[发明专利]一种基于VCSEL的超高速光纤光栅传感系统及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及超高速传感技术研究领域，特别涉及一种基于VCSEL（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直腔面发射激光器）的超高速光纤光栅传感系统。

背景技术

超高速传感技术在地震波检测（地质勘探、石油工业等）、瞬态形变和冲击波分析（机车交通安全、军事武器测试等）等领域具有极其重要的应用需求。光纤传感技术，以其体积小、灵敏度高、抗电磁干扰、重量轻、适合远程监控等特点，在超高速传感领域得到越来越广泛的应用。

由于光纤光栅与光纤之间天然的兼容性，很容易将多个光纤光栅串联在一根光纤上构成光纤光栅阵列，实现准分布式传感，加之本身传感信号为波长调制，测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗不受光源功率波动和系统损耗影响的特点，因此光纤光栅在传感领域的应用引起了世界各国有关学者的广泛关注和极大兴趣。现有的光纤光栅传感系统通常基于波长解调，解调方法种类繁多，但总体而言其解调速度慢且系统昂贵，不适合广泛推广，特别是高速传感应用。与此同时，传感系统中通常使用宽带光源，其优点在于可在几十纳米的范围内提供宽带平滑的光谱输出，但其平均输出能量较低，直接影响了随后传感器解调信号的信噪比，进而降低了传感器精度。

例如，最为广泛使用的光纤光栅传感解调方式是S.M.Melle等人报道的基于被动波长解调系统实现对光纤光栅传感器的动态，“A passive wavelength demodulation system for guided-wave Bragg grating sensors，”IEEE Photon.Technol.Lett.,vol.4,p.516,1992。这一方法以泵浦光激发铒光纤产生的自发辐射谱为宽带光学，光纤光栅反射信号波长变化通过调谐法布里-珀罗(F-P)腔解调，其最高解调速度低于1KHz，且存在重复稳定性易受温度影响以及解调成本高等问题。

近年来，基于阵列光波导arrayed waveguide grating（AWG）的光纤光栅解调系统成为研究热点。例如，2010年，Honglei Guo,Gaozhi Xiao等人报道了基于芯片式压电控制AWG波长扫描式光纤光栅解调方法，“Wavelength Interrogator Based on Closed-Loop Piezo-Electrically Scanned Space-to-Wavelength Mapping of an Arrayed Waveguide Grating”IEEE J.Lightwave Technol.,vol.28,p.2654,2010.此方法具有波长扫描范围宽和易于系统集成的特点，但其本质上属于分段式波长间隔扫描解调，通过两个通道间能量比例算法计算光栅反射波长，无法实现高速实时解调。

因此，提出一种能够实现超高速实时解调且成本低廉的光纤光栅传感系统极具现实意义。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于VCSEL的超高速光纤光栅传感系统，该系统具有信噪比高和无需窄带滤波（或匹配滤波）等优点，且结构紧凑、成本低廉、解调速度快、精度高。本发明还提供了一种基于上述超高速光纤光栅传感系统的传感方法，该方法解调速度快，且传感精度高。