專利名稱：一種使用角度調(diào)諧濾光片的光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光纖光柵傳感、分布式光學(xué)測(cè)量、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種分布式傳感用高精度光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)。特別適合于高精度、高可靠性、寬帶實(shí)時(shí)光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍分布式光纖傳感。
背景技術(shù)：
隨著光纖傳感技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的快速發(fā)展，基于光纖光柵的分布式溫度、壓力、 應(yīng)變、振動(dòng)等類型光纖傳感測(cè)量系統(tǒng)正大范圍的應(yīng)用于石化、電力、鐵路、橋梁、隧道、土木工程等國(guó)民工程領(lǐng)域。光纖光柵傳感器以其特有的高可靠性、抗電磁輻射、耐高壓、質(zhì)量輕、 壽命長(zhǎng)及其對(duì)光強(qiáng)度不敏感的波長(zhǎng)編碼特性，在無(wú)源傳感器領(lǐng)域具有極好的應(yīng)用前景。在光纖光柵傳感系統(tǒng)中，對(duì)環(huán)境中物理量(溫度、壓力、應(yīng)變、加速度等)的感知是以測(cè)量光纖光柵結(jié)構(gòu)的特征波長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此該類型光學(xué)傳感對(duì)波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)有很高的使用需求， 要求該解調(diào)系統(tǒng)具有調(diào)諧范圍寬、測(cè)量準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好、可靠性高、產(chǎn)業(yè)化成本低的特點(diǎn)ο從光纖光柵的發(fā)明至今，在傳感器應(yīng)用領(lǐng)域科學(xué)家、工程師們已經(jīng)開發(fā)出多種波長(zhǎng)調(diào)制解調(diào)技術(shù)，主要有以下幾種(1)直接使用光譜儀、波長(zhǎng)計(jì)測(cè)量由光纖光柵反射的光譜，該種方式的測(cè)量速度較慢，且儀器設(shè)備價(jià)格昂貴，僅適合于實(shí)驗(yàn)室、工廠車間等具備較好操作環(huán)境；(2)利用可調(diào)諧激光器作為激光光源，在一定范圍內(nèi)進(jìn)行光譜掃描，根據(jù)反射譜的最大值在往復(fù)掃描期內(nèi)的相對(duì)時(shí)間來(lái)確定光柵的特征波長(zhǎng)，該種方法對(duì)光源的功率要求不高，容易實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用，但對(duì)光源的品質(zhì)要求苛刻，光源成本高；C3)利用寬譜光源和可調(diào)諧濾波器作為光功率輸入，通過(guò)功率計(jì)監(jiān)測(cè)整形后峰值脈沖信號(hào)的相對(duì)位置來(lái)確定光纖光柵的特征波長(zhǎng)，該種解調(diào)技術(shù)對(duì)寬譜光源的光功率的強(qiáng)度、光源的穩(wěn)定性以及譜線寬度的要求較高，同時(shí)通過(guò)使用可調(diào)諧光學(xué)濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)光波長(zhǎng)信號(hào)峰的確定。光學(xué)可調(diào)諧濾波器目前在市場(chǎng)上有比較好的應(yīng)用前景的主要有如下幾類光纖法布里-珀羅型可調(diào)諧濾波器、光纖光柵型可調(diào)諧濾波器、角度調(diào)諧濾光片型可調(diào)諧濾波器； 其中前兩種光纖型可調(diào)諧濾波器使用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)，受限于壓電陶瓷材料的特性，存在一定的遲滯效應(yīng)，且使用壽命受限，并且目前該種器件主要依賴進(jìn)口，價(jià)格較高，不利于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。光柵濾波器利用的是光纖布拉格衍射，采用控制溫度變化或應(yīng)力來(lái)調(diào)諧波長(zhǎng)，其帶寬和信道隔離度都較好，但其調(diào)諧范圍小，容易受到外界環(huán)境的影響特性，長(zhǎng)期穩(wěn)定性不好，一直沒(méi)有在實(shí)際工程中應(yīng)用。F-P(法布里-珀羅)型可調(diào)諧光濾波器(參見(jiàn)中國(guó)專利CN1^8351A)的優(yōu)點(diǎn)是插入損耗低，調(diào)諧速度快精細(xì)度高，是密集波分復(fù)用系統(tǒng)中的重要元件；另外還可以與探測(cè)器、激光器、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器結(jié)合使用進(jìn)行波長(zhǎng)探測(cè)(參見(jiàn)中國(guó)專利 200610013454. 8)；美國(guó)公司MOI的FFP(光纖法布里-珀羅)(參見(jiàn)美國(guó)專利US5212746) 采用的壓電陶瓷帶動(dòng)FP移動(dòng)進(jìn)行濾波，調(diào)諧速度快，調(diào)諧范圍寬，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴， 且存在較大的漂移量，影響其長(zhǎng)期使用壽命。介質(zhì)薄膜濾波器(參見(jiàn)中國(guó)專利CN1532618， CN201449502, CN1996074A)具有很好的熱穩(wěn)定性，具有非常低的溫度系數(shù)，能夠保證長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，且具有較低偏振相關(guān)損耗、低色散等優(yōu)勢(shì)；基于角度調(diào)諧型濾光片的可調(diào)諧濾波器因其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠、易于加工，目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上已有相關(guān)產(chǎn)品出現(xiàn)(參見(jiàn)中國(guó)專利 CN200920061296. 2,03128005. 6,200610125495. 6)，但是應(yīng)用領(lǐng)域集中在光纖通信行業(yè)，主要作為密集波分復(fù)用(DWDM)系統(tǒng)中的核心組件來(lái)使用，在光纖傳感領(lǐng)域還未見(jiàn)相關(guān)產(chǎn)品出現(xiàn)。隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，在一些刊物里面也介紹了其他集中類型的光學(xué)濾波器，例如馬赫-曾德爾光濾波器、聲光可調(diào)諧光濾波器(參見(jiàn)中國(guó)專利200910063191. 5)、液晶光調(diào)諧濾波器(參見(jiàn)中國(guó)專利201020129713.幻，其中馬赫-曾德爾光濾波器的優(yōu)點(diǎn)是信道間隔可以做到很小，制造成本低，對(duì)偏振很不靈敏，串音很低；缺點(diǎn)是頻率間隔Δ ·必須非常精確地控制，且所有信道的頻率間隔都必須是Δ ·的倍數(shù)才行，調(diào)諧控制復(fù)雜、速度較慢；聲光可調(diào)諧光濾波器(參見(jiàn)中國(guó)專利CN1449507A)具有較寬的調(diào)諧帶寬(幾百個(gè)nm)，可同時(shí)選擇多個(gè)波長(zhǎng)，缺點(diǎn)是對(duì)偏振態(tài)敏感，分辨率較低(約Inm)；液晶光調(diào)諧濾波器調(diào)諧電壓低，屬于塊狀結(jié)構(gòu)，不利于與光纖的輸入輸出耦合；并且對(duì)光信號(hào)的偏振態(tài)敏感，液晶材料的吸收與散射的損耗較大，并不適合于大規(guī)模的工業(yè)化運(yùn)用。鑒于光纖光柵傳感器市場(chǎng)的逐步發(fā)展壯大，亟需高可靠性、低成本、長(zhǎng)壽命、高重復(fù)性的可調(diào)諧濾波器模塊及基于該種關(guān)鍵元件的解調(diào)儀表及相關(guān)系統(tǒng)。雖然光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)有很多，也存在多種可調(diào)諧濾波技術(shù)及相關(guān)應(yīng)用可供用戶選擇，但還沒(méi)有一種方法能夠同時(shí)滿足高速、實(shí)時(shí)、寬帶、高精度、低成本、長(zhǎng)壽命、高可靠性等產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)需求的波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種使用角度調(diào)諧濾光片的光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)，使用本實(shí)用新型能夠提高光纖光柵測(cè)量系統(tǒng)的產(chǎn)品可靠性，提高產(chǎn)品品質(zhì)，加速光纖光柵傳感器產(chǎn)業(yè)化實(shí)施，降低傳感系統(tǒng)的成本，提高使用壽命，降低產(chǎn)品返修率，實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)、寬帶、高精度、低成本、長(zhǎng)壽命、高可靠性的波長(zhǎng)解調(diào)。本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是一種高精度光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)，包括依次相連的寬譜光源、可調(diào)諧濾波器和光分路器，光分路器接有光纖光柵陣列和梳狀濾波器；光分路器還接有光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)處理系統(tǒng)。可調(diào)諧濾波器的工作帶寬典型值為40nm，3dB帶寬典型值為0. lnm。所述的系統(tǒng)，所述可調(diào)諧濾波器，光線經(jīng)輸入端口入射，沿著入射的方向依次通過(guò)包括角度調(diào)諧濾光片和反射棱鏡，光線經(jīng)反射棱鏡反射后再通過(guò)角度調(diào)諧濾光片的另一端到達(dá)輸出端口。濾光片由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可繞自身軸線平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，并采用了反饋控制算法與電路。光線經(jīng)過(guò)直角反射棱鏡后兩次通過(guò)可調(diào)諧濾波器。所述的系統(tǒng)，角度調(diào)諧濾光片采用介質(zhì)薄膜濾光片。所述的系統(tǒng)，輸入端口和角度調(diào)諧濾光片之間沿著光線入射的方向依次設(shè)有第一偏振分光器和第一半波片，角度調(diào)諧濾光片和輸出端口之間沿著光線出射的方向依次設(shè)有第二半波片和第二偏振分光器。所述的系統(tǒng)，角度調(diào)諧濾光片和反射棱鏡之間的入射光路上還設(shè)有第一光束整形棱鏡，角度調(diào)諧濾光片和第二半波片之間的出射光路上還設(shè)有第二光束整形棱鏡。所述的系統(tǒng)，輸入端口和第一偏振分光器之間還接有第一光纖準(zhǔn)直器，第二偏振
4分光器和輸出端口之間還接有第二光纖準(zhǔn)直器。所述的系統(tǒng)，角度調(diào)諧濾光片由PID反饋控制的電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。所述的系統(tǒng)，光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)處理系統(tǒng)包括相連的光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)整形模塊和信號(hào)處理模塊，電轉(zhuǎn)換與信號(hào)整形模塊與光分路器的輸出端相連。一種高精度光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)的解調(diào)方法，包括寬譜光源發(fā)出的寬帶光經(jīng)過(guò)可調(diào)諧濾波器后形成中心波長(zhǎng)周期變化的窄帶光，再經(jīng)過(guò)光分路器后進(jìn)入光纖光柵陣列與梳狀濾波器，由光纖光柵陣列反射回的載有待測(cè)物理量信息的光柵反射光信號(hào)與梳狀濾波器的透射光譜信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)整形模塊處理后，生成待測(cè)脈沖信號(hào)，最后根據(jù)待測(cè)脈沖信號(hào)與參考脈沖信號(hào)的時(shí)間關(guān)系解調(diào)出待測(cè)光纖光柵的特征波長(zhǎng)。所述的方法，光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)整形模塊輸出的待測(cè)脈沖信號(hào)包括整形處理后的梳狀濾波器的透射光譜信號(hào)和光纖光柵陣列的反射光信號(hào)，解調(diào)待測(cè)光纖光柵的特征波長(zhǎng) λ^的方法是根據(jù)下式進(jìn)行λ0 = ·(λ ”、，入2，t2，t0)其中λ ρ λ 2分別表示在、、t2時(shí)刻所述透射光譜信號(hào)的參考波長(zhǎng)值，t0對(duì)應(yīng)所述反射光信號(hào)的時(shí)刻，f表示特征函數(shù)關(guān)系；根據(jù)附圖3所示，利用待測(cè)脈沖信號(hào)與參考脈沖信號(hào)之間的相對(duì)位置關(guān)系，再結(jié)再結(jié)合可調(diào)諧濾波器的透射譜曲線，即可通過(guò)特種插值算法給出待測(cè)光纖光柵的特征波長(zhǎng)。所述的方法，光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)整形模塊輸出的待測(cè)脈沖信號(hào)包括整形處理后的梳狀濾波器的透射光譜信號(hào)和光纖光柵陣列的反射光信號(hào)，解調(diào)待測(cè)光纖光柵的特征波長(zhǎng)入^的方法是首先使用梳狀濾波器對(duì)角度調(diào)諧濾波片進(jìn)行標(biāo)定，給出一定角度偏移時(shí)對(duì)應(yīng)的角度調(diào)諧濾波片的特征波長(zhǎng)；然后再根據(jù)偏轉(zhuǎn)角度與電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的關(guān)系給出所述一定角度偏移情況下的光纖光柵陣列的特征波長(zhǎng)，即已知初始時(shí)刻特征波長(zhǎng)λ κ和電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度ω，當(dāng)檢測(cè)出所述透射光譜信號(hào)的時(shí)間、和所述反射光信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間t，利用公式λ 0 = λ Rcos ( ω t) /cos ( ω t0),即可以解調(diào)出傳感光柵波長(zhǎng)信號(hào)。所述的方法，所述特種插值算法為四象限解調(diào)算法。若電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)時(shí)的角度為 0°，當(dāng)濾光片的旋轉(zhuǎn)角度歷經(jīng)0° 90°、90° 180°、180° 270°、270° 360°時(shí)， 根據(jù)濾光片與光線入射角度的對(duì)稱性，旋轉(zhuǎn)一周將四次透射同一個(gè)波長(zhǎng)。這樣當(dāng)濾光片旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，后續(xù)信號(hào)處理系統(tǒng)可讀取的光纖光柵特征波長(zhǎng)的次數(shù)增加四倍；本實(shí)用新型是一種使用角度調(diào)諧濾光片的高精度光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)，具有如下優(yōu)點(diǎn)低成本、高可靠性、長(zhǎng)使用壽命，低產(chǎn)品返修率，能夠?qū)崿F(xiàn)高速實(shí)時(shí)、寬帶、高精度的波長(zhǎng)解調(diào)，有利于光纖光柵傳感產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

圖1為光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)的總體框圖。圖2為可調(diào)諧濾波器的光路結(jié)構(gòu)示意圖。圖3光纖光柵傳感器波長(zhǎng)解調(diào)算法原理示意圖。[0029]圖4濾光片勻速旋轉(zhuǎn)一周時(shí)獲得的標(biāo)準(zhǔn)具信號(hào)。圖中，1 寬譜光源；2 可調(diào)諧濾波器；3 光分路器；4 光纖光柵陣列；5 信號(hào)處理及計(jì)算機(jī)顯示與通信模塊；6 光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)整形模塊；7 梳狀濾波器；8 輸入端口 ；9 輸出端口 ；10 第一光纖準(zhǔn)直器；11 第一偏振分光器；12 第一半波片；13 角度調(diào)諧濾光片；14 第一光束整形棱鏡；15 反射棱鏡；16 第二光束整形棱鏡；17 第二半波片；18 第二偏振分光器；19 第二光纖準(zhǔn)直器。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的基本原理寬譜光源發(fā)出的寬帶光經(jīng)過(guò)角度調(diào)諧型干涉濾光片后形成中心波長(zhǎng)周期變化的窄帶光，經(jīng)過(guò)1*N分路器后進(jìn)入光纖光柵傳感器陣列與波長(zhǎng)參考用梳狀濾波器，由光纖光柵反射回的載有待測(cè)物理量信息的反射光信號(hào)與梳狀濾波器的透射光譜信號(hào)經(jīng)過(guò)光電探測(cè)與整形電路處理后，生成待測(cè)脈沖信號(hào)，當(dāng)使用角度調(diào)諧型濾光片在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下勻速旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，根據(jù)待測(cè)光柵脈沖信號(hào)與波長(zhǎng)參考脈沖信號(hào)之間的相對(duì)時(shí)間間隔與相互關(guān)系，利用特殊的插值算法即可解調(diào)出待測(cè)光纖光柵的特征波長(zhǎng)，濾光片每轉(zhuǎn)過(guò)360°，解調(diào)系統(tǒng)可以對(duì)同一個(gè)光纖光柵可完成四次波長(zhǎng)解調(diào)。本實(shí)用新型的角度調(diào)諧濾光片的高精度光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)，解調(diào)系統(tǒng)中寬帶光源通過(guò)可調(diào)諧濾波器濾波后經(jīng)過(guò)分路器，分路器其中某一通道連接標(biāo)準(zhǔn)具，其他通道接傳感光柵。傳感光柵信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)具的信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換電路，當(dāng)通過(guò)濾波器的峰值波長(zhǎng)和傳感光柵的波長(zhǎng)重合時(shí)光強(qiáng)最大，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后得到待測(cè)脈沖信號(hào)；同樣通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)具后經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后得到參考脈沖信號(hào)，檢測(cè)脈沖信號(hào)和參考脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)對(duì)比解調(diào)出檢測(cè)信號(hào)。該解調(diào)系統(tǒng)包括寬譜光源1、基于角度調(diào)諧型干涉濾光片的可調(diào)諧濾波器2、1*N 光分路器3、光纖光柵陣列4、梳狀濾波器7、光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)整形電路模塊6、信號(hào)處理及計(jì)算機(jī)顯示與通信模塊5。構(gòu)成角度調(diào)諧型可調(diào)諧光濾波器的光路結(jié)構(gòu)為寬譜光源發(fā)出的光信號(hào)經(jīng)光纖準(zhǔn)直器輸出至偏振分光器件，該偏振分光器件將入射光信號(hào)中的兩種偏振態(tài)進(jìn)行空間分離，其中P光經(jīng)過(guò)波片后變?yōu)镾態(tài)偏振光，與另一路S 態(tài)偏振光同時(shí)射向?yàn)V光片，通過(guò)使用偏振分光器件與波片可以克服大角度入射時(shí)引起的光譜偏振分離現(xiàn)象；濾光片在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，為保證系統(tǒng)的可靠性，保證電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路中引入了反饋控制環(huán)節(jié)，通過(guò)合適的數(shù)字PID算法及相應(yīng)的電路模塊實(shí)現(xiàn)濾光片的平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)；光線離開濾光片后通過(guò)整形棱鏡組，以克服光線經(jīng)過(guò)濾光片時(shí)導(dǎo)致的光斑變形，將橢圓形光斑整形成為標(biāo)準(zhǔn)的高斯光斑；經(jīng)過(guò)直角棱鏡的反射后， 光線經(jīng)過(guò)折射改變方向，沿著與原光路相反的方向射向?yàn)V光片，此時(shí)兩光束的偏振態(tài)相同， 在經(jīng)過(guò)濾光片后，同樣需要一組整形棱鏡實(shí)現(xiàn)光斑整形，通過(guò)波片后兩光束偏振態(tài)恢復(fù)為正交形式，進(jìn)過(guò)另一個(gè)類似的偏振合光器件后，利用準(zhǔn)直器進(jìn)入光纖系統(tǒng)進(jìn)行傳輸。由于光線兩次通過(guò)具有相同厚度的濾光片，不僅可以克服單次經(jīng)過(guò)濾光片時(shí)引起的光斑偏移，傳輸損耗增加的難題，還能夠通過(guò)兩次濾波行為，增強(qiáng)透射譜的純度，使得經(jīng)過(guò)兩次經(jīng)過(guò)濾波片后的窄帶光譜的3dB帶寬進(jìn)一步變小，提高系統(tǒng)的波長(zhǎng)分辨能力。其中光線由寬帶光源1射向角度調(diào)諧型可調(diào)諧濾波器2后連接1*N光分路器3，基于角度調(diào)諧型干涉濾光片的可調(diào)諧濾波器2的結(jié)構(gòu)如附圖2所示。該可調(diào)諧濾波器包括輸入端口 8、輸出端口 9、以及由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的可繞自身軸線平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)的濾光片。該種可調(diào)諧濾光片由以下光學(xué)部件組成光纖準(zhǔn)直器10、19，偏振分光器件11、18，半波片12、17，干涉濾光片13，光束整形棱鏡組14、16，直角反射棱鏡15，其中干涉濾光片由帶有反饋控制的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。由于可調(diào)諧濾波器2中的介質(zhì)薄膜濾光片的存在，當(dāng)光束傾斜入射時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的形變和展寬，導(dǎo)致耦合效率的降低，增加了器件整體的損耗，通過(guò)使用整形棱鏡組14、16 補(bǔ)償光束通過(guò)后所產(chǎn)生的形變，降低由于光斑形變所帶來(lái)的傳輸損耗。由于可調(diào)諧濾波器 2中的介質(zhì)薄膜濾光片存在一定的厚度，當(dāng)濾光片轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度時(shí)，光信號(hào)的傳播路徑會(huì)發(fā)生一定的平移，若直接在其后采用準(zhǔn)直器進(jìn)行耦合會(huì)增大器件的插入損耗，本實(shí)用新型利用直角反射棱鏡15，讓光信號(hào)重復(fù)通過(guò)具有一定厚度的濾波片2，完全補(bǔ)償了光束的橫向移動(dòng)，使光信號(hào)兩次通過(guò)干涉濾光片2，進(jìn)一步壓縮了可調(diào)諧濾波器的3dB帶寬，增強(qiáng)了系統(tǒng)的波長(zhǎng)分辨能力，進(jìn)一步提高波長(zhǎng)解調(diào)精度；由于本實(shí)用新型利用濾光片進(jìn)行角度調(diào)諧， 因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性對(duì)于系統(tǒng)性能十分重要，為提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性，本系統(tǒng)采用反饋機(jī)制，聯(lián)合利用數(shù)字PID (比例-積分-微分)算法與嵌入式硬件控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)性，因而能夠顯著提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，解決工程應(yīng)用中出現(xiàn)的相應(yīng)使用缺陷。該解調(diào)系統(tǒng)的帶負(fù)載能力取決于寬譜光源的光譜寬度、光源功率水平、角度調(diào)諧型濾光片的可調(diào)諧范圍、傳感器測(cè)量范圍、系統(tǒng)中各個(gè)部件的光學(xué)插入損耗以及參考用梳狀濾波器的透射峰特性，例如濾光片的可調(diào)諧光譜寬度為40·，光纖光柵的測(cè)量譜寬為 2nm，這樣經(jīng)過(guò)1*N分路器后，解調(diào)儀的單通道可以串接20個(gè)傳感光柵；同時(shí)系統(tǒng)的解調(diào)速度可以通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)濾光片旋轉(zhuǎn)的電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)控制。使得該解調(diào)系統(tǒng)具備結(jié)構(gòu)緊湊、快速調(diào)諧、高精度波長(zhǎng)解調(diào)的技術(shù)特點(diǎn)。該解調(diào)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)解調(diào)時(shí)，使用了四象限解調(diào)算法，若電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)時(shí)的角度為0°，當(dāng)濾光片的旋轉(zhuǎn)角度歷經(jīng)0° 90°、90° 180°、180° 270°、270° 360°時(shí)，根據(jù)濾光片與光線入射角度的對(duì)稱性，旋轉(zhuǎn)一周將四次透射同一個(gè)波長(zhǎng)。這樣當(dāng)濾光片旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，后續(xù)信號(hào)處理系統(tǒng)可讀取的光纖光柵特征波長(zhǎng)的次數(shù)增加四倍。解調(diào)系統(tǒng)給出的光纖光柵的傳感特征波長(zhǎng)為λ ^ λ0 = ”、，入2，t2，t0)其中λ ” λ 2分別表示在t1; t2時(shí)刻解調(diào)系統(tǒng)給出的梳狀濾波器的參考波長(zhǎng)值；、 對(duì)應(yīng)可調(diào)諧濾波器掃描時(shí)檢測(cè)到的光纖光柵傳感脈沖信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)刻，根據(jù)附圖3所示， 利用待測(cè)脈沖信號(hào)與參考脈沖信號(hào)之間的相對(duì)位置關(guān)系，再結(jié)合角度調(diào)諧型濾光片的透射譜曲線，即可通過(guò)特種插值算法給出待測(cè)光纖光柵的特征波長(zhǎng)。同時(shí)由于該解調(diào)系統(tǒng)使用了角度調(diào)諧濾光片與梳狀濾波器作為波長(zhǎng)參考，還可以使用另一種方式實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)解調(diào)，即首先使用梳狀濾波器對(duì)角度調(diào)諧濾波片進(jìn)行標(biāo)定，給出一定角度偏移時(shí)對(duì)應(yīng)的特征波長(zhǎng)，然后再根據(jù)偏轉(zhuǎn)角度與電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的關(guān)系給出某一偏移角度情況下的光纖光柵的特征波長(zhǎng)，即已知參考波長(zhǎng)λ κ和電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度ω，根據(jù)濾光片的透射波長(zhǎng)和旋轉(zhuǎn)相位的相互關(guān)系λ = 2nhcos(cot)/k，上式中，λ是濾光片的透射波長(zhǎng)，η是濾光片光學(xué)薄膜的等效折射率，h是濾光片光學(xué)薄膜的等效厚度，t是濾光片旋轉(zhuǎn)時(shí)的時(shí)刻，k是等效光波矢；只要檢測(cè)出現(xiàn)參考脈沖的時(shí)間t0和待測(cè)傳感脈沖出現(xiàn)的時(shí)間t，利用公式[0046]λ 0 = λ Kcos ( ω t)/cos ( ω t0),即可以解調(diào)出傳感光柵波長(zhǎng)信號(hào)。需要指出的是，根據(jù)濾光片的旋轉(zhuǎn)角度與透射波長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的濾光片旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，同一透射波長(zhǎng)值可以重復(fù)出現(xiàn)四次，利用該性質(zhì)可以將波長(zhǎng)解調(diào)的速度提高四倍；如果對(duì)高速解調(diào)的需求不苛刻的情況下，可以對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行兩次或是四次平均處理，以便獲得更高精度的波長(zhǎng)解調(diào)。如附圖4所示，圖中展示了使用角度調(diào)諧濾光片對(duì)波長(zhǎng)參考用梳狀濾波器的透射譜信號(hào)進(jìn)行的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果展示了濾光片在旋轉(zhuǎn)一周時(shí)出現(xiàn)的與梳狀濾波器的透射峰對(duì)應(yīng)脈沖信號(hào)，可以看到當(dāng)濾光片由0°到180°時(shí)的脈沖信號(hào)與180°至360°時(shí)獲得的脈沖信號(hào)是對(duì)稱分布的，0°到180°范圍內(nèi)獲得的脈沖信號(hào)是以90°位置呈對(duì)稱分布，180°至360°范圍內(nèi)的脈沖信號(hào)是以270°位置呈對(duì)稱分布， 這反映了四象限解調(diào)算法的根本原理；同時(shí)圖中脈沖與脈沖間的間隔以及脈沖與脈沖之間的寬度的不一致主要反映了角度調(diào)諧濾光片在勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)諧的非線性行為，即濾光片的透射峰位置在勻速電機(jī)驅(qū)動(dòng)的情況下具有隨時(shí)間呈余弦函數(shù)特性的變化關(guān)系，這在解調(diào)算法的處理上也要求采用特殊的非線性插值算法進(jìn)行波長(zhǎng)解調(diào)。總之，該波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)利用梳狀濾波器作為波長(zhǎng)參考，聯(lián)合使用寬譜光源、可調(diào)諧光濾波器、光電信號(hào)探測(cè)與整形處理模塊實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的光纖光柵波長(zhǎng)測(cè)定，結(jié)合信號(hào)處理與計(jì)算機(jī)顯示及通信模塊完成對(duì)待監(jiān)測(cè)環(huán)境中的溫度、壓力、加速度等類型物理量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及分布式組網(wǎng)測(cè)量功能。結(jié)合上述內(nèi)容，下文給出一個(gè)包含具體解調(diào)過(guò)程的實(shí)施例解調(diào)過(guò)程實(shí)施例一將系統(tǒng)安裝圖1、圖2所示的連接方式接通后，可調(diào)諧濾波器開始工作，步進(jìn)電機(jī)控制濾光片勻速旋轉(zhuǎn)，通過(guò)選擇合適的濾光片，可調(diào)諧濾波器的波長(zhǎng)掃描范圍控制在 1530 1570nm之內(nèi)，濾光片的3dB帶寬為0.015nm，通過(guò)PID程序控制濾光片的恒定轉(zhuǎn)速為 lrad/s。假設(shè)系統(tǒng)中只有一個(gè)傳感用光纖光柵。波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)在初始化階段，利用波長(zhǎng)參考用標(biāo)準(zhǔn)具7對(duì)可調(diào)諧濾波器進(jìn)行波長(zhǎng)校準(zhǔn)，獲得一系列的標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)數(shù)值，假設(shè)待測(cè)光柵的特征波長(zhǎng)處于1550. OOOnm和1552. OOOnm兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)λ ^ λ 2之間，當(dāng)外界待測(cè)物理量發(fā)生變化時(shí)，傳感用光纖光柵的特征波長(zhǎng)將隨之變化，光電探測(cè)器接收到的脈沖信號(hào)如圖3 所示，由信號(hào)處理系統(tǒng)取得的兩個(gè)參考用標(biāo)準(zhǔn)脈沖λ ρ λ 2的時(shí)間分別為、=0. 00702sa2 =0.01400s，而光電探測(cè)電路獲得的傳感光柵脈沖λ的時(shí)刻為t，根據(jù)波長(zhǎng)解調(diào)公式即可獲得待測(cè)光纖光柵的特征波長(zhǎng)，即Λ =-, 二
COS(叫)
, 1552xcos( i)Λ =-——~
cos(at2)λ = ^^
2若光電探測(cè)電路獲得的傳感光柵脈沖時(shí)刻為t = 0. 0100s，則待測(cè)光柵的波長(zhǎng)值為 1551.510nm。解調(diào)過(guò)程實(shí)施例二 [0058] 將系統(tǒng)安裝圖1、圖2所示的連接方式接通后，可調(diào)諧濾波器開始工作，步進(jìn)電機(jī)控制濾光片勻速旋轉(zhuǎn)，通過(guò)選擇合適的濾光片，可調(diào)諧濾波器的波長(zhǎng)掃描范圍控制在 1530 1570nm之內(nèi)，濾光片的3dB帶寬為0. 015nm，通過(guò)PID程序控制濾光片以恒定的速度旋轉(zhuǎn)。假設(shè)系統(tǒng)中只有一個(gè)傳感用光纖光柵。波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)在初始化階段，利用波長(zhǎng)參考用標(biāo)準(zhǔn)具7對(duì)可調(diào)諧濾波器進(jìn)行波長(zhǎng)校準(zhǔn)，獲得一系列的標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)數(shù)值，假設(shè)待測(cè)光柵的特征波長(zhǎng)處于1550. OOOnm和1552. OOOnm兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)λ ^ λ 2之間，當(dāng)外界待測(cè)物理量發(fā)生變化時(shí)，傳感用光纖光柵的特征波長(zhǎng)將隨之變化，光電探測(cè)器接收到的脈沖信號(hào)如圖3 所示。由信號(hào)處理系統(tǒng)取得的兩個(gè)參考用標(biāo)準(zhǔn)脈沖λ ρ λ 2的時(shí)間分別為、=0. 00702s, t2 = 0.01400s，而光電探測(cè)電路獲得的傳感光柵脈沖λ的時(shí)刻為t，同時(shí)經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)具標(biāo)定后的濾光片的透射光譜曲線規(guī)律是已知的，設(shè)該特性曲線在兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)λρ λ2之間具隨著濾光片的旋轉(zhuǎn)角度變化其透射波長(zhǎng)呈線性變化特性，其波長(zhǎng)變化斜率為K，則，待測(cè)光柵的波長(zhǎng)可以根據(jù)下述插值算法求得λ 0 = K · (Vt1) +λ j若光電探測(cè)電路獲得的傳感光柵脈沖時(shí)刻為t = 0. 0100s，則待測(cè)光柵的波長(zhǎng)值為1551.510nm。另外該解調(diào)系統(tǒng)在現(xiàn)波長(zhǎng)解調(diào)時(shí)，使用了四象限解調(diào)算法，若電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)時(shí)的角度為0°，當(dāng)濾光片的旋轉(zhuǎn)角度歷經(jīng)0° 90°、90° 180°、180° 270°、 270° 360°時(shí)，根據(jù)濾光片與光線入射角度的對(duì)稱性，旋轉(zhuǎn)一周將四次透射同一個(gè)波長(zhǎng)。 這樣當(dāng)濾光片旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，根據(jù)上述插值算法，后續(xù)信號(hào)處理系統(tǒng)可讀取的光纖光柵特征波長(zhǎng)的次數(shù)增加四倍。
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權(quán)利要求1.一種使用角度調(diào)諧濾光片的光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于其包括依次相連的寬譜光源(1)、可調(diào)諧濾波器( 和光分路器(3)，光分路器( 接有光纖光柵陣列(4)和梳狀濾波器(7)；光分路器C3)還接有光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)處理系統(tǒng)；所述可調(diào)諧濾波器0)， 光線經(jīng)輸入端口(8)入射，沿著入射的方向依次通過(guò)包括角度調(diào)諧濾光片(1 和反射棱鏡(15)，光線經(jīng)反射棱鏡(15)反射后再通過(guò)角度調(diào)諧濾光片(13)的另一端到達(dá)輸出端口 ⑶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于角度調(diào)諧濾光片(13)采用介質(zhì)薄膜濾光片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于輸入端口(8)和角度調(diào)諧濾光片(13)之間沿著光線入射的方向依次設(shè)有第一偏振分光器(11)和第一半波片(12)，角度調(diào)諧濾光片(1 和輸出端口(9)之間沿著光線出射的方向依次設(shè)有第二半波片(17)和第二偏振分光器(18)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于角度調(diào)諧濾光片(13)和反射棱鏡(15)之間的入射光路上還設(shè)有第一光束整形棱鏡(14)，角度調(diào)諧濾光片(1 和第二半波片(17) 之間的出射光路上還設(shè)有第二光束整形棱鏡(16)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于輸入端口(8)和第一偏振分光器(11)之間還接有第一光纖準(zhǔn)直器(10)，第二偏振分光器(18)和輸出端口(9)之間還接有第二光纖準(zhǔn)直器(19)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于角度調(diào)諧濾光片(13)由PID反饋控制的電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)處理系統(tǒng)包括相連的光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)整形模塊(6)和信號(hào)處理模塊( ，電轉(zhuǎn)換與信號(hào)整形模塊(6)與光分路器 (3)的輸出端相連。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種使用角度調(diào)諧濾光片的光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)和方法。本實(shí)用新型的系統(tǒng)包括依次相連的寬譜光源(1)、可調(diào)諧濾波器(2)和光分路器(3)，光分路器(3)接有光纖光柵陣列(4)和梳狀濾波器(7)；光分路器(3)還接有光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)處理系統(tǒng)。使用本實(shí)用新型能夠提高光纖光柵測(cè)量系統(tǒng)的產(chǎn)品可靠性，提高產(chǎn)品品質(zhì)，加速光纖光柵傳感器產(chǎn)業(yè)化實(shí)施，降低傳感系統(tǒng)的成本，提高使用壽命，降低產(chǎn)品返修率，實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)、寬帶、高精度、低成本、長(zhǎng)壽命、高可靠性的波長(zhǎng)解調(diào)。
文檔編號(hào)G02F2/00GK202183004SQ201120251160
公開日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2011年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月15日
發(fā)明者劉軍榮, 印新達(dá), 董雷, 閆奇眾 申請(qǐng)人:武漢理工光科股份有限公司