)測這些對測量速度要求不高的領(lǐng)域。由于光纖傳感器的抗干擾、高精度及可任意變形等優(yōu)點非常適合應(yīng)用在機器人、可穿戴等領(lǐng)域，但受限于目前的解調(diào)速度慢且解調(diào)儀成本高昂等問題無法大規(guī)模應(yīng)用。

光纖布拉格光柵的解調(diào)方法一般有兩類，一種是激光波長在光譜范圍內(nèi)掃描，另一種是采用光譜儀解調(diào)。波長掃描型解調(diào)儀一般采用波長可變的激光器或腔長可變的波長鑒定器，這類器件使用PZT或MEMS器件驅(qū)動諧振腔前后反射面距離變化，也有使用電光或熱光效應(yīng)改變諧振腔介質(zhì)折射率進(jìn)而改變光學(xué)長度，光路中的光波長周期性掃描，將光纖布拉格光柵的反射光轉(zhuǎn)變?yōu)闀r間序列上的脈沖串，當(dāng)某個光柵反射光波長變化時，該脈沖返回時間改變，進(jìn)而得到傳感量，這種方法由于每次測量都需要進(jìn)行全光譜范圍掃描，因此測量速度較慢。第二種是使用光譜儀，同時采集光譜范圍內(nèi)所有光譜信息，雖然解調(diào)速度快但光譜儀價格昂貴，這種方法一般在實驗室使用。具體的，如下所述。

一種采用光譜掃描的解調(diào)方法。光譜掃描一種是改變激光器腔長，激光器由諧振腔前后表面反射反復(fù)激發(fā)腔內(nèi)介質(zhì)產(chǎn)生激光，激光的波長由諧振腔的光學(xué)長度決定，當(dāng)諧振腔的長度變化時發(fā)射的激光波長就發(fā)生改變，諧振腔長度周期性變化時發(fā)射的激光波長也在光譜范圍內(nèi)周期性掃描，由于可以將諧振腔掃描周期固定，因此發(fā)射激光波長變化的周期固定，當(dāng)波長與光柵周期不一致時光能量不被反射，波長與光柵周期一致時光能量反射，由于多個光柵周期各不相同，反射光各不相同，這樣就把光柵在光譜上的分布變?yōu)闀r間序列上的脈沖串。當(dāng)某個光柵產(chǎn)生彎曲時，該光柵所反射的脈沖在時間上發(fā)生變化，由此可得到彎曲的曲率。缺點是：(1)每次測量需要掃描整個光譜，測量速度慢，目前產(chǎn)品化解調(diào)儀一般測量頻率在百Hz以下，在機器人領(lǐng)域/可穿戴領(lǐng)域往往要求關(guān)節(jié)角度采樣頻率/回報率在KHz以上甚至更高；(2)由于使用了可變的精密光學(xué)器件，這類解調(diào)儀成本高，不適合小型化且難以適合所有工況。