專利名稱：一種fbg傳感器的解調方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種FBG傳感器的解調方法及裝置，屬于光纖傳感技術領域。
背景技術：
光纖光柵傳感器可靠性高、抗電磁干擾能力強、耐腐蝕。特別的，其波長編碼特性以及單光纖上的準分布式測量優點是其它傳感器所無法比擬，具有廣闊的應用前景。但目前限制光纖光柵傳感器大規模實際應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。經歷二十多年的發展，光纖光柵傳感領域出現多種光纖光柵解調技術。典型解調技術包括光譜儀檢測法、匹配光柵解調法、非平衡馬赫一曾德爾干涉法、可調諧F-P濾波解調法和可調諧窄帶激光解調法等。眾多解調技術中，系統結構各異，性能不一，但從信噪比、 分辨率、光譜范圍、解調速度和容量等方面綜合比較，惟有可調諧窄帶激光解調法具備顯著優勢，工程實用性強。現有大范圍可調諧窄帶激光器包含核心部件可調諧F-P濾波器。可調諧F-P濾波器由于器件本身制造工藝的限制，在反復掃描時，受電磁感應和電荷遲滯等的影響，不可能每次掃描都精確重合，由此產生的系統誤差嚴重降低整個解調系統的檢測精度。另外，可調諧F-P濾波器的壓電陶瓷容易受到外界環境溫度和使用時間的影響發生偏移，這也會對系統的檢測精度造成不利影響。為了避免這種情況，需要一個不受環境溫度、應力等外界條件影響的精確參考光柵，對可調諧F-P濾波器的掃描波長進行校準，保證解調系統對待測傳感光柵的檢測精度。通過波長校準，可精確確定解調系統的解調精度和測量范圍。參考光柵在掃描周期內的位置固定不變，將待測傳感光柵在掃描周期的位置與之相對比，即可通過計算獲得該待測傳感光柵的反射光波的中心波長，實現精確檢測。理想情況下，解調系統使用的參考光柵為兩個。根據待測傳感光柵的波長分布情況，選取其光譜范圍兩端為參考光柵的中心波長，并且使參考光柵保持恒定的環境溫度和無應變，確保參考光柵的中心波長不發生漂移。將參考光柵的中心波長與系統的掃描電壓進行線性擬合使中心波長的位置與掃描電壓一一對應，根據電壓值可計算出此時測得的待測傳感光柵的中心波長。但實際上，中心波長的位置和掃描電壓并不是簡單的線性關系，采用兩個參考光柵方法的誤差仍較大。為了進一步提高解調系統的檢測精度，可以將參考光柵的數目從兩個增加到五個、九個乃至更多的參考光柵，即梳狀濾波器。盡管從理論上來講參考光柵的數目越多，將掃描電壓劃分的區間越多，參考光柵波長與掃描電壓的擬合關系式越接近實際，檢測精度越高。但是實際操作中使用更多參考光柵時，參考光柵需要被串聯并進行恒溫和無應變封裝，大大增加了復雜程度。因此，不可能為了提高測量精度而無限制地增加參考光柵的數目。一個可行的解決方法是采用基于F-P濾波器的光纖梳狀濾波器，避免多個獨立參考光柵串聯和封裝的復雜性，如文獻《高速大容量光纖光柵解調儀的研究》(光學學報，2012年第32卷第3期)所述。梳狀濾波器，即光譜形狀像梳子一樣的濾波器，其種類頗多。常見梳狀濾波器主要有馬赫一曾德爾干涉儀梳狀濾波器、F-P干涉儀梳狀濾波器和光纖光柵梳狀濾波器。馬赫一曾德爾干涉儀梳狀濾波器雖然結構簡單，成本低廉，但其溫漂系數較大，插入損耗大，一般不作為光纖光柵解調儀的波長參考器件。由于F-P干涉儀的梳狀濾波器技術成熟，商用程度高，在光纖光柵解調儀中得到廣泛應用。F-P濾波器由平行放置的兩塊平板P1、P2組成，在兩平板相對的面上鍍有高反射率的膜。通常將兩平板間距離固定的F-P濾波器稱為F-P標準具。但是，F-P干涉儀的梳狀濾波器的精密程度高，制作過程較為復雜，同樣需要使用恒溫電路使其保持恒溫，否則作為波長參考器件時將嚴重降低了解調儀的測量精度。光纖光柵技術發展至今已有三十年，技術成熟，可靠性高。米用光纖光柵技術同樣可以制作出多種梳狀濾波器，且具有結構緊湊，譜形可定制，靈活性大，制作相對簡單等優點。文獻《光纖光柵梳狀濾波器及其在新型可選波長激光器中的應用》(光學學報，2004年第24卷第6期)報導了一種基于光纖光柵的梳狀濾波器，具有八個反射譜，反射率一致性 好。因此，通過改進基于光纖光柵技術的梳狀濾波器的制作工藝，可為光纖光柵解調儀提供具備良好波長參考能力的高性能光纖光柵梳狀濾波器。

發明內容
本發明的目的在于，提供一種FBG傳感器的解調方法及裝置。它可以提高FBG傳感器的解調精度，且可以降低FBG傳感器的解調裝置的制作難度。本發明的技術方案一種FBG傳感器的解調方法，其特點是，包括使用計算機控制波長掃描激光器產生波長連續變化的窄帶掃描激光，再通過對波長掃描激光器產生的窄帶掃描激光進行分束，分束后的窄帶掃描激光分別經光纖耦合器進入待測的FBG傳感器和帶溫度補償封裝(包括但不限于雙金屬材料機械結構補償和恒溫裝置補償)的反射式FBG梳狀濾波器后，產生的反射光譜重新經光纖耦合器進入光電探測器轉換成電信號并被放大后有計算機進行采集，計算機通過尋峰算法得出帶溫度補償封裝的反射式FBG梳狀濾波器反射譜各個峰的波長，并以這個波長對FBG傳感器的反射譜進行標定，計算出FBG傳感器的絕對波長值。上述的FBG傳感器的解調方法，還包括再多分一路波長掃描激光器產生的窄帶掃描激光，這路窄帶掃描激光經光纖耦合器進入參考FBG，或直接將參考FBG與反射式FBG梳狀濾波器串聯，參考FBG產生的反射光譜重新經光纖耦合器進入光電探測器轉換成電信號并被放大后有計算機進行采集，計算機通過尋峰算法得出參考FBG反射譜各個峰的波長，根據反射式FBG梳狀濾波器帶溫度補償封裝后與參考FBG溫度靈敏度不同，選取反射式FBG梳狀濾波器某一反射峰作為基準，當波長掃描激光器連續掃描時，計算出該反射峰基準與參考FBG反射峰之間波長差Λ λ，即記錄下激光掃描到參考FBG反射峰時刻反射式FBG梳狀濾波器被掃描到的波長位置，及激光掃描到反射式FBG梳狀濾波器某一基準反射峰時刻的波長位置，兩者之差即為Λ λ (由于反射式FBG梳狀濾波器與參考FBG的溫度靈敏度不同，差距明顯，因此，不同溫度下兩者的Λ λ不一樣，如圖4的Λ入 和Λ λΤ2所示)；通過FBG梳狀濾波器的標尺功能，測量出不同溫度下的反射式FBG梳狀濾波器某一基準反射峰與參考FBG的Λ λ，得出Λ λ與當前溫度的一次線性函數，在實際解調過程中，根據得到的當前Λ λ值，即可反推出當前的溫度，繼而根據反射式FBG梳狀濾波器的溫度響應曲線得出當前該溫度下反射式FBG梳狀濾波器的精確波長，從而實現對反射式FBG梳狀濾波器的實時精確溫度補償。前述的FBG傳感器的解調方法中，所述反射式FBG梳狀濾波器為通過光纖光柵技術在同一根光纖內設置多個周期不同的FBG，其反射譜呈梳狀光譜。反射式FBG梳狀濾波器的制作方法可以是重疊寫入光柵法、振幅采樣光柵法和相位采樣光柵法等。重疊寫入光柵法是利用通用光纖光柵制作技術(掩模板法、雙光束干涉法)在光纖的同一段區域內寫入多個不同周期的光柵，以獲得反射譜具有多個波長的梳狀光譜的光纖光柵器件，該器件即可作為反射式FBG梳狀濾波器。振幅采樣光柵法和相位采樣光柵法是利用通用光纖光柵制作技術，在制作光柵時使光柵的振幅或相位沿著長度方向產生周期性的折射率分布，其反射譜輪廓可看作是折射率分布函數的傅立葉變換，反射光譜呈現梳狀光譜，則該光柵可作為反射式FBG梳狀濾波器。
前述的FBG傳感器的解調方法中，將所述反射式FBG梳狀濾波器替換為透射式LPG(長周期光纖光柵)梳狀濾波器，透射式LPG梳狀濾波器產生的透射譜直接進入光電探測器；或者替換為串聯式FBG梳狀濾波器，且溫度補償封裝轉移到參考FBG上。在原理上對反射式FBG梳狀濾波器或參考FBG進行溫度補償封裝均可，但由于串聯式FBG梳狀濾波器，串聯后難以實現溫度補償封裝，所以只能對參考FBG進行溫度補償封裝。前述的FBG傳感器的解調方法中，所述透射式LPG梳狀濾波器為通過光纖光柵技術在同一根光纖內設置兩個相距幾毫米至幾厘米的透射率約50%的LPG，其透射譜呈梳狀光譜。前述的FBG傳感器的解調方法中，其特征在于所述串聯式FBG梳狀濾波器由兩個以上的反射式FBG梳狀濾波器的串聯擴展而成。實現前述方法的一種FBG傳感器的解調裝置，其特點是包括波長掃描激光器，波長掃描激光器的激光出射端連接有功率分束器，功率分束器分出的多路通道分別經過50:50光纖耦合器與帶溫度補償的反射式FBG梳狀濾波器、參考FBG和待測FBG傳感器相連，或者反射式FBG梳狀濾波器和參考FBG串聯，共用功率分束器分出的一路通道，反射式FBG梳狀濾波器、參考FBG和待測FBG傳感器的反射端通過光電探測器和放大電路與數據采集卡相連，數據采集卡與計算機相連，且數據采集卡與波長掃描激光器的輸入端相連。前述的FBG傳感器的解調裝置中，所述反射式FBG梳狀濾波器替換為透射式LPG梳狀濾波器，透射式LPG梳狀濾波器的投射端與光電探測器相連。使用透射式LPG梳狀濾波器時，不采用透射式LPG梳狀濾波器和參考FBG串聯的方法。前述的FBG傳感器的解調裝置中，所述反射式FBG梳狀濾波器擴展為兩個以上的反射式FBG梳狀濾波器串聯的串聯式FBG梳狀濾波器，且串聯式FBG梳狀濾波器無溫度補償封裝，參考FBG帶溫度補償封裝。與現有技術相比，本發明通過采用光纖光柵制作的梳狀濾波器(包擴反射式FBG梳狀濾波器、透射式LPG梳狀濾波器及串聯式FBG梳狀濾波器)，可以減小梳狀濾波器的插入損耗，提高參考波長的信噪比；而且采用光纖光柵制作梳狀濾波器，技術成熟，工藝可靠，降低梳狀濾波器的制作難度，提高梳狀濾波器的譜形定制能力；基于光纖光柵的光譜鎖定技術，可提高FBG傳感器解調儀的測量精度，同時使得解調裝置在不同波長范圍內實現高精度成為可能。本發明還利用帶溫度補償封裝的反射式FBG梳狀濾波器和參考FBG來計算不同溫度下反射式FBG梳狀濾波器的絕對參考波長的方法，即對狀濾波器實現精確溫度補償，進一步提高FBG傳感器的解調裝置的測量精度。


圖I是本發明實施例I基于反射式FBG梳狀濾波器的FBG傳感器的解調裝置結構示意圖；圖2是實施例I的反射式FBG梳狀濾波器的結構示意圖；圖3是實施例I的反射式FBG梳狀濾波器的反射光譜模擬圖；圖4是實施例I中反射式FBG梳狀濾波器和參考FBG的溫度響應示意圖； 圖5是實施例2基于透射式LPG梳狀濾波器的FBG傳感器的解調裝置結構示意圖；圖6是實施例2的透射式LPG梳狀濾波器的結構示意圖；圖7是實施例2的透射式LPG梳狀濾波器的透射光譜模擬圖；圖8是實施例3基于串聯式FBG梳狀濾波器的FBG傳感器的解調裝置結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明，但并不作為對本發明限制的依據。實施例。一種FBG傳感器的解調方法包括使用計算機控制波長掃描激光器產生波長連續變化的窄帶掃描激光，再通過對波長掃描激光器產生的窄帶掃描激光進行分束，分束后的窄帶掃描激光分別經光纖耦合器進入待測的FBG傳感器和帶溫度補償封裝的反射式FBG梳狀濾波器后，產生的反射光譜重新經光纖耦合器進入光電探測器轉換成電信號并被放大后有計算機進行采集，計算機通過尋峰算法得出帶溫度補償封裝的反射式FBG梳狀濾波器反射譜各個峰的波長，并以這個波長對FBG傳感器的反射譜進行標定，計算出FBG傳感器的絕對波長值。還包括再多分一路波長掃描激光器產生的窄帶掃描激光，這路窄帶掃描激光經光纖耦合器進入參考FBG，產生的反射光譜重新經光纖耦合器進入光電探測器轉換成電信號并被放大后有計算機進行采集，計算機通過尋峰算法得出參考FBG反射譜各個峰的波長，根據反射式FBG梳狀濾波器帶溫度補償封裝后與參考FBG溫度靈敏度不同，選取反射式FBG梳狀濾波器某一反射峰作為基準，當波長掃描激光器連續掃描時，計算出該反射峰基準與參考FBG反射峰之間波長差Λ λ，即記錄下激光掃描到參考FBG反射峰時刻反射式FBG梳狀濾波器被掃描到的波長位置，及激光掃描到反射式FBG梳狀濾波器某一基準反射峰時刻的波長位置，兩者之差即為△ λ ;通過FBG梳狀濾波器的標尺功能，測量出不同溫度下的反射式FBG梳狀濾波器某一基準反射峰與參考FBG的Λ λ，得出Λ λ與當前溫度的一次線性函數，在實際解調過程中，根據得到的當前Λ λ值，即可反推出當前的溫度，繼而根據反射式FBG梳狀濾波器的溫度響應曲線得出當前該溫度下反射式FBG梳狀濾波器的精確波長，從而實現對反射式FBG梳狀濾波器的實時精確溫度補償。所述反射式FBG梳狀濾波器為通過光纖光柵技術在同一根光纖內設置多個周期不同的FBG，其反射譜呈梳狀光譜。可以將所述反射式FBG梳狀濾波器替換為透射式LPG梳狀濾波器，透射式LPG梳狀濾波器產生的透射譜直接進入光電探測器；或者替換為串聯式FBG梳狀濾波器，且溫度補償封裝轉移到參考FBG上。所述透射式LPG梳狀濾波器為通過光纖光柵技術在同一根光纖內設置兩個相距幾毫米至幾厘米的LPG，其透射譜呈梳狀光譜。所述串聯式FBG梳狀濾波器由兩個以上的反射式FBG梳狀濾波器的串聯擴展而成。實現上述方法的一種FBG傳感器的解調裝置，包括波長掃描激光器，波長掃描激光器的激光出射端連接有功率分束器，功率分束器分出的多路通道分別經過50:50光纖耦合器與帶溫度補償的反射式FBG梳狀濾波器、參考FBG和待測FBG傳感器相連，反射式FBG梳狀濾波器、參考FBG和待測FBG傳感器的反射端通過光電探測器和放大電路與數據采集卡相連，數據采集卡與計算機相連，且數據采集卡與波長掃描激光器的輸入端相連。所述反射式FBG梳狀濾波器可以替換為透射式LPG梳狀濾波器，透射式LPG梳狀濾波器的投射端與光電探測器相連。所述反射式FBG梳狀濾波器可以擴展為兩個以上的反射式FBG梳狀濾波器串聯的串聯式FBG梳狀濾波器，且串聯式FBG梳狀濾波器無溫度補償封裝，參考FBG帶溫度補償封裝。
器的解調裝置結構示意圖，包括波長掃描激光器1-1，I XN功率分束器1-2，N路50:50光纖耦合器1-3，帶溫度補償封裝的反射式FBG梳狀濾波器1-4，參考FBG 1-5, (N-1)路傳感通道上的FBG傳感器1-6，N路光電探測器(PD) 1-7，放大電器1_8、數據采集卡1_9、和計算機1-10。每個器件的主要特征和FBG傳感器的解調裝置的工作原理如下所述的波長掃描激光器1-1為光纖激光器，采用環行腔結構，產生窄帶激光信號。優選地，光纖激光器的增益器件選用摻鉺光纖放大器(EDFA)或半導體光放大器(S0A)，波長掃描器件選用F-P可調諧濾波器，由數據采集卡1-9的D/A通道提供的外部電信號驅動，實現大范圍波長掃描，最大范圍可覆蓋C+L波段。波長掃描激光器的內部在輸出端前裝光隔離器，防止激光器被外部光信號損壞。所述I XN功率分束器1-2采用光纖功率分束器，將波長掃描激光器1-1輸入的光功率N等分后，分別輸出至N路50:50光纖耦合器1-3。根據實際工作需要，光纖功率分束器的輸出路數N—般可選用4，8，16等(N的選擇由產品要求和通用器件參數決定)。所述每路50:50光纖耦合器1-3的輸入端連接對應的IXN功率分束器的每路輸出端。光纖耦合器1-3的輸出端連接分別連接帶溫度補償封裝的反射式FBG梳狀濾波器1-4，參考FBG 1-5和多路FBG傳感器1-6。各個FBG器件的反射信號經每個50:50光纖耦合器1-3分別進入N路PD 1-7里。所述帶溫度補償封裝的反射式FBG梳狀濾波器1-4是指采用光纖光柵技術在光纖上制作一個特征為反射光譜為梳狀光譜的光纖器件，且通過溫度補償封裝方法使反射式FBG梳狀濾波器的波長對外界溫度變化的敏感程度大大降低，并作為波長標準器件，為FBG解調裝置提供波長標定功能。圖2提供一個基于振幅采樣或重疊光柵法制作的反射式FBG梳狀濾波器的結構示意圖，其反射光譜模擬圖如圖3所示，中心波長1536nm 1562nm，具有16個反射峰，間距I. 6 nm。但反射式FBG梳狀濾波器的反射光譜不限于圖3所示的例子，反射光譜范圍可以根據所需解調裝置的工作波長范圍和光纖光柵制作技術的特點進行確定。所述的用來制作反射式FBG梳狀濾波器的光纖光柵技術，包括但不限于重疊寫入光柵法、振幅采樣光柵法和相位采樣光柵法等。重疊寫入光柵法是利用通用光纖光柵制作技術(掩模板法、雙光束干涉法)在光纖的同一段區域內寫入多個不同周期的光柵，以獲得反射譜具有多個波長的梳狀光譜的光纖光柵器件，該器件即可作為反射式FBG梳狀濾波器。振幅采樣光柵法和相位采樣光柵法是利用通用光纖光柵制作技術，在制作光柵時使光柵的振幅或相位沿著長度方向產生周期性的折射率分布，其反射譜輪廓可看作是折射率分布函數的傅立葉變換，反射光譜呈現梳狀光譜，則該光柵可作為反射式FBG梳狀濾波器。所述的溫度補償封裝方法，包括但不限于雙金屬材料機械結構補償和恒溫裝置補償。所述參考FBG 1-5是用于監測解調裝置環境溫度，為解調裝置排除溫度影響計算FBG傳感器的精確波長提供參考。參考FBG 1-5與帶溫度補償封裝的反射式FBG梳狀濾波器1-4的光譜不重疊，存在一定的波長間 隔。所述ro 1-7和放大電路1-8將帶溫度補償封裝的反射式FBG梳狀濾波器1_4，參考FBG 1-5和多路FBG傳感器1_6反射回的光信號轉變成電信號，經放大后送至數據采集卡1-9的輸入端。所述數據采集卡1-9具有N路A/D轉換通道，將帶溫度補償封裝的反射式FBG梳狀濾波器1-4。參考FBG 1-5和多路FBG傳感器1_6的信號轉換成數字信號后發送至計算機 1-10。在計算機1-10的控制下，每個周期內計算機1-10產生的波長掃描激光器的驅動信號發送到數據采集卡1-9，經數據采集卡1-9的D/A通道送至波長掃描激光器1-1，產生波長連續變化的窄帶掃描激光。掃描激光經功率分束器1-2和光纖耦合器1-3后分別進入帶溫度補償封裝的反射式FBG梳狀濾波器1-4，參考FBG 1-5和多路FBG傳感器1_6，產生的反射光譜重新經光纖耦合器1-3進入H) 1-7轉換成電信號并被放大電路1-8放大。經數據采集卡1-9采集后傳送至計算機1-10上生成各個器件的光譜。通過尋峰算法，計算出帶溫度補償封裝的反射式FBG梳狀濾波器1-4的梳狀反射光譜和參考FBG 1-5的反射光譜各個峰的波長值，并利用梳狀反射光譜和參考FBG反射光譜對多路FBG傳感器1-6的反射譜進行標定，計算出FBG傳感器的絕對波長值。本發明提出的反射式FBG梳狀濾波器基于光纖材料，同樣對溫度敏感，具有與普通FBG —樣的溫度靈敏度。在本實施例中，帶溫度補償封裝的反射式FBG梳狀濾波器1-4雖然具備很低的溫度靈敏度，但實際上很難通過溫度補償封裝保證其溫度靈敏度為零，即對溫度完全不敏感。因此在解調儀波長標定的計算過程中難免會引入誤差。為了提高解調儀波長標定的精度，提出一種利用帶溫度補償封裝的反射式FBG梳狀濾波器和參考FBG來計算不同溫度下反射式FBG梳狀濾波器的絕對參考波長的方法，即對反射式FBG梳狀濾波器實現精確溫度補償。如圖4所示，為反射式FBG梳狀濾波器和參考FBG的溫度響應示意圖，其中帶溫度補償封裝的反射式FBG梳狀濾波器的溫度靈敏度為未經溫度補償封裝的參考FBG的N分之一。由于反射式FBG梳狀濾波器的反射峰之間的間隔不隨溫度變化，如圖3所示，具有標尺功能。選取反射式FBG梳狀濾波器某一反射峰作為基準，當波長掃描激光器連續掃描時，計算出該反射峰基準與參考FBG反射峰之間波長差Δ λ，即記錄下激光掃描到參考FBG反射峰時刻反射式FBG梳狀濾波器被掃描到的波長位置，及激光掃描到反射式FBG梳狀濾波器某一基準反射峰時刻的波長位置，兩者之差即為Δ λ。由于反射式FBG梳狀濾波器與參考FBG的溫度靈敏度不同，差距明顯，因此，不同溫度下兩者的Λ λ不一樣，如圖4的Λ入 和Λ λΤ2所示。通過FBG梳狀濾波器的標尺功能，測量出不同溫度下的反射式FBG梳狀濾波器某一基準反射峰與參考FBG的Λ λ。由于Δ λ是當前溫度的一次線性函數，即可反推出當前的溫度，繼而根據反射式FBG梳狀濾波器的溫度響應曲線計算出當前該溫度下反射式FBG梳狀濾波器的精確波長，從而實現對反射式FBG梳狀濾波器的實時精確溫度補償。實施例2。如圖5所示，為本發明提出的基于透射式LPG梳狀濾波器的FBG傳感器的解調裝置結構示意圖，包括波長掃描激光器5-1，I XN功率分束器5-2，(N-I)路50:50光纖耦合器5-3，透射式LPG梳狀濾波器5-4，帶溫度補償封裝的參考FBG 5-5, (Ν-2)路傳感通道上的FBG傳感器5-6，N路光電探測器(PD) 5_7，數據采集卡5_8、放大電器5_9和計算機5-10。每個器件的主要特征和FBG傳感器的解調裝置的工作原理如下所述的波長掃描激光器5-1為光纖激光器,米用環行腔結構,產生窄帶激光信號。優選地，光纖激光器的增益器件選用摻鉺光纖放大器(EDFA)或半導體光放大器(S0A)，波長掃描器件選用F-P可調諧濾波器，由數據采集卡5-8的D/A通道提供的外部電信號驅動，實現大范圍波長掃描，最大范圍可覆蓋C+L波段。波長掃描激光器的內部在輸出端前裝光 隔離器，防止激光器被外部光信號損壞。所述I XN功率分束器5-2采用光纖功率分束器，將波長掃描激光器5_1輸入的光功率N等分后，分別輸出至(N-I)路50:50光纖耦合器5-3和透射式LPG梳狀濾波器5_4。透射式LPG梳狀濾波器5-4的輸出端直接連接H) 5-7。根據實際工作需要，光纖功率分束器的輸出路數N —般可選用4，8，16等。所述每路50:50光纖耦合器5-3的輸入端連接對應的IXN功率分束器的每路輸出端。光纖耦合器5-3的輸出端分別連接帶溫度補償封裝的參考FBG 5-5和多路FBG傳感器5-6。FBG器件的反射信號重新經每個50: 50光纖耦合器5-3分別進入(N-I)路H) 5-7里。所述透射式LPG梳狀濾波器5-4是指采用光纖光柵技術在光纖上制作一個特征為透射光譜為梳狀光譜的光纖器件，為FBG解調裝置提供波長標定功能。圖6提供一個基于逐點寫入光柵法制作的透射式LPG梳狀濾波器的結構示意圖，兩個LPG串聯在一起構成馬赫一曾德爾干涉儀，其透射光譜模擬圖如圖7所示，中心波長覆蓋1510nm 1590nm，具有32個透射峰，間距2. 8 nm。但透射式LPG梳狀濾波器的透射光譜不限于圖7所示的例子，透射光譜范圍可以根據所需解調裝置的工作波長范圍和光纖光柵制作技術的特點進行確定。所述的用來制作透射式LPG梳狀濾波器的光纖光柵技術，包括但不限于逐點寫入光柵法和振幅掩模板法等。逐點寫入光柵法是將準分子紫外激光聚焦至尺寸為幾十至幾百微米的光斑后直接照射到光纖上進行曝光，并通過高精度直線電機控制每一點的曝光時間和曝光周期，形成LPG。利用逐點寫入光柵法在同一根光纖制作兩個相距幾毫米至幾厘米的LPG，則該兩LPG構成的器件為馬赫一曾德爾干涉儀，其透射光譜為梳狀光譜，即該器件可作為透射式LPG梳狀濾波器。逐點寫入光柵法通常在光斑后增加一個狹縫對光斑進行限制，提高光斑質量，以提高長周期光纖光柵質量。振幅掩模板法是指利用振幅掩模板直接對光纖進行紫外曝光，形成LPG。相比逐點寫入光柵法，振幅掩模板法周期固定，不能隨意調節長周期光纖光柵的周期。利用振幅掩模板法在同一根光纖制作兩個相距幾毫米至幾厘米的LPG，則該兩LPG構成的器件為馬赫一曾德爾干涉儀，其透射光譜為梳狀光譜，即該器件亦可作為透射式LPG梳狀濾波器。
所述帶溫度補償封裝的參考FBG 5-5是指通過機械結構或恒溫裝置使FBG的中心波長對外界溫度變化的敏感程度大大降低，并作為波長標準器件，為FBG解調裝置計算FBG傳感器的波長提供絕對的波長參考。所述的溫度補償封裝方法，包括但不限于雙金屬材料機械結構補償和恒溫裝置補償。所述ro 5-7和放大電路5-8將透射式LPG梳狀濾波器5_4，帶溫度補償封裝的參考FBG 5-5和多路FBG傳感器5_6的光信號轉變成電信號，經放大后送至數據采集卡5_9的輸入端。 所述數據采集卡5-9具有N路A/D轉換通道，將將透射式LPG梳狀濾波器5_4，帶溫度補償封裝的參考FBG 5-5和多路FBG傳感器5_6的信號轉換成數字信號后發送至計算機 5-10。在計算機5-10的控制下，每個周期內計算機5-10產生的波長掃描激光器的驅動信號發送到數據采集卡5-9，經數據采集卡5-9的D/A通道送至波長掃描激光器5-1，產生波長連續變化的窄帶掃描激光。掃描激光經功率分束器5-2和光纖耦合器5-3后分別進入 透射式LPG梳狀濾波器5-4，帶溫度補償封裝的參考FBG 5_5和多路FBG傳感器5_6。透射式LPG梳狀濾波器5-4產生的透射譜直接進入H) 5-7轉換成電信號并被放大電路5-8放大，帶溫度補償封裝的參考FBG 5-5和多路FBG傳感器5_6產生的反射光譜重新經光纖耦合器5-3進入H) 5-7轉換成電信號并被放大電路5-8放大，經數據采集卡5-9采集后傳送至計算機5-10上生成各個器件的光譜。通過尋峰算法，計算出透射式LPG梳狀濾波器5-4的梳狀透射光譜和參考FBG 5-5的反射光譜各個峰的波長值，并利用梳狀透射光譜和參考FBG反射光譜對多路FBG傳感器5-6的反射譜進行標定，計算出FBG傳感器的絕對波長值。實施例3。如圖8所示，為本發明提出的基于串聯式FBG梳狀濾波器的FBG傳感器的解調裝置結構示意圖，包括波長掃描激光器8-1，I X N功率分束器8-2，N路50:50光纖耦合器8-3，串聯式FBG梳狀濾波器8-4，帶溫度補償封裝的參考FBG 8-5, (N-1)路傳感通道上的FBG傳感器8-6，N路光電探測器(PD) 8_7，數據采集卡8_8、放大電器8_9和計算機8-10。串聯式FBG梳狀濾波器的FBG傳感器的解調裝置的主要器件特征和工作原理與實施例I中反射式FBG梳狀濾波器的FBG傳感器的解調裝置相同。主要區別在于串聯式FBG梳狀濾波器8-4是由兩個或兩個以上的反射式FBG梳狀濾波器1-4的串聯擴展而成，以彌補FBG傳感器的解調裝置需要更大波長掃描范圍而單個反射式FBG梳狀濾波器不能提供足夠寬的波長標定范圍時的不足。例如，但FBG傳感器的解調裝置需要掃描1510nm 1590nm范圍內的FBG傳感器，而由于光柵制作技術的限制，如光柵長度限制、光敏性限制等，只能制作16通道32nm帶寬的單個反射式FBG梳狀濾波器，則此時需3個不同波段的反射式FBG梳狀濾波器串聯才能滿足FBG傳感器的解調裝置SOnm波長掃描范圍的要求。本發明的上述描述僅為示例性的屬性，因此沒有偏離本發明要旨的各種變形理應在本發明的范圍之內。這些變形不應被視為偏離本發明的精神和范圍。
權利要求
1.一種FBG傳感器的解調方法，其特征在于，包括使用計算機控制波長掃描激光器產生波長連續變化的窄帶掃描激光，再通過對波長掃描激光器產生的窄帶掃描激光進行分束，分束后的窄帶掃描激光分別經光纖耦合器進入待測的FBG傳感器和帶溫度補償封裝的反射式FBG梳狀濾波器后，產生的反射光譜重新經光纖耦合器進入光電探測器轉換成電信號并被放大后有計算機進行采集，計算機通過尋峰算法得出帶溫度補償封裝的反射式FBG梳狀濾波器反射譜各個峰的波長，并以這個波長對FBG傳感器的反射譜進行標定，計算出FBG傳感器的絕對波長值。
2.根據權利要求I所述的FBG傳感器的解調方法，其特征在于還包括再多分一路波長掃描激光器產生的窄帶掃描激光，這路窄帶掃描激光經光纖耦合器進入參考FBG，或直接將參考FBG與反射式FBG梳狀濾波器串聯，參考FBG產生的反射光譜重新經光纖耦合器進入光電探測器轉換成電信號并被放大后有計算機進行采集，計算機通過尋峰算法得出參考FBG反射譜各個峰的波長，根據反射式FBG梳狀濾波器帶溫度補償封裝后與參考FBG溫度靈敏度不同，選取反射式FBG梳狀濾波器某一反射峰作為基準，當波長掃描激光器連續掃描時，計算出該反射峰基準與參考FBG反射峰之間波長差Λ λ，即記錄下激光掃描到參考FBG反射峰時刻反射式FBG梳狀濾波器被掃描到的波長位置，及激光掃描到反射式FBG梳狀濾波器某一基準反射峰時刻的波長位置，兩者之差即為Λλ ;通過FBG梳狀濾波器的標尺功能，測量出不同溫度下的反射式FBG梳狀濾波器某一基準反射峰與參考FBG的△ λ，得出Δ λ與當前溫度的一次線性函數，在實際解調過程中，根據得到的當前Λ λ值，即可反推出當前的溫度，繼而根據反射式FBG梳狀濾波器的溫度響應曲線得出當前該溫度下反射式FBG梳狀濾波器的精確波長，從而實現對反射式FBG梳狀濾波器的實時精確溫度補償。
3.根據權利要求I或2所述的FBG傳感器的解調方法，其特征在于所述反射式FBG梳狀濾波器為通過光纖光柵技術在同一根光纖內設置多個周期不同的FBG，其反射譜呈梳狀光譜。
4.根據權利要求I或2所述的FBG傳感器的解調方法，其特征在于將所述反射式FBG梳狀濾波器替換為透射式LPG梳狀濾波器，透射式LPG梳狀濾波器產生的透射譜直接進入光電探測器；或者替換為串聯式FBG梳狀濾波器，且溫度補償封裝轉移到參考FBG上。
5.根據權利要求4所述的FBG傳感器的解調方法，其特征在于所述透射式LPG梳狀濾波器為通過光纖光柵技術在同一根光纖內設置兩個LPG，其透射譜呈梳狀光譜。
6.根據權利要求4所述的FBG傳感器的解調方法，其特征在于所述串聯式FBG梳狀濾波器由兩個以上的反射式FBG梳狀濾波器的串聯擴展而成。
7.實現權利要求I至6任一權利要求所述方法的一種FBG傳感器的解調裝置，其特征在于包括波長掃描激光器，波長掃描激光器的激光出射端連接有功率分束器，功率分束器分出的多路通道分別經過50:50光纖耦合器與帶溫度補償的反射式FBG梳狀濾波器、參考FBG和待測FBG傳感器相連，或者反射式FBG梳狀濾波器和參考FBG串聯，共用功率分束器分出的一路通道，反射式FBG梳狀濾波器、參考FBG和待測FBG傳感器的反射端通過光電探測器和放大電路與數據采集卡相連，數據采集卡與計算機相連，且數據采集卡與波長掃描激光器的輸入端相連。
8.根據權利要求7所述的FBG傳感器的解調裝置，其特征在于所述反射式FBG梳狀濾波器替換為透射式LPG梳狀濾波器，透射式LPG梳狀濾波器的投射端與光電探測器相連。
9.根據權利要求7所述的FBG傳感器的解調裝置，其特征在于所述反射式FBG梳狀濾波器擴展為兩個以上的反射式FBG梳狀濾波器串聯的串聯式FBG梳狀濾波器，且串聯式FBG梳狀濾波器無溫度補償封裝，參考FBG帶溫度補償封裝。
全文摘要
本發明公開了一種FBG傳感器的解調方法及裝置，其方法是，使用計算機控制波長掃描激光器產生波長連續變化的窄帶掃描激光，再通過對波長掃描激光器產生的窄帶掃描激光進行分束，分束后的窄帶掃描激光分別經光纖耦合器進入待測的FBG傳感器和帶溫度補償封裝的反射式FBG梳狀濾波器后，產生的反射光譜重新經光纖耦合器進入光電探測器轉換成電信號并被放大后有計算機進行采集，計算機通過尋峰算法得出帶溫度補償封裝的反射式FBG梳狀濾波器反射譜各個峰的波長，并以這個波長對FBG傳感器的反射譜進行標定，計算出FBG傳感器的絕對波長值。
文檔編號G01D5/26GK102879022SQ201210362260
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月25日 優先權日2012年9月25日
發明者高少銳, 張小平, 柴伊琦 申請人:杭州聯光電子有限公司