[发明专利]基于光纤法珀腔与光纤光栅双参量联合测量的高速解调装置及方法

权利要求书

1.一种基于光纤法珀腔与光纤光栅双参量联合测量的高速解调装置，其特征在于，该装置包括：光源模块、3dB耦合器、环形器、传感单元和解调单元；各部件之间采用单模光纤进行光信号传输；

所述光源模块包括三个窄带光源与一个宽谱光源，三个窄带光源的光谱与宽谱光源的光谱互不重叠；所述传感单元包括光纤法珀腔传感结构与光纤光栅传感结构；所述解调单元包括1×3密集波分复用器、1×2粗波分复用器、光电探测器、信号调理电路、数据采集卡与计算机；

光源模块中发出的三束窄带激光与一束宽谱光由四根单模光纤同时传输到4×1的3dB耦合器后，四束光经耦合入射到环形器中，然后传入传感单元；

传入传感单元的光信号先入射进入光纤光栅传感结构，符合光纤光栅反射中心波长的光波被反射，其它光波透射进入光纤法珀腔传感结构并在其中发生多光束干涉，干涉光返回光纤光栅传感结构并由其直接透射，干涉光与光纤光栅的反射光形成叠加光谱；

叠加光谱经过1×2的3dB耦合器分别入射进入1×3密集波分复用器与1×2粗波分复用器，将光信号分为五路；1×3密集波分复用器与三个窄带光源相匹配，由1×3密集波分复用器输出的三束光用于解调光纤法珀腔的腔长；1×2粗波分复用器输出的两束光用于光纤光栅反射中心波长的解调；五路光信号经光电探测器转换为电信号并进入信号调理单元，电信号经过信号调理单元转变为数字信号由数据采集卡传输到计算机进行存储，通过对电信号进行解调，获取光纤法珀腔的腔长变化量和光纤光栅反射中心波长的漂移量。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤法珀腔与光纤光栅双参量联合测量的高速解调装置，其特征在于，所述传感单元为光纤法珀腔与无应力封装的光纤光栅组成的复合传感器，或者为光纤法珀压力/应变传感器与光纤光栅温度传感器的串联结构。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤法珀腔与光纤光栅双参量联合测量的高速解调装置，其特征在于，所述的窄带光源为分布式反馈激光器，所述的宽谱光源采用放大自发辐射光源或者基于掺杂光纤的超荧光光源。

4.基于权利要求1所述的高速解调装置的高速解调方法，其特征在于，该高速解调方法实现步骤如下：

步骤一：进行标定实验；

获取解调光纤光栅反射中心波长导致的误差漂移量Δλ₁与环境温度变化量ΔT、压力/应变变化量ΔX之间的关系，如下所示：

Δλ₁＝K₁ΔT+K₂ΔX(1)

获取光纤法珀腔的腔长变化量ΔL与环境温度变化量ΔT、压力/应变变化量ΔX之间的关系：

ΔL＝K₃ΔT+K₄ΔX(2)

K₁、K₂、K₃和K₄为四个系数，由标定试验获得；

步骤二：解调光纤法珀腔的腔长变化量与光纤光栅的反射中心波长的漂移量；

利用高速解调装置进行光信号测量，在计算机中利用三波长数字相位解调方法解调得到光纤法珀腔的腔长变化量ΔL，利用边缘滤波法解调得到光纤光栅反射中心波长的漂移量Δλ；光纤光栅反射中心波长的实际漂移量Δλ₂表示为：

Δλ₂＝Δλ-Δλ₁(3)

步骤三：求解温度变化量ΔT与压力/应变变化量ΔX；

根据公式(4)获得温度变化量ΔT：

ΔT=K4Δλ-K2ΔLK4A+K1K4-K2K3---(4)]]>

根据公式(5)获得压力/应变的变化量ΔX：

ΔX=-K3Δλ+(A+K1)ΔLK4A+K1K4-K2K3---(5)]]>

其中，A是光纤光栅的温度灵敏系数；

利用式(4)、(5)最终获得环境中温度与压力/应变的变化量。

5.根据权利要求4所述的高速解调方法，其特征在于，所述的步骤一中，通过下面标定实验来确定K₁，具体是：

将所述的高速解调装置中的传感单元置入温度加载装置中，温度加载装置对传感单元进行温度加载，传感单元中经过温度调制后的光信号，被解调单元探测，在计算机中利用线性滤波法解调获得光纤光栅反射中心波长的漂移量Δλ；Δλ包含光纤光栅反射中心波长的解调误差漂移量Δλ₁与光纤光栅由于温度变化所引起的实际中心波长漂移量；

在高速解调装置的环形器的输出端连接光谱仪，传感单元中经过温度调制后的光信号，被光谱仪探测，获得光纤光栅反射中心波长的实际漂移量；通过解调漂移量与实际漂移量之间的差值，获得由于温度变化引起光纤光栅反射中心波长的误差解调漂移量Δλ₁，从而标定获得K₁。