[发明专利]基于级联长周期光纤光栅的Bragg光栅高速解调系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于级联长周期光纤光栅的Bragg光栅高速解调系统，属于光纤智能材料结构健康监测领域。

背景技术

光纤光栅传感器的应用是一个方兴未艾的领域，有着非常广阔的发展前景，目前限制光纤光栅传感器大量实际应用最主要的障碍是传感信号的解调。解调是利用光纤光栅具有波长编码的特点，通过波长解调可获得传感信号的变化状态。研究开发适用于实际工程应用的解调系统，降低成本，是光纤光栅传感器能够在实际工程应用中得到推广的至关重要的问题。

目前，光纤光栅传感信号的实用化解调系统有以下几种方案：(1)采用宽带光源和可调谐光纤F-P滤波器对传感光纤光栅的反射谱进行滤波扫描，该解调方法存在高精度的可调谐法布里珀罗腔价格较高，滤波损耗大的问题；(2)采用色散元件和CCD阵列相结合的光谱成像技术进行波长分析，解调仪器体积大，不易携带，不宜现场使用，更重要的是它不能输出电信号，这对于测量结果的记录、存储、显示以及提供给控制回路必要的电信号以达到工业生产过程自动控制的目的都是极为不利的；(3)采用匹配光栅滤波法对传感光纤光栅进行波长解调，该解调法结构简单、成本低但精度不高。各国的研究者相继提出了其他解调方法，如可调谐窄带激光源法、非平衡马赫-曾德干涉仪法、傅立叶变换解调法，以及将光纤光栅传感元件用作光纤激光器腔镜实现传感测量等。

欧美等国传感器的应用形式主要是以光纤Bragg光栅采集信息，将光纤Bragg光栅传感器反射波长引入光谱仪或干涉仪中提取测量信息，美国MICRONOPTICS公司的光纤BRAGG光栅-IS波长解调仪是这一领域先进技术的代表。而国内的传感技术与欧美等国相比，还存在一定的差距，特别是在光纤传感器的共性基础技术、中间试验技术、生产装备技术方面尤为突出，但近年国内 在光纤光栅传感器及其解调方面已先后取得了一批应用前景广泛的研究成果。

香港理工大学电机工程系和南开大学现代光学研究所合作，曾提出匹配光栅调谐光纤激光器波长扫描寻址解调方案，即采用光纤光栅作为光纤激光器的波长调谐元件，微机控制光纤激光器步进扫描，并同步采集光电探测器的输出信号，根据对应于光电探测器最大输出的调谐步数确定传感光栅的中心反射波长值。由于光纤激光器的扫描步长较大，此方法所获得的波长位移分辨率不够高。为了提高波长位移分辨率，他们对其作了改进。改进方案中，微机控制光纤激光器完成一次扫描过程后，用高斯-牛顿法对光电探测器输出电压与激光波长之间的关系数据进行曲线拟合，通过拟合确定传感光栅的中心反射波长值。这样，提高了解调分辨率，从而实现了高分辨率的温度及应变测量。

浙江大学信息与电子工程学系对干涉型光纤传感器的相位载波调制-解调技术进行了研究，分析得出了新的相位载波检测带宽要求，并在实验室中用相位载波检测方式检测到了较为稳定的模拟传感信号，从而克服了有源跟踪零差检测中使用压电陶瓷相调器和复位系统引入较大的附加噪声问题。因此，不仅适用于无源检测、遥测和阵列复用，而且在远距离、恶劣环境、无源检测和复用传感系统中有很大的应用前景。

清华大学精仪系精密测试技术及仪器国家重点实验室对干涉型光纤传感器的相位生成载波解调技术进行了研究，并对相位生成载波解调方法进行了的改进，提出采用一个参考传感器来监测光源频率抖动或环境漂移的影响，通过测量传感光纤Bragg光栅与参考光纤Bragg光栅相比的方法消除系统热扰动的影响。

北京理工大学光电工程系在进行Mach-Zehnder干涉型光纤水听器研究中，重点研究了用3×3耦合器组成的干涉型光纤水听器的解调原理，并指出采用3×3耦合器解调技术是构成全光纤干涉型水听器系统的优选方案。这是因为采用3×3耦合器来使干涉仪的输出成120°更可靠和稳定，因而简便实用。

光学学报2004年第24卷第2期199～202页报道了南开大学现代光学研究所对长周期光纤光栅边缘滤波线性解调方法进行了研究。解调方案为宽带光源发出的光经3dB耦合器进入传感光栅。由传感布拉格光栅反射后形成窄带光谱，再经耦合器均分成两路光束。其中一束经线性滤波器到达光电检测器。另一束直接检测，以补偿由于光源强度波动对实验造成的影响。该方案适用于动态、静态测量，具有成本较低，使用方便等优点，但解调精度较低，且可解调的波长范围小。。

发明内容

本发明的目的在于提供一种监测精度高、速度快，波长范围宽的光纤Bragg光栅解调系统。