[發明專利]一種光纖布拉格光柵的解調系統及方法

有效

• 申請號: 202010546528.4
• 申請日: 2020-06-15
• 公開（公告）號: CN111707301B
• 公開（公告）日: 2022-01-04
• 發明（設計）人: 尹向輝;梁斌;王學謙;朱曉俊;劉厚德
• 申請（專利權）人: 清華大學深圳國際研究生院
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353
• 代理公司: 深圳新創友知識產權代理有限公司 44223
• 代理人: 孟學英

本發明提供一種光纖布拉格光柵的解調系統及方法，系統包括：光源，用于發射寬頻光并通過第一光環形器的第一端口進入，第二端口輸出到參考光柵，參考光柵將參考波長的光反射，其他波長的光進入光纖布拉格光柵；光纖布拉格光柵，用于接收參考光柵的光并反射，將反射的傳感波長的光與參考波長的光從第一光環形器的第二端口進入第三端口輸出到干涉器；干涉器，接收第一光環形器的第三端口輸出的光束并分為兩路，其中一路搭載擾動源使得兩路的臂長差產生隨機變化；還包括第二環形器將其中一路通過參考光柵濾波器測得傳感波長的光，另一路測得參考波長的光。采用帶有相位擾動源的不等臂長干涉器對回波信號進行空域采樣，提高解調速度。

技術領域

本發明涉及光纖布拉格光柵的解調技術領域，尤其涉及一種光纖布拉格光柵的解調系統及方法。

背景技術

光纖傳感器因其敏感度高、抗干擾能力強、光纖纖細形狀可變等優點普遍應用于溫度傳感、曲率傳感等領域，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點在光纖傳感器中應用最為廣泛。

目前光纖布拉格光柵的技術較為成熟，光纖布拉格光柵是將傳統通信光纖經過摻雜、載氫等處理后，利用光刻技術在光纖內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。當光柵收到如彎曲、溫度變化等影響導致光柵周期發生變化時，該光柵反射的波長就發生改變，解調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方法。工程上較為成熟的解調方法速度較慢，一般回報率在百Hz以下，大部分產品在Hz級別，且解調速度與光柵數量、解調精度相關，因此光纖布拉格光柵目前更廣泛應用于建筑物的長期形變測量、環境長期監測這些對測量速度要求不高的領域。由于光纖傳感器的抗干擾、高精度及可任意變形等優點非常適合應用在機器人、可穿戴等領域，但受限于目前的解調速度慢且解調儀成本高昂等問題無法大規模應用。

光纖布拉格光柵的解調方法一般有兩類，一種是激光波長在光譜范圍內掃描，另一種是采用光譜儀解調。波長掃描型解調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器件驅動諧振腔前后反射面距離變化，也有使用電光或熱光效應改變諧振腔介質折射率進而改變光學長度，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變為時間序列上的脈沖串，當某個光柵反射光波長變化時，該脈沖返回時間改變，進而得到傳感量，這種方法由于每次測量都需要進行全光譜范圍掃描，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所有光譜信息，雖然解調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激發腔內介質產生激光，激光的波長由諧振腔的光學長度決定，當諧振腔的長度變化時發射的激光波長就發生改變，諧振腔長度周期性變化時發射的激光波長也在光譜范圍內周期性掃描，由于可以將諧振腔掃描周期固定，因此發射激光波長變化的周期固定，當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為時間序列上的脈沖串。當某個光柵產生彎曲時，該光柵所反射的脈沖在時間上發生變化，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，目前產品化解調儀一般測量頻率在百Hz以下，在機器人領域/可穿戴領域往往要求關節角度采樣頻率/回報率在KHz以上甚至更高；(2)由于使用了可變的精密光學器件，這類解調儀成本高，不適合小型化且難以適合所有工況。