基于邊帶濾波fbg解調(diào)系統(tǒng)靈敏度的提高方法
【專利摘要】基于邊帶濾波FBG解調(diào)系統(tǒng)靈敏度的提高方法,涉及邊帶濾波解調(diào)FBG領(lǐng)域。本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有的FBG解調(diào)系統(tǒng)靈敏度低,不能檢測微弱信號或微弱信號變化不明顯的問題。本發(fā)明所述的采用n個邊帶濾波器進行邊帶濾波,獲得FBG反射光的總功率,F(xiàn)BG中心波長λ0隨時間變化時,根據(jù)FBG中心波長λ0,能夠獲得FBG光譜的左右邊界波長λ1和λ2,帶入FBG反射光的總功率中,獲得時間t值和相應(yīng)的FBG反射光譜的總功率的擬合方程,根據(jù)擬合方程及FBG中心波長隨時間變化的表達式獲得靈敏度與波長和功率有關(guān)的表達式,當(dāng)改變所用邊帶的斜率后,獲得靈敏度與邊帶斜率的關(guān)系式,進而獲得FBG解調(diào)系統(tǒng)靈敏度。它可用在FBG解調(diào)系統(tǒng)中。
【專利說明】基于邊帶濾波FBG解調(diào)系統(tǒng)靈敏度的提高方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及基于邊帶濾波FBG解調(diào)系統(tǒng)的靈敏度提高方法。屬于邊帶濾波解調(diào) FBG領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為一種新型傳感元件,光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating, FBG)傳感器具 備獨特的優(yōu)點使其得以迅猛發(fā)展,如準分布式和波長編碼。這些優(yōu)點使得FBG傳感器的應(yīng) 用領(lǐng)域非常廣泛。在一些實際應(yīng)用中,F(xiàn)BG傳感器應(yīng)用于微弱信號的檢測,這種情況下,解 調(diào)系統(tǒng)的靈敏度就是其重要的性能參數(shù),提高FBG解調(diào)靈敏度可以實現(xiàn)FBG傳感器對外界 環(huán)境的微弱變化的實時監(jiān)測,在一些安全監(jiān)測領(lǐng)域或要求監(jiān)測結(jié)果精確的領(lǐng)域具有很高的 使用價值。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003] 本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有的FBG解調(diào)系統(tǒng)靈敏度低,不能檢測微弱信號或微弱信號 變化不明顯的問題?,F(xiàn)提供基于邊帶濾波FBG解調(diào)系統(tǒng)的靈敏度提高方法。
[0004] 基于邊帶濾波FBG解調(diào)系統(tǒng)的靈敏度提高方法,該方法是基于邊帶濾波FBG解調(diào) 系統(tǒng)實現(xiàn)的,所述系統(tǒng)包括ASE光源、耦合器、FBG、摻鉺光纖放大器、η個邊帶濾波器和光譜 儀,η為正整數(shù),
[0005] ASE光源發(fā)出的光經(jīng)過耦合器進入FBG中,與FBG中心波長相匹配的光波被反射回 來,再次通過耦合器進入摻鉺光纖放大器對光功率進行放大處理,之后通過η個邊帶濾波 器濾波后進入光譜儀中進行波形的提取;
[0006] 步驟一、ASE光源發(fā)出的光經(jīng)過耦合器進入FBG中,由于FBG的折射率是周期性變 化的與FBG中心波長相匹配的光波被反射回來,形成FBG反射光譜,該反射譜波形近似高斯 曲線,將FBG反射光譜擬合為高斯表達式 :
[0007]
【權(quán)利要求】
1.基于邊帶濾波FBG解調(diào)系統(tǒng)靈敏度的提高方法,該方法是基于邊帶濾波FBG解調(diào)系 統(tǒng)實現(xiàn)的,所述系統(tǒng)包括ASE光源(1)、耦合器(2)、FBG(3)、摻鉺光纖放大器(4)、n個邊帶 濾波器(5)和光譜儀(6),η為正整數(shù), ASE光源(1)發(fā)出的光經(jīng)過耦合器(2)進入FBG(3)中,與FBG(3)中心波長相匹配的光 波被反射回來,再次通過耦合器(2)進入摻鉺光纖放大器(4)對光功率進行放大處理,之后 通過η個邊帶濾波器(5)濾波后進入光譜儀(6)中進行波形的提??; 其特征在于, 步驟一、ASE光源發(fā)出的光經(jīng)過耦合器進入FBG中,由于FBG的折射率是周期性變化的 與FBG中心波長相匹配的光波被反射回來,形成FBG反射光譜,該反射譜波形近似高斯曲 線,將FBG反射光譜擬合為高斯表達式 :
式中,y〇, A, w均為常量;λ表不波長;λ ^表不FBG反射譜的中心波長; 設(shè)所用的第η個邊帶濾波器線性區(qū)域透射率的表達式為:
式中,kn為第η個邊帶線性區(qū)域?qū)?yīng)的邊帶斜率,bn為第η個邊帶計算透射率時對應(yīng) 的常量, 采用η個邊帶濾波器對FBG反射光進行邊帶濾波,獲得η次濾波后FBG反射光譜的功 率為:
式中,τη( λ)為第η個邊帶濾波器的對應(yīng)波長的透射率, 將FBG反射光譜的功率單位變?yōu)楹镣叩墓剑?br>
根據(jù)公式:
對單位為毫瓦的FBG反射光譜的功率進行積分處理獲得FBG反射光譜總功率, 式中,λ i表示FBG反射譜左側(cè)邊界對應(yīng)的波長,λ 2表示FBG反射譜右側(cè)邊界對應(yīng)的 波長, 根據(jù)公式:
將FBG反射光譜的總功率單位從毫瓦變?yōu)閐Bm, 將公式1至公式6依次代入,獲得單位為dBm的FBG反射光譜的總功率的總表達式為:
FBG中心波長λ J逭時間變化時,設(shè)FBG中心波長隨時間按正弦發(fā)生變化的表達式為:
式中,a為FBG反射譜的中心波長變化振幅,λ w為FBG起始中心波長, 根據(jù)FBG中心波長λ ^,能夠獲得FBG光譜的左右邊界波長λ i和λ 2, 將λ ρ λ i和λ 2代入公式7中,將時間t和相應(yīng)的FBG反射光譜的總功率進行擬合, 其擬合方程的表達式為:
式中,Pn代表η次濾波功率值,P%表示η次濾波時當(dāng)中心波長不發(fā)生漂移所對應(yīng)的功 率值,cn表示η次濾波后功率變化的振幅, 步驟二、根據(jù)步驟一中FBG中心波長隨時間按正弦發(fā)生變化的表達式和時間t與FBG 反射光譜的總功率擬合方程的表達式,獲得靈敏度與波長和功率有關(guān)的表達式,當(dāng)改變所 用邊帶的斜率后,獲得靈敏度與邊帶斜率的關(guān)系式,進而獲得FBG解調(diào)系統(tǒng)靈敏度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于邊帶濾波FBG解調(diào)系統(tǒng)靈敏度的提高方法,其特征在于, 步驟二中根據(jù)FBG中心波長隨時間按正弦發(fā)生變化的表達式和擬合方程的表達式,獲得靈 敏度與波長和功率有關(guān)的表達式,當(dāng)改變所用邊帶的斜率后,獲得靈敏度與邊帶斜率的關(guān) 系式,進而獲得FBG解調(diào)系統(tǒng)靈敏度的過程為: 由FBG中心波長隨時間按正弦發(fā)生變化的表達式和擬合方程的表達式獲得FBG解調(diào)系 統(tǒng)的靈敏度計算公式為:
式中,S為FBG解調(diào)系統(tǒng)的靈敏度,Λ P為FBG反射譜的功率變化量,Λ λ為FBG反射 譜的中心波長變化量,h和t2為不同的時刻, FBG中心波長振幅a為lnm時,則靈敏度計算公式變?yōu)椋?br>
采用一個邊帶濾波器對FBG反射光進行單次邊帶濾波,邊帶斜率k改變時,經(jīng)過濾波后 的FBG反射光功率的振幅Cl會發(fā)生改變,將k和相應(yīng)的Cl值進行數(shù)據(jù)擬合得出Cl和k的 關(guān)系式為:
即靈敏度為:
采用兩個邊帶濾波器對FBG反射光進行兩次邊帶濾波,所用邊帶斜率分別為&和k2, 當(dāng)&不變僅改變k2時,經(jīng)過兩次邊帶濾波的FBG反射光功率的振幅c2發(fā)生變化,將kp k2 之和與相應(yīng)的c2值進行數(shù)據(jù)擬合,得出的c2與ki+k2之和的關(guān)系式為:
即靈敏度為:
η次邊帶濾波后,F(xiàn)BG解調(diào)系統(tǒng)的靈敏度與邊帶斜率呈線性變化關(guān)系,根據(jù)數(shù)據(jù)擬合方 程:
獲得FBG解調(diào)系統(tǒng)靈敏度S,
【文檔編號】G01D5/26GK104154935SQ201410400464
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月14日
【發(fā)明者】熊燕玲, 任乃奎, 趙磊, 楊文龍, 沈濤, 于雪蓮 申請人:哈爾濱理工大學(xué)