本發(fā)明涉及光纖傳感解調(diào)技術(shù)領(lǐng)域，具體地指一種基于非相干頻域反射的布拉格光纖光柵陣列解調(diào)裝置與方法。

背景技術(shù)：

光纖傳感器具有靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、動態(tài)測量范圍寬、體積小、易于復用等優(yōu)點，因此得到了廣泛的研究。利用它的穩(wěn)定性和易構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)，可應(yīng)用于大型民用工程建筑、航空航天、醫(yī)學、易燃易爆的石油化工業(yè)以及高壓高輻射的電力工業(yè)、核工業(yè)中。在許多復雜的應(yīng)用場合，經(jīng)常需要進行多點分布式的測量。以前的測量技術(shù)中，通常采用波分復用技術(shù)，在一根光纖上面串聯(lián)多個中心波長具有一定間隔的強反射光柵。由于強反射光柵具有制作成本高，而且受到光源帶寬的限制，可復用的容量也有限，在具體工程應(yīng)用中具有一定的局限性。隨著光纖光柵制作技術(shù)的不斷提高，全同弱反射率光柵的出現(xiàn)解決了此問題。因為具有較低的反射率，全同弱反射光柵每個都可以反射相同波長的光，提高了光柵容量，同樣也大大降低了對光源帶寬的要求。而且全同弱反射光柵具有可在線刻寫，制作方便、成本低等優(yōu)點，在工程應(yīng)用方面要優(yōu)于強反射光柵。

目前對弱反射光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的解調(diào)主要采用光時域反射技術(shù)(OTDR)和光頻域反射技術(shù)(OFDR)。光時域反射一般采用寬帶光源作為光源，經(jīng)過濾波器濾波后輸出一個窄帶光，通過高速脈沖驅(qū)動控制SOA開關(guān)產(chǎn)生高速脈沖光，根據(jù)光柵反射回來的時間實現(xiàn)傳感器的定位，調(diào)節(jié)濾波器的中心波長，檢測不同中心波長下各個傳感器的反射光強得到FBG的光譜，采用高斯擬合得到FBG的中心波長。基于OTDR的解調(diào)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)大容量布拉格光纖光柵復用，但是為減小系統(tǒng)的空間分辨率，需要減小脈沖寬度，對解調(diào)系統(tǒng)電路的帶寬、采樣率和數(shù)據(jù)傳輸、算法提出了很高的要求。光頻率反射一般采用窄線寬線性掃描光源進行波長掃描，各個時延不同的光柵反射光與光源輸出光產(chǎn)生拍頻，由于光柵位置不同，拍頻得到的信號頻率不同，通過傅里葉變化得到反映光柵距離信息的頻譜，使用數(shù)字帶通濾波器分離各個光柵拍頻信號的時域信號，最后利用反傅里葉變換(IFFT)結(jié)合希爾伯特變化還原光柵的反射光譜信息。OFDR方案可實現(xiàn)大容量弱反射光柵復用，具有空間分辨率高等優(yōu)點，但是對光源線寬要求高，波長解調(diào)過程復雜、不適用與長距離光纖光柵解調(diào)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是要提供一種基于非相干頻域反射的布拉格光纖光柵陣列解調(diào)裝置與方法，該裝置和方法相比于基于光時域反射的光纖光柵解調(diào)技術(shù)，明顯降低了解調(diào)系統(tǒng)的采樣率、數(shù)據(jù)處理、光路和電路的復雜程度。

為實現(xiàn)此目的，本發(fā)明所設(shè)計的基于非相干頻域反射的布拉格光纖光柵陣列解調(diào)裝置，其特征在于：它包括DFB頻率調(diào)制驅(qū)動器、溫度控制器、DFB(Distributed Feedback Laser，分布式反饋激光器)激光器、第一光分路器、光環(huán)形器、布拉格光纖光柵陣列、第一光電探測器、乘法器、低通濾波器、第一路數(shù)據(jù)采集卡、第二個光分路器、第二個光電探測器、第二路數(shù)據(jù)采集卡、光譜儀和信號處理模塊；

其中，DFB激光器的頻率調(diào)制驅(qū)動信號輸入端連接DFB頻率調(diào)制驅(qū)動器的DFB頻率調(diào)制驅(qū)動信號輸出端，DFB激光器的工作溫度控制信號輸入端連接溫度控制器的信號輸出端，DFB激光器的輸出端連接第一光分路器的光輸入端，第一光分路器的第一路光輸出端連接光環(huán)形器的第一接口，光環(huán)形器的第二接口連接布拉格光纖光柵陣列的光通信接口；光環(huán)形器的第三接口連接第一光電探測器的光信號輸入端，第一光電探測器的電信號輸出端連接乘法器的一個輸入端，乘法器的第二個輸入端連接DFB頻率調(diào)制驅(qū)動的DFB頻率調(diào)制驅(qū)動信號輸出端，乘法器的信號輸出端連接低通濾波器的輸入端，低通濾波器的輸出端連接第一路數(shù)據(jù)采集卡的輸入端，第一路信號采集卡的輸出端連接信號處理模塊的第一路信號輸入端；

第一光分路器的第二路光輸出端連接第二光分路器的光輸入端，第二光分路器的第一路光輸出端連接第二光電探測器的光信號輸入端，第二光電探測器的電信號輸出端連接第二數(shù)據(jù)采集卡的采集信號輸入端，第二數(shù)據(jù)采集卡的信號輸出端連接信號處理模塊的第二個輸入端，第二光分路器的第二路光輸出端連接光譜儀的光輸入端，光譜儀用于對DFB激光器輸出光波長進行校準。

一種利用上述裝置進行布拉格光纖光柵陣列解調(diào)的方法，其特征在于，它包括如下步驟：

步驟1：DFB頻率調(diào)制驅(qū)動器和溫度控制器對DFB激光器進行頻率調(diào)制和溫度控制，使DFB激光器輸出用于對布拉格光纖光柵中心波長進行掃描的頻率調(diào)制光；

步驟2：DFB激光器輸出的頻率調(diào)制光通過第一光分路器分成兩路；

步驟3：第一光分路器輸出的一路窄帶輸出光通過光環(huán)形器進入作為傳感載體的布拉格光纖光柵陣列中；布拉格光纖光柵陣列反射的窄帶光信號經(jīng)過光環(huán)形器后輸入第一光電探測器，第一光電探測器將反射的窄帶光信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電信號(光柵波長探測電信號，即光柵的反射光強信號)輸入到乘法器的第一個輸入端與DFB頻率調(diào)制驅(qū)動輸出的DFB頻率調(diào)制驅(qū)動信號進行混頻，乘法器的輸出的混頻信號進入低通濾波器，低通濾波器濾除所述混頻信號中的高頻信號得到反映布拉格光纖光柵陣列中各個光柵位置信息的低頻信號；第一路數(shù)據(jù)采集卡采集到反映布拉格光纖光柵陣列中各個光柵位置信息的低頻信號，并將反映布拉格光纖光柵陣列中各個光柵位置信息的低頻信號輸出到信號處理模塊，從而獲取布拉格光纖光柵陣列中各個光柵的位置信息；

第一光分路器輸出的另一路窄帶輸出光作為參考光信號，輸送給第二光分路器，第二光分路器將參考光信號分為兩路，一路參考光信號輸入第二光電探測器，第二光電探測器將參考光信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的參考光的電信號(光強信息)傳輸給第二數(shù)據(jù)采集卡；另一路參考光信號輸入光譜儀，光譜儀對DFB激光器輸出光波長進行校準，第二數(shù)據(jù)采集卡將參考光的電信號輸送給解調(diào)系統(tǒng)；

步驟4：通過溫度控制器調(diào)節(jié)DFB激光器的工作溫度，從而改變DFB激光器輸出光的中心波長，實現(xiàn)波長掃描，通過解調(diào)系統(tǒng)中信號處理模塊的現(xiàn)有解調(diào)算法，利用反映布拉格光纖光柵陣列中各個光柵位置信息的低頻信號計算出DFB激光器輸出的各個波長下布拉格光纖光柵陣列中每個光纖光柵的光強，信號處理模塊利用各個波長下布拉格光纖光柵陣列中每個光柵的光強擬合出布拉格光纖光柵陣列各個光纖光柵的光譜信息。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明通過乘法器進行頻譜搬移，降低信號頻率，大大降低了系統(tǒng)的采樣率和數(shù)據(jù)處理的復雜程度。

2、本發(fā)明通過DFB激光器驅(qū)動實現(xiàn)對輸出光直接進行調(diào)制，通過控制DFB激光器的溫度實現(xiàn)波長掃描，顯著降低了系統(tǒng)的復雜程度和成本。

3、本發(fā)明中光柵的距離和位置信息均在頻域內(nèi)完成(系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理采用快速傅里葉變換)，提高了整個系統(tǒng)的信噪比。

本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)長距離、分布式、大容量全同布拉格光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的波長解調(diào)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中信號頻率變化圖；

其中，a為發(fā)射信號與回波信號頻率圖，b為差頻信號頻率變化圖；

圖3為不同溫度下系統(tǒng)解調(diào)的光纖光柵的光譜圖；

其中，1—DFB頻率調(diào)制驅(qū)動器、2—溫度控制器、3—DFB激光器、4—第一光分路器、5—光環(huán)形器、6—布拉格光纖光柵陣列、7—第一光電探測器、8—乘法器、9—低通濾波器、10—第一路數(shù)據(jù)采集卡、11—第二個光分路器、12—第二個光電探測器、13—第二路數(shù)據(jù)采集卡、14—光譜儀、15—信號處理模塊。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明：

如圖1所示的基于非相干頻域反射的布拉格光纖光柵陣列解調(diào)裝置，它包括DFB頻率調(diào)制驅(qū)動器1、溫度控制器2、DFB激光器3、第一光分路器4、光環(huán)形器5、布拉格光纖光柵陣列6、第一光電探測器7、乘法器8、低通濾波器9、第一路數(shù)據(jù)采集卡10、第二個光分路器11、第二個光電探測器12、第二路數(shù)據(jù)采集卡13、光譜儀14和信號處理模塊15；

其中，DFB激光器3的頻率調(diào)制驅(qū)動信號輸入端連接DFB頻率調(diào)制驅(qū)動器1的DFB頻率調(diào)制驅(qū)動信號輸出端，DFB激光器3的工作溫度控制信號輸入端連接溫度控制器2的信號輸出端，DFB激光器3的輸出端連接第一光分路器4的光輸入端，第一光分路器4的第一路光輸出端連接光環(huán)形器5的第一接口，光環(huán)形器5的第二接口連接布拉格光纖光柵陣列6的光通信接口；光環(huán)形器5的第三接口連接第一光電探測器7的光信號輸入端，第一光電探測器7的電信號輸出端連接乘法器8的一個輸入端，乘法器8的第二個輸入端連接DFB頻率調(diào)制驅(qū)動1的DFB頻率調(diào)制驅(qū)動信號輸出端，乘法器8的信號輸出端連接低通濾波器9的輸入端，低通濾波器9的輸出端連接第一路數(shù)據(jù)采集卡10的輸入端，第一路信號采集卡10的輸出端連接信號處理模塊15的第一路信號輸入端；

第一光分路器4的第二路光輸出端連接第二光分路器11的光輸入端，第二光分路器11的第一路光輸出端連接第二光電探測器12的光信號輸入端，第二光電探測器12的電信號輸出端連接第二數(shù)據(jù)采集卡13的采集信號輸入端，第二數(shù)據(jù)采集卡13的信號輸出端連接信號處理模塊15的第二個輸入端，第二光分路器11的第二路光輸出端連接光譜儀14的光輸入端，光譜儀14用于對DFB激光器3輸出光波長進行校準。

上述技術(shù)方案中，所述乘法器8、低通濾波器9和信號處理模塊15組成解調(diào)系統(tǒng)，所述乘法器8的兩個輸入端輸入的信號為DFB頻率調(diào)制驅(qū)動信號和第一個光電轉(zhuǎn)換器7轉(zhuǎn)換得到的光柵波長探測電信號，乘法器8輸出端連接低通濾波器9的輸入端，低通濾波器9的輸出端連接第一路數(shù)據(jù)采集卡10的輸入端；

所述乘法器8用于將光柵波長探測電信號和DFB頻率調(diào)制驅(qū)動信號相乘得到混頻信號；低通濾波器9用于濾除所述混頻信號中的高頻信號得到反映布拉格光纖光柵陣列6中各個光柵位置信息的低頻信號；信號處理模塊15用于計算出DFB激光器3輸出的各個波長下布拉格光纖光柵陣列6中每個光纖光柵的光強，并利用各個波長下布拉格光纖光柵陣列6中每個光柵的光強擬合出布拉格光纖光柵陣列6各個光纖光柵的光譜信息。

上述技術(shù)方案中，所述布拉格光纖光柵陣列6的光反射率范圍為0.1～1％。該反射率為弱反射率，能夠大大提高解調(diào)系統(tǒng)的復用容量。布拉格光纖光柵陣列6包括n個串聯(lián)的間距為ΔL，且中心波長相同的弱反射光纖光柵，頻率調(diào)制光進入n個光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生反射光。

上述技術(shù)方案中，光譜儀13用于DFB激光器3輸出光波長校準，參考通道，用于修正DFB激光器在不同溫度下輸出光強的非線性。

上述技術(shù)方案中，所述布拉格光纖光柵陣列6的中心波長隨所受溫度、應(yīng)力這些外界參量改變而變化，通過測量布拉格光纖光柵陣列6中各個布拉格光纖光柵的中心波長變化，來獲取外界參量的變化值。

上述技術(shù)方案中，所述DFB激光器3輸出激光的波長掃描范圍為5nm～10nm。具體的輸出激光波長通過溫度控制器2進行調(diào)制。

上述技術(shù)方案中，所述DFB頻率調(diào)制驅(qū)動器1為壓控振蕩模塊(VCO，voltage-controlled oscillator)或直接數(shù)字式頻率合成器(DDS，Direct Digital Synthesizer)。壓控振蕩模塊或直接數(shù)字式頻率合成器用于產(chǎn)生頻率調(diào)制信號驅(qū)動DFB激光器3。

上述技術(shù)方案中，DFB頻率調(diào)制驅(qū)動器1、溫度控制器2和DFB激光器3構(gòu)成波長掃描頻率調(diào)制光源模塊，該模塊用于產(chǎn)生中心波長可變的頻率調(diào)制光。圖2(a)為DFB激光器3的驅(qū)動信號，該信號由壓控振蕩模塊產(chǎn)生，是一個線性頻率調(diào)制波，驅(qū)動信號的頻率為：f_T(t)＝f₀+Bt/T,0≤t＜T，其中f₀為信號的初始頻率，B為頻率掃描寬度，T為頻率掃描周期，t表示在一個掃頻周期內(nèi)的時間變量。

圖2(b)為發(fā)射信號的頻率和光柵反射光經(jīng)過光電探測器后信號頻率之間的關(guān)系。從圖中可以看出兩個信號頻率存在一定的頻率差，經(jīng)過乘法器12.1混頻和低通濾波器12.2后得到信號為：

信號頻率為：

Δf＝BΔt/T＝2nBl/Tc

由上式可知，信號頻率Δf的大小僅由光柵的位置l決定，因此可以通過測量信號的頻率來對每個光柵位置進行分離。

上述技術(shù)方案中，第二光分路器9、第二光電探測器10、第二數(shù)據(jù)采集卡11和光譜儀13構(gòu)成參考通道，參考通道主要用于校準DFB激光器3的輸出波長和光強的非線性，進一步提高解調(diào)精度。

一種利用上述裝置進行布拉格光纖光柵陣列解調(diào)的方法，它包括如下步驟：

步驟1：DFB頻率調(diào)制驅(qū)動器1和溫度控制器2對DFB激光器3進行頻率調(diào)制和溫度控制，使DFB激光器3輸出用于對布拉格光纖光柵中心波長進行掃描的頻率調(diào)制光；

步驟2：DFB激光器3輸出的頻率調(diào)制光通過第一光分路器4分成兩路；

步驟3：第一光分路器4輸出的一路窄帶輸出光通過光環(huán)形器5進入作為傳感載體的布拉格光纖光柵陣列6中；布拉格光纖光柵陣列6反射的窄帶光信號經(jīng)過光環(huán)形器5后輸入第一光電探測器7，第一光電探測器7將反射的窄帶光信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電信號輸入到乘法器8的第一個輸入端與DFB頻率調(diào)制驅(qū)動9輸出的DFB頻率調(diào)制驅(qū)動信號進行混頻，乘法器8的輸出的混頻信號進入低通濾波器9，低通濾波器9濾除所述混頻信號中的高頻信號(本實施例中為4MHz～200MHz)得到反映布拉格光纖光柵陣列6中各個光柵位置信息的低頻信號(本實施例中為100Hz～100KHz)；第一路數(shù)據(jù)采集卡10采集到反映布拉格光纖光柵陣列6中各個光柵位置信息的低頻信號，并將反映布拉格光纖光柵陣列6中各個光柵位置信息的低頻信號輸出到信號處理模塊15，從而獲取布拉格光纖光柵陣列6中各個光柵的位置信息；

第一光分路器4輸出的另一路窄帶輸出光作為參考光信號，輸送給第二光分路器11，第二光分路器11將參考光信號分為兩路，一路參考光信號輸入第二光電探測器12，第二光電探測器12將參考光信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的參考光的電信號傳輸給第二數(shù)據(jù)采集卡13；另一路參考光信號輸入光譜儀14，光譜儀14對DFB激光器3輸出光波長進行校準，第二數(shù)據(jù)采集卡13將參考光的電信號輸送給解調(diào)系統(tǒng)15；

步驟4：通過溫度控制器2調(diào)節(jié)DFB激光器3的工作溫度，從而改變DFB激光器3輸出光的中心波長，實現(xiàn)波長掃描，通過解調(diào)系統(tǒng)中信號處理模塊15的現(xiàn)有解調(diào)算法，利用反映布拉格光纖光柵陣列6中各個光柵位置信息的低頻信號計算出DFB激光器3輸出的各個波長下布拉格光纖光柵陣列6中每個光纖光柵的光強，信號處理模塊15利用各個波長下布拉格光纖光柵陣列6中每個光柵的光強擬合出布拉格光纖光柵陣列6各個光纖光柵的光譜信息。

上述技術(shù)方案中，信號處理模塊15通過布拉格光纖光柵陣列6各個光纖光柵的光譜信息得到布拉格光纖光柵陣列6各個光纖光柵的中心波長。

上述技術(shù)方案的步驟4中，對反映布拉格光纖光柵陣列6中各個光柵位置信息的低頻信號進行快速傅里葉變換，得到信號的頻譜，并根據(jù)l＝ΔfTc/2nB計算出光柵位置的距離，其中，Δf為傅里葉變換后信號的頻率，T為調(diào)頻周期，c為光速，n為光纖折射率，B為掃頻寬度。

上述技術(shù)方案中，所述的布拉格光纖光柵陣列6應(yīng)用在準分布式的光纖傳感測量，當頻率調(diào)制光入射到達反射光纖光柵時，與光纖光柵的中心波長一致的光被光纖光柵反射回來。由于不同位置的光纖光柵反射回來的時間差不相同，經(jīng)過光電探測器和乘法器與參考信號進行混頻后，得到的信號的頻率不同，從而實現(xiàn)對各個光柵的位置分離。通過控制DFB激光器3的工作溫度實現(xiàn)輸出光波長掃描，得到各個光纖光柵的光譜，分析中心波長的變化情況，就可以實現(xiàn)布拉格光纖光柵陣列6中每個光柵的傳感功能。

圖3為控制DFB激光器3的溫度進行波長掃描，各個波長下各個光柵的反射光強不同，當DFB激光器3輸出波長接近光纖光柵的中心波長時，光纖光柵的反射光最強，當DFB激光器3的輸出波長偏離光纖光柵的中心波長時，光纖光柵的反射光變?nèi)?，通過掃描得到光纖光柵的光譜圖，通過高斯擬合得到光柵的中心波長。當溫度、應(yīng)力等外界參數(shù)發(fā)生變化時，光纖光柵的中心波長發(fā)生偏移，根據(jù)光纖光柵中心波長和外界參量之間的關(guān)系，實現(xiàn)對外界參量的測量。

本說明書未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。