專利名稱：一種光纖傳感方法、光纖傳感裝置及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖傳感方法及光纖傳感裝置，尤其涉及一種基于窄帶光纖光柵的光纖傳感方法及光纖傳感裝置，屬于光纖傳感、微波光子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光纖傳感是將來(lái)自光源的光經(jīng)光纖送入感應(yīng)器件，感應(yīng)器件根據(jù)待測(cè)參數(shù)改變經(jīng)其傳輸?shù)墓獾墓鈱W(xué)性質(zhì)(如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等)，然后分析經(jīng)過(guò)感應(yīng)器件的光的光學(xué)性質(zhì)，反演出待測(cè)參數(shù)。光纖傳感具有靈敏度高、適用面廣等優(yōu)點(diǎn)，但其測(cè)量精度較大程度地依賴光學(xué)探測(cè)裝置和方法的精確度。以基于光纖光柵的光纖傳感為例，該方法以光纖光柵的傳輸函數(shù)變化反映待測(cè)參數(shù)的變化。一般地，采用波長(zhǎng)解調(diào)裝置解調(diào)通過(guò)光纖光柵后的寬譜光信號(hào)的方法檢測(cè)其傳輸函數(shù)。當(dāng)前比較成熟且已商用的波長(zhǎng)解調(diào)裝置是基于法布里-珀羅干涉儀(FPI)實(shí)現(xiàn)的， 其典型的結(jié)構(gòu)如圖I所示。其操作原理為利用光環(huán)形器2將寬帶光源I輸出的光送至光纖光柵傳感器3，并將光纖光柵反射的光經(jīng)由光環(huán)行器2’送至法布里-珀羅干涉儀6。同時(shí)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理控制單元5控制法布里-珀羅干涉儀6的諧振波長(zhǎng)，掃描其諧振波長(zhǎng)，當(dāng)進(jìn)入法布里-珀羅干涉儀6的反射光的波長(zhǎng)與法布里-珀羅干涉儀的諧振波長(zhǎng)相同時(shí)，該光信號(hào)將由光環(huán)形器2 ’送至光電探測(cè)器4，使其輸出一個(gè)電信號(hào)至數(shù)據(jù)處理控制單元5。當(dāng)數(shù)據(jù)處理控制單元5收到信號(hào)時(shí)，記錄此時(shí)法布里-珀羅干涉儀的諧振波長(zhǎng)，并根據(jù)諧振波長(zhǎng)反演出待測(cè)參數(shù)。受法布里-珀羅干涉儀精細(xì)度(一般小于1000)和掃描步長(zhǎng)(一般大于7. 5MHz) 限制，該裝置的光波長(zhǎng)檢測(cè)準(zhǔn)確度不高，因此，傳感精度較差、測(cè)量范圍受限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種光纖傳感方法、 光纖傳感裝置及其使用方法，具有更高的傳感精度和更廣的測(cè)量范圍。具體而言，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問(wèn)題?！N光纖傳感方法，利用寬帶光單邊帶調(diào)制器將微波掃頻源產(chǎn)生的微波信號(hào)調(diào)制到窄線寬激光器輸出的光載波上，產(chǎn)生由光載波與一個(gè)光邊帶組成的光單邊帶信號(hào)；利用光探測(cè)器接收經(jīng)窄帶光纖光柵作用后的光單邊帶信號(hào)，經(jīng)拍頻將光單邊帶信號(hào)中載波和邊帶的幅度相位相對(duì)變化所攜的光纖光柵傳輸函數(shù)信息傳遞到至其輸出的微波信號(hào)中；以微波掃頻源的輸出信號(hào)為參考，利用微波幅度相位信息提取模塊提取光探測(cè)器輸出信號(hào)所攜的光單邊帶信號(hào)中載波和邊帶的幅度相位相對(duì)變化的光纖光柵傳輸函數(shù)信息；通過(guò)數(shù)據(jù)處理控制模塊，接收、存儲(chǔ)和處理微波幅度相位信息提取模塊提取的幅度相位信息，并反演出待測(cè)參數(shù)的變化。一種光纖傳感裝置，該裝置包括微波掃頻源，用以產(chǎn)生頻率可調(diào)諧的微波信號(hào)；
窄線寬激光器，用以產(chǎn)生窄線寬光載波信號(hào)； 寬帶光單邊帶調(diào)制器，其光輸入端口與所述窄線寬激光器連接，微波輸入端口與所述微波掃頻源輸出端口連接；窄帶光纖光柵傳感器，其輸入端口與所述寬帶光單邊帶調(diào)制器輸出端口相連；光探測(cè)器，用以接收經(jīng)過(guò)窄帶光纖光柵傳感器傳輸?shù)墓鈫芜厧盘?hào)，并將其轉(zhuǎn)化成微波信號(hào)；微波幅度相位信息提取模塊，以微波掃頻源的輸出信號(hào)為參考，提取光探測(cè)器輸出微波信號(hào)的幅度和相位信息；數(shù)據(jù)處理控制模塊，接收、存儲(chǔ)和處理微波幅度相位信息提取模塊提取的幅度相位信息，并反演出窄帶光纖光柵傳感器感應(yīng)到的待測(cè)參數(shù)的值，同時(shí)控制微波掃頻源對(duì)頻率的掃描；顯示模塊，顯示經(jīng)數(shù)據(jù)處理控制模塊處理后的結(jié)果。進(jìn)一步地，所述窄帶光纖光柵傳感器由多個(gè)具有不同阻帶中心波長(zhǎng)的窄帶光纖光柵級(jí)聯(lián)而成，從而可實(shí)現(xiàn)分布式傳感。一種如上所述光纖傳感裝置的使用方法，包括以下步驟光載波波長(zhǎng)設(shè)置步驟將窄線寬激光器的出射波長(zhǎng)設(shè)置在窄帶光纖光柵傳感器的阻帶中心波長(zhǎng)附近的平坦響應(yīng)處；測(cè)量裝置校準(zhǔn)步驟移除裝置中的窄帶光纖光柵，將寬帶光單邊帶調(diào)制器輸出端口與光探測(cè)器輸入端口直接相連，其他裝置不變，對(duì)微波掃頻源的頻率進(jìn)行掃描，數(shù)據(jù)處理控制模塊記錄移除窄帶光纖光柵后的系統(tǒng)傳輸函數(shù)，以用于校正實(shí)際測(cè)量結(jié)果的校正；測(cè)試步驟將窄帶光纖光柵置于待測(cè)環(huán)境中，對(duì)微波掃頻源的頻率進(jìn)行掃描，數(shù)據(jù)處理控制模塊記錄傳輸函數(shù)，應(yīng)用校準(zhǔn)步驟所得的傳輸函數(shù)對(duì)記錄的傳遞函數(shù)傳輸函數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，通過(guò)數(shù)值擬合的方法獲得校準(zhǔn)后傳遞函數(shù)的陷波波長(zhǎng)，并根據(jù)待測(cè)參數(shù)與陷波波長(zhǎng)的關(guān)系反演出待測(cè)參數(shù)。本發(fā)明采用使微波掃頻信號(hào)調(diào)制的光單邊帶掃頻信號(hào)通過(guò)光纖光柵的方法得到光纖光柵的傳輸函數(shù)曲線。由于窄線寬激光器輸出的光載波線寬可小于100kHz，微波掃頻信號(hào)的掃頻間隔可小于50Hz且掃頻范圍可大于40GHz，所以可以得到較大頻響范圍(大于 40GHz)和較小掃頻間隔(小于IOOkHz)的傳輸函數(shù)曲線。這使得本發(fā)明的測(cè)量精度相當(dāng)于基于精細(xì)度為40萬(wàn)的法布里-珀羅干涉儀的波長(zhǎng)解調(diào)裝置的方案。因此，相比現(xiàn)有技術(shù)， 本發(fā)明具有很高的傳感精度(大致為一般光纖光柵傳感裝置的幾百至幾千倍)和較大的測(cè)量范圍。


圖I為一種現(xiàn)有采用法布里-珀羅干涉儀作為波長(zhǎng)解調(diào)裝置的傳感裝置的結(jié)構(gòu)框圖；其中，I為寬帶光源，2、2’為光環(huán)形器，3為光纖光柵傳感器，4為光電探測(cè)器，5為數(shù)據(jù)處理控制單元，6為法布里-珀羅干涉儀；圖2為本發(fā)明的光纖傳感裝置的結(jié)構(gòu)框圖；圖3(a)為本發(fā)明實(shí)施例的溫度傳感裝置的結(jié)構(gòu)框圖；圖3 (b)為本發(fā)明實(shí)施例的溫度傳感裝置的頻譜原理示意圖4為本發(fā)明實(shí)施例中寬帶光單邊帶調(diào)制器的原理框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的光纖傳感裝置，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括微波掃頻源，用以產(chǎn)生頻率可調(diào)諧的微波信號(hào)；窄線寬激光器，用以產(chǎn)生窄線寬光載波信號(hào)；寬帶光單邊帶調(diào)制器，其光輸入端口與所述窄線寬激光器連接，微波輸入端口與所述微波掃頻源輸出端口連接；窄帶光纖光柵傳感器，其輸入端口與所述寬帶光單邊帶調(diào)制器輸出端口相連；光探測(cè)器，用以接收經(jīng)過(guò)窄帶光纖光柵傳感器傳輸?shù)墓鈫芜厧盘?hào)，并將其轉(zhuǎn)化成微波信號(hào)；微波幅度相位信息提取模塊，以微波掃頻源的輸出信號(hào)為參考，提取光探測(cè)器輸出微波信號(hào)的幅度和相位信息；數(shù)據(jù)處理控制模塊，接收、存儲(chǔ)和處理微波幅度相位信息提取模塊提取的幅度相位信息，并反演出窄帶光纖光柵傳感器感應(yīng)到的待測(cè)參數(shù)的值，同時(shí)控制微波掃頻源對(duì)頻率的掃描；顯示模塊，顯示經(jīng)數(shù)據(jù)處理控制模塊處理后的結(jié)果。寬帶光單邊帶調(diào)制器的光輸入端口與窄線寬激光器相連，微波輸入端口與微波掃頻源輸出端口相連，其后依次連接窄帶光纖光柵傳感器、光探測(cè)器、微波幅度相位信息提取模塊、數(shù)據(jù)處理控制模塊和顯示模塊。微波幅度相位信息提取模塊的參考信號(hào)輸入端口與微波掃頻源的輸出端口相連。數(shù)據(jù)處理控制模塊的控制信號(hào)輸出端口與微波掃頻源的控制信號(hào)輸入端口相連，其結(jié)果輸出端口與顯示模塊相連。寬帶光單邊帶調(diào)制器將微波掃頻源產(chǎn)生的微波信號(hào)調(diào)制到窄線寬激光器輸出的光載波上，產(chǎn)生由光載波與一個(gè)光邊帶組成的光單邊帶信號(hào)。當(dāng)該光單邊帶信號(hào)通過(guò)窄帶光纖光柵傳感器時(shí)，其載波和邊帶受到窄帶光纖光柵傳感器傳輸函數(shù)的作用，幅度和相位發(fā)生相對(duì)變化。光探測(cè)器對(duì)接收到的通過(guò)光纖光柵的光單邊帶信號(hào)拍頻，得到攜帶光單邊帶信號(hào)中載波和邊帶幅度相位的相對(duì)變化信息的微波信號(hào)。微波幅度相位信息提取模塊以微波掃頻源輸出的微波信號(hào)為參考，提取光探測(cè)器輸出的微波信號(hào)的幅度和相位信息。用數(shù)據(jù)處理控制模塊儲(chǔ)存幅度值和相位值信息，并對(duì)存儲(chǔ)的信息進(jìn)行處理，從而得到待測(cè)參數(shù)的值。實(shí)際測(cè)量時(shí)，首先，將光載波波長(zhǎng)設(shè)置在窄帶光纖光柵傳感器陷波波長(zhǎng)附近；然后，移除光纖光柵，寬帶光單邊帶調(diào)制器的輸出端口直接與光探測(cè)器的輸入端口相連，對(duì)微波掃頻源輸出的微波信號(hào)進(jìn)行頻率掃描，得到?jīng)]有級(jí)聯(lián)窄帶光纖光柵情況下的系統(tǒng)傳輸函數(shù)；最后，將該系統(tǒng)中級(jí)聯(lián)的窄帶光纖光柵置于待測(cè)環(huán)境中，掃描微波掃頻源輸出微波信號(hào)的頻率，使數(shù)據(jù)處理控制模塊得到光纖光柵的傳輸函數(shù)，再用沒有級(jí)聯(lián)窄帶光纖光柵情況下得到的系統(tǒng)傳遞函數(shù)對(duì)得到的光纖光柵傳輸函數(shù)進(jìn)行校正，得到實(shí)際的光纖光柵傳輸函數(shù)，并由此反演出待測(cè)參數(shù)值。要實(shí)現(xiàn)該傳感裝置的精確傳感，以下條件必須滿足
(I)微波掃頻源的掃頻范圍足夠大且掃頻間隔足夠?。?2)窄線寬激光器輸出的連續(xù)光載波信號(hào)具有較窄的譜線寬度；(3)寬帶光單邊帶調(diào)制器輸出的光單邊帶信號(hào)具有高邊帶抑制比；(4)窄帶光纖光柵傳感器的傳輸函數(shù)具有深且窄的阻帶。利用本發(fā)明的光纖傳感裝置即可對(duì)溫度、振動(dòng)等待測(cè)參數(shù)進(jìn)行精確測(cè)量。為了便于公眾理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面舉一個(gè)光纖溫度傳感裝置的具體實(shí)施例。該光纖溫度傳感裝置的結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示，由微波掃頻源，窄線寬激光器、寬帶光單邊帶調(diào)制器、窄帶光纖光柵傳感器、光探測(cè)器、微波幅度相位信息提取模塊、數(shù)據(jù)處理控制模塊和顯示模塊組成。其中，寬帶光單邊帶調(diào)制器由90°微波定向耦合器和馬赫-曾德爾雙臂調(diào)制器組成；90°微波定向耦合器的輸入端與所述微波掃頻源的輸出端連接，兩個(gè)輸出端分別與馬赫-曾德爾雙臂調(diào)制器(MZM)的兩個(gè)微波輸入端連接，馬赫-曾德爾雙臂調(diào)制器的光輸入端口與所述窄線寬激光器連接，如圖4所示，通過(guò)90°微波定向耦合器將輸入的微波信號(hào)分成兩路功率相等的正交信號(hào)，分別輸入至馬赫-曾德爾雙臂調(diào)制器的兩個(gè)微波輸入端口。利用該調(diào)制器，將從微波輸入端口輸入的兩路正交微波信號(hào)調(diào)制在從光輸入端口輸入的光載波上，產(chǎn)生由光載波和一個(gè)光邊帶組成的光單邊帶信號(hào)。微波幅度相位信息提取模塊通過(guò)其內(nèi)兩個(gè)微波幅相檢測(cè)器分別提取微波掃頻信號(hào)源和光探測(cè)器輸出的微波信號(hào)的幅度和相位，并將提取的幅度和相位信息送至數(shù)據(jù)處理控制模塊。該裝置的頻譜原理如圖3(b)所示，A為窄線寬激光器輸出的光載波頻譜圖，B為經(jīng)單邊帶調(diào)制器調(diào)制后得到的光單邊帶信號(hào)的頻譜，C為受光纖光柵作用時(shí)的頻譜圖，虛線為光纖光柵的幅頻響應(yīng)曲線，D為經(jīng)拍頻后將光纖光柵光域幅頻響應(yīng)曲線移至電域，以便于被微波幅度相位信息提取模塊所檢測(cè)。實(shí)際使用上述光纖溫度傳感裝置時(shí)，按照以下步驟光載波波長(zhǎng)設(shè)置步驟將窄線寬激光器的出射波長(zhǎng)設(shè)置在窄帶光纖光柵傳感器的阻帶中心波長(zhǎng)(即陷波波長(zhǎng))附近的平坦響應(yīng)處；測(cè)量裝置校準(zhǔn)步驟移除裝置中的窄帶光纖光柵，將寬帶光單邊帶調(diào)制器輸出端口與光探測(cè)器輸入端口直接相連，其他裝置不變，對(duì)微波掃頻源的頻率進(jìn)行掃描，數(shù)據(jù)處理控制模塊記錄移除窄帶光纖光柵后的系統(tǒng)傳輸函數(shù)H' ( )，以用于實(shí)際測(cè)量結(jié)果的校正；測(cè)試步驟將窄帶光纖光柵置于待測(cè)環(huán)境中，對(duì)微波掃頻源的頻率進(jìn)行掃描，數(shù)據(jù)處理控制模塊記錄傳輸函數(shù)，應(yīng)用校準(zhǔn)步驟所得的傳輸函數(shù)對(duì)記錄的傳輸函數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)， 通過(guò)數(shù)值擬合的方法獲得校準(zhǔn)后傳遞函數(shù)的陷波波長(zhǎng)，并根據(jù)待測(cè)參數(shù)與陷波波長(zhǎng)的關(guān)系反演出待測(cè)參數(shù)。下面對(duì)該光纖溫度傳感裝置的工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹寬帶光單邊帶調(diào)制器將微波掃頻源產(chǎn)生的微波信號(hào)盡周制到窄線寬激光器輸出的光載波尾=4/ 上，產(chǎn)生由光載波與一個(gè)光邊帶組成的光單邊帶信號(hào) Eossb = A0el(^+A/[(a,^)t+n]。當(dāng)光單邊帶信號(hào)通過(guò)窄帶光纖光柵時(shí)，其光載波和邊帶受到系統(tǒng)傳輸函數(shù)H( )+H' (co)的作用，幅度和相位發(fā)生相對(duì)變化。得到的光單邊帶信號(hào)為
權(quán)利要求
1.一種光纖傳感方法，其特征在于，利用寬帶光單邊帶調(diào)制器將微波掃頻源產(chǎn)生的微波信號(hào)調(diào)制到窄線寬激光器輸出的光載波上，產(chǎn)生由光載波與一個(gè)光邊帶組成的光單邊帶信號(hào)；利用光探測(cè)器接收經(jīng)窄帶光纖光柵作用后的光單邊帶信號(hào)，經(jīng)拍頻將光單邊帶信號(hào)所攜的光纖光柵傳輸函數(shù)信息傳遞至其輸出的微波信號(hào)中；以微波掃頻源的輸出信號(hào)為參考，利用微波幅度相位信息提取模塊提取光探測(cè)器輸出信號(hào)所攜的光纖光柵傳輸函數(shù)信息；通過(guò)數(shù)據(jù)處理控制模塊，接收、存儲(chǔ)和處理微波幅度相位信息提取模塊提取的幅度相位信息，并反演出待測(cè)參數(shù)的變化。
2.一種光纖傳感裝置，其特征在于，該裝置包括微波掃頻源，用以產(chǎn)生頻率可調(diào)諧的微波信號(hào)；窄線寬激光器，用以產(chǎn)生窄線寬光載波信號(hào)；寬帶光單邊帶調(diào)制器，其光輸入端口與所述窄線寬激光器連接，微波輸入端口與所述微波掃頻源輸出端口連接；窄帶光纖光柵傳感器，其輸入端口與所述寬帶光單邊帶調(diào)制器輸出端口相連；光探測(cè)器，用以接收經(jīng)窄帶光纖光柵傳感器傳輸?shù)墓鈫芜厧盘?hào)，并將其轉(zhuǎn)化成微波信號(hào);微波幅度相位信息提取模塊，以微波掃頻源的輸出信號(hào)為參考，提取光探測(cè)器輸出微波信號(hào)的幅度和相位信息；數(shù)據(jù)處理控制模塊，接收、存儲(chǔ)和處理微波幅度相位信息提取模塊提取的幅度相位信息，并反演出窄帶光纖光柵傳感器感應(yīng)到的待測(cè)參數(shù)的值，同時(shí)控制微波掃頻源對(duì)頻率的掃描;顯示模塊，顯示經(jīng)數(shù)據(jù)處理控制模塊處理后的結(jié)果。
3.如權(quán)利要求2所述光纖傳感裝置，其特征在于，所述窄帶光纖光柵傳感器由多個(gè)具有不同阻帶中心波長(zhǎng)的窄帶光纖光柵級(jí)聯(lián)而成。
4.如權(quán)利要求2所述光纖傳感裝置，其特征在于，所述寬帶光單邊帶調(diào)制器由90°微波定向耦合器和馬赫-曾德爾雙臂調(diào)制器組成；90°微波定向耦合器的輸入端與所述微波掃頻源的輸出端連接，兩個(gè)輸出端分別與馬赫-曾德爾雙臂調(diào)制器的兩個(gè)微波輸入端連接；馬赫-曾德爾雙臂調(diào)制器的光輸入端口與所述窄線寬激光器連接。
5.如權(quán)利要求2所述光纖傳感裝置的使用方法，其特征在于，包括以下步驟光載波波長(zhǎng)設(shè)置步驟將窄線寬激光器的出射波長(zhǎng)設(shè)置在窄帶光纖光柵傳感器的阻帶中心波長(zhǎng)附近的平坦響應(yīng)處；測(cè)量裝置校準(zhǔn)步驟移除裝置中的窄帶光纖光柵，將寬帶光單邊帶調(diào)制器輸出端口與光探測(cè)器輸入端口直接相連，其他裝置不變，對(duì)微波掃頻源的頻率進(jìn)行掃描，數(shù)據(jù)處理控制模塊記錄移除窄帶光纖光柵后的系統(tǒng)傳輸函數(shù)，以用于實(shí)際測(cè)量結(jié)果的校正；測(cè)試步驟將窄帶光纖光柵置于待測(cè)環(huán)境中，對(duì)微波掃頻源的頻率進(jìn)行掃描，數(shù)據(jù)處理控制模塊記錄傳輸函數(shù)，應(yīng)用校準(zhǔn)步驟所得的傳輸函數(shù)對(duì)記錄的傳輸函數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，通過(guò)數(shù)值擬合的方法獲得校準(zhǔn)后傳遞函數(shù)的陷波波長(zhǎng)，并根據(jù)待測(cè)參數(shù)與陷波波長(zhǎng)的關(guān)系反演出待測(cè)參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光纖傳感方法、光纖傳感裝置及其使用方法。本發(fā)明的光纖傳感方法采用使微波掃頻信號(hào)調(diào)制的光單邊帶掃頻信號(hào)通過(guò)光纖光柵的方法得到光纖光柵的傳輸函數(shù)曲線。本發(fā)明的光纖傳感裝置包括微波掃頻源、窄線寬激光器、寬帶光單邊帶調(diào)制器、窄帶光纖光柵傳感器、光探測(cè)器、微波幅度相位信息提取模塊、數(shù)據(jù)處理控制模塊、顯示模塊。本發(fā)明還公開了一種上述光纖傳感裝置的使用方法。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有很高的傳感精度和較大的測(cè)量范圍，并可采用多個(gè)具有不同阻帶中心波長(zhǎng)的窄帶光纖光柵級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)分布式傳感。
文檔編號(hào)G01D5/353GK102607618SQ20121003918
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月21日
發(fā)明者劉建國(guó), 唐震宙, 梁洪剛, 潘時(shí)龍, 王超, 祝寧華, 薛敏, 趙永久, 韓威, 顧曉文 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)