CN201302457Y - 一种频域光纤光栅传感网络解调装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种频域光纤光栅传感网络解调装置。本实用新型中电光调制器接入萨尼亚克环中；由多个传感FBG串联组成FBG传感网络通过三端口3－dB光纤耦合器与萨尼亚克环连接；参考FBG阵列上各个参考FBG的布拉格波长与和其序号相同的传感FBG相同；电光调制器由频率可变的射频信号驱动。射频信号频率改变时，由光电二极管检测透射率变化；采集卡采集到光电二极管的输出数据通过快速傅立叶变换以及相关运算，得到传感网络上各个传感FBG的布拉格波长的漂移量，最终得到所传感的物理量的变化。本实用新型能做到极高的响应速度，满足实时传感的要求，并且由于传感网络连入萨尼亚克环中，设备抗外界温度波动以及机械扰动性能强。

Description

一种频域光纤光栅传感网络解调装置

技术领域

本实用新型属于光纤传感技术领域，涉及了一种利用电光调制器改变光波频率引起萨尼亚克(Sagnac)环结构不对称的效应以及光纤布拉格光栅(FBG)斜边检测技术来实现FBG传感网络解调的装置。

背景技术

FBG由于其特有的光纤内部敏感、波长编码、易于组网等优点而成为光纤传感的一种重要器件。基于已经发展起来的波分复用(WDM)和时分复用(TDM)技术，光纤光栅阵列被广泛用于光纤准分布式传感，如：铁路、大桥、水坝等的健康监测，主干输电线沿线的温度监控。其中，WDM要求需要一套相对复杂的波长敏感系统来进行复用信号的解复用，如：可调法布里-泊罗滤波器、富里叶频谱计、波长敏感耦合器等。而在TDM中，一般采用窄脉冲光源输入，各个FBG传感器的反射光信号利用不同的延时实现信号复用，并被解调端的高速门处理电路解复用。这两套复用技术，都需要成本较高的光源和复杂的解调系统，直接导致了FBG传感网络的成本居高不下，限制了其很多实际应用。

电光调制器可以在一定范围内精确改变经过调制器的光波的频率；萨尼亚克(Sagnac)环由于其结构的对称性，对外界温度变化，机械振动等干扰不敏感，在光纤传感，光纤检测等领域应用十分广泛；使用基于电光调制器光频变转的Sagnac结构实现的FBG准分布式传感网络，结构简单，抗干扰性强，不需要高速的光电元件，成本很低，因此非常适用于实际应用。

发明内容

本实用新型的目的就是针对现有技术的不足，提供一种低成本、抗干扰性好、结构简单实用、能实现实时检测的频域光纤光栅传感网络解调装置。

本实用新型的的具体方案是：中心波长在光通信波段的宽带光源通过光纤隔离器与四端口3-dB光纤耦合器的输入端口光连接，四端口3-dB光纤耦合器的输出端口与光纤环形器的输入端口连接，光纤环形器的输出端口与光电二极管的输入端光连接，光电二极管的输出端与数据采集卡的输入端电连接，数据采集卡的输出端与快速傅立叶变换分析仪电连接，光纤环形器的中间端口与光纤布拉格光栅参考阵列光连接；

四端口3-dB光纤耦合器的另外两个端口通过单模光纤连接，单模光纤由电光调制器分为两段，分别为测量段单模光纤和连接段单模光纤，长度分别为L_a和L_b，L_a＞＞L_b，电光调制器的电驱动信号口与正弦信号发生器电连接；测量段单模光纤中插入三端口3-dB光纤耦合器，三端口3-dB光纤耦合器的输入端的两端口分别与测量段单模光纤连接，另一个端口与光纤布拉格光栅传感网络光连接；

所述的光纤布拉格光栅传感网络由多个不同布拉格波长的传感光纤布拉格光栅串联而成，各个传感光纤布拉格光栅的布拉格波长间隔0.6～1.2nm；光纤布拉格光栅参考阵列中的各个参考光纤布拉格光栅与光纤布拉格光栅传感网络中的各个传感光纤布拉格光栅一一对应，并且相对应的参考光纤布拉格光栅和传感光纤布拉格光栅的布拉格波长相同。

本实用新型中，电光调制器可以在一定范围内精确使经过调制器的光波发生频移。同时，Sagnac环对外界温度变化、机械振动等干扰不敏感。本实用新型适用于一般性的FBG准分布式传感网络，与传统的FBG传感网络方案相比，采用了电子频率扫描，而不是使用低速的机械控制的波长扫描装置，能做到极高的响应速度，满足实时传感的要求；并且由于不需要短脉冲激光，高速光电二极管和高速数据采集卡，因此成本相对较低；另外由于传感网络连入Sagnac环中，设备抗外界温度波动以及机械扰动性能强。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，宽带光源1通过光纤隔离器2与四端口3-dB光纤耦合器3的一个输入端口光连接；四端口3-dB光纤耦合器3的另一个输入端口通过光纤环形器4与参考FBG阵列16光连接，参考FBG阵列16由多个参考FBG 15串联而成，光纤环形器4的输出端口与光电二极管5的输入端光连接，光电二极管5的输出端与数据采集卡6的输入端电连接，数据采集卡6的输出端与FFT分析仪7电连接。

四端口3-dB光纤耦合器3的两个另外两个端口通过单模光纤连接，单模光纤由电光调制器9分为两段，分别为测量段单模光纤12和连接段单模光纤8，长度分别为L_a和L_b，L_a＞＞L_b。电光调制器9的电驱动信号口与正弦信号发生器10电连接。测量段单模光纤12中插入三端口3-dB光纤耦合器11，三端口3-dB光纤耦合器11的输入端的两端口分别与测量段单模光纤12连接，另一个端口与传感网络单模光纤13连接。多个传感FBG 14依次串联在传感网络单模光纤13上。

检测中，中心波长在光通信波段的宽带光源发出的光束通过光纤隔离器和四端口3-dB光纤耦合器后，进入萨尼亚克环中。

光束进入萨尼亚克环后分为两路，其中一路进入长度已知的测量段单模光纤，再通过测量段单模光纤中插入的三端口3-dB光纤耦合器入射到由多个不同布拉格波长的传感光纤布拉格光栅串联成的光纤布拉格光栅传感网络；光束被传感网络上的各个传感光纤布拉格光栅反射，反射光包括了所有传感光纤布拉格光栅的反射光谱；反射后光束经过三端口3-dB光纤耦合器回到测量段单模光纤，通过电光调制器产生变频，所述的电光调制器由频率受调制的正弦信号发生器驱动；变频后的光束经过长度已知的连接段单模光纤，回到四端口3-dB光纤耦合器；被传感网络上第i个传感光纤布拉格光栅反射的光束回到四端口3-dB光纤耦合器时电场强度E_1-i为：

$E_{1-i}=-J_1\left(\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)E_i\left\{\begin{array}{c}\exp (i({\mathrm{\ω}}_i-\mathrm{\Ω})t+\mathrm{ni}[\frac{L_a+2L_i}{C}{\mathrm{\ω}}_i+\frac{L_b}{C}({\mathrm{\ω}}_i-\mathrm{\Ω})\left]\right)\\ +\exp (i({\mathrm{\ω}}_i+\mathrm{\Ω})t+\mathrm{ni}[\frac{L_a+2L_i}{C}{\mathrm{\ω}}_i+\frac{L_b}{C}({\mathrm{\ω}}_i+\mathrm{\Ω})\left]\right)\end{array}\right\}---\left(1\right)$

其中E_i为第i个传感光纤布拉格光栅反射的光束的电场强度，J₁为一阶贝塞尔函数，α为电光调制器驱动信号的归一化振幅，ω_i为第i个传感光纤布拉格光栅的布拉格波长对应的角频率，Ω为电光调制器驱动信号的角频率，n为单模光纤的折射率，C为真空中的光速，L_i为传感网络上第i个传感光纤布拉格光栅与三端口3-dB光纤耦合器之间的光纤长度，L_a为测量段单模光纤的长度，L_b为连接段单模光纤的长度，L_a＞＞L_b。

另一路光束首先经过长度已知的连接段单模光纤，然后通过电光调制器产生变频，变频后的光束进入长度已知的测量段单模光纤；光束通过测量段单模光纤中插入的三端口3-dB光纤耦合器入射到光纤布拉格光栅传感网络，光束被传感网络上的各个传感光纤布拉格光栅反射，反射后光束经过三端口3-dB光纤耦合器回到测量段单模光纤，再回到四端口3-dB光纤耦合器；被传感网络上第i个传感光纤布拉格光栅反射的光束回到四端口3-dB光纤耦合器时电场强度E_2-i为：

$E_{2-i}=J_1\left(\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)E_i\left\{\begin{array}{c}\exp (i({\mathrm{\ω}}_i-\mathrm{\Ω})t+\mathrm{ni}[\frac{L_b}{C}{\mathrm{\ω}}_i+\frac{L_a+2L_i}{C}({\mathrm{\ω}}_i-\mathrm{\Ω})\left]\right)\\ +\exp (i({\mathrm{\ω}}_i+\mathrm{\Ω})t+\mathrm{ni}[\frac{L_b}{C}{\mathrm{\ω}}_i+\frac{L_a+{2L}_i}{C}({\mathrm{\ω}}_i+\mathrm{\Ω})\left]\right)\end{array}\right\}---\left(2\right)$

第i个传感光纤布拉格光栅对应的两束光在四端口3-dB光纤耦合器中发生干涉，透射光的强度为：

$I_T={J_1}^2\left(\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\π}}{2}\right){\left|E_i\right|}^2\left\{\begin{array}{c}4+2\cos \left[2(\mathrm{\Ωt}+\frac{\mathrm{n\Ω}}{C}{L}_b)\right]+2\cos \left[2(\mathrm{\Ωt}+\frac{\mathrm{n\Ω}}{C}(L_a+2L_i))\right]\\ +4\cos \left[(2\mathrm{\Ωt}+\frac{\mathrm{n\Ω}}{C}(L_a+L_b+2L_i))\right]+4\cos \left[\frac{\mathrm{n\Ω}}{C}(L_a+2L_i-L_b)\right]\end{array}\right\}---\left(3\right)$

透过萨尼亚克环的光束通过光纤环形器入射到由多个参考光纤布拉格光栅串联成的光纤布拉格光栅参考阵列，光纤布拉格光栅参考阵列中的各个参考光纤布拉格光栅与光纤布拉格光栅传感网络中的各个传感光纤布拉格光栅一一对应，并且相对应的参考光纤布拉格光栅和传感光纤布拉格光栅的布拉格波长相同。

光电二极管探测由光纤布拉格光栅参考阵列反射的光束的强度，光电二极管的截至频率为f_b，f_b＜＜Ω，由光电二极管接收到的光强为：

$I_T={J_1}^2\left(\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)\{4+4\cos [\frac{\mathrm{n\Ω}}{C}(L_a+{2L}_i+L_b)\left]\right\}---\left(4\right)$

电光调制器的驱动频率Ω按照2πwt作线性变化，通过线性扫描，各个传感FBG反射的激光的透射光强分别按cos(f_it)变化

$f_{i}t=2\mathrm{\πn}\frac{L_a+{2L}_i-L_b}{C}\mathrm{wt}---\left(5\right)$

其中f_i为光强变化的频率。

光电二极管将光强信号转化为电信号，由数据采集卡进行采集，并进行快速傅立叶变换(FFT)，在频谱上得到式(5)对应的各个峰，通过测量各个峰的频率f_i的得到各个峰对应的传感光纤布拉格光栅在光纤布拉格光栅传感网络上的位置L_i

$L_i=(\frac{{\mathrm{Cf}}_i}{2\mathrm{\πn\ω}}-L_a+L_b)/2---\left(6\right)$

频谱上各个峰的强度由对应的各个传感FBG中心波长与和其序号相同的参考FBG的中心波长的位置差的大小决定。依次在各个传感光纤布拉格光栅上施加应力，使中心波长向长波方向漂移，记录中心波长的移动量与频谱上对应的各个峰的强度改变的关系。

将各个光纤布拉格光栅安装在需要传感的环境中，环境中待测物理量改变时，各个传感光纤布拉格光栅的中心波长发生移动，并引起频谱上对应的峰值的强度改变关系。根据记录的中心波长的移动量与频谱上对应的各个峰的强度的定标数据，得到各个光纤布拉格光栅中心波长的移动量，最终得到各个光纤布拉格光栅所传感的环境物理量。

光纤布拉格光栅的中心波长的波长漂移量与对应传感的环境物理量变化(微弯、温度、应力等变化)间的关系为现有技术。

Claims (1)

1、一种频域光纤光栅传感网络解调装置，其特征在于：中心波长在光通信波段的宽带光源通过光纤隔离器与四端口3-dB光纤耦合器的输入端口光连接，四端口3-dB光纤耦合器的输出端口与光纤环形器的输入端口连接，光纤环形器的输出端口与光电二极管的输入端光连接，光电二极管的输出端与数据采集卡的输入端电连接，数据采集卡的输出端与快速傅立叶变换分析仪电连接，光纤环形器的中间端口与光纤布拉格光栅参考阵列光连接；

四端口3-dB光纤耦合器的另外两个端口通过单模光纤连接，单模光纤由电光调制器分为两段，分别为测量段单模光纤和连接段单模光纤，长度分别为L_a和L_b，L_a＞＞L_b，电光调制器的电驱动信号口与正弦信号发生器电连接；测量段单模光纤中插入三端口3-dB光纤耦合器，三端口3-dB光纤耦合器的输入端的两端口分别与测量段单模光纤连接，另一个端口与光纤布拉格光栅传感网络光连接；

所述的光纤布拉格光栅传感网络由多个不同布拉格波长的传感光纤布拉格光栅串联而成，各个传感光纤布拉格光栅的布拉格波长间隔0.6～1.2nm；光纤布拉格光栅参考阵列中的各个参考光纤布拉格光栅与光纤布拉格光栅传感网络中的各个传感光纤布拉格光栅一一对应，并且相对应的参考光纤布拉格光栅和传感光纤布拉格光栅的布拉格波长相同。

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