一种密集光纤光栅阵列解调的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种密集光纤光栅阵列解调的装置和方法，该装置包括上位机、控制采集板卡、用于发射不同波长的激光发射装置、m×n式光纤耦合器、1×2式光纤耦合器、光纤光栅阵列、光探测器。其中，光纤光栅阵列为光纤光栅链路多通道排列的复合结构，其单链光纤上刻有不同波长的弱反射光纤光栅，形成密集光纤光栅阵列。该方法是光纤光栅阵列中的光纤光栅受环境变化影响导致反射谱中心波长位移，发生位移的偏移量引起反射信号功率的变化，通过分析回波信号中光纤光栅阵列的中心波长，与校准的光纤光栅阵列中心波长对比从而实现快速解调。本发明专利技术实现了数量巨大的光纤光栅传感器快速解调，拓宽了光纤光栅传感的应用领域，应用场合广泛。

【技术实现步骤摘要】
一种密集光纤光栅阵列解调的装置和方法
本专利技术涉及光纤光栅解调技术研究领域，特别涉及一种密集光纤光栅阵列解调的装置和方法。
技术介绍
光纤布拉格光栅(FiberBraggGrating，FBG)由于其对温度、应变的变化非常敏感，而成为业内一个非常重要的传感器件。目前，准分布式的光纤光栅温度解调技术被广泛的应用于石油输送管道、输电线、变电站、隧道、大型建筑、铁轨等多个领域，传统解调技术主要利用波分复用原理实现光纤光栅的解调，然而由于波长通道数目有限，目前单根光纤上能复用的光纤光栅数目最多为几十个，不适用很多需要海量传感器的应用。为了克服上述问题，学术界和产业界开始研究密集光纤光栅阵列。目前学术界和产业界对于密集光纤光栅阵列的解调方式尚比较初步，已有的研究成果和专利有：专利技术专利申请号：201611039334.5《一种光纤光栅阵列周界入侵系统》，将高反射率的光纤光栅阵列分组，每组里面光纤光栅波长完全一致，只要组内有一个光纤光栅波长变化，就能在光谱上显示出来。这类方法一定程度上提高了单根传感光纤上能串联的光纤光栅数目，但是无法解调任意一条光纤光栅的变化，因此应用也是受限的；专利技术专利申请号201510297907.3《高分辨率密集光纤光栅布设方法》，提出了将多条错位刻写光纤光栅的光纤相互平行放置，且相邻光纤上的光纤光栅之间间隔适当的距离，从而提高整个光纤簇的光纤光栅数目和空间分辨率，属于空分复用加波分复用的方式，这种方法需要多条光纤才能实现密集阵列，数目越密集实现工艺越复杂。2012年文献“ALargeSerialTime-DivisionMultiplexedFiberBraggGratingSensorNetwork”提出了基于时分复用技术实现光纤光栅复用，2016年文献“InterrogationofaSensorArrayofIdenticalWeakFBGsUsingDispersiveIncoherentOFDR”，提出了基于频分复用技术实现光纤光栅复用，上述两个方法中实现了单一波长通道的光纤光栅解调，未结合波分复用技术进一步扩大光纤光栅传感器数目，另外上述两个方法需要在小范围内扫描激光器波长实现波长解调，扫描波长需要耗费一定时间，因此无法做到非常高速的解调。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种密集光纤光栅阵列解调的装置和方法，本专利技术结合时分复用、频分复用和波分复用技术以及空分复用技术，极大提高了单链上光纤光栅传感器的密集度。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种密集光纤光栅阵列解调的装置，包括上位机、控制采集板卡、用于发射不同波长的激光发射装置、m×n式光纤耦合器、1×2式光纤耦合器、光纤光栅阵列以及光探测器，所述m×n式光纤耦合器中，m≥1，n＞1；所述激光发射装置、1×2式光纤耦合器分别与m×n式光纤耦合器连接，光纤光栅阵列中的N条传感光纤链路分别与1×2式光纤耦合器连接，1×2式光纤耦合器、控制采集板卡分别与光探测器连接，激光发射装置、上位机分别与控制采集板卡连接，所述光纤光栅阵列为光纤光栅链路多通道排列的复合结构，光纤单链上刻写有多个弱反射光纤光栅，排列形成光纤光栅阵列。作为优选的技术方案，所述激光发射装置为激光器阵列，所述激光器阵列的各个激光器的激光波长处于不同波长通道内，相邻波长通道相互之间中心波长间隔在1纳米以上。作为优选的技术方案，所述激光器阵列的各个激光器能够通过改变温度或电流等方式在小范围内改变波长，波长可调范围为各个激光器所处的波长通道范围。作为优选的技术方案，所述激光发射装置为波长可调激光器，所述波长可调激光器的激光波长能够大范围改变波长，波长可调范围包含光纤光栅阵列上所有光纤光栅的波长。作为优选的技术方案，所述光纤光栅为宽光谱弱反射光纤光栅，其最大反射率为1％，最小光谱半高全宽为0.5纳米。作为优选的技术方案，所述光纤单链上的光纤光栅阵列分为多组，同一组内的光纤光栅的布拉格波长不同，处于不同波长通道上，其他组的光纤光栅布拉格波长是其重复；同一组内的光纤光栅在传感光纤上分布位置相互之间相邻，处在传感光纤上同段位置，不同组光纤光栅处于传感光纤上不同段位置。一种密集光纤光栅阵列解调的装置的调解方法，该方法基于脉冲激光时分复用和波分复用的方法，具体为：步骤一、光纤光栅阵列光谱标定：(1)将所述光纤光栅阵列放置于已知温度和应变的标定环境中；(2)控制激光器阵列中各个激光器依次发射脉冲激光，入射到传感光纤，脉冲光经各个光纤光栅反射形成反射光信号，再经过1×2式光纤耦合器由光探测器转换为电信号，不同位置的光纤光栅反射的时刻不同，可以区分光纤光栅阵列内各个光纤光栅的位置，通过控制采集板卡采集电信号的强度；(3)逐个驱动激光器阵列中各个激光器在其可调范围内扫描改变波长并重复步骤(2)，获取到光纤光栅阵列中各个光纤光栅的光谱，并记录下来，同时记录各个光纤光栅所处的环境温度和应变值，实现光谱标定；步骤二、光纤光栅阵列快速解调：(4)将所述光纤光栅阵列放置于待测环境中；(5)固定激光器阵列中各个激光的波长，让其处于传感光纤光栅的斜边上，通过时分复用工作方式获取各个光纤光栅反射强度，获取的各个光纤光栅反射强度与步骤一中记录的各个光纤光栅反射光谱比较，即可获得各个光纤光栅光谱漂移值，实现快速解调过程；(6)每隔一段时间，暂停(5)，重复(3)进行光谱标定，获取到光纤光栅阵列中各个光纤光栅的最大反射值，以获取到的各个光纤光栅最大反射值作为各个光纤光栅布拉格波长的反射值，并依此修改(3)中记录的光纤光栅光谱，然后在重新进入步骤二；(7)通过控制采集板卡采集不同通道的信号，最终实现多光纤链路的同时测量。作为优选的技术方案，所述激光器阵列的各个激光器的强度被正弦调制，并且正弦调制的频率线性变化。作为优选的技术方案，，所述激光器阵列的各个激光器为脉冲激光器。一种密集光纤光栅阵列解调的装置的调解方法，该方法基于正弦调制激光的频分复用和波分复用方法，具体为：步骤一、光纤光栅阵列光谱标定：(1)将所述光纤光栅阵列放置于已知温度和应变的标定环境中；(2)控制激光器阵列内各个激光器依次工作，激光器工作时其强度被正弦调制，并且正弦调制的频率线性变化。被调制的激光入射到传感光纤，经各个光纤光栅反射形成反射光信号，再经过1×2式光纤耦合器由光探测器转换为电信号，被调制激光被不同位置的光纤光栅反射，通过检测反射回的光信号的频率和本地的调制频率的频率差不同，可以区分光纤光栅阵列内各个光纤光栅的位置。通过控制采集板卡采集电信号的强度。采集到的信号经过频谱变换，获取频率和强度信息，并记录下来；(3)逐个驱动激光器阵列中各个激光器在其可调范围内扫描变波长并重复步骤(2)；获取到光纤光栅阵列中各个光纤光栅的光谱，并记录下来，同时记录各个光纤光栅所处的环境温度和应变值，实现光谱标定；步骤二、光纤光栅阵列快速解调：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种密集光纤光栅阵列解调的装置，其特征在于，包括上位机、控制采集板卡、用于发射不同波长的激光发射装置、m×n式光纤耦合器、1×2式光纤耦合器、光纤光栅阵列以及光探测器，所述m×n式光纤耦合器中，m≥1，n＞1；/n所述激光发射装置、1×2式光纤耦合器分别与m×n式光纤耦合器连接，光纤光栅阵列中的N条传感光纤链路分别与1×2式光纤耦合器连接，1×2式光纤耦合器、控制采集板卡分别与光探测器连接，激光发射装置、上位机分别与控制采集板卡连接，所述光纤光栅阵列为光纤光栅链路多通道排列的复合结构，光纤单链上刻写有多个弱反射光纤光栅，排列形成光纤光栅阵列。/n

【技术特征摘要】
1.一种密集光纤光栅阵列解调的装置，其特征在于，包括上位机、控制采集板卡、用于发射不同波长的激光发射装置、m×n式光纤耦合器、1×2式光纤耦合器、光纤光栅阵列以及光探测器，所述m×n式光纤耦合器中，m≥1，n＞1；
所述激光发射装置、1×2式光纤耦合器分别与m×n式光纤耦合器连接，光纤光栅阵列中的N条传感光纤链路分别与1×2式光纤耦合器连接，1×2式光纤耦合器、控制采集板卡分别与光探测器连接，激光发射装置、上位机分别与控制采集板卡连接，所述光纤光栅阵列为光纤光栅链路多通道排列的复合结构，光纤单链上刻写有多个弱反射光纤光栅，排列形成光纤光栅阵列。


2.根据权利要求1所述一种密集光纤光栅阵列解调的装置，其特征在于，所述激光发射装置为激光器阵列，所述激光器阵列的各个激光器的激光波长处于不同波长通道内，相邻波长通道相互之间中心波长间隔在1纳米以上。


3.根据权利要求2所述一种密集光纤光栅阵列解调的装置，其特征在于，所述激光器阵列的各个激光器能够通过改变温度或电流等方式在小范围内改变波长，波长可调范围为各个激光器所处的波长通道范围。


4.根据权利要求1所述一种密集光纤光栅阵列解调的装置，其特征在于，所述激光发射装置为波长可调激光器，所述波长可调激光器的激光波长能够大范围改变波长，波长可调范围包含光纤光栅阵列上所有光纤光栅的波长。


5.根据权利要求1所述一种密集光纤光栅阵列解调的装置，其特征在于，所述光纤光栅为宽光谱弱反射光纤光栅，其最大反射率为1％，最小光谱半高全宽为0.5纳米。


6.根据权利要求1所述一种密集光纤光栅阵列解调的装置，其特征在于，所述光纤单链上的光纤光栅阵列分为多组，同一组内的光纤光栅的布拉格波长不同，处于不同波长通道上，其他组的光纤光栅布拉格波长是其重复；同一组内的光纤光栅在传感光纤上分布位置相互之间相邻，处在传感光纤上同段位置，不同组光纤光栅处于传感光纤上不同段位置。


7.根据权利要求2所述密集光纤光栅阵列解调的装置的调解方法，其特征在于，该方法基于脉冲激光时分复用和波分复用的方法，具体为：
步骤一、光纤光栅阵列光谱标定：
(1)将所述光纤光栅阵列放置于已知温度和应变的标定环境中；
(2)控制激光器阵列中各个激光器依次发射脉冲激光，入射到传感光纤，脉冲光经各个光纤光栅反射形成反射光信号，再经过1×2式光纤耦合器由光探测器转换为电信号，不同位置的光纤光栅反射的时刻不同，可以区分光纤光栅阵列内各个光纤光栅的位置，通过控制采集板卡采集电信号的强度；
(3)逐个驱动激光器阵列中各个激光器在其可调范围内扫描改变波长并重复步骤(2)，获取到光纤光栅阵列中各个光纤光栅的光谱，并记录下来，同时记录各个光纤光栅所处的环境温度和应变值，实现光谱标定；
步骤二、光纤光栅阵列快...

【专利技术属性】
技术研发人员：周斌，郭昌建，季戌涛，安倩，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东;44