本發(fā)明涉及光纖光柵解調技術領域，具體地指一種高波長分辨率光纖光柵解調系統(tǒng)及方法。

技術背景

由于光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾、絕緣性能好、耐腐蝕、動態(tài)范圍大、測量范圍廣等優(yōu)勢因此被廣泛應用于航空航天、橋梁監(jiān)測、石油化工、結構損傷檢測等眾多領域。溫度、應力等物理量的改變會引起光纖光柵中心波長的漂移，通過解調光纖光柵的中心波長可以檢測外界物理量。具有高波長分辨率的光纖光柵解調系統(tǒng)能夠更精確的測量微小的中心波長漂移量，還原外界物理量，同時意味著系統(tǒng)的靈敏度高，感知微弱的信號的能力強，適用于高精度、高靈敏度測量領域。

目前，常用的光纖光柵的解調方法有濾波解調、可調諧光源解調、干涉解調等，但眾多解調系統(tǒng)的波長分辨率仍為pm級別。例如基于可調諧的F-P濾波器的光纖光柵解調方案，通過引入多波長校準具來校準，系統(tǒng)的測量波長分辨率通常為0.97pm-5pm；又如哈爾濱工業(yè)大學的李秋儀設計的基于DSP的高分辨率FBG解調系統(tǒng)，采用基于DSP的高精度可調諧激光器和用DSP處理的鎖相放大器來進行解調，其波長分辨率的理論值為1.58pm；又如南京大學光通信工程研究中心設計的高精度光纖光柵解調系統(tǒng)，為了降低F-P濾波器的非線性效應帶來的影響，在基本的F-P濾波解調中引入F-P標準具動態(tài)校準其采集到的波長，同時利用標準具及ASE光源特性進行頻譜分區(qū)解調，其波長分辨率為0.33pm；再如中國專利CN1908713A發(fā)明的高精度光纖光柵解調系統(tǒng)，通過引入一個高精度溫度控制芯片，控制封裝了兩個單模光纖的金屬盒所構成的可調諧濾波器，其分辨率可以低于0.3pm。但這些解調系統(tǒng)的分辨率還不能滿足高精度、高靈敏度的測量領域的要求。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的就是要提供一種高波長分辨率光纖光柵解調系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)及方法能有效克服可調諧激光器的非線性調諧缺陷，大大提高波長的分辨率，能夠滿足微小物理量的測量，系統(tǒng)的靈敏度、精度高(波長分辨率可以達到10飛米)。

為實現此目的，本發(fā)明所設計的高波長分辨率光纖光柵解調系統(tǒng)，其特征在于：包括可調諧激光器、第一光分路器、第二光分路器、第一光耦合器、第二光耦合器、第一光電探測器、多波長校準具、第二光電探測器、解調光路、第三光電探測器和數據采集器及處理器，其中，可調諧激光器的信號輸出端連接第一光分路器的信號輸入端，第一光分路器的第一信號輸出端連接第二光分路器的信號輸入端，第二光分路器的第一信號輸出端連接第一光耦合器的輸入端，第一光耦合器的第一掃頻光信號輸出端通過光纖連接第二光耦合器的第一信號輸入端，第一光耦合器的第二掃頻光信號輸出端通過延時光纖連接第二光耦合器的第二信號輸入端，第二光耦合器的信號輸出端連接第一光電探測器的信號輸入端，第二光分路器的第二信號輸出端連接多波長校準具的信號輸入端，多波長校準具的信號輸出端連接第二光電探測器的信號輸入端，第一光分路器的第二信號輸出端連接解調光路的信號輸入端，解調光路的信號輸出端連接第三光電探測器的信號輸入端，所述第一光電探測器、第二光電探測器和第三光電探測器的輸出端連接數據采集器及處理器的信號輸入端。

一種利用上述系統(tǒng)的高波長分辨率光纖光柵解調方法，它包括如下步驟：

步驟1：可調諧激光器輸出線性掃頻光給第一光分路器；

步驟2：第一光分路器的第一信號輸出端與第二信號輸出端輸出按1:99的光功率比將線性掃頻光分為兩束掃頻光；

步驟3：第一光分路器的第一信號輸出端輸出的掃頻光通過第二光分路器按50：50的光功率比等分為兩束掃頻光，第二光分路器輸出的一束掃頻光傳輸至第一光耦合器，第一光耦合器將收到的掃頻光按50：50的光功率比等分為兩束掃頻光，第一光耦合器輸出的兩束掃頻光中的一束掃頻光通過光纖輸入第二光耦合器的第一信號輸入端，第一光耦合器輸出的兩束掃頻光中的另一束掃頻光通過延時光纖輸入第二光耦合器的第二信號輸入端，第二光耦合器將接收到的兩束掃頻光進行耦合，第一光電探測器接收第二光耦合器輸出的拍頻信號光并將拍頻信號光轉換為電信號，第一光電探測器輸出的電信號為參考通道電信號；

第二光分路器輸出的另一束掃頻光傳輸至多波長校準具，多波長校準具輸出具有特征波長的掃頻光，第二光電探測器將上述具有特征波長的掃頻光轉換成對應的電信號，第二光電探測器輸出端的電信號為校準通道電信號；

第一光分路器的第二信號輸出端輸出的掃頻光輸入解調光路，解調光路對輸入的掃頻光進行調制處理輸出帶光纖光柵波長信息的掃頻光，第三光電探測器將帶光纖光柵波長信息的掃頻光轉換為對應的電信號，第三光電探測器輸出的電信號為解調通道電信號；

步驟4：第一光電探測器、第二光電探測器和第三光電探測器輸出的電信號傳輸給數據采集器及處理器，數據采集器及處理器通過檢測參考通道電信號的過零點，以相鄰兩個過零點對應的時間為區(qū)間用插值方式分別對校準通道電信號和解調通道電信號進行重采樣，得到補償了可調諧激光器非線性掃頻影響的校準通道電信號和解調通道電信號，利用補償了可調諧激光器非線性掃頻影響的解調通道電信號通過解調算法得到解調光路里待測光柵中心波長對應的時間，利用補償了可調諧激光器非線性掃頻影響的校準通道電信號得到特征波長與特征波長對應的時間，利用特征波長與特征波長對應的時間算出掃頻激光器實際掃頻速率，通過所述掃頻激光器實際掃頻速率、特征波長與特征波長對應的時間、解調光路里待測光柵中心波長對應的時間算出解調光路里待測光柵的中心波長。

本發(fā)明通過參考通道補償可調諧激光器的非線性缺陷，通過校準通道校準調諧激光器的輸出波長，解調通道的波長分辨率由采樣頻率f_s和掃頻速率γ_v決定，調整采樣頻率、掃頻速率可以將波長的分辨率提高到飛米級別。

本發(fā)明提出用可調諧激光器為光源構建光柵解調系統(tǒng)，通過構建M-Z干涉參考通道，采用多波長校準具校準輸出波長，解調通道獲取光柵光譜信息，同步采集三路信號，實現光纖光柵的解調。

本發(fā)明能有效克服可調諧激光器的非線性調諧缺陷(因為通過參考通道對另外兩個通道采集到的信號進行了修正，所以就對非線性效應進行了補償)，實現了非線性修正，大大提高波長的分辨率，能夠滿足微小物理量的測量，系統(tǒng)的靈敏度、精度高(波長分辨率可以達到10飛米)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結構圖；

圖2中的a部分為參考通道的拍頻信號的實際波形圖和修正后的波形圖，圖2中的b部分為可調諧激光器的光源信號的實際波形圖和修正后的波形圖；

圖3為本發(fā)明中校準通道求解波長值示意圖；

圖中，1—可調諧激光器、2—第一光分路器、3—第二光分路器、4—第一光耦合器、5—第二光耦合器、6—第一光電探測器、7—多波長校準具、8—第二光電探測器、9—解調光路、10—第三光電探測器、11—數據采集器及處理器、12—光纖、13—延時光纖。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明：

本發(fā)明所設計的一種高波長分辨率光纖光柵解調系統(tǒng)，如圖1所示，包括可調諧激光器1、第一光分路器2、第二光分路器3、第一光耦合器4、第二光耦合器5、第一光電探測器6、多波長校準具7、第二光電探測器8、解調光路9、第三光電探測器10和數據采集器及處理器11，其中，可調諧激光器1的信號輸出端連接第一光分路器2的信號輸入端，第一光分路器2的第一信號輸出端連接第二光分路器3的信號輸入端，第二光分路器3的第一信號輸出端連接第一光耦合器4的輸入端，第一光耦合器4的第一掃頻光信號輸出端通過光纖12連接第二光耦合器5的第一信號輸入端，第一光耦合器4的第二掃頻光信號輸出端通過延時光纖13連接第二光耦合器5的第二信號輸入端，第二光耦合器5的信號輸出端連接第一光電探測器6的信號輸入端，第二光分路器3的第二信號輸出端連接多波長校準具7的信號輸入端，多波長校準具7的信號輸出端連接第二光電探測器8的信號輸入端，第一光分路器2的第二信號輸出端連接解調光路9的信號輸入端，解調光路9的信號輸出端連接第三光電探測器10的信號輸入端，所述第一光電探測器6、第二光電探測器8和第三光電探測器10的輸出端連接數據采集器及處理器11的信號輸入端(采集器對電信號進行采集，采集到的信號通過處理器進行修正、解調等一系列處理)。

上述技術方案中，多波長校準具7的特點是在某個波段范圍內輸出信號具有多個特征波長，這些特征波長值穩(wěn)定，不易受到溫度、應力等外界物理量的改變而變化。

上述技術方案中，所述解調光路9是基于掃頻光設計的包含待測光柵的光纖光柵傳感網絡。

上述技術方案中，所述第一光分路器2的第一信號輸出端與第二信號輸出端輸出的光功率比為1:99。該設計為了保證解調光路可以針對弱光柵解調。

上述技術方案中，所述第二光分路器3的第一信號輸出端與第二信號輸出端輸出的光功率比為50：50。

上述技術方案中，所述第一光耦合器4的第一掃頻光信號輸出端與第二掃頻光信號輸出端的光功率比為50：50。

上述技術方案中，所述第二光耦合器5的第一信號輸入端與第二信號輸入端的光功率比為50：50。

上述技術方案中，所述第一光耦合器4、第二光耦合器5和第一光電探測器6構成參考通道，所述多波長校準具7和第二光電探測器8構成校準通道，所述解調光路9和第三光電探測器10構成解調通道。

上述技術方案中，第一光耦合器4、第二光耦合器5和一段延時光纖構成M-Z干涉儀。調諧光由第一光耦合器4分為兩束調諧光進入M-Z干涉儀的兩干涉臂，由第二光耦合器5耦合輸出至第一光電探測器6。

上述技術方案中，參考通道用于引入參考干涉儀修正可調諧激光器的非線性掃頻缺陷；校準通道用于根據加入的多波長校準具校準可調諧激光器的輸出波長；解調通道是基于可調諧激光器設計的解調光路；參考通道、解調通道和校準通道同步采集信號，實現光纖光柵高波長分辨率解調。本發(fā)明通過修正激光器的非線性調諧和校準輸出波長，能夠將光纖光柵的波長解調分辨率提高到飛米級別。

解調通道由以可調諧激光器為基礎的解調光路構成，能夠提取待測光纖光柵的光譜信息，解調通道的有效信號光傳輸至第三光電探測器10。第一光電探測器6、第二光電探測器8和第三光電探測器10經數據采集器同步采集，實現光纖光柵高波長分辨率的解調。

一種利用上述系統(tǒng)的高波長分辨率光纖光柵解調方法，它包括如下步驟：

步驟1：可調諧激光器1輸出線性掃頻光給第一光分路器2；

步驟2：第一光分路器2的第一信號輸出端與第二信號輸出端輸出按1:99的光功率比將線性掃頻光分為兩束掃頻光；

步驟3：第一光分路器2的第一信號輸出端輸出的掃頻光通過第二光分路器3按50：50的光功率比等分為兩束掃頻光，第二光分路器3輸出的一束掃頻光傳輸至第一光耦合器4，第一光耦合器4將收到的掃頻光按50：50的光功率比等分為兩束掃頻光，第一光耦合器4輸出的兩束掃頻光中的一束掃頻光通過光纖12輸入第二光耦合器5的第一信號輸入端，第一光耦合器4輸出的兩束掃頻光中的另一束掃頻光通過延時光纖13輸入第二光耦合器5的第二信號輸入端，第二光耦合器5將接收到的兩束掃頻光進行耦合，第一光電探測器6接收第二光耦合器5輸出的拍頻信號光并將拍頻信號光轉換為電信號，第一光電探測器6輸出的電信號為參考通道電信號；

第二光分路器3輸出的另一束掃頻光傳輸至多波長校準具7，多波長校準具7輸出具有特征波長的掃頻光，第二光電探測器8將上述具有特征波長的掃頻光轉換成對應的電信號，第二光電探測器8輸出端的電信號為校準通道電信號；

第一光分路器2的第二信號輸出端輸出的掃頻光輸入解調光路9，解調光路9對輸入的掃頻光進行調制處理輸出帶光纖光柵波長信息的掃頻光，第三光電探測器10將帶光纖光柵波長信息的掃頻光轉換為對應的電信號，第三光電探測器10輸出的電信號為解調通道電信號；

步驟4：第一光電探測器6、第二光電探測器8和第三光電探測器10輸出的電信號傳輸給數據采集器及處理器11，數據采集器及處理器11通過檢測參考通道電信號的過零點，以相鄰兩個過零點對應的時間為區(qū)間用插值方式分別對校準通道電信號和解調通道電信號進行重采樣，得到補償了可調諧激光器非線性掃頻影響的校準通道電信號和解調通道電信號，利用補償了可調諧激光器非線性掃頻影響的解調通道電信號通過解調算法得到解調光路里待測光柵中心波長對應的時間，利用補償了可調諧激光器非線性掃頻影響的校準通道電信號得到特征波長與特征波長對應的時間，利用特征波長與特征波長對應的時間算出掃頻激光器實際掃頻速率，通過所述掃頻激光器實際掃頻速率、特征波長與特征波長對應的時間、解調光路9里待測光柵中心波長對應的時間算出解調光路9里待測光柵的中心波長。

上述技術方案中，由于可調諧激光器1存在非線性掃頻的缺陷，解調時需要對可調諧激光器1進行非線性補償，補償的原理是重采樣。參考通道的兩條干涉臂存在固定長度差，兩路調諧光在第一光耦合器4上產生拍頻現象，理論上經第一光電探測器6輸出的信號為固定頻率的正弦波，但由于可調諧激光器1的非線性掃頻，會使得實際檢測到可調諧激光器1的輸出信號頻譜展寬。

參考通道一路干涉臂的光信號可表示為：

E(t)＝E₀exp[jφ(t)] (1)

其中，E(t)表示參考通道一路干涉臂的光信號的波函數，E₀為光信號的振幅，Φ(t)表示隨時間變化的相位，j為虛數單位，相位變化信號可表示為：

$\mathrm{\φ}\left(t\right)={\mathrm{\φ}}_0+2\mathrm{\π}{\∫}_0^{t}f\left(x\right)dx---\left(2\right)$

其中，Φ₀表示光波的初始相位，f(x)，即f(t)表示可調諧激光器輸出的瞬時光信號的頻率，t表示掃頻時間，另一路干涉臂由于存在時延τ，其光信號的波函數可表示為E(t-τ)，由第一光電探測器6探測的電信號為：

$U\left(t\right)=\mathrm{\η}{\[E\left(t\right)+E(t-\mathrm{\τ})\]}^2=2{\mathrm{\ηE}}_0^2\{1+cos\[\mathrm{\φ}\left(t\right)-\mathrm{\φ}(t-\mathrm{\τ})\]\}---\left(3\right)$

其中，E(t)表示光波的波函數，η為光纖探測器的靈敏度系數，將Φ(t-τ)在t處泰勒展開，Φ(t-τ)表示第二路參考臂上光的相位：

$\mathrm{\Φ}(t-\mathrm{\τ})=\underset{i=0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}\frac{{(-\mathrm{\τ})}^i}{i!}{\mathrm{\φ}}^{\left(i\right)}\left(t\right)---\left(4\right)$

其中，φ⁽ⁱ⁾⁽t)表示相位對時間的i階導數；

由(2)式可以知道，φ⁽ⁱ⁾(t)可表示為：

φ⁽ⁱ⁾(t)＝2πf^(i-1)(t) (5)

其中，f^(i-1)(t)表示光頻對時間的i-1階導數；

結合(4)式、(5)式可得：

$\mathrm{\φ}(t-\mathrm{\τ})-\mathrm{\φ}\left(t\right)=2\mathrm{\π}\mathrm{\τ}f\left(t\right)-2\mathrm{\π}\underset{i=2}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}\frac{{(-\mathrm{\τ})}^i}{i!}{f}^{(i-1)}\left(t\right)---\left(6\right)$

光源的掃頻速度為γ_v(t)，當滿足τ²γ_v(t)＜＜1時，(6)式中的二階和高階項可省略，此時拍頻信號可以表示為：

$U\left(t\right)=2{\mathrm{\ηE}}_0^2\{1+\cos \[2\mathrm{\π}\mathrm{\τ}f\left(t\right)\]\}---\left(7\right)$

該信號相鄰過零點對應時刻的可調諧激光器掃頻光頻率差為定值。

通過檢測參考通道的采集信號的過零點數，以相鄰兩個過零點作為一個區(qū)間，用插值的方式對參考通道、校準通道、解調通道的數據重采樣。經參考通道非線性修正后，參考通道的拍頻信號的頻譜修正為固定單一的沖擊頻譜，可調諧激光器1的輸出光可看作是線性掃頻的。假定修正后的校準通道的相鄰兩波長λ₁、λ₂對應的時刻為t₁、t₂，則t_i時刻的輸出波長可由求解。由解調通道提取光柵中心波長處對應的時刻t_i解調中心波長。修正后的系統(tǒng)的波長分辨率為其中γ_v為激光器的掃頻速率，λ_r為校準的波長值，f_s為系統(tǒng)設置的采樣頻率，c為真空中光的傳播速率，波長分辨率由掃頻速率γ_v、系統(tǒng)設置采樣頻率f_s決定。

如圖2所示，圖中，u表示電信號強度，f表示掃頻光的頻率，T是修正后的拍頻信號的周期，Δf表示參考通道相鄰過零點對應的掃頻信號頻率差，t是掃頻時間，由于可調諧激光器1的非線性掃描，其光源信號如圖2中b部分實線所示，這樣參考通道的光電探測器采集到的拍頻信號并不是單一頻率的正弦波信號，而是呈周期性的頻譜展寬，其波形如圖2中a部分實線所示。由先前的演算可知，實際拍頻信號的相鄰過零點的頻率差是一定的，本發(fā)明以拍頻信號相鄰零點對應的時間為一個重采樣區(qū)間，對三個通道采集到的信號進行修正，修正后可使得拍頻信號的頻率變?yōu)楣潭ǖ?，其波形可用圖2中a部分圖虛線表示。由光拍原理可以推斷，由于參考通道中兩束光光程差是一定的，當拍頻信號修正為頻率單一的正弦波信號，則相當于在參考通道可調諧激光器的非線性掃頻已經得到了補償，其等效波形如圖2中b部分中虛線所示。

如圖3所示，本發(fā)明修正后校準通道的波形示意圖。t_i時刻的波長由解調通道的信息提取光纖光柵中心波長處對應的時刻t_i，解調中心波長值。

處理時，以重采樣的技術對參考通道、校準通道、解調通道修正，修正后可調諧激光器激光器的輸出光譜呈現線性掃頻變化，解調通道的波長分辨率由可調諧激光器的掃頻速率γ_v、數據采集器的采樣率f_s所決定，聯(lián)合設置γ_v、f_s可使波長分辨率達到飛米級別。

本說明書未作詳細描述的內容屬于本領域專業(yè)技術人員公知的現有技術。