[发明专利]一种光纤光栅传感网络解调的方法和设备

摘要

本发明涉及一种光纤布拉格光栅传感网络快速解调的方法及设备。本发明中使用窄线宽的连续半导体激光器作为光源；声光调制器不对称放置在萨尼亚克环中；FBG传感网络通过一个三端口3－dB光纤耦合器与萨尼亚克环连接；传感网络上串联的每个FBG在室温下布拉格波长与激光光源的中心波长一致；声光调制器由可频率可变的射频信号驱动，射频信号频率改变时，萨尼亚克干涉计的透射率改变，通过快速傅立叶变换以及相关运算，得到传感网络上各个传感FBG的布拉格波长的漂移量，最终得到所传感的物理量的变化。本发明是一种新型的FBG传感网络，适用于需要多节点、高精度、抗电磁干扰性好、实时监测的传感网络的领域。

主权项

1、一种光纤光栅传感网络解调的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(1)使用中心波长在光通信波段的单频连续半导体激光器作为光源，激光器3dB线宽小于等于0.1nm；光源发出的激光通过光纤隔离器和四端口3-dB光纤耦合器后，进入萨尼亚克环中；(2)激光进入萨尼亚克环后分为两路，其中一路首先经过长度已知的测量段单模光纤，再经过三端口3-dB光纤耦合器入射到布拉格光纤光栅传感网络；入射光被传感网络上的串联的各个布拉格光纤光栅反射，反射光经过三端口3-dB光纤耦合器回到萨尼亚克环中；回到萨尼亚克环的激光再经过声光调制器后，频率蓝移；所述的声光调制器中晶体材料为TeO2，正弦信号发生器产生驱动信号驱动声光调制器，TeO2晶体在超声波驱动下，形成布拉格光栅，多普勒效应使衍射的一级光发生频移；变频后的激光经过长度已知连接段单模光纤，最后回到四端口3-dB光纤耦合器；被传感网络上各个布拉格光纤光栅反射的激光回到四端口3-dB光纤耦合器时相位增加量各不相同，其中被第i个布拉格光纤光栅反射的激光相位增加量为：$\Delta {\phi }_{1-i}=2\mathrm{\pi n}[\frac{L_a+2L_i}{C}v+\frac{L_b}{C}(v+\mathrm{\Delta v})]---\left(1\right)其中下标i表示传感网络上第i个布拉格光纤光栅，\Delta \phi 1-i为传感网络上第i个布拉格光纤光栅反射的激光的相位增加量，n为单模光纤在频率为v时的折射率，C为光速，v为半导体激光器的中心频率，\Delta v为声光调制器的驱动频率，Li为传感网络上第i个布拉格光纤光栅与三端口3-dB光纤耦合器之间的光纤长度，La为测量段单模光纤的长度，Lb为连接段单模光纤的长度，La＞＞Lb；另一路激光首先经过长度已知的连接段单模光纤，再经过声光调制器后，激光频率蓝移；变频后的激光经过三端口3-dB光纤耦合器入射到布拉格光纤光栅传感网络；入射光被传感网络上的串联的各个布拉格光纤光栅反射，反射光经过三端口3-dB光纤耦合器回到萨尼亚克环中；回到萨尼亚克环的激光再经过长度已知的测量段单模光纤，回到四端口3-dB光纤耦合器；被传感网络上各个布拉格光纤光栅反射的激光回到四端口3-dB光纤耦合器时相位增加量各不相同，其中被第i个布拉格光纤光栅反射的激光相位增加量为：$ \Delta {\phi }_{2-i}=2\mathrm{\pi n}[\frac{L_b}{C}v+\frac{L_a+2L_i}{C}(v+\mathrm{\Delta v})]+\pi ---\left(2\right)其中\Delta \phi 2-i为传感网络上各个布拉格光纤光栅反射的激光的相位增加量，\pi 为萨尼亚克干涉计引入的相位增加；第i个布拉格光纤光栅对应的两束激光在四端口3-dB光纤耦合器中发生干涉，透射的激光的相位分别为$ \Delta {\phi }_{\mathrm{Ti}}=2\mathrm{\pi n}\frac{L_a+2L_i-L_b}{C}\mathrm{\Delta v}+\pi ---\left(3\right)声光调制器的驱动频率\Delta v按照\omega t作线性变化，通过线性扫描，各个布拉格光纤光栅反射的激光的透射光强分别按cos(fit)变化$ f_{i}t=2\mathrm{\pi n}\frac{L_a+2L_i-L_b}{C}\mathrm{\omega t}---\left(4\right)其中fi为光强变化的频率；(3)透过萨尼亚克环的光波的强度由光电二极管探测，光强信号转化为电信号后，经数据采集卡，进行快速傅立叶变换(FFT)，在频谱上可以得到式(4)对应的各个峰；通过测量各个峰的频率fi的大小得到各个峰对应的布拉格光纤光栅在布拉格光纤光栅传感网络上的位置Li$ L_i=(\frac{C{f}_i}{2\mathrm{\pi n\omega }}-L_{a+L_b})/2---\left(5\right)(4)频谱上各个峰的强度由对应的各个布拉格光纤光栅中心波长与光源的中心波长的位置差的大小决定，改变各分测量光路中的布拉格光纤光栅的中心波长向长波方向漂移，记录中心波长的移动量与频谱上对应的各个峰的强度改变的关系；(5)将各个布拉格光纤光栅安装在需要传感的环境中，环境中待测物理量改变时，使用步骤4记录的数据，通过各个布拉格光纤光栅在频谱对应的峰值的强度改变量，得到各个布拉格光纤光栅中心波长的移动量，从而得到各个布拉格光纤光栅所传感的环境物理量。$$$$$