專利名稱：光纖傳感器的通用、高速波導(dǎo)波長(zhǎng)掃描解調(diào)方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感領(lǐng)域與民用基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的交叉領(lǐng)域，具體涉及一種光纖傳感器的通用、高速波導(dǎo)波長(zhǎng)掃描解調(diào)方法及裝置。
背景技術(shù)：
與其他傳感器相比，光纖傳感器具有體積小、重量輕、柔韌性好，耐腐蝕、防水、抗電磁干擾，且易于與通訊網(wǎng)互聯(lián)等優(yōu)點(diǎn)，是一種先進(jìn)的傳感器。近年來(lái)以光纖法珀傳感器、光纖光柵傳感器為代表的光纖傳感器在橋梁、大壩、電站、公路、隧道等大型民用的狀態(tài)(應(yīng)變、溫度、振動(dòng)等)監(jiān)測(cè)中得到應(yīng)用和推廣。特別是在基礎(chǔ)設(shè)施的長(zhǎng)期在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)中，光纖傳感逐漸開(kāi)始扮演重要角色，大有取代傳統(tǒng)的傳感器的趨勢(shì)?？紤]到解調(diào)的精度及其穩(wěn)定性，目前通常用“光譜法”對(duì)光纖傳感器進(jìn)行解調(diào)，該方法的核心是獲得光纖傳感器的輸出信號(hào)的光譜圖，并通過(guò)提取其波長(zhǎng)分布的特征，得到相應(yīng)的被測(cè)物理量的信息。其中對(duì)于光纖法珀傳感器，主要采用光譜儀來(lái)獲得光譜圖并解調(diào)，而對(duì)于光纖光柵傳感器則采用基于壓電掃描裝置可調(diào)諧光學(xué)濾波器來(lái)解調(diào)。這些方法分別存在如下問(wèn)題1、采用光譜儀作為光譜獲取部件這種方法的核心為光譜儀，它通常用光學(xué)系統(tǒng)(光柵、棱鏡等)把光譜分開(kāi)，并利用CCD或CMOS等陣列探測(cè)器采集讀出光譜信號(hào)；由于原理的限制體，光譜儀的體積通常較大、價(jià)格貴、且讀出速度慢(通常采樣頻率在幾十Hz左右)。首先價(jià)格和體積問(wèn)題限制其在工程上的推廣應(yīng)用；另外，速度慢的缺點(diǎn)使它只適用于靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)的測(cè)量，不能勝任動(dòng)態(tài)測(cè)量。
2、采用基于壓電掃描可調(diào)諧光學(xué)濾波器這種解調(diào)方法的核心是一個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)可調(diào)諧的光纖法珀濾波器。給壓電陶瓷加上周期性掃描的電壓信號(hào)后，壓電陶瓷產(chǎn)生周期性的機(jī)械變型，導(dǎo)致光纖法珀濾波器慮出的波長(zhǎng)產(chǎn)生周期性的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)光譜的掃描。采用這種解調(diào)方法，的缺點(diǎn)為1)掃描是一種機(jī)械運(yùn)動(dòng)，其速度受壓電陶瓷元件自身響應(yīng)頻率的限制，只能測(cè)量幾百赫茲的信號(hào)，不能測(cè)量更高頻率的信號(hào)(1KHz以上)；2)壓電元件具有的遲滯、漂移、線性不好等缺點(diǎn)，也大大影響了這種解調(diào)方法的測(cè)量精度、線性度和測(cè)量重復(fù)性；3)工作中，可調(diào)諧濾波器實(shí)際上是在壓電元件驅(qū)動(dòng)下的一種機(jī)械運(yùn)動(dòng)，壓電元件與濾波器之間的粘接容易疲勞破壞，影響儀器的使用壽命；4)為了獲得高分辨力，光纖法珀濾波器的光纖端面需要鍍高反膜，這種工藝難度大，重復(fù)性差。
3、不具備通用性解調(diào)光纖光柵和光纖法珀兩種傳感器需要的光譜分辨力、光譜范圍、采樣頻率都有所不同。受硬件限制，上述兩種解調(diào)方法無(wú)法根據(jù)傳感器的特點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)適應(yīng)，因而通用性差。對(duì)于既需要高精度光纖法珀傳感器又需要高速的光纖光柵傳感器的測(cè)量場(chǎng)合則需要用兩套測(cè)量?jī)x系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了測(cè)量的成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的正式為了避免上述已有技術(shù)的不足而設(shè)計(jì)的一種光纖傳感器的通用、高速波導(dǎo)波長(zhǎng)掃描解調(diào)方法。
本發(fā)明的目的是采用下述方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的光纖傳感器的通用、高速波導(dǎo)波長(zhǎng)掃描解調(diào)方法的核心是一個(gè)可調(diào)諧波導(dǎo)濾波器。其基本步驟如下首先，光源發(fā)光經(jīng)過(guò)光纖光路入射到傳感器上，傳感器的反射信號(hào)再次經(jīng)過(guò)光纖光路入射到可調(diào)諧波導(dǎo)濾波器上；然后給可調(diào)諧波導(dǎo)濾波器加上周期性掃描的電壓信號(hào)，導(dǎo)致反射波長(zhǎng)的周期性變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)光譜的掃描；可調(diào)諧波導(dǎo)濾波器的反射光又一次經(jīng)過(guò)光纖光路進(jìn)入探測(cè)及信號(hào)處理器，光信號(hào)被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，進(jìn)行處理后恢復(fù)成光譜圖；最后用數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)光譜圖進(jìn)行分析，獲得被測(cè)物理量的值，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖傳感器解調(diào)。
上述方法中，可調(diào)諧波導(dǎo)濾波器初始反射波長(zhǎng)、帶寬、反射率等參數(shù)根據(jù)所述解調(diào)裝置的光源波長(zhǎng)、解調(diào)精度要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的；可調(diào)諧波導(dǎo)濾波波長(zhǎng)掃描范圍、掃描頻率等參數(shù)通過(guò)改變可調(diào)諧波導(dǎo)濾波器中的調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)電信號(hào)的幅值和頻率進(jìn)行控制。
實(shí)現(xiàn)上述方法是本發(fā)明設(shè)計(jì)的一個(gè)通用、高速波導(dǎo)波長(zhǎng)掃描解調(diào)裝置，它由光源、光纖光路、可調(diào)諧波導(dǎo)濾波器和具有智能識(shí)別功能的探測(cè)及信號(hào)處理器四部分構(gòu)成，光源、可調(diào)諧波導(dǎo)濾波器、探測(cè)及信號(hào)處理器分別通過(guò)光纖光路的三個(gè)端口與光纖光路連接，光纖光路另一個(gè)端口作為儀器的光輸出/輸入端口，與外界光纖傳感器相連。
上述裝置的核心部分可調(diào)諧波導(dǎo)濾波器是由集成在一片電光晶體上的單模光波導(dǎo)、布拉格光柵、調(diào)制器等三個(gè)元件構(gòu)成。其中單模光波導(dǎo)的作用是便于該濾波器與外界光纖光路的耦合連接；布拉格光柵的則用作一個(gè)窄帶的選擇性反射濾波器，其反射的波長(zhǎng)λB與光柵周期Λ、波導(dǎo)等效折射率neff之間滿足如下公式λB＝2neffΛ因此，如果周期或折射率發(fā)生改變，其反射的波長(zhǎng)也會(huì)改變；與前面描述的基于壓電掃描的濾波器相似，利用它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光譜的掃描。為了避免用機(jī)械運(yùn)動(dòng)改變光柵周期Λ，本發(fā)明在布拉格光柵的兩邊設(shè)計(jì)了平行于該光柵的調(diào)制器；利用電光晶體的特點(diǎn)，在調(diào)制器兩電極加上合適電壓信號(hào)，上述布拉格光柵的等效折射率neff將發(fā)生變化，進(jìn)而引起反射波長(zhǎng)的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)光譜的掃描。
采用以上方法的優(yōu)點(diǎn)如下
1、可調(diào)諧波導(dǎo)濾波器實(shí)際上是利用電光晶體的特性進(jìn)行光譜掃描，工作中無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，可以避免疲勞引起的元件損壞，因此可靠性和壽命大大提高。
2、解調(diào)速度(采樣頻率)由調(diào)制器的工作速度決定。電光調(diào)制器的工作速度通常可以到GHz以上的數(shù)量級(jí)，如果采用行波調(diào)制的方法，工作速度甚至可以達(dá)到更高；因此只要配合相應(yīng)的高速信號(hào)處理器，這種解調(diào)方法的采樣頻率可以比前面描述的兩種現(xiàn)有方法要高的多。
3、在合適的工作情況下，電光晶體的對(duì)電信號(hào)響應(yīng)的線性和重復(fù)性都非常好，線性及重復(fù)性比基于壓電掃描光學(xué)濾波大大提高。
4、集成光學(xué)工藝相對(duì)成熟，制作上述可調(diào)諧波導(dǎo)濾波器質(zhì)量容易保證，且加工出來(lái)的器件的一致性好。
5、改變加在調(diào)制器上電壓信號(hào)的幅值和頻率，可以控制可調(diào)諧波導(dǎo)濾波器的掃描的范圍和采樣頻率；這樣系統(tǒng)可以根據(jù)光纖法珀或光纖光柵傳感器的解調(diào)要求進(jìn)行自動(dòng)適應(yīng)，因此其通性大大提高；特別是在多種光纖傳感器的測(cè)量系統(tǒng)中使用更加方便。
6、由于系統(tǒng)中避免了采用光譜儀作為光譜獲取件，因此成本大大下降。
因此，本發(fā)明綜合現(xiàn)有光纖傳感器解調(diào)方法的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)其不足，具有高速、長(zhǎng)壽命、高可靠性、高精度、高通用性等優(yōu)點(diǎn)。


圖1本發(fā)明一種實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)2本實(shí)施方案中的可調(diào)諧波導(dǎo)濾波器具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述參見(jiàn)附圖1，光纖傳感器的通用、高速波導(dǎo)波長(zhǎng)掃描解調(diào)裝置由寬帶超輻射發(fā)光(SLD)光源1、光纖光路2、可調(diào)諧波導(dǎo)濾波器3、探測(cè)及信號(hào)處理器4等四部分構(gòu)成。光纖光路2由兩個(gè)Y型單模光纖分束器構(gòu)成；它的三個(gè)端口分別與SLD光源1、可調(diào)諧波導(dǎo)濾波器3、探測(cè)及信號(hào)處理器4連接；另一個(gè)端口作為儀器的光輸出/輸入端口，與外界光纖傳感器5相連。參見(jiàn)圖2，可調(diào)諧波導(dǎo)濾波器3由集成在一片鈮酸鋰晶體上的單模光波導(dǎo)9、調(diào)制器10、布拉格光柵11等三個(gè)元件構(gòu)成；其中單模光波導(dǎo)與光纖光路2的一個(gè)端口連接，布拉格光柵的周期和長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際工作波長(zhǎng)、帶寬和反射率的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。信號(hào)探測(cè)處理器包含高靈敏度光電二極管6、A/D轉(zhuǎn)換電路7和高速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)8。
工作時(shí)，把傳感器5接到解調(diào)裝置上；光源1發(fā)光經(jīng)過(guò)光纖光路2入射到傳感器5上；傳感器的反射信號(hào)再次經(jīng)過(guò)光纖光路2入射到可調(diào)諧波導(dǎo)濾波器3上，經(jīng)可調(diào)諧波導(dǎo)濾波器3濾波以后的反射光又一次經(jīng)過(guò)光纖光路2，進(jìn)入探測(cè)及信號(hào)處理器4中。具體而言，傳感器的反射光是通過(guò)單模光波導(dǎo)9耦合到布拉格光柵11中，光柵的反射光又通過(guò)波導(dǎo)9、光纖光路2入射到光電二極管6上。在調(diào)制器10兩電極加上周期變化電壓信號(hào)，布拉格光柵11的等效折射率neff將發(fā)生周期性變化，進(jìn)而引起反射波長(zhǎng)的周期變化、實(shí)現(xiàn)對(duì)光譜的掃描。光電二極管6把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路7以后進(jìn)入高速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)8；DSP8把掃描的電信號(hào)恢復(fù)成光譜圖，并利用智能識(shí)別技術(shù)，根據(jù)信號(hào)幅值和波形的特點(diǎn)判斷接入的傳感器5是光纖法珀傳感器、光纖光柵傳感器、或是光纖光柵和光纖法珀混合型傳感器，并改變調(diào)制信號(hào)的幅值和頻率，進(jìn)而改變可調(diào)諧波導(dǎo)濾波器3得掃描范圍和頻率，自動(dòng)適應(yīng)傳感器；同時(shí)調(diào)用相應(yīng)的信號(hào)處理模塊計(jì)算，獲得被測(cè)物理量的信息。
這樣采用本發(fā)明的思路，可實(shí)現(xiàn)多種光纖傳感器的通用、高速解調(diào)。
盡管本發(fā)明主要針對(duì)光纖法珀和光纖光柵傳感器解調(diào)設(shè)計(jì)，然而本發(fā)明的應(yīng)用并不限于這兩種光纖傳感器，可以推廣到其他需要利用光譜法解調(diào)的其他類型光纖傳感器。另外，盡管本發(fā)明實(shí)施方式中采用鈮酸鋰晶體制作可調(diào)諧濾波器，采用了獨(dú)立的光纖光路，采用DSP作信號(hào)處理器；仍然可以利用其它電光晶體制作可調(diào)諧濾波器，可以利用集成光學(xué)工藝把光纖光路(Y分束器)和可調(diào)諧濾波器直接集成在同一塊電光晶體上，可以利用高速單片機(jī)或PC計(jì)算機(jī)作信號(hào)處理器，從而實(shí)現(xiàn)本發(fā)明而不背離權(quán)利要求書(shū)中所定義的本發(fā)明實(shí)質(zhì)和范圍。
權(quán)利要求
1.光纖傳感器的通用、高速波導(dǎo)波長(zhǎng)掃描解調(diào)方法，其特征在于它以可調(diào)諧波導(dǎo)濾波器為實(shí)現(xiàn)高速光譜掃描的核心首先，光源發(fā)光經(jīng)過(guò)光纖光路入射到傳感器上，傳感器的反射信號(hào)再次經(jīng)過(guò)光纖光路入射到可調(diào)諧波導(dǎo)濾波器上；然后給可調(diào)諧波導(dǎo)濾波器加上周期性掃描的電壓信號(hào)，導(dǎo)致反射波長(zhǎng)的周期性變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)光譜的掃描；可調(diào)諧波導(dǎo)濾波器的反射光又一次經(jīng)過(guò)光纖光路進(jìn)入探測(cè)及信號(hào)處理器，光信號(hào)被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，進(jìn)行處理后恢復(fù)成光譜圖；最后用數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)光譜圖進(jìn)行分析，獲得被測(cè)物理量的值，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖傳感器解調(diào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于可調(diào)諧波導(dǎo)濾波器初始反射波長(zhǎng)、帶寬、反射率等參數(shù)根據(jù)所述解調(diào)裝置的光源波長(zhǎng)、解調(diào)精度要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于可調(diào)諧波導(dǎo)濾波波長(zhǎng)掃描范圍、掃描頻率等參數(shù)通過(guò)改變可調(diào)諧波導(dǎo)濾波器中的調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)電信號(hào)的幅值和頻率進(jìn)行控制。
4.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1、2或3所述方法的光纖傳感器的通用、高速波導(dǎo)波長(zhǎng)掃描解調(diào)裝置，其特征在于它由光源、光纖光路、可調(diào)諧波導(dǎo)濾波器和具有智能識(shí)別功能的探測(cè)及信號(hào)處理器四部分構(gòu)成，光源、可調(diào)諧波導(dǎo)濾波器、探測(cè)及信號(hào)處理器分別通過(guò)光纖光路的三個(gè)端口與光纖光路連接，光纖光路另一個(gè)端口作為儀器的光輸出/輸入端口，與外界光纖傳感器相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于可調(diào)諧波導(dǎo)濾波器由集成在一塊電光晶體上的單模光波導(dǎo)、布拉格光柵以及在布拉格光柵兩邊地平行于該光柵的調(diào)制器構(gòu)成，其中單模光波導(dǎo)與光纖光路的一個(gè)端口連接，布拉格光柵的周期和長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際工作波長(zhǎng)、帶寬和反射率的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于光纖光路由兩個(gè)Y型單模光纖分束器構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于可以利用集成光學(xué)工藝把光纖光路和可調(diào)諧濾波器直接集成在同一塊電光晶體上，
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于信號(hào)探測(cè)處理器包含高靈敏度光電二極管17、A/D轉(zhuǎn)換電路18和信號(hào)處理器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于信號(hào)處理器可以是高速數(shù)字信號(hào)處理器DSP、高速單片機(jī)或PC計(jì)算機(jī)，它可以根據(jù)信號(hào)幅值和波形的特點(diǎn)判斷接入的傳感器類型，并改變調(diào)制信號(hào)的幅值和頻率，使可調(diào)諧波導(dǎo)濾波器的工作狀態(tài)自動(dòng)適應(yīng)傳感器。
全文摘要
光纖傳感器的通用、高速波導(dǎo)波長(zhǎng)掃描解調(diào)方法，其核心是通過(guò)給一個(gè)可調(diào)諧波導(dǎo)濾波器加上周期性掃描的電壓信號(hào)，導(dǎo)致反射波長(zhǎng)的周期性變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)光譜的掃描?？烧{(diào)諧波導(dǎo)濾波器初始反射波長(zhǎng)、帶寬、反射率等參數(shù)根據(jù)所述解調(diào)裝置的光源波長(zhǎng)、解調(diào)精度要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，其濾波波長(zhǎng)掃描范圍、掃描頻率等參數(shù)通過(guò)改變調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)電信號(hào)的幅值和頻率進(jìn)行控制。實(shí)現(xiàn)該方法的裝置由光源、光纖光路、可調(diào)諧波導(dǎo)濾波器和具有智能識(shí)別功能的探測(cè)及信號(hào)處理器構(gòu)成，其中可調(diào)諧波導(dǎo)濾波器是由集成在一片電光晶體上的單模光波導(dǎo)、布拉格光柵、調(diào)制器構(gòu)成。本發(fā)明的方法及裝置能夠彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，具有高速、長(zhǎng)壽命、高可靠性、高精度、高通用性等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01D5/26GK1448695SQ0311771
公開(kāi)日2003年10月15日 申請(qǐng)日期2003年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月18日
發(fā)明者朱永, 陳偉民, 符欲梅 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)