[发明专利]基于线性工作匹配光栅法的光纤布拉格光栅传感器信号解调方法

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及一种基于线性工作匹配光栅法的光纤布拉格光栅传感器信号解调方法。

背景技术

光纤布拉格光栅传感器由于其灵敏度与精度高、可利用波长编码实现绝对测量、可实现点或分布式测量等性质，是目前使用范围较广的一种光纤传感器，并在光纤通信和光纤传感领域得到了广泛的关注，获得了极大的发展。

随着光纤光栅传感器的应用日益广泛，光纤光栅传感器信号解调技术作为光纤光栅传感应用中至关重要的组成部分，近年来也迅猛发展着。光纤光栅解调最直接的方法是利用光谱仪，这种解调方法使用方便，但结构复杂，造价高，体积大，仅适于实验室使用，无法满足动态测量与高分辨力的需求。其它常见的解调方法主要包括以下几种：

1.1992年，由A.D.Kersey等人提出了非平衡M-Z干涉法，其实质是利用非平衡M-Z干涉仪将测量光栅的反射谱中心波长变化量转化为相位变化量，通过检测干涉仪输出的相位信号，便可得到中心波长的变化信息，提高了系统的灵敏度。但由于M-Z干涉仪易受外界扰动产生误差，从而导致系统的稳定性降低。

2.韩国首尔国立大学利用环形镜滤波器的双光束干涉原理使其透射光谱函数为正弦函数，用透射谱的线性段作为边缘滤波器进行解调。高折射环形镜的作用是利用环形镜透射光谱和反射光谱的线性段与布拉格反射光进行卷积。当布拉格光纤光栅传感器的反射峰随着待测物理量的变化出现漂移时，由于受到边缘滤波器的调制，反射峰的强度产生变化，这种变化可以通过光电接收装置检测，通过数据处理算出反射峰的漂移，可得到待测物理量的信息，达到解调制的目的。

综上，光纤光栅传感器的解调方式多种多样，基本围绕着波长、相位和功率解调等方法，并利用其传感信息波长编码这一特点，最终转化为其反射光谱中心波长的变化，从而获取其传感信息。但目前的常见的方法存在对环境要求高、解调速度慢，解调分辨力与系统简易度不可兼得等问题。

发明内容

为克服上述现有光纤光栅解调方法的不足，本发明提出了一种基于线性工作匹配光栅法的光纤布拉格光栅传感器信号解调方法，提高了光谱分辨力和信号解调速率，抑制了环境温度和光源功率波动对测量结果的影响；同时基于匹配光栅法的光纤布拉格光栅传感器信号解调方法具有线性输出响应，简化解调过程中的信号处理流程，达到了信号处理简单、分辨力高、解调速度快的目的。

本发明的技术解决方案是：

一种基于线性工作匹配光栅法的光纤布拉格光栅传感器信号解调方法，该方法是：待测光纤光栅反射信号通过待测光纤光栅反射信号输入端口经过隔离器和50∶50光纤耦合器后，一部分直接进入光功率探测器A，另一部分进入参考光纤光栅后，待测光纤光栅反射信号光谱与参考光纤光栅反射光谱重叠部分被反射，反射信号再次经50∶50光纤耦合器进入光功率探测器B，光功率计将光功率探测器A和光功率探测器B的信号做除法计算后转化为光功率比值电信号后送入测量计算机，在待测光纤光栅反射信号的中心波长变化时，测量计算机中的光功率比值随之改变，从而建立待测光纤光栅反射信号光谱中心波长变化与光功率比值变化的关系；在测量前，参考光纤光栅的初始反射光谱中心波长λ₂应小于待测光纤光栅反射信号的反射光谱中心波长λ₁，通过预应力调整装置对参考光纤光栅施加拉力，改变参考光纤光栅的反射光谱中心波长至λ₃，满足其中Δλ₁和Δλ₃是待测光纤光栅和参考光纤光栅反射信号的光谱半高宽，使测量计算机中的光功率比值信号与待测光纤光栅反射信号的中心波长的变化关系是线性的，光功率计将光功率探测器A和光功率探测器B的信号做除法计算后抑制环境温度漂移对测量的影响，实现无温度耦合的光纤布拉格光栅传感器信号解调。

本发明的优点是：

1.利用光功率比值获取光纤光栅反射谱中心波长的关系，相比于传统的直接波长解调，将光谱转化为光功率，易于提高光谱分辨力和解调速度，从而满足动态测量的需求。

2.根据线性工作匹配光栅法中参考光纤光栅与测量光纤光栅中心波长需满足的关系对参考光纤光栅施加预应力以调节其中心波长，使基于线性工作匹配光栅法的光纤布拉格光栅传感器信号解调方法具有线性输出响应，简化了解调过程中的信号处理流程。

3.对于光纤光栅解调过程中的温度漂移，由于参考光纤光栅与测量光纤光栅处于同一环境中，受温度影响的作用效果相同，因此，该方法可以抑制温度漂移带来的共模干扰。

附图说明