[实用新型]干涉型光纤传感器输出波长快速解调系统

说明书

技术领域

本实用新型具体涉及一种干涉型光纤传感器输出波长快速解调系统。

背景技术

光纤传感器作为一种越来越成熟的传感器件而广泛应用于各领域，相比于传统传感器，光纤传感有着众多不可比拟的优点。其中，基于干涉型的光纤传感器是极其重要的一类光纤传感器，得到人们的广泛关注。干涉型光纤传感器是利用在光纤中传播的光的相位随待测物理量变化的光学效应来实现对某些物理、生物或化学参量等进行检测的光纤传感器。检测传感器输出波长的变化信息，实现对被测物理量的测量。对于该类传感器，其输出波长解调系统的优劣对正确获取传感器的输出信息至关重要。解调系统的性能优劣主要表现在两个方面：①解调灵敏度。对波长的解调灵敏度越高，系统的测量灵敏度就越高，反之则越低；②解调速度。当被测量是快变信号时，要求系统对传感器输出波长具有较高的解调速度，否则将无法准确、及时地捕获被测信号的动态变化信息。

目前，国内外主要采用的解调方法分为两大类：光谱分析法和光功率检测法。光谱分析法主要采用光谱仪或者波长可调谐滤波器等器件对传感器的输出光谱进行扫描，获取传感器的输出波长信息。光谱分析法的优点是解调灵敏度高，但该方法的解调速度较低(响应速度一般为毫秒级)，因此这种方法只适合于被测信号为低频信号的情况，而无法获取高频信号信息。

光功率检测法是利用受到外界物理量变化时干涉型光纤传感器输出光功率的变化实现对被测量的解调，检测输出光功率的变化，就可以实现对被测物理量的有效解调。工程实践中，可以选择调谐输入传感器的窄带光源的波长，使其工作波长位于输出光谱线性变化区域，当周期性干涉光谱随着外界物理量的改变发生变化时，该工作波长处的光功率随之发生改变；也可以通过边缘滤波器、非平衡马赫-曾德干涉仪等器件将传感器输出波长的变化转化换为功率的变化。这种方法的优点是解调速度快，适用于对快变信号的测量。但是该方法测量范围一般为干涉谱的线性区。此外光源波动，系统噪声，环境温度变化等等都是影响系统稳定工作的因素。

对于某一确定的干涉型光纤传感器，其易受温度、振动等外界环境的影响而发生随机的相位漂移，即所谓的相位衰弱现象，从而导致系统解调的灵敏度降低。所以，抗相位衰弱是干涉型光纤传感器输出波长解调的关键技术。现有技术中，采用抗相位衰弱的解调方法包括3×3耦合器法、外差解调法、相位生成载波(PGC)调制解调法以及其它基于开环或者闭环控制系统控制工作点的解调法。这些方法大都需要增加额外光路或者电路，使得解调系统结构较为复杂。例如，3×3耦合器法需在传感器输出后面加入3×3耦合器，需要进行三路光信号采集和处理，增加了系统的复杂度。

实用新型内容

针对当前干涉型光纤传感器输出波长解调中存在的光功率波动对测量精度的影响大，测量范围与解调速度难以同时提高等难题，本实用新型提供了一种干涉型光纤传感器输出波长快速解调系统。

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：

干涉型光纤传感器输出波长快速解调系统，包括从左往右依次相连的飞秒激光器、干涉型光纤传感器、耦合器、掺铒光纤放大器、色散补偿光纤、第一光电探测器和第一示波器，所述耦合器还通过第二光电探测器连接有第二示波器；飞秒激光器输出的光信号，经过干涉型光纤传感器和耦合器后，分两路输出，一路进入第一光电探测器输出作为参考信号通过第一示波器进行显示；另外一路进入掺铒光纤放大器进行功率放大后，进入色散补偿光纤进行色散延时展开，然后通过第二光电探测器输出至第二示波器进行显示，干涉光谱不同的光波长对应不同的延时时间，波长变化时对应的时域信号产生相应变化；此时，通过示波器检测光电探测器探测到时域的光功率变化，就可以得到对应的波长变化信息，从而检测被测物理量的大小，实现干涉型光纤传感器输出波长的快速有效解调。“光谱-时域”信息映射的精细度越高意味着光谱信息在对应的时域中反映得越准确、精细。因此，精细准确的映射关系是准确获取传感器输出信息的技术基础。当干涉谱波长变化时，相应的时域信号的时间间隔会产生一个相应的变化。假设示波器的时间分辨精度为50ps(20GHz采样率)，色散系数为5.2ns/nm(40km的色散补偿光纤)，那么此时的波长分辨精度约为10pm。

作为优选，所述飞秒激光器的光谱范围1540～1580nm，输出平均光功率30mW；重复频率40MHz。

作为优选，所述干涉型光纤传感器的自由光谱范围FSR小于飞秒激光器光谱范围。

作为优选，所述色散补偿光纤的工作波长覆盖飞秒激光器光谱范围，色散系数典型值为-130ps/nm·km；传输损耗典型值0.6dB/km。