[发明专利]一种频域光纤光栅传感网络解调的方法和设备

摘要

本发明涉及一种频域光纤光栅传感网络解调的方法和设备。本发明中电光调制器接入萨尼亚克环中；由多个传感FBG串联组成FBG传感网络通过三端口3－dB光纤耦合器与萨尼亚克环连接；参考FBG阵列上各个参考FBG的布拉格波长与和其序号相同的传感FBG相同；电光调制器由频率可变的射频信号驱动。射频信号频率改变时，由光电二极管检测透射率变化；采集卡采集到光电二极管的输出数据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。本发明能做到极高的响应速度，满足实时传感的要求，并且由于传感网络连入萨尼亚克环中，设备抗外界温度波动以及机械扰动性能强。

主权项

1、一种频域光纤光栅传感网络解调的方法，其特征在于该方法的具体步骤是：a.中心波长在光通信波段的宽带光源发出的光束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；b.光束进入萨尼亚克环后分为两路，其中一路进入长度已知的测量段单模光纤，再通过测量段单模光纤中插入的三端口3-dB光纤耦合器入射到由多个不同布拉格波长的传感光纤布拉格光栅串联成的光纤布拉格光栅传感网络；光束被传感网络上的各个传感光纤布拉格光栅反射，反射光包括了所有传感光纤布拉格光栅的反射光谱；反射后光束经过三端口3-dB光纤耦合器回到测量段单模光纤，通过电光调制器产生变频，所述的电光调制器由频率受调制的正弦信号发生器驱动；变频后的光束经过长度已知的连接段单模光纤，回到四端口3-dB光纤耦合器；被传感网络上第i个传感光纤布拉格光栅反射的光束回到四端口3-dB光纤耦合器时电场强度E1-i为：$E_{1-i}=-J_1\left(\alpha \frac{\pi }{2}\right)E_i\left\{\begin{array}{c}\exp (i({\omega }_i-\Omega )t+\mathrm{ni}[\frac{L_a+{2L}_i}{C}{\omega }_i+\frac{L_b}{C}({\omega }_i-\Omega )\left]\right)\\ +\exp (i({\omega }_i+\Omega )t+\mathrm{ni}[\frac{L_a+{2L}_i}{C}{\omega }_i+\frac{L_b}{C}({\omega }_i+\Omega )\left]\right)\end{array}\right\}---\left(1\right)其中Ei为第i个传感光纤布拉格光栅反射的光束的电场强度，J1为一阶贝塞尔函数，\alpha 为电光调制器驱动信号的归一化振幅，\omega i为第i个传感光纤布拉格光栅的布拉格波长对应的角频率，\Omega 为电光调制器驱动信号的角频率，n为单模光纤的折射率，C为真空中的光速，Li为传感网络上第i个传感光纤布拉格光栅与三端口3-dB光纤耦合器之间的光纤长度，La为测量段单模光纤的长度，Lb为连接段单模光纤的长度，La＞＞Lb；另一路光束首先经过长度已知的连接段单模光纤，然后通过电光调制器产生变频，变频后的光束进入长度已知的测量段单模光纤；光束通过测量段单模光纤中插入的三端口3-dB光纤耦合器入射到光纤布拉格光栅传感网络，光束被传感网络上的各个传感光纤布拉格光栅反射，反射后光束经过三端口3-dB光纤耦合器回到测量段单模光纤，再回到四端口3-dB光纤耦合器；被传感网络上第i个传感光纤布拉格光栅反射的光束回到四端口3-dB光纤耦合器时电场强度E2-i为：$ E_{2-i}=J_1\left(\alpha \frac{\pi }{2}\right)E_i\left\{\begin{array}{c}\exp (i({\omega }_i-\Omega )t+\mathrm{ni}[\frac{L_b}{C}{\omega }_i+\frac{L_a+{2L}_i}{C}({\omega }_i-\Omega )\left]\right)\\ +\exp (i({\omega }_i+\Omega )t+\mathrm{ni}[\frac{L_b}{C}{\omega }_i+\frac{L_a+{2L}_i}{C}({\omega }_i+\Omega )\left]\right)\end{array}\right\}---\left(2\right)第i个传感光纤布拉格光栅对应的两束光在四端口3-dB光纤耦合器中发生干涉，透射光的强度为：$ I_T={J_1}^2\left(\alpha \frac{\pi }{2}\right){\left|E_i\right|}^2\left\{\begin{array}{c}4+2\cos \left[2(\mathrm{\Omega t}+\frac{\mathrm{n\Omega }}{C}{L}_b)\right]+2\cos \left[2(\mathrm{\Omega t}+\frac{\mathrm{n\Omega }}{C}(L_a+2L_i))\right]\\ +4\cos \left[(2\mathrm{\Omega t}+\frac{\mathrm{n\Omega }}{C}(L_a+L_b+{2L}_i))\right]+4\cos \left[\frac{\mathrm{n\Omega }}{C}(L_a+{2L}_i-L_b)\right]\end{array}\right\}---\left(3\right)c.透过萨尼亚克环的光束通过光纤环形器入射到由多个参考光纤布拉格光栅串联成的光纤布拉格光栅参考阵列，光纤布拉格光栅参考阵列中的各个参考光纤布拉格光栅与光纤布拉格光栅传感网络中的各个传感光纤布拉格光栅一一对应，并且相对应的参考光纤布拉格光栅和传感光纤布拉格光栅的布拉格波长相同；d.光电二极管探测由光纤布拉格光栅参考阵列反射的光束的强度，光电二极管的截至频率为fb，fb＜＜\Omega ，由光电二极管接收到的光强为：$ I_T={J_1}^2\left(\alpha \frac{\pi }{2}\right)\{4+4\cos [\frac{\mathrm{n\Omega }}{C}(L_a+{2L}_i+L_b)\left]\right\}---\left(4\right)电光调制器的驱动频率\Omega 按照2\pi wt作线性变化，通过线性扫描，各个传感FBG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{wt}---\left(5\right)其中fi为光强变化的频率；光电二极管将光强信号转化为电信号，由数据采集卡进行采集，并进行快速傅立叶变换；，在频谱上得到式(5)对应的各个峰，通过测量各个峰的频率fi的得到各个峰对应的传感光纤布拉格光栅在光纤布拉格光栅传感网络上的位置Li；$ L_i=(\frac{{\mathrm{Cf}}_i}{2\mathrm{\pi n\omega }}-L_a+L_b)/2---\left(6\right)e.依次在各个传感光纤布拉格光栅上施加应力，使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；f.将各个光纤布拉格光栅安装在需要传感的环境中，环境中待测物理量改变时，各个传感光纤布拉格光栅的中心波长发生移动，并引起频谱上对应的峰值的强度改变；根据记录的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，得到各个光纤布拉格光栅中心波长的移动量，最终得到各个光纤布拉格光栅所传感的环境物理量。$$$$$$