[发明专利]一种光纤布拉格光栅的解调系统及方法

说明书

本发明提供一种光纤布拉格光栅的解调系统及方法，系统包括：光源，用于发射宽频光并通过第一光环形器的第一端口进入，第二端口输出到参考光栅，参考光栅将参考波长的光反射，其他波长的光进入光纤布拉格光栅；光纤布拉格光栅，用于接收参考光栅的光并反射，将反射的传感波长的光与参考波长的光从第一光环形器的第二端口进入第三端口输出到干涉器；干涉器，接收第一光环形器的第三端口输出的光束并分为两路，其中一路搭载扰动源使得两路的臂长差产生随机变化；还包括第二环形器将其中一路通过参考光栅滤波器测得传感波长的光，另一路测得参考波长的光。采用带有相位扰动源的不等臂长干涉器对回波信号进行空域采样，提高解调速度。

技术领域

本发明涉及光纤布拉格光栅的解调技术领域，尤其涉及一种光纤布拉格光栅的解调系统及方法。

背景技术

光纤传感器因其敏感度高、抗干扰能力强、光纤纤细形状可变等优点普遍应用于温度传感、曲率传感等领域，其中光纤布拉格光栅因为制作工艺成熟、可以一条光纤上加工多个传感点等优点在光纤传感器中应用最为广泛。

目前光纤布拉格光栅的技术较为成熟，光纤布拉格光栅是将传统通信光纤经过掺杂、载氢等处理后，利用光刻技术在光纤内沿光传播方向刻写折射率周期变化的光栅，每一个折射率变化的界面都会让光能量少部分反射，而当界面间隔(光栅周期)与某个光的波长相一致时，该波长的能量就强烈反射，其它波长正常通过不被反射。当光栅收到如弯曲、温度变化等影响导致光栅周期发生变化时，该光栅反射的波长就发生改变，解调仪通过测量反射光的波长变化可以测量某个光栅受到的弯曲或温度变化。光栅对外界条件的变化非常敏感，一般微弧度级别的弯曲就可以造成光波长的变化。

目前光纤布拉格光栅工艺较为成熟，其主要研究热点在于解调方法。工程上较为成熟的解调方法速度较慢，一般回报率在百Hz以下，大部分产品在Hz级别，且解调速度与光栅数量、解调精度相关，因此光纤布拉格光栅目前更广泛应用于建筑物的长期形变测量、环境长期监测这些对测量速度要求不高的领域。由于光纤传感器的抗干扰、高精度及可任意变形等优点非常适合应用在机器人、可穿戴等领域，但受限于目前的解调速度慢且解调仪成本高昂等问题无法大规模应用。

光纤布拉格光栅的解调方法一般有两类，一种是激光波长在光谱范围内扫描，另一种是采用光谱仪解调。波长扫描型解调仪一般采用波长可变的激光器或腔长可变的波长鉴定器，这类器件使用PZT或MEMS器件驱动谐振腔前后反射面距离变化，也有使用电光或热光效应改变谐振腔介质折射率进而改变光学长度，光路中的光波长周期性扫描，将光纤布拉格光栅的反射光转变为时间序列上的脉冲串，当某个光栅反射光波长变化时，该脉冲返回时间改变，进而得到传感量，这种方法由于每次测量都需要进行全光谱范围扫描，因此测量速度较慢。第二种是使用光谱仪，同时采集光谱范围内所有光谱信息，虽然解调速度快但光谱仪价格昂贵，这种方法一般在实验室使用。具体的，如下所述。

一种采用光谱扫描的解调方法。光谱扫描一种是改变激光器腔长，激光器由谐振腔前后表面反射反复激发腔内介质产生激光，激光的波长由谐振腔的光学长度决定，当谐振腔的长度变化时发射的激光波长就发生改变，谐振腔长度周期性变化时发射的激光波长也在光谱范围内周期性扫描，由于可以将谐振腔扫描周期固定，因此发射激光波长变化的周期固定，当波长与光栅周期不一致时光能量不被反射，波长与光栅周期一致时光能量反射，由于多个光栅周期各不相同，反射光各不相同，这样就把光栅在光谱上的分布变为时间序列上的脉冲串。当某个光栅产生弯曲时，该光栅所反射的脉冲在时间上发生变化，由此可得到弯曲的曲率。缺点是：(1)每次测量需要扫描整个光谱，测量速度慢，目前产品化解调仪一般测量频率在百Hz以下，在机器人领域/可穿戴领域往往要求关节角度采样频率/回报率在KHz以上甚至更高；(2)由于使用了可变的精密光学器件，这类解调仪成本高，不适合小型化且难以适合所有工况。