[发明专利]基于复合波长参考的光纤光栅传感解调装置与方法

说明书

技术领域

本发明属于光纤光栅传感技术领域，特别是涉及一种基于复合波长参考的温度稳定光纤光栅传感解调装置与方法。

背景技术

光纤光栅传感系统是以光为载体，光纤为媒介，使用具有体积小、质量轻、耐腐蚀、复用能力强、不受电磁干扰等优点的光纤光栅传感器进行传感测量的系统。当光纤光栅传感器受到应力应变、振动、温度和压力等物理参量作用时，传感器返回的布拉格光波长会产生移动从而实现传感。相比传统电学传感系统，该技术具有测量范围宽、高精度和高分辨率的特点，在强电磁干扰、易燃易爆或热真空等严酷环境下更具优势。

光纤光栅传感的解调方法主要有干涉解调技术、线性边沿滤波技术、匹配滤波解调技术、可调谐FP滤波器解调技术等。从解调速度、光谱范围、分辨率和大容量等方面综合比较，可调谐FP滤波器解调技术具有明显的优势。但是由于可调谐FP滤波器是利用PZT调节腔长进而改变输出波长，而PZT调节腔长存在位移与驱动电压的非线性关系，和初始腔长受环境温度影响两个问题。使得可调谐FP滤波器透射波长与驱动电压之间除了存在迟滞非线性关系之外，还具有蠕变特性。引入光纤FP标准具作为波长参考，可大幅度降低可调谐FP滤波器非线性对波长定位精度的影响，提高传感系统的波长解调精度。但是由于温度、振动等外部因素以及自身蠕变特性，光纤FP标准具的透射波长并不是完全稳定的，会随着环境的变化和时间的推移产生一定的漂移。

发明内容

为了克服上述现有技术的问题，本发明提出了一种基于复合波长参考的光纤光栅传感解调装置与方法，利用由光纤气室和光纤FP标准具联合而成的复合波长参考装置，克服可调谐FP滤波器透射波长与驱动电压非线性和光纤FP标准具透射波长漂移对解调的影响，提供一种温度稳定的光纤光栅解调装置及其解调方法，可以有效提高波长解调精度。

本发明提出了一种基于复合波长参考的光纤光栅传感解调方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、宽带光源1发出的光通过一个由电压控制扫描的可调谐FP滤波器2，在三角波或锯齿波电压驱动下输出扫频激光，经过光纤一级分束器3按分成两部分光，其中一部分光到达传感链路，另一部分光到达波长参考链路；

步骤2、到达传感链路的光进入第一光纤二级分束器61分成N束，每束光均通过一个光纤环形器4将扫频激光送至光纤光栅传感阵列5，传感阵列5感知外界待测量并将其编码到光纤光栅反射光的中心波长上，反射光信号再通过光纤环形器4送至光电探测器阵列10；

步骤3、到达波长参考链路的光进入第二光纤二级分束器62分成两部分光，一部分光进入光纤气室7，另一部分光进入光纤FP标准具8形成等频率间隔的梳状透射光，采用一个陷波滤波器9陷掉指定波长的光信号，并将该波长作为波长标记；两路波长参考光信号分别送至光电探测器阵列10，光电探测器阵列10将所有的光信号转变成电信号经数据采集卡11送至处理单元12进行解调；

步骤4、光纤FP标准具8提供复合波长参考中的等间距参考波长，对采集到的标准具参考信号寻峰，然后对峰值位置进行一阶差分，波长标记位置由于陷掉了一个透射峰，其差分结果约为其他差分结果的二倍，据此可自动识别波长标记位置作为波长计算的粗算标记零点，以此作为起始位置向两侧分别提供参考波长，采用数值插值的方法对峰值采样点外的采样点提供波长值；对采集到的光纤光栅传感信号进行寻峰，并根据光纤FP标准具8提供的采样点—波长关系得到光纤光栅传感信号的中心波长值λ_f；

步骤5、光纤气室7提供复合波长参考中的绝对参考波长，在根据光纤FP标准具8提供的采样点—波长关系找到光纤气室7最强吸收谱线作为绝对参考波长，对绝对参考波长去基线后寻峰得到峰值波长值λ_g，形成波长计算的精算标记零点；与光纤气室7绝对参考波长最接近的光纤FP标准具8的透射峰的干涉级次记作m₁，光纤FP标准具8的自由光谱范围记作FSR，气体吸收谱数据提供的绝对参考波长的标准波长值记作λ_ref，则校正过的FBG传感信号真实的中心波长值为

与现有技术相比，本发明的实施具有以下积极效果：

1、本发明综合了光纤FP标准具作为等间距参考波长的透射峰精细度高、易于寻峰、宽波长覆盖范围的优点和光纤气室提供的绝对参考波长不受温度、振动、冲击等环境因素影响的优点；

2、在宽环境温度范围(-70℃～+150℃)内，解调出的波长稳定性均在1.2pm以内，实现了温度稳定的光纤光栅解调；