基于f-p標準具和參考光柵的波長解調系統和方法

文檔序號:6250658
基于f-p標準具和參考光柵的波長解調系統和方法
【專利摘要】本發明公開的基于F-P標準具和參考光柵的波長解調系統,光路連接為:寬帶光源經隔離器后連接可調諧F-P濾波器,可調諧F-P濾波器出來的光進入耦合器均分為兩路,一路進入F-P標準具,再進入第一光電探測器;另二路經光環形器輸出至串聯的第一參考光纖光柵、第二參考光纖光柵和傳感光纖光柵,光纖光柵的反射光再經光環形器進入第二光電探測器,最后PC機對兩路數據同步采樣。本發明公開的基于F-P標準具和參考光柵的波長解調方法,PC機控制可調諧F-P濾波器;對兩個通道的光譜進行同步數據采集;分別對兩個通道采集到的數據進行尋峰計算;計算得到傳感光柵,本方法通過F-P標準具和參考光柵可快速精確對傳感光柵波長的解調。
【專利說明】基于F-P標準具和參考光柵的波長解調系統和方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬于光纖傳感【技術領域】,具體涉及一種基于F-P標準具和參考光柵的波長 解調系統,本發明還涉及一種基于F-P標準具和參考光柵的波長解調方法。

【背景技術】
[0002] 光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾、耐腐蝕、電絕緣、高靈敏度和低成本等特點,此 外其波長編碼特性以及能在單光纖上實現準分布式測量的優點是其它傳感器所無法比擬 的,具有廣闊的應用前景。光纖光柵傳感器是一種波長調制型器件,外界物理量的變化會影 響光纖光柵的中心波長,通過測量光纖光柵中心波長的變化,就可以獲得外界物理量的變 化情況。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,所以精確解調波長的變化是光纖光柵傳感的一項關鍵技術。
[0003] 波長解調方法有很多種,其中基于可調諧法布里珀羅(Fabry-Perot,F-P)濾波器 的波長解調方法具有靈敏度高、可調諧范圍大等特點得到了廣泛應用。傳統的基于可調諧 F-P濾波器的波長解調方法是通過標定獲得壓電陶瓷的驅動電壓和光纖光柵反射波長的對 應關系實現的,這種解調方法簡單實用。但由于可調諧F-P濾波器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,且其壓電 陶瓷容易受到外界環境溫度和使用時間的影響發生偏移,獲得的壓電陶瓷驅動電壓和光纖 光柵反射波長之間的對應關系存在嚴重的系統誤差,從而難以保證解調系統對待測傳感光 柵的檢測精度。


【發明內容】

[0004] 本發明的目的是提供一種基于F-P標準具和參考光柵的波長解調系統,解決了現 有技術中存在的解調系統對待測傳感光柵的檢測精度低的問題。
[0005] 本發明另一個目的是提供一種基于F-P標準具和參考光柵的波長解調方法。
[0006] 本發明所采用的第一技術方案是,一種基于F-P標準具和參考光柵的波長解調系 統,包括光源,光源依次通過光路與光隔離器、可調諧F-P濾波器和耦合器相連接;耦合器 分別通過光路連接有F-P標準具和光環形器;F-P標準具通過光路與第一光電探測器相連 接,第一光電探測器依次通過導線與數據采集器和PC機相連接;光環形器通過光路分別 連接有第二光電探測器和第一參考光纖光柵,第二光電探測器通過導線與數據采集器相連 接;第一參考光纖光柵依次通過光路與第二參考光纖光柵和傳感光纖光柵相連接;PC機通 過導線連接有用于鋸齒波信號掃描的數模轉換器;數模轉換器通過光路與可調諧F-P濾波 器相連接。
[0007] 本發明的特點還在于,
[0008] 光源為寬帶光源;第一參考光纖光柵和第二參考光纖光柵為同種材質波長間隔為 Inm的光柵;稱合器為1X2(50 : 50)型稱合器。
[0009] 本發明所采用的第二技術方案是,一種基于F-P標準具和參考光柵的波長解調方 法,采用上述基于F-P標準具和參考光柵的波長解調系統,具體按照以下步驟實施:
[0010] 步驟1、PC機通過數模轉換器發出鋸齒波掃描電壓控制可調諧F-P濾波器;
[0011] 步驟2、數據采集器對F-P標準具通道和傳感光柵通道的光譜進行同步數據采集 并傳給PC機;
[0012] 步驟3、PC機分別對F-P標準具通道和傳感光柵通道采集到的數據進行尋峰計 算;
[0013] 步驟4、PC機根據第一參考光柵和第二參考光柵的波長值和步驟3中的兩通道的 尋峰結果計算得到傳感光柵的波長。
[0014] 本發明的特點還在于,
[0015]F-P標準具通道和傳感光柵通道的形成過程如下:光源發出的光經隔離器進入可 調諧F-P濾波器,可調諧F-P濾波器出來的光從A端進入耦合器并均分為兩路,第一路光經 B端從耦合器出來,再進入F-P標準具,然后進入第一光電探測器,最后經數據采樣器送入 PC機形成F-P標準具通道;第二路光經C端從耦合器出來,由D端進入光環形器后從E端出 來,從E端出來的光經第一參考光柵、第二參考光柵和傳感光柵后的反射光由E端再次進入 光環形器并從F端射出光環形器,然后進入第二光電探測器,最后經數據采樣器送入PC機 形成傳感光柵通道;采集到的數據為F-P標準具通道和傳感光柵通道的光信號轉換而成的 具有相同包絡的電信號,橫坐標為米樣時間,縱坐標為電壓。
[0016]PC機分別對F-P標準具通道和傳感光柵通道采集到的數據進行尋峰計算具體為: 將F-P標準具通道中尋得的各峰的橫坐標存放在數組PeakO□中;將傳感光柵通道中尋得 的各峰的橫坐標存放在數組Peakl□中,且數組Peakl□中僅有3個元素,Peakl[1]表示 第一參考光柵的峰值橫坐標值,Peakl[2]表不第二參考光柵的峰值橫坐標值,Peakl[3]表 不傳感光柵的峰值橫坐標值。
[0017] 步驟4具體按照以下步驟實施:
[0018]步驟4. 1、求解F-P標準具通道和傳感光柵通道兩通道同步數據采集后F-P標準具 通道中位于傳感光柵通道中第一參考光柵和第二參考光柵之間的那個峰的波長值λπ ;
[0019] 步驟4. 2、求解兩通道同步數據采集后F-P標準具通道中位于傳感光柵通道中傳 感光柵左右兩側的兩個峰的波長值Am+n和Am+n+1 ;
[0020] 步驟4. 3、計算傳感光柵波長λFBe,并根據F-P標準具通道和傳感光柵通道相關峰 值坐標的位置關系對步驟4. 1中的計算和步驟4. 3中的計算進行優化。
[0021] 步驟4. 1求解F-P標準具通道和傳感光柵通道兩通道同步數據采集后F-P標準具 通道中位于傳感光柵通道中第一參考光柵和第二參考光柵之間的那個峰的波長值λm具體 為:
[0022] 根據兩通道中各峰的橫坐標關系尋找F-P標準具通道中位于第一參考光柵和第 二參考光柵之間的那個峰的橫坐標PeakO[m],其滿足如下關系:
[0023]Peakl[1]<PeakO[m]<Peakl[2]
[0024] 找到Peak0[m]后,再根據第一參考光柵的波長值λΜ?1和第二參考光柵波長值 λ,ef2以及第一參考光柵和第二參考光柵的峰值橫坐標Peakl[1]和Peakl[2]計算出F-P標 準具通道中位于第一參考光柵和第二參考光柵之間的橫坐標PeakO[m]對應的那個峰的波 長值,計算公式如下:
[0025]

【權利要求】
1. 一種基于F-P標準具和參考光柵的波長解調系統,其特征在于,包括光源(I),光源 (1)依次通過光路與光隔離器(2)、可調諧F-P濾波器(3)和耦合器(4)相連接;所述耦合 器(4)分別通過光路連接有F-P標準具(5)和光環形器(6);所述F-P標準具(5)通過光路 與第一光電探測器(7)相連接,所述第一光電探測器(7)依次通過導線與數據采集器(13) 和PC機相連接;所述光環形器(6)通過光路分別連接有第二光電探測器(8)和第一參考光 纖光柵(9),所述第二光電探測器(8)通過導線與數據采集器(13)相連接;所述第一參考 光纖光柵(9)依次通過光路與第二參考光纖光柵(10)和傳感光纖光柵(11)相連接;所述 PC機(12)通過導線連接有用于鋸齒波信號掃描的數模轉換器(14);所述數模轉換器(14) 通過光路與可調諧F-P濾波器(3)相連接。
2. 根據權利要求1所述的基于F-P標準具和參考光柵的波長解調系統,其特征在于,所 述光源(1)為寬帶光源;所述第一參考光纖光柵(9)和第二參考光纖光柵(10)為同種材質 波長間隔為Inm的光柵;所述耦合器(4)為1X2(50 : 50)型耦合器。
3. -種基于F-P標準具和參考光柵的波長解調方法,其特征在于,采用權利要求1所述 的基于F-P標準具和參考光柵的波長解調系統,具體按照以下步驟實施: 步驟1、PC機(12)通過數模轉換器(14)發出鋸齒波掃描電壓控制可調諧F-P濾波器 (3); 步驟2、數據采集器(13)對F-P標準具通道和傳感光柵通道的光譜進行同步數據采集 并傳給PC機(12); 步驟3、PC機分別對F-P標準具通道和傳感光柵通道采集到的數據進行尋峰計算; 步驟4、PC機根據第一參考光柵(9)和第二參考光柵(10)的波長值和步驟3中的兩通 道的尋峰結果計算得到傳感光柵的波長。
4. 根據權利要求3所述的基于F-P標準具和參考光柵的波長解調方法,其特征在于, 所述步驟2中F-P標準具通道和傳感光柵通道的形成過程如下:光源(1)發出的光經隔離 器(2)進入可調諧F-P濾波器(3),可調諧F-P濾波器(3)出來的光從A端進入耦合器(4) 并均分為兩路,第一路光經B端從耦合器(4)出來,再進入F-P標準具(5),然后進入第一光 電探測器(7),最后經數據采樣器(13)送入PC機(12)形成F-P標準具通道;第二路光經 C端從耦合器(4)出來,由D端進入光環形器后從E端出來,從E端出來的光經第一參考光 柵(9)、第二參考光柵(10)和傳感光柵(11)后的反射光由E端再次進入光環形器(6)并從 F端射出光環形器(6),然后進入第二光電探測器(8),最后經數據采樣器(13)送入PC機 (12)形成傳感光柵通道;采集到的數據為F-P標準具通道和傳感光柵通道的光信號轉換而 成的具有相同包絡的電信號,橫坐標為米樣時間,縱坐標為電壓。
5. 根據權利要求3所述的基于F-P標準具和參考光柵的波長解調方法,其特征在于, 所述步驟3中的PC機(12)分別對F-P標準具通道和傳感光柵通道采集到的數據進行尋峰 計算具體為:將F-P標準具通道中尋得的各峰的橫坐標存放在數組PeakO□中;將傳感光 柵通道中尋得的各峰的橫坐標存放在數組Peakl□中,且數組Peakl□中僅有3個元素, Peakl[1]表不第一參考光柵的峰值橫坐標值,Peakl[2]表不第二參考光柵的峰值橫坐標 值,Peakl[3]表傳感光柵的峰值橫坐標值。
6. 根據權利要求3所述的基于F-P標準具和參考光柵的波長解調方法,其特征在于,所 述步驟4具體按照以下步驟實施: 步驟4.I、求解F-P標準具通道和傳感光柵通道兩通道同步數據采集后F-P標準具通道 中位于傳感光柵通道中第一參考光柵和第二參考光柵之間的那個峰的波長值Xm; 步驟4. 2、求解兩通道同步數據采集后F-P標準具通道中位于傳感光柵通道中傳感光 柵左右兩側的兩個峰的波長值Am+n和Am+n+1; 步驟4. 3、計算傳感光柵波長λFBe,并根據F-P標準具通道和傳感光柵通道相關峰值坐 標的位置關系對步驟4. 1中的計算和步驟4. 3中的計算進行優化。
7. 根據權利要求6所述的基于F-P標準具和參考光柵的波長解調方法,其特征在于,所 述的步驟4. 1求解F-P標準具通道和傳感光柵通道兩通道同步數據采集后F-P標準具通道 中位于傳感光柵通道中第一參考光柵和第二參考光柵之間的那個峰的波長值λm具體為: 根據兩通道中各峰的橫坐標關系尋找F-P標準具通道中位于第一參考光柵(9)和第二 參考光柵(10)之間的那個峰的橫坐標PeakO[m],其滿足如下關系: Peakl[1] <PeakO[m] <Peakl[2] 找到PeakO[m]后,再根據第一參考光柵(9)的波長值λ^"和第二參考光柵(10)波長 值λw以及第一參考光柵(9)和第二參考光柵(1〇)的峰值橫坐標Peakl[1]和Peakl[2] 計算出F-P標準具通道中位于第一參考光柵(9)和第二參考光柵(10)之間的橫坐標 PeakO[m]對應的那個峰的波長值,計算公式如下:
8. 根據權利要求6所述的基于F-P標準具和參考光柵的波長解調方法,其特征在于,所 述的步驟4. 2中求解兩通道同步數據采集后F-P標準具通道中位于傳感光柵通道中傳感光 柵左右兩側的兩個峰的波長值λπ+η和λπ+η+1具體為: 首先根據兩通道中各峰的橫坐標關系尋找F-P標準具通道中位于傳感光柵通道中傳 感光柵左右兩側的兩個峰的橫坐標PeakO[m+n]和PeakO[m+n+1],其滿足如下關系: PeakO[m+n] <Peakl[3] <PeakO[m+n+1] 找到PeakO[m+n]和PeakO[m+n+1]后,再依據F-P標準具的波長標定算法,以λm為標 定參考波長,根據λπ+η和\_+1與λπ之間的波峰間隔數計算出F-P標準具通道中位于傳 感光柵通道中傳感光柵左右兩側的兩個峰的波長值,計算公式如下:

9. 根據權利要求6所述的基于F-P標準具和參考光柵的波長解調方法,其特征在于,所 述的步驟4. 3中計算傳感光柵波長,并根據F-P標準具通道和傳感光柵通道相關峰值坐標 的位置關系對步驟4. 1中λm的計算和步驟4. 3中λFBe的計算進行優化具體為: 根據傳感光柵通道中傳感光柵的橫坐標值Peakl [3],F-P標準具通道中位于傳感光柵 通道中傳感光柵左右兩側的兩個峰的波長值和Anrtrt以及橫坐標值PeakO[m+n]和 PeakO[m+n+1]計算傳感光柵波長λFBe,計算公式如下:
由此即解調出傳感光柵的波長; 其中,步驟4. 1中λπ的計算根據PeakO[m]與Peakl[l]和Peakl[2]的位置關系做進 一步的優化: 如果PeakO [m]與Peakl [1]和Peakl [2]的位置關系滿足
同理,步驟4. 3中λFBe的計算根據Peakl [3]與PeakO [m+n]和PeakO [m+n+1]的位置 關系做進一步的優化: 如果Peakl [3]與PeakO [m+n]和PeakO [m+n+1]的位置關系滿足
10.根據權利要求9所述的基于F-P標準具和參考光柵的波長解調方法,其特征在于, 所述F-P標準具的波長標定算法具體為: 在F-P標準具透射譜中,假設F-P標準具中的第m和第m+1這兩個連續峰對應的波長 分別為、和Am+1,c為光速,則其對應的頻率值分別為
自由光譜范圍:自由光譜范圍是衡量F-P濾波器透射光譜中兩個相鄰的共振峰之間的 頻率距離,表示為:
式中η為F-P標準具的腔內介質的折射率,d為腔長,由于F-P標準具的η和d為定值, 所以FSR為一定值,S卩F-P標準具透射譜中各峰之間的頻率間隔為定值FSR;則各峰之間的 波長間隔Δλ為
Λλ不是定值,即F-P標準具透射譜中的各峰的波長間隔是不相等的,通過相鄰峰之 間的頻率間隔為定值FSR來找尋各峰之間的波長關系;對于F-P標準具中的第m和第m+1 這兩個連續峰
以此類推,以第m個峰的波長值λm為標定參考波長時,根據波長間隔數n計算獲得位 于第m個峰右側的第m+n個峰的波長值λm+n ;同理,計算獲得位于第m個峰左側的第m-n個 峰的波長值λm_n,計算公式如下:
由此類推,以第m個峰的波長值λm為標定參考波長將F-P標準具的所有波長值都標 定出來。
【文檔編號】G01D5/26GK104457803SQ201410705716
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月28日 優先權日:2014年11月28日
【發明者】許雪梅, 李夢平, 汪金輝, 李運龍, 曹建, 曹粲, 尹林子, 丁家峰, 丁一鵬 申請人:中南大學
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