[发明专利]一种基于反射功能谐振滤波器的精确传感系统及传感方法

说明书

本发明公开了一种基于反射功能谐振滤波器的精确传感系统，包括激光光源、相位调制器、信号源、光纤环形器、具有反射功能的光学谐振滤波器、光电探测器、高速模数转换器及数据分析处理模块，激光光源输出的连续信号光经过相位调制器后各边带和载波相互拍频，信号光载波、上边带、下边带经过具有反射功能的谐振滤波器后相位发生变化，载波和边带都产生了一个相位延迟，从而打破了相位之间的平衡状态，使拍频信号可以被探测器探测到。本发明还公开了一种基于该传感系统的方法，当滤波器的中心波长随环境漂移，光载波对应相位响应曲线不同的位置，通过不同幅度的频谱输出解调出中心反射波长实现环境参量监测。

技术领域

本发明涉及微波光子学及光纤传感技术领域，具体的说，是一种基于反射功能谐振滤波器的精确传感系统及传感方法。

背景技术

随着光电子器件以及微波通信技术的快速发展，形成了光学和电学的交叉学科，即微波光子学。微波光子技术具有带宽高、重量轻、抗电磁干扰以及损耗低等优点，对微波信号的发生、传输和处理等方面都有很大的优势，并且被广泛应用于通信、军事等方面。其中，使用铌酸锂晶体作为调制器主要构造的相位调制器迅速发展，一些光载射频技术和模拟光传输系统也由强度调制-直接检测逐步被相位调制替代，这种调制方式完全避免了强度调制-直接检测的直流偏置点漂移等弊端。

作为一种新型的光纤无源器件，近年来以光纤光栅为主的光学谐振滤波器的研究受到广泛关注。目前，结合现在的技术，光纤光栅传感器可以对这些物理量进行精确测量：温度、应变、位移、压力、扭角、压强、加速度磁场、电场、频率、热膨胀系数等。通常，外界的温度、应变和压力等变化直接影响谐振滤波器反射谱的中心波长，如果需要得到更加精确的测量值，那么还需要对中心波长的变化量进行准确监测。通常利用光谱仪解调FBG方法，由于光谱仪是采用衍射和色散光栅来进行波长测量，所以分辨率很低，并且光谱仪价格相对昂贵，体积庞大，很多情况无法满足FBG解调要求。匹配光栅FBG解调法解调精度非常高，信噪比指标也非常好，但解调频率极大地受到PZT的响应速度的限制，因此无法对快速变化的物理量进行精确测量。并且该方法要求待测FBG与参考FBG完全匹配，从制作工艺上讲，很难做到。并且相对其他方法，其FBG波长解调范围很小，并且不能同时解调多个FBG。干涉法解调法的解调精度相对其他方法最高，并且对于高速变化(频率大于100Hz)的物理量可以进行很好的检测解调，但是该方法对于工艺的要求也最高，并且该方法对外界因素造成的干扰十分敏感，所以要对检测环境要求非常高，同时该方法只适用于动态测量，无法进行静态测量，从而也限制了该方法的应用范围。可调谐窄带滤波器解调方法和可调谐窄线宽激光器扫描法都是很有应用前景的解调方案，其测量精度高，并且体积小巧，易于与FBG传感网络集成。但是这两种方法很大程度上依赖PZT的工作性能和F-P的精细度，而PZT在高频电压下的稳定度差，而高精度的F-P主要靠外国进口，所以成本较高。阵列波导光栅(AWG)解调法有极高的精度，但是由于其对于阵列波导光栅的依赖大，解调范围受到AWG通道数和工作波长范围的限制，并且该解调方法使用宽带光源，将有限的光功率分散到多个通道里，造成光谱资源浪费和信噪比下降。光纤环形腔衰落解调方法使用窄带光源，并且核心装置为光纤环，造价低廉，在非常多的情况下适用。但其需要MEMS等机械扫描装置，并需要很精确的后期数据处理，所以很大程度上限制了该解调方法的解调速率。综上所述，以上几种FBG解调方法各有所长，但都无法避免对于机械扫描装置的依赖，而且大多需要的器件设备造价昂贵，成本大大提高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于反射功能谐振滤波器的精确传感系统及传感方法，进一步降低传感系统解调部分的复杂度，降低系统引入的噪声，提高了在传感元件反射谱变化平缓区域的传感分辨率，减少了插入损耗等。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种基于具有反射功能的谐振滤波器反射响应的精确传感系统，其特征在于，包括：

固定波长激光器，作为传感系统所需光源；

相位调制器，包含2个光学端口和1个电学端口，其光学输入端与激光器输出端相连，用来对光源发出的光进行相位调制，产生载波边带；