基于f-p標(biāo)準(zhǔn)具和參考光柵的波長解調(diào)系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開的基于F-P標(biāo)準(zhǔn)具和參考光柵的波長解調(diào)系統(tǒng)，光路連接為:寬帶光源經(jīng)隔離器后連接可調(diào)諧F-P濾波器，可調(diào)諧F-P濾波器出來的光進(jìn)入耦合器均分為兩路，一路進(jìn)入F-P標(biāo)準(zhǔn)具，再進(jìn)入第一光電探測器；另二路經(jīng)光環(huán)形器輸出至串聯(lián)的第一參考光纖光柵、第二參考光纖光柵和傳感光纖光柵，光纖光柵的反射光再經(jīng)光環(huán)形器進(jìn)入第二光電探測器，最后PC機對兩路數(shù)據(jù)同步采樣。本發(fā)明公開的基于F-P標(biāo)準(zhǔn)具和參考光柵的波長解調(diào)方法，PC機控制可調(diào)諧F-P濾波器；對兩個通道的光譜進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集；分別對兩個通道采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行尋峰計算；計算得到傳感光柵，本方法通過F-P標(biāo)準(zhǔn)具和參考光柵可快速精確對傳感光柵波長的解調(diào)。
【專利說明】基于F-P標(biāo)準(zhǔn)具和參考光柵的波長解調(diào)系統(tǒng)和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光纖傳感【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于F-P標(biāo)準(zhǔn)具和參考光柵的波長 解調(diào)系統(tǒng)，本發(fā)明還涉及一種基于F-P標(biāo)準(zhǔn)具和參考光柵的波長解調(diào)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾、耐腐蝕、電絕緣、高靈敏度和低成本等特點，此 外其波長編碼特性以及能在單光纖上實現(xiàn)準(zhǔn)分布式測量的優(yōu)點是其它傳感器所無法比擬 的，具有廣闊的應(yīng)用前景。光纖光柵傳感器是一種波長調(diào)制型器件，外界物理量的變化會影 響光纖光柵的中心波長，通過測量光纖光柵中心波長的變化，就可以獲得外界物理量的變 化情況。但目前限制光纖光柵傳感器大規(guī)模實際應(yīng)用的最主要障礙之一是對光纖光柵傳感 器波長信號的解調(diào)，所以精確解調(diào)波長的變化是光纖光柵傳感的一項關(guān)鍵技術(shù)。
[0003] 波長解調(diào)方法有很多種，其中基于可調(diào)諧法布里珀羅（Fabry-Perot，F(xiàn)-P)濾波器 的波長解調(diào)方法具有靈敏度高、可調(diào)諧范圍大等特點得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的基于可調(diào)諧 F-P濾波器的波長解調(diào)方法是通過標(biāo)定獲得壓電陶瓷的驅(qū)動電壓和光纖光柵反射波長的對 應(yīng)關(guān)系實現(xiàn)的，這種解調(diào)方法簡單實用。但由于可調(diào)諧F-P濾波器器件本身制造工藝的限 制，在反復(fù)掃描時受電磁感應(yīng)和電荷遲滯等的影響不可能每次掃描都精確重合，且其壓電 陶瓷容易受到外界環(huán)境溫度和使用時間的影響發(fā)生偏移，獲得的壓電陶瓷驅(qū)動電壓和光纖 光柵反射波長之間的對應(yīng)關(guān)系存在嚴(yán)重的系統(tǒng)誤差，從而難以保證解調(diào)系統(tǒng)對待測傳感光 柵的檢測精度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種基于F-P標(biāo)準(zhǔn)具和參考光柵的波長解調(diào)系統(tǒng)，解決了現(xiàn) 有技術(shù)中存在的解調(diào)系統(tǒng)對待測傳感光柵的檢測精度低的問題。
[0005] 本發(fā)明另一個目的是提供一種基于F-P標(biāo)準(zhǔn)具和參考光柵的波長解調(diào)方法。
[0006] 本發(fā)明所采用的第一技術(shù)方案是，一種基于F-P標(biāo)準(zhǔn)具和參考光柵的波長解調(diào)系 統(tǒng)，包括光源，光源依次通過光路與光隔離器、可調(diào)諧F-P濾波器和耦合器相連接；耦合器 分別通過光路連接有F-P標(biāo)準(zhǔn)具和光環(huán)形器；F-P標(biāo)準(zhǔn)具通過光路與第一光電探測器相連 接，第一光電探測器依次通過導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集器和PC機相連接；光環(huán)形器通過光路分別 連接有第二光電探測器和第一參考光纖光柵，第二光電探測器通過導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集器相連 接；第一參考光纖光柵依次通過光路與第二參考光纖光柵和傳感光纖光柵相連接；PC機通 過導(dǎo)線連接有用于鋸齒波信號掃描的數(shù)模轉(zhuǎn)換器；數(shù)模轉(zhuǎn)換器通過光路與可調(diào)諧F-P濾波 器相連接。
[0007] 本發(fā)明的特點還在于，
[0008] 光源為寬帶光源；第一參考光纖光柵和第二參考光纖光柵為同種材質(zhì)波長間隔為 Inm的光柵；稱合器為1X2(50 : 50)型稱合器。
[0009] 本發(fā)明所采用的第二技術(shù)方案是，一種基于F-P標(biāo)準(zhǔn)具和參考光柵的波長解調(diào)方 法，采用上述基于F-P標(biāo)準(zhǔn)具和參考光柵的波長解調(diào)系統(tǒng)，具體按照以下步驟實施：
[0010] 步驟1、PC機通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器發(fā)出鋸齒波掃描電壓控制可調(diào)諧F-P濾波器；
[0011] 步驟2、數(shù)據(jù)采集器對F-P標(biāo)準(zhǔn)具通道和傳感光柵通道的光譜進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集 并傳給PC機；
[0012] 步驟3、PC機分別對F-P標(biāo)準(zhǔn)具通道和傳感光柵通道采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行尋峰計 算；
[0013] 步驟4、PC機根據(jù)第一參考光柵和第二參考光柵的波長值和步驟3中的兩通道的 尋峰結(jié)果計算得到傳感光柵的波長。
[0014] 本發(fā)明的特點還在于，
[0015]F-P標(biāo)準(zhǔn)具通道和傳感光柵通道的形成過程如下：光源發(fā)出的光經(jīng)隔離器進(jìn)入可 調(diào)諧F-P濾波器，可調(diào)諧F-P濾波器出來的光從A端進(jìn)入耦合器并均分為兩路，第一路光經(jīng) B端從耦合器出來，再進(jìn)入F-P標(biāo)準(zhǔn)具，然后進(jìn)入第一光電探測器，最后經(jīng)數(shù)據(jù)采樣器送入 PC機形成F-P標(biāo)準(zhǔn)具通道；第二路光經(jīng)C端從耦合器出來，由D端進(jìn)入光環(huán)形器后從E端出 來，從E端出來的光經(jīng)第一參考光柵、第二參考光柵和傳感光柵后的反射光由E端再次進(jìn)入 光環(huán)形器并從F端射出光環(huán)形器，然后進(jìn)入第二光電探測器，最后經(jīng)數(shù)據(jù)采樣器送入PC機 形成傳感光柵通道；采集到的數(shù)據(jù)為F-P標(biāo)準(zhǔn)具通道和傳感光柵通道的光信號轉(zhuǎn)換而成的 具有相同包絡(luò)的電信號，橫坐標(biāo)為米樣時間，縱坐標(biāo)為電壓。
[0016]PC機分別對F-P標(biāo)準(zhǔn)具通道和傳感光柵通道采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行尋峰計算具體為： 將F-P標(biāo)準(zhǔn)具通道中尋得的各峰的橫坐標(biāo)存放在數(shù)組PeakO□中；將傳感光柵通道中尋得 的各峰的橫坐標(biāo)存放在數(shù)組Peakl□中，且數(shù)組Peakl□中僅有3個元素，Peakl[1]表示 第一參考光柵的峰值橫坐標(biāo)值，Peakl[2]表不第二參考光柵的峰值橫坐標(biāo)值，Peakl[3]表 不傳感光柵的峰值橫坐標(biāo)值。
[0017] 步驟4具體按照以下步驟實施：
[0018]步驟4. 1、求解F-P標(biāo)準(zhǔn)具通道和傳感光柵通道兩通道同步數(shù)據(jù)采集后F-P標(biāo)準(zhǔn)具 通道中位于傳感光柵通道中第一參考光柵和第二參考光柵之間的那個峰的波長值λπ ;
[0019] 步驟4. 2、求解兩通道同步數(shù)據(jù)采集后F-P標(biāo)準(zhǔn)具通道中位于傳感光柵通道中傳 感光柵左右兩側(cè)的兩個峰的波長值A(chǔ)m+n和Am+n+1 ;
[0020] 步驟4. 3、計算傳感光柵波長λFBe，并根據(jù)F-P標(biāo)準(zhǔn)具通道和傳感光柵通道相關(guān)峰 值坐標(biāo)的位置關(guān)系對步驟4. 1中的計算和步驟4. 3中的計算進(jìn)行優(yōu)化。
[0021] 步驟4. 1求解F-P標(biāo)準(zhǔn)具通道和傳感光柵通道兩通道同步數(shù)據(jù)采集后F-P標(biāo)準(zhǔn)具 通道中位于傳感光柵通道中第一參考光柵和第二參考光柵之間的那個峰的波長值λm具體 為：
[0022] 根據(jù)兩通道中各峰的橫坐標(biāo)關(guān)系尋找F-P標(biāo)準(zhǔn)具通道中位于第一參考光柵和第 二參考光柵之間的那個峰的橫坐標(biāo)PeakO[m]，其滿足如下關(guān)系：
[0023]Peakl[1]<PeakO[m]<Peakl[2]
[0024] 找到Peak0[m]后，再根據(jù)第一參考光柵的波長值λΜ?1和第二參考光柵波長值 λ,ef2以及第一參考光柵和第二參考光柵的峰值橫坐標(biāo)Peakl[1]和Peakl[2]計算出F-P標(biāo) 準(zhǔn)具通道中位于第一參考光柵和第二參考光柵之間的橫坐標(biāo)PeakO[m]對應(yīng)的那個峰的波 長值，計算公式如下：
[0025]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于F-P標(biāo)準(zhǔn)具和參考光柵的波長解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于，包括光源（I)，光源 (1)依次通過光路與光隔離器（2)、可調(diào)諧F-P濾波器（3)和耦合器（4)相連接；所述耦合 器（4)分別通過光路連接有F-P標(biāo)準(zhǔn)具（5)和光環(huán)形器（6);所述F-P標(biāo)準(zhǔn)具（5)通過光路 與第一光電探測器（7)相連接，所述第一光電探測器（7)依次通過導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集器（13) 和PC機相連接；所述光環(huán)形器（6)通過光路分別連接有第二光電探測器（8)和第一參考光 纖光柵（9)，所述第二光電探測器（8)通過導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集器（13)相連接；所述第一參考 光纖光柵（9)依次通過光路與第二參考光纖光柵（10)和傳感光纖光柵（11)相連接；所述 PC機（12)通過導(dǎo)線連接有用于鋸齒波信號掃描的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（14);所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器（14) 通過光路與可調(diào)諧F-P濾波器（3)相連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于F-P標(biāo)準(zhǔn)具和參考光柵的波長解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于，所 述光源（1)為寬帶光源；所述第一參考光纖光柵（9)和第二參考光纖光柵（10)為同種材質(zhì) 波長間隔為Inm的光柵；所述耦合器（4)為1X2(50 : 50)型耦合器。
3. -種基于F-P標(biāo)準(zhǔn)具和參考光柵的波長解調(diào)方法，其特征在于，采用權(quán)利要求1所述 的基于F-P標(biāo)準(zhǔn)具和參考光柵的波長解調(diào)系統(tǒng)，具體按照以下步驟實施： 步驟1、PC機（12)通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器（14)發(fā)出鋸齒波掃描電壓控制可調(diào)諧F-P濾波器 (3)； 步驟2、數(shù)據(jù)采集器（13)對F-P標(biāo)準(zhǔn)具通道和傳感光柵通道的光譜進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集 并傳給PC機（12); 步驟3、PC機分別對F-P標(biāo)準(zhǔn)具通道和傳感光柵通道采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行尋峰計算； 步驟4、PC機根據(jù)第一參考光柵（9)和第二參考光柵（10)的波長值和步驟3中的兩通 道的尋峰結(jié)果計算得到傳感光柵的波長。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于F-P標(biāo)準(zhǔn)具和參考光柵的波長解調(diào)方法，其特征在于， 所述步驟2中F-P標(biāo)準(zhǔn)具通道和傳感光柵通道的形成過程如下：光源（1)發(fā)出的光經(jīng)隔離 器（2)進(jìn)入可調(diào)諧F-P濾波器（3)，可調(diào)諧F-P濾波器（3)出來的光從A端進(jìn)入耦合器（4) 并均分為兩路，第一路光經(jīng)B端從耦合器（4)出來，再進(jìn)入F-P標(biāo)準(zhǔn)具（5)，然后進(jìn)入第一光 電探測器（7)，最后經(jīng)數(shù)據(jù)采樣器（13)送入PC機（12)形成F-P標(biāo)準(zhǔn)具通道；第二路光經(jīng) C端從耦合器（4)出來，由D端進(jìn)入光環(huán)形器后從E端出來，從E端出來的光經(jīng)第一參考光 柵（9)、第二參考光柵（10)和傳感光柵（11)后的反射光由E端再次進(jìn)入光環(huán)形器（6)并從 F端射出光環(huán)形器（6)，然后進(jìn)入第二光電探測器（8)，最后經(jīng)數(shù)據(jù)采樣器（13)送入PC機 (12)形成傳感光柵通道；采集到的數(shù)據(jù)為F-P標(biāo)準(zhǔn)具通道和傳感光柵通道的光信號轉(zhuǎn)換而 成的具有相同包絡(luò)的電信號，橫坐標(biāo)為米樣時間，縱坐標(biāo)為電壓。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于F-P標(biāo)準(zhǔn)具和參考光柵的波長解調(diào)方法，其特征在于， 所述步驟3中的PC機（12)分別對F-P標(biāo)準(zhǔn)具通道和傳感光柵通道采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行尋峰 計算具體為：將F-P標(biāo)準(zhǔn)具通道中尋得的各峰的橫坐標(biāo)存放在數(shù)組PeakO□中；將傳感光 柵通道中尋得的各峰的橫坐標(biāo)存放在數(shù)組Peakl□中，且數(shù)組Peakl□中僅有3個元素， Peakl[1]表不第一參考光柵的峰值橫坐標(biāo)值，Peakl[2]表不第二參考光柵的峰值橫坐標(biāo) 值，Peakl[3]表傳感光柵的峰值橫坐標(biāo)值。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于F-P標(biāo)準(zhǔn)具和參考光柵的波長解調(diào)方法，其特征在于，所 述步驟4具體按照以下步驟實施： 步驟4.I、求解F-P標(biāo)準(zhǔn)具通道和傳感光柵通道兩通道同步數(shù)據(jù)采集后F-P標(biāo)準(zhǔn)具通道 中位于傳感光柵通道中第一參考光柵和第二參考光柵之間的那個峰的波長值Xm; 步驟4. 2、求解兩通道同步數(shù)據(jù)采集后F-P標(biāo)準(zhǔn)具通道中位于傳感光柵通道中傳感光 柵左右兩側(cè)的兩個峰的波長值A(chǔ)m+n和Am+n+1; 步驟4. 3、計算傳感光柵波長λFBe，并根據(jù)F-P標(biāo)準(zhǔn)具通道和傳感光柵通道相關(guān)峰值坐 標(biāo)的位置關(guān)系對步驟4. 1中的計算和步驟4. 3中的計算進(jìn)行優(yōu)化。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于F-P標(biāo)準(zhǔn)具和參考光柵的波長解調(diào)方法，其特征在于，所 述的步驟4. 1求解F-P標(biāo)準(zhǔn)具通道和傳感光柵通道兩通道同步數(shù)據(jù)采集后F-P標(biāo)準(zhǔn)具通道 中位于傳感光柵通道中第一參考光柵和第二參考光柵之間的那個峰的波長值λm具體為： 根據(jù)兩通道中各峰的橫坐標(biāo)關(guān)系尋找F-P標(biāo)準(zhǔn)具通道中位于第一參考光柵（9)和第二 參考光柵（10)之間的那個峰的橫坐標(biāo)PeakO[m]，其滿足如下關(guān)系： Peakl[1] <PeakO[m] <Peakl[2] 找到PeakO[m]后，再根據(jù)第一參考光柵（9)的波長值λ^"和第二參考光柵（10)波長 值λw以及第一參考光柵（9)和第二參考光柵（1〇)的峰值橫坐標(biāo)Peakl[1]和Peakl[2] 計算出F-P標(biāo)準(zhǔn)具通道中位于第一參考光柵（9)和第二參考光柵（10)之間的橫坐標(biāo) PeakO[m]對應(yīng)的那個峰的波長值，計算公式如下：
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于F-P標(biāo)準(zhǔn)具和參考光柵的波長解調(diào)方法，其特征在于，所 述的步驟4. 2中求解兩通道同步數(shù)據(jù)采集后F-P標(biāo)準(zhǔn)具通道中位于傳感光柵通道中傳感光 柵左右兩側(cè)的兩個峰的波長值λπ+η和λπ+η+1具體為： 首先根據(jù)兩通道中各峰的橫坐標(biāo)關(guān)系尋找F-P標(biāo)準(zhǔn)具通道中位于傳感光柵通道中傳 感光柵左右兩側(cè)的兩個峰的橫坐標(biāo)PeakO[m+n]和PeakO[m+n+1]，其滿足如下關(guān)系： PeakO[m+n] <Peakl[3] <PeakO[m+n+1] 找到PeakO[m+n]和PeakO[m+n+1]后，再依據(jù)F-P標(biāo)準(zhǔn)具的波長標(biāo)定算法，以λm為標(biāo) 定參考波長，根據(jù)λπ+η和\_+1與λπ之間的波峰間隔數(shù)計算出F-P標(biāo)準(zhǔn)具通道中位于傳 感光柵通道中傳感光柵左右兩側(cè)的兩個峰的波長值，計算公式如下：
?ι
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于F-P標(biāo)準(zhǔn)具和參考光柵的波長解調(diào)方法，其特征在于，所 述的步驟4. 3中計算傳感光柵波長，并根據(jù)F-P標(biāo)準(zhǔn)具通道和傳感光柵通道相關(guān)峰值坐標(biāo) 的位置關(guān)系對步驟4. 1中λm的計算和步驟4. 3中λFBe的計算進(jìn)行優(yōu)化具體為： 根據(jù)傳感光柵通道中傳感光柵的橫坐標(biāo)值Peakl [3]，F(xiàn)-P標(biāo)準(zhǔn)具通道中位于傳感光柵 通道中傳感光柵左右兩側(cè)的兩個峰的波長值和Anrtrt以及橫坐標(biāo)值PeakO[m+n]和 PeakO[m+n+1]計算傳感光柵波長λFBe，計算公式如下：
由此即解調(diào)出傳感光柵的波長； 其中，步驟4. 1中λπ的計算根據(jù)PeakO[m]與Peakl[l]和Peakl[2]的位置關(guān)系做進(jìn) 一步的優(yōu)化： 如果PeakO [m]與Peakl [1]和Peakl [2]的位置關(guān)系滿足
同理，步驟4. 3中λFBe的計算根據(jù)Peakl [3]與PeakO [m+n]和PeakO [m+n+1]的位置 關(guān)系做進(jìn)一步的優(yōu)化： 如果Peakl [3]與PeakO [m+n]和PeakO [m+n+1]的位置關(guān)系滿足
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于F-P標(biāo)準(zhǔn)具和參考光柵的波長解調(diào)方法，其特征在于， 所述F-P標(biāo)準(zhǔn)具的波長標(biāo)定算法具體為： 在F-P標(biāo)準(zhǔn)具透射譜中，假設(shè)F-P標(biāo)準(zhǔn)具中的第m和第m+1這兩個連續(xù)峰對應(yīng)的波長 分別為、和Am+1，c為光速，則其對應(yīng)的頻率值分別為
自由光譜范圍：自由光譜范圍是衡量F-P濾波器透射光譜中兩個相鄰的共振峰之間的 頻率距離，表示為：
式中η為F-P標(biāo)準(zhǔn)具的腔內(nèi)介質(zhì)的折射率，d為腔長，由于F-P標(biāo)準(zhǔn)具的η和d為定值， 所以FSR為一定值，S卩F-P標(biāo)準(zhǔn)具透射譜中各峰之間的頻率間隔為定值FSR;則各峰之間的 波長間隔Δλ為
Λλ不是定值，即F-P標(biāo)準(zhǔn)具透射譜中的各峰的波長間隔是不相等的，通過相鄰峰之 間的頻率間隔為定值FSR來找尋各峰之間的波長關(guān)系；對于F-P標(biāo)準(zhǔn)具中的第m和第m+1 這兩個連續(xù)峰
以此類推，以第m個峰的波長值λm為標(biāo)定參考波長時，根據(jù)波長間隔數(shù)n計算獲得位 于第m個峰右側(cè)的第m+n個峰的波長值λm+n ;同理，計算獲得位于第m個峰左側(cè)的第m-n個 峰的波長值λm_n，計算公式如下：
由此類推，以第m個峰的波長值λm為標(biāo)定參考波長將F-P標(biāo)準(zhǔn)具的所有波長值都標(biāo) 定出來。
【文檔編號】G01D5/26GK104457803SQ201410705716
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月28日
【發(fā)明者】許雪梅, 李夢平, 汪金輝, 李運龍, 曹建, 曹粲, 尹林子, 丁家峰, 丁一鵬 申請人:中南大學(xué)