專利名稱：基于長周期光纖光柵對傳感器的復用和解調方法及其設備的制作方法
技術領域：
本發明屬于光纖傳感技術領域，特別涉及了一種長周期光纖光柵對傳感器的信號復用與解調方法以及實現該方法的設備。
背景技術：
在光纖傳感領域，長周期光纖光柵對(long-period grating pair，LPGP)由于其對微彎、溫度、應力、折射率變化非常敏感，而成為業內一個十分重要的傳感器件，尤其適用于液體折射率的高精度測量。利用第一個長周期光纖光柵將光纖芯層光能量耦合一半到光纖包層，經過一段路程的傳播再由第二個光柵耦合回芯層，與另一半經過芯層的光匯合，長周期光纖光柵對事實上構成了一個以光纖芯層和包層為兩臂的馬赫-曾德(M-Z)干涉儀。由于光纖包層有效折射率受外界折射率的影響，該M-Z干涉儀兩臂的光程差對外界折射率變化非常敏感。利用波長調制的方法，UK的T.Allsop將一個LPGP用于折射率傳感，得到了1.8×10-6的精度。國內浙江大學運用拉錐和刻蝕技術，對光柵對中間的那段光纖進行處理，提高外界折射率對包層折射率的影響程度，使測量靈敏度提高了五倍以上。
光纖布拉格光柵，由于其頻域反射譜很窄(＜1nm)，利用波長分束器、非對稱型M-Z干涉儀或者可調諧光纖濾波器都可以實現其在頻域上的復用和解調。但是長周期光纖光柵，其頻譜特征為多個透射損耗峰并存，且每個損耗峰的頻域帶寬相對較寬(數十nm)，在頻域上無法實現復用和解調。盡管長周期光纖光柵本身具有對微彎、溫度、應力、折射率敏感的傳感特性，但它很少被用于分布式測量。同樣道理，目前為止，還沒有人提出一種高效廉價的LPGP的多路復用及解調方法。
發明內容
本發明就是針對現有技術的不足，提出了一種基于長周期光纖光柵對的傳感器的多路復用及低相干光解調方案，同時提供了實現該方法的設備。
本發明的方法包括以下步驟1、選用波長范圍覆蓋長周期光柵透射損耗峰的寬帶光源，光源帶寬范圍20～60nm；通過光纖耦合器將光強平均分配到n(n≥2)個不同光柵中心距離的LPGP傳感器，每個LPGP傳感器中的光信號引入不同的光程差；攜帶各路LPGP傳感信息的信號光由光纖耦合器匯合到一根單模光纖，完成傳感信號的多路復用。所述每個LPGP傳感器中的光信號的光程差是利用長周期光纖光柵能把光纖芯層的光能量耦合到包層這一特性，每個LPGP傳感器通過第一個長周期光纖光柵把一半光能量耦合到光纖包層，經過一段光程的傳播后，被第二個長周期光纖光柵耦合回芯層，與通過芯層的另外一半光能量匯合，LPGP傳感器中的光信號的光程差為OPD＝Δn·L (1)其中Δn表示光纖芯層與包層的有效折射率差，L表示LPGP傳感器中光柵中心距離。
2、多路復用后的傳感信號經過一個光單向隔離器進入一個3-dB光纖耦合器，3-dB光纖耦合器將光信號分成等光強的兩束；兩束等光強的信號光分別通過光纖準直器入射到反射鏡上并反射耦合回光纖；通過控制其中一個反射鏡的位置移動，使兩路信號光之間引入另一個入光程差，并產生掃描，從而補償不同光柵中心距離的LPGP傳感器引入的光程差。單向隔離器的作用主要是防止反射光對光源的破壞作用。
3、補償后的兩路光信號在3-dB耦合器中匯合干涉，干涉信號經3-dB耦合器的一臂，由光電二極管轉化為電信號，由數據采集卡采集，完成解調。
從(1)式可以看到，不同光柵中心距離的LPGP傳感器引入的光程差不同，所以當麥氏干涉儀的一臂掃描到某一位置，某個LPGP傳感器的光程差被補償為零，則該LPGP傳感器對應的低相干光干涉信號出現。通過并聯布置一系列不同光柵中心距離的LPGP傳感器，以及掃描麥氏干涉儀其中一臂，可實現多路LPGP傳感器的復用和解調。
這種多路復用LPGP傳感器的解調方案的分辨率主要取決于長周期光柵損耗譜的相干長度lc=2ln2πλ2Δλ,---(2)]]>其中，λ和Δλ分別為長周期光柵損耗峰的中心波長和帶寬。
實現上述方案的設備為并聯的n(n≥2)個不同光柵中心距離的LPGP傳感器輸入端通過光纖耦合器與寬帶光源光信號連接，輸出端與另一個光纖耦合器光信號連接。光單向隔離器輸入端與另一個光纖耦合器光信號連接，其輸出端和光電二極管的輸入端與3-dB光纖耦合器的一端光信號連接，光電二極管的輸出端與數據采集卡電連接。3-dB光纖耦合器的另一端分別與兩個光纖準直器光信號連接，對應兩個光纖準直器位置設有兩個反射鏡，其中一個反射鏡通過步進電機控制其位置移動。
本發明主要適用于多路復用LPGP傳感器信號的解調，空間分辨率高達數十微米，最大解調信道數達數百，通過對干涉信號的處理可達到很高的測量精度，同時相比那些光譜儀等頻域測量儀器，具有成本低廉的優點，適合集成化和儀器化。
圖1為本發明的整體結構示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，并聯的多個不同光柵中心距離的LPGP傳感器3輸入端分別通過光纖耦合器2與寬帶光源1光信號連接，輸出端與另一個光纖耦合器4光信號連接。光單向隔離器5輸入端與光纖耦合器4光信號連接，其輸出端與和光電二極管10的輸入端與3-dB光纖耦合器6的一端光信號連接，光電二極管10的輸出端與數據采集卡11電連接。3-dB光纖耦合器6的另一端分別與兩個光纖準直器7光信號連接，對應兩個光纖準直器7位置設有兩個反射鏡8，其中一個反射鏡通過步進電機9控制其位置移動。將上述多個LPGP傳感器3作為微彎傳感器預埋在被監測建筑物中，寬帶光源1和信號解調部分都在監測中心，寬帶光通過單模光纖進入多個LPGP傳感器3，再由單模光纖將信號光傳回監測中心進行信號解調與處理。
選用波長范圍為60nm(可以覆蓋長周期光柵透射損耗峰的寬帶)光源，通過光纖耦合器將光強平均分配到多個LPGP傳感器，每個不同光柵中心距離的LPGP傳感器中的光信號具有不同的光程差；攜帶各路LPGP傳感信息的信號光由光纖耦合器匯合到一根單模光纖，完成傳感信號的多路復用。每個LPGP傳感器中的光信號的光程差是利用長周期光纖光柵能把光纖芯層的光能量耦合到包層這一特性，每個LPGP傳感器通過第一個長周期光纖光柵把一半光能量耦合到光纖包層，經過一段光程的傳播后，被第二個長周期光纖光柵耦合回芯層，與通過芯層的另外一半光能量匯合，每個LPGP傳感器中的光信號的光程差為OPD＝Δn·L (1)其中Δn表示光纖芯層與包層的有效折射率差，L表示LPGP傳感器中光柵中心距離。
多路復用后的傳感信號經過一個光單向隔離器進入一個3-dB光纖耦合器，3-dB光纖耦合器將光信號分成等光強的兩束；兩束等光強的信號光分別通過光纖準直器入射到反射鏡上并反射耦合回光纖；控制其中一個反射鏡的位置移動，使兩路信號光之間引入另一個入光程差，并產生掃描，從而補償不同光柵中心距離的LPGP傳感器引入的光程差。
補償后的兩路光信號在3-dB耦合器中匯合干涉，干涉信號經3-dB耦合器的一臂，由光電二極管轉化為電信號，由數據采集卡采集，完成解調。
從(1)式可以看到，不同光柵中心距離的LPGP傳感器引入的相位差不同，所以當麥氏干涉儀掃描到某一位置，某個LPGP傳感器的相位差被補償為零，則該LPGP傳感器對應的低相干光干涉信號出現。通過并聯布置一系列不同光柵中心距離的LPGP傳感器以及掃描麥氏干涉儀的其中一臂，可實現多路LPGP傳感器的復用和解調。
這種多路復用LPGP傳感器的解調方案的分辨率主要取決于長周期光柵損耗譜的相干長度lc=2ln2πλ2Δλ,---(2)]]>其中，λ和Δλ分別為長周期光柵損耗峰等中心波長和帶寬，本實施例中λ取1550nm(光通訊典型波段)，Δλ取20nm(長周期光柵損耗峰正常帶寬)，根據式(2)，干涉長度為53μm。步進電機掃描1cm，最多377個LPGP傳感器信號可以被解調。為了相鄰信道的LPGP干涉信號之間不發生混疊現象，根據式(1)和式(2)，再考慮普通單模光纖芯層包層折射率差Δn為10-2左右，相鄰LPGP長度差需要5.3mm。
由于微彎會引起LPGP中包層模的泄漏，從而減弱輸出端干涉信號的強度，利用數據采集和處理系統對干涉信號提取包絡，即可獲得LPGP傳感器的微彎信號。掃描麥氏干涉儀，即實現了多路LPGP的復用和解調。
利用可掃描麥氏干涉儀對LPGP引入的光程差進行補償獲得包含傳感信號的低相干光干涉條紋，從而實現了對LPGP傳感器的復用和解調。本發明還具有分辨率高、測量帶寬大、解調精度高和成本低廉的優點。
權利要求
1.基于長周期光纖光柵對傳感器的復用和解調方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)選用波長范圍覆蓋長周期光纖光柵透射損耗峰的寬帶光源，光源帶寬范圍20～60nm；通過光纖耦合器將光強平均分配到n個不同光柵中心距離的LPGP傳感器，其中n≥2，每個LPGP傳感器中的光信號引入不同的光程差；攜帶各路LPGP傳感信息的信號光由光纖耦合器匯合到一根單模光纖，完成傳感信號的多路復用；(2)多路復用后的傳感信號經過一個光單向隔離器進入一個3-dB光纖耦合器，3-dB光纖耦合器將光信號分成等光強的兩束；兩束等光強的信號光分別通過光纖準直器入射到反射鏡上并反射耦合回光纖；通過控制其中一個反射鏡的位置移動，使兩路信號光之間引入另一個光程差，并產生掃描，從而補償不同光柵中心距離的LPGP傳感器中引入的光程差；(3)補償后的兩路光信號在3-dB耦合器中匯合干涉，干涉信號經3-dB耦合器的一臂，由光電二極管轉化為電信號，由數據采集卡采集，完成解調。
2.如權利要求1所述的基于長周期光纖光柵對傳感器的復用和解調方法，其特征在于所述每個LPGP傳感器中的光信號的光程差是利用長周期光纖光柵能把光纖芯層的光能量耦合到包層這一特性，每個LPGP傳感器通過第一個長周期光纖光柵把一半光能量耦合到光纖包層，經過一段光程的傳播后，被第二個長周期光纖光柵耦合回芯層，與通過芯層的另外一半光能量匯合，LPGP傳感器中的光信號的光程差為OPD＝Δn·L (1)其中Δn表示光纖芯層與包層的有效折射率差，L表示LPGP傳感器中光柵中心距離。
3.采用權利要求1方法所使用的設備，其特征在于并聯的n個不同光柵中心距離的LPGP傳感器(3)輸入端通過光纖耦合器(2)與寬帶光源(1)光信號連接，其中n≥2，輸出端與另一個光纖耦合器(4)光信號連接；光單向隔離器(5)輸入端與光纖耦合器(4)光信號連接，其輸出端和光電二極管(10)的輸入端分別與3-dB光纖耦合器(6)的一端光信號連接，光電二極管(10)的輸出端與數據采集卡(11)電連接；3-dB光纖耦合器(6)的另一端分別與兩個光纖準直器(7)光信號連接，對應兩個光纖準直器(7)位置設有兩個反射鏡(8)，其中一個反射鏡通過步進電機(9)控制其位置移動。
全文摘要
本發明涉及了一種基于長周期光纖光柵對傳感器的復用與解調方法及設備。目前還沒有人提出一種高效廉價的LPGP的多路復用及解調方法。本發明是將寬帶光源通過光纖耦合器將光強平均分配到多個具有不同的光程差的LPGP，各路信號光匯合后完成多路復用；復用后的信號光經過一個光單向隔離器進入3－dB光纖耦合器，兩束信號光通過光纖準直器入射到反射鏡上并反射耦合回光纖，通過控制其中一個反射鏡的位置移動補償不同的光程差的LPGP引入的相位差；補償后的兩路光信號在3－dB耦合器中匯合干涉，由光電二極管轉化為電信號，由數據采集卡采集，完成解調。本發明具有成本低廉的優點，適合集成化和儀器化。
文檔編號G01N21/41GK1760641SQ20051006138
公開日2006年4月19日 申請日期2005年11月2日 優先權日2005年11月2日
發明者管祖光, 何賽靈 申請人:浙江大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
