[发明专利]光纤传感的波长解调方法

说明书

技术领域

本发明应用于在光纤传感，特别是光纤布拉格光栅(FBG)传感中，凡利用测定光波长变化来确定被传感量(如温度、应变等)变化的传感应用。属于光纤传感中的波长解调技术。

背景技术

在光纤传感中，有一些传感是通过光波长的变化来反映被传感量的变化的，典型的是FBG。当外界被传感量，如温度或应变等发生变化时，由FBG反射回来的光波长也发生相应的变化，二者存在一定的函数关系。如果测定了反射光波长的变化，也就测定了欲传感的物理量的变化，这个过程称为波长解调。

现有比较成熟的，并实现商用的波长解调装置是采用法布里-珀罗(F-P)干涉仪作为滤波器进行波长解调，其工作过程如图1(a)所示。宽带光源1发出的光经光耦合器2”传到FBG 3，并有波长很窄的一部分光被反射回来，反射光的波长随FBG 3周围被传感物理量的变化而变化。反射光经耦合器2”和第一耦合器2到达受压电陶瓷7控制的F-P滤波器6。锯齿波发生器8产生的电压信号驱动压电陶瓷7，再带动F-P滤波器6，对谐振波长进行扫描。当谐振波长等于FBG 3反射回来的波长时，光又被反射回第一耦合器2，并传到第一PIN光电二极管4转变为电信号。此时，记录下锯齿波的瞬时电压幅度，就能对应出F-P滤波器6的谐振波长，也就是FBG 3的反射波长，从而实现波长解调。

应该强调指出的是，这种方法测量的是电压幅度。一般，幅度量易受外界因素的干扰，测量精度不高。另外，该装置比较复杂，价格昂贵，限制了相应光纤传感的广泛应用。

还有一些已报导的波长解调方法，这些方法都没有进入商用阶段，大多都是将光波长的变化转变成电信号的幅度变化，同样存在易受干扰，测量精度不高的问题。

图1(b)是实验室中常用的用光谱分析仪9直接进行波长解调的方法。这种方法看起来似乎很简单，但光谱分析仪9十分昂贵，且庞大、笨重，不能在实际工程中应用。

发明内容

本发明的目的是提出一种计数的方法进行光纤传感的波长解调，该方法完全避开了通过测量信号的幅度变化来测量波长的变化，具有抗干扰能力强，测量精度高的优点。

本发明提出的光纤传感的波长解调方法是一种在光纤传感测量中，利用对光纤环镜输出信号的计数方法来进行波长解调，利用短双折射光纤环镜的输出光强随波长变化的单调特性，确定长双折射光纤计数的方向的方法。其采用的具体步骤为：

1、将波长变化的光信号经光耦合器分为强度相等的两束光，第一束光经第一光耦合器分为强度相等的两束光并分别沿顺时针方向和逆时针方向绕着由普通光纤、长双折射光纤和偏振控制器组成的同一环路传输，然后返回第一光耦合器，并同时输出到第一PIN光电二极管后转变为电信号。第一PIN光电二极管得到的第一透射率曲线a，如图5所示。第二束光经第二光耦合器分为强度相等的两束光并分别沿顺时针方向和逆时针方向绕着由另一普通光纤、短双折射光纤和偏振控制器组成的同一环路传输，然后返回第二光耦合器，并同时输出到第二PIN光电二极管后转变为电信号。第二PIN光电二极管得到的第二透射率曲线b，如图5所示。其中的短双折射光纤为使第二透射率曲线b小于半个振动周期的双折射光纤。

2、对第一透射率曲线a的上升沿和下降沿都进行计数，利用第二透射率曲线b的单调性判断波长的增减，当第二透射率曲线b随波长单调增时，对第一透射率曲线a的计数增加，当第二透射率曲线b随波长单调减时，对第一透射率曲线a的计数减少。

3、根据对第一透射率曲线a的最终计数值i，利用公式λ＝iΔλ计算出波长的大小，其中，λ为波长，Δλ为两次计数间的波长差；从而确定了波长的变化，完成波长解调。

其中所述的长双折射光纤为使第一透射率曲线a每纳米波长大于5个振动周期的光纤。

其中，步骤2和3可通过由放大器和比较器组成的信号处理电路和单片机来完成，具体步骤为：①、第一PIN光电二极管4、第二PIN光电二极管4’输出的电信号分别经第一放大器18和第二放大器18’进行放大。第一放大器的输出信号同时送给上升沿比较器19和下降沿比较器19’，基准电压20作为两个比较器的比较电压值。当信号电压上升或下降越过基准电压时，两个比较器分别会输出计数信号，单片机5接收到该信号。

②、在单片机5先后收到两个比较器送来的计数信号时，分别先后将放大器18’送来的信号进行两次A/D转换，然后将两次转换的值进行比较，由短双折射光纤环镜输出光强的单调性，可确定是进行加1运算还是减1运算，然后进行运算。