一种光纤光栅传感阵列解调的方法和设备

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	一种光纤光栅传感阵列解调的方法和设备
其他题名	一种光纤光栅传感阵列解调的方法和设备
	何赛灵; 周斌; 刘伟升
	2008-12-10
专利权人	浙江大学
公开日期	2008-12-10
授权国家	中国
专利类型	发明申请
摘要	本发明涉及一种光纤光栅传感阵列解调的方法和设备。本发明中使用窄线宽的连续半导体激光器作为光源，电光调制器接入萨尼亚克环中；FBG传感阵列通过一个三端口3－dB光纤耦合器与萨尼亚克环连接；传感阵列上串联的每个传感FBG在室温下布拉格波长与激光光源的中心波长一致，而且反射率都小于3％；电光调制器由可频率受调制的射频信号驱动，由低速光电二极管检测透射率变化采集卡采集到的数据通过快速傅立叶变换以及相关运算，得到传感阵列上各个传感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，并且成本相对较低；另外由于传感阵列连入萨尼亚克环中，设备抗外界温度波动以及机械扰动性能强。
其他摘要	本发明涉及一种光纤光栅传感阵列解调的方法和设备。本发明中使用窄线宽的连续半导体激光器作为光源，电光调制器接入萨尼亚克环中；FBG传感阵列通过一个三端口3－dB光纤耦合器与萨尼亚克环连接；传感阵列上串联的每个传感FBG在室温下布拉格波长与激光光源的中心波长一致，而且反射率都小于3％；电光调制器由可频率受调制的射频信号驱动，由低速光电二极管检测透射率变化采集卡采集到的数据通过快速傅立叶变换以及相关运算，得到传感阵列上各个传感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，并且成本相对较低；另外由于传感阵列连入萨尼亚克环中，设备抗外界温度波动以及机械扰动性能强。
主权项	一种光纤光栅传感阵列解调的方法，其特征在于该方法的具体步骤是： a.中心波长在通讯波段的连续半导体激光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； b.激光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与激光光源中心波长一致的光纤布拉格光栅串联成的光纤布拉格光栅传感阵列，激光被传感阵列上的各个光纤布拉格光栅反射；反射后的激光经过三端口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；变频后的激光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；被传感阵列上第i个光纤布拉格光栅反射的光束回到四端口3-dB光纤耦合器，其电场强度E1-i为： E 1 - i = - J 1 ( α π 2 ) E i exp ( i ( ω - Ω ) t + ni [ L a + 2 L i C ω + L b C ( ω - Ω ) ] ) + exp ( i ( ω + Ω ) t + ni [ L a + 2 L i C ω + L b C ( ω + Ω ) ] ) - - - ( 1 ) 其中J1为一阶贝塞尔函数，α为电光调制器驱动信号的归一化振幅，Ei为第i个光纤布拉格光栅反射的激光的电场强度，ω为激光的角频率，Ω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为光速，Li为第i个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；另一路激光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，变频后的激光进入长度已知的测量段单模光纤；激光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阵列，激光被光纤布拉格光栅传感阵列上的各个光纤布拉格光栅反射，反射后的激光经过三端口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；被传感阵列上第i个光纤布拉格光栅反射的激光回到四端口3-dB光纤耦合器时的电场强度E2-i为： E 2 - i = - J 1 ( α π 2 ) E i exp ( i ( ω - Ω ) t + ni [ L b C ω + L a + 2 L i C ( ω - Ω ) ] ) + exp ( i ( ω + Ω ) t + ni [ L b C ω + L a + 2 L i C ( ω + Ω ) ] ) - - - ( 2 ) 第i个光纤布拉格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，透射的激光的强度IT-i为： I T - i = J 1 2 ( α π 2 ) \| E i \| 2 4 + 2 cos [ 2 ( Ωt + nΩ C L b ) ] + 2 cos [ 2 ( Ωt + nΩ C ( L a + 2 L i ) ) ] + 4 cos [ ( 2 Ωt + nΩ C ( L a + L b + 2 L i ) ) ] + 4 cos [ nΩ C ( L a + 2 L i - L b ) ] - - - ( 3 ) c.光电二极管探测第i个光纤布拉格光栅对应的透过萨尼亚克环的激光的强度，同时光强信号转化为电信号，光电二极管的截至频率为fb，fb＜＜Ω，由光电二极管接收到的光强IT为： I T = J 1 2 ( α π 2 ) { 4 + 4 cos [ nΩ C ( L a + 2 L i + L b ) ] } - - - ( 4 ) 电光调制器的驱动频率Ω按照2πwt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 πn L a + 2 L i - L b C wt - - - ( 5 ) 其中fi为光强变化的频率；电信号经数据采集卡，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得到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 = ( Cf i 2 πnω - L a + L b ) / 2 - - - ( 6 ) d.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； e.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。
申请日期	2008-07-15
专利号	CN101319920A
专利状态	失效
申请号	CN200810120022.6
公开（公告）号	CN101319920A
IPC 分类号	G01D5/353 \| G02B6/02 \| G02B6/28 \| G02F2/02 \| G02F1/03
专利代理人	杜军
代理机构	杭州求是专利事务所有限公司
文献类型	专利
条目标识符	http://ir.opt.ac.cn/handle/181661/65220
专题	半导体激光器专利数据库
作者单位	浙江大学
推荐引用方式 GB/T 7714	何赛灵,周斌,刘伟升. 一种光纤光栅传感阵列解调的方法和设备. CN101319920A[P]. 2008-12-10.

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CN101319920A.PDF（603KB）	专利		开放获取	CC BY-NC-SA	请求全文