[发明专利]基于频移干涉技术的弱光纤光栅反射率的测量方法

说明书

本发明涉及基于频移干涉技术的弱光纤光栅反射率的测量方法，该方法采用频移干涉技术在线获取阵列中每个弱光纤光栅的反射谱和位置，利用光谱遮蔽校正方法由参考弱光栅的反射率依次实现每个待测弱光纤光栅的反射率测量，测量范围宽，消除了光源不平坦度的影响，并且大大降低了系统成本，能够满足大规模阵列中弱光纤光栅的同步精确测量需求。

技术领域

涉及光谱测量领域，特别涉及一种精确测量弱光纤光栅反射率的方法。

背景技术

公知，光纤光栅具有体积小、灵敏度高、精度高、抗电磁干扰、耐腐蚀以及响应快等优点，已经广泛应用于民用工程、航空航天、石油化工、生物医学以及电力系统检测等领域，在单根光纤上复用多个光纤光栅可形成传感器阵列，以降低系统成本、实现多点探测和分布式传感，已成为了光纤传感领域的研究热点之一。根据反射率的高低，光纤光栅可分为普通光纤光栅(反射率大于1％)和弱光纤光栅(反射率小于1％)。由于弱光纤光栅的反射率低，光谱遮蔽效应与多次反射串扰低，信噪比高，且在线拉制方面工艺简单、制造成本低、串接损耗小，弱光纤光栅比普通光纤光栅更适用于光纤传感系统的组网与扩容。一般来说，光栅的反射率越低，系统的复用容量越大，然而受信噪比的制约，反射率并不是越低越好，而是存在一个最佳优化的值。因此，精确测量反射率的大小，对弱光纤光栅阵列的设计与应用至关重要。

传统光纤光栅反射率的测量是利用光谱仪接收宽带光经过光纤光栅的透射谱，通过分析光谱的谷值深度来计算光栅的反射率。这种方法受限于光谱仪的光强分辨率，最低可测量的光栅反射率为2％，无法实现对弱光纤光栅反射率的探测。目前用于弱光纤光栅反射率的测量方法可以分为以下四种：

一、采用光谱平均法。将弱光纤光栅阵列一端的端面切平整、浸入无水乙醇或去离子水中，另外一端与宽带光源相连。宽带光源发出的光经光栅阵列和光纤末端的共同反射后，采用光谱仪接收光谱。取反射光谱的峰值高度除以光栅个数，即得到弱光纤光栅的反射率。这种方法近似认为阵列中所有弱光纤光栅的反射率相等，测得的结果是平均反射率而不是单个弱光栅真实的反射率，而事实上受拉制过程中拉制速度、张力以及炉温等因素的影响，弱光纤光栅阵列中各光栅的峰值反射率并不完全相同。此外，这种方法没有考虑弱光纤光栅阵列对光纤末端光谱的影响即光谱遮蔽效应，也没有考虑光源的不平坦度对端面反射率的影响，测量的误差较大。

二、采用时分复用技术。通过将无水乙醇中光纤端面的反射率和反射谱峰值高度作为参考，采用时分复用技术和光谱仪逐个测得每个弱光纤光栅反射谱的峰值高度后，根据这三个参数计算出弱光栅的反射率。这种方法能实现每个弱光栅反射率的测量，但需要依次调整脉冲时延以区分每个光栅的反射谱及位置，无法实现弱光纤光栅反射率的同步测量。由于时分复用采用脉冲光，需要脉冲调制、高速探测、高速采集以及多次光放大，这种方法也存在成本高、结构复杂等缺点。此外，这种方法与也容易受光源的不平坦度和功率波动的影响，难以精确测量弱光纤光栅的反射率。

三、采用基于高反射参考光纤光栅的波分复用技术。将反射谱互不重叠的高反射光栅与待测弱光纤光栅串联在一起，用光谱仪记录两光栅的反射谱，减去光源的光谱后得到相对反射谱。在此基础上将相对反射谱的两峰值高度相减，即得到弱光纤光栅的反射率。这种方法克服了光源光谱和参考光栅反射谱遮蔽的影响，可以获得较高的测试精度。但是这种方法要求各光纤光栅的反射谱互不相同，测量的弱光栅数目受限于光源的带宽范围，无法实现大规模阵列中弱光纤光栅的反射率测量，另外也容易受到光源功率波动的影响。