基于帶校正的雙耦合結構單模錯位光纖測量溫度的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于單模錯位光纖測溫技術領域，具體涉及一種基于帶校正的雙耦合結構 單模錯位光纖測量溫度的方法。
【背景技術】
[0002] 目前基于干涉理論的光纖傳感器的研究已取得多項研究成果，但也存在許多亟待 解決的問題。由于輸出信號會受到光纖傳輸損耗、接續(xù)損耗、光纖震動和多重外界環(huán)境等影 響，將嚴重引起光信號衰減的無規(guī)律性。雙光束干涉型光纖傳感器、多模干涉光纖傳感器和 數(shù)字式干涉型光纖傳感器等在測溫領域得到逐步應用，但也存在許多不足之處，如對光源、 光纖的性能要求嚴格、光路和信號處理系統(tǒng)復雜，需要考慮多種因素。由于干涉的復雜性， 傳感器探測到的信號很弱，溫度分辨率不高，穩(wěn)定性較差，這些都導致成本增加且對溫度傳 感器系統(tǒng)的研究沒有保障。

【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明解決的技術問題是提供了一種基于帶校正的雙耦合結構單模錯位光纖測 量溫度的方法，該方法通過錯位光纖結構，干涉的光信號經(jīng)過耦合器產(chǎn)生特定波長的激光， 然后通過分析不同溫度下相應的輸出激光波長來研究溫度傳感系統(tǒng)的性能，雙耦合結構分 辨率高，性能穩(wěn)定且靈敏度高，另外在錯位光纖單耦合部分的輸出還增加了干涉數(shù)據(jù)的校 正算法處理功能，使得測溫結果得到校準，進一步提高了測溫的精度和準確度。
[0004] 本發(fā)明為解決上述技術問題采用如下技術方案，基于帶校正的雙耦合結構單模 錯位光纖測量溫度的方法，其特征在于具體步驟為：980nm栗浦光源發(fā)出的光信號依次通 過980/1550nm波分復用器、多IM單模摻鉺光纖環(huán)、光學隔離器和錯位光纖，光信號在光纖 中沿著纖芯傳播，當光信號通過錯位光纖熔接處時開始分解，其中一部分光信號進入包層 形成包層模，另一部分光信號進入纖芯形成纖芯模，光信號在光纖中傳輸一段距離后包層 模和纖芯模再次耦合進入同一根光纖中，兩種模式光信號在纖芯發(fā)生干涉；然后光信號經(jīng) 過第一光纖耦合器后一部分光信號直接輸出，經(jīng)X型光開關后通過光譜分析儀、光電轉換 器、DSP和不波器進行觀察分析，作為參考量，另一部分光信號經(jīng)過由第一光纖親合器和第 二光纖耦合器組成的光纖環(huán)形器并選擇性輸出光信號，輸出的光信號經(jīng)過第三光纖耦合器 后其中一部分光信號經(jīng)X型光開關后通過光譜分析儀、光電轉換器、DSP和示波器觀察，分 析相應激光波長進而研究該溫度系統(tǒng)的規(guī)律并作為實驗量，另一部分光信號通過光纖進入 980/1550nm波分復用器形成反饋，當光信號再次通過錯位光纖熔接處時再次發(fā)生干涉現(xiàn) 象，而耦合器因錯位光纖處溫度不變選出的激光波長不變，若錯位光纖溫度改變，則經(jīng)耦合 器選擇得到的激光波長也發(fā)生相應的改變；設定不同的溫度，一方面由光譜分析儀采集輸 出激光波長的偏移，并對相應輸出的激光信號參數(shù)采集和存儲，另一方面由干涉輸出得到 校正值對激光波長測量值進行校正，最后根據(jù)對應不同溫度情況下所采集的相應輸出激光 的波長參數(shù)得到波長-溫度曲線并校正，進而實現(xiàn)對未知溫度的精確測量。
[0005] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點： (1) 單模光纖避免了模式色散、模式噪聲以及多模光纖傳輸時附帶的許多其他效應； (2) 雙耦合結構簡單、制作成本低，與系統(tǒng)兼容性強，偏振相關損耗小，組成濾波器的兩 個耦合器分光比和干涉臂長差取一定值時，可得到輸出波形通道平坦的波長交錯濾波器的 功能，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性(波長交錯濾波器和梳狀濾波器類似）； (3) 常溫時錯位光纖干涉輸出加入校正算法，提高了測量準確度和精度； (4) 結構更緊湊、小巧簡單、不易受外界干擾、功耗低、造價低廉，靈敏度高； (5) 測量過程簡化，可以進行連續(xù)分布測量，方便迅速，便于復用。
【附圖說明】
[0006] 圖1是本發(fā)明的光路原理圖。
[0007] 圖面說明：l、980nm栗浦光源，2、980/1550nm波分復用器，3、摻鉺光纖環(huán)，4、光學 隔離器，5、錯位光纖，6、第一光纖親合器（90:10)，7、第二光纖親合器（90:10)，8、第三光纖 耦合器（90:10)，9、X型光開關，10、光譜分析儀，11、光電轉換器，12、DSP，13、示波器，14、光 纖。
【具體實施方式】
[0008] 以下通過實施例對本發(fā)明的上述內容做進一步詳細說明，但不應該將此理解為本 發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實施例，凡基于本發(fā)明上述內容實現(xiàn)的技術均屬于本發(fā) 明的范圍。
[0009] 基于帶校正的雙耦合結構單模錯位光纖測量溫度的方法，基于光的干涉理論， 980nm栗浦光源1發(fā)出的光信號沿光線傳輸方向依次經(jīng)過980/1550nm波分復用器2(WDM)、 多匝單模摻鉺光纖環(huán)3、光學隔離器4和單模錯位光纖5結構，之后經(jīng)過第一光纖耦合器6 一部分直接輸出，經(jīng)X型光開關9通過光譜分析儀10、光電轉換器11、DSP 12和示波器13 進行觀察、分析，作為參考量，另一部分經(jīng)過第一光纖耦合器6和第二光纖耦合器7組成的 光纖環(huán)形器選擇輸出，再經(jīng)過第三光纖耦合器8, 一路經(jīng)X型光開關9通過光譜分析儀10、 光電轉換器11、DSP 12和示波器13觀察，分析相應激光波長來研究該測溫系統(tǒng)的規(guī)律，作 為實驗量，另一路經(jīng)過光纖14進入980/1550波分復用器2形成反饋。
[0010] 光束在光纖中沿著纖芯傳輸，當光信號通過錯位熔接處時開始分解，其一部分光 信號進入包層形成包層模，另一部分光信號進入纖芯形成纖芯模，光信號在光纖中傳輸一 段距離后，包層模和纖芯模再次耦合進入同一根光纖中，兩種模式光束在纖芯發(fā)生干涉。此 時纖芯中有多種不同波長的光信號，經(jīng)雙耦合器組成的具有選擇特定波長的濾波系統(tǒng)輸出 激光。我們采用的光纖環(huán)長為L，并且采用了兩個相同的光纖耦合器。
[0011] 我們假設1:和12為單模中纖芯模的光強和包層主要模的光強，則干涉信號強度可 以表示為： I.韋~:齡餐:_ (1) 其c
^光纖的相差，是有效折射率差，L是錯位光纖 有效干涉區(qū)域長度，I是工作波長。當相差滿足干涉條件(m是整數(shù)）時， 相應的波長變化可以表示為：
(2) 根據(jù)公式（2)可知，在兩個干涉最小值之間的自由光譜范圍可以近似表示為：
(3) 公式（3)表明，自由光譜范圍與有效折射率和錯位光纖有效長度有關，波長最低點的變 化可以表示為：
其中I:為熱膨脹系數(shù)，ε:為熱光系數(shù)。
[0012] 測溫系統(tǒng)增加了光開關，分別選擇錯位光纖的干涉校正輸出（校正量）和激光測溫 輸出（實驗量)同時測量。因為干涉輸出隨溫度變化更小，所以選擇干涉輸出為校正輸出。校 正輸出是將干涉輸出經(jīng)光電轉換后，由加入校正算法的數(shù)字信號處理器來實現(xiàn)測量精度、 準確度的校準，這對實現(xiàn)精確溫度傳感系統(tǒng)的研究更切合實際。當溫度改變，光譜儀觀察輸 出激光波長(實驗量）發(fā)生偏移，對相應輸出的激光信號參數(shù)進行采集和存儲。然后由同時 測量的干涉校正輸出對激光輸出進行校正，最后根據(jù)不同溫度和相應的輸出激光的波長參 數(shù)可得到準確的波長-校正溫度曲線。因此，根據(jù)實驗結果可以得到經(jīng)過雙耦合器激光結 構的輸出波長差及各個系數(shù)，進而可以測量出溫度值。
[0013] 以上實施例描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點，本行業(yè)的技術人員應該 了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原 理，在不脫離本發(fā)明原理的范圍下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進均落入 本發(fā)明保護的范圍內。
【主權項】
1.基于帶校正的雙耦合結構單模錯位光纖測量溫度的方法，其特征在于具體步驟為： 980nm栗浦光源發(fā)出的光信號依次通過980/1550nm波分復用器、多匝單模摻鉺光纖環(huán)、光 學隔離器和錯位光纖，光信號在光纖中沿著纖芯傳播，當光信號通過錯位光纖熔接處時開 始分解，其中一部分光信號進入包層形成包層模，另一部分光信號進入纖芯形成纖芯模，光 信號在光纖中傳輸一段距離后包層模和纖芯模再次耦合進入同一根光纖中，兩種模式光信 號在纖芯發(fā)生干涉；然后光信號經(jīng)過第一光纖耦合器后一部分光信號直接輸出，經(jīng)X型光 開關后通過光譜分析儀、光電轉換器、DSP和示波器進行觀察分析，作為參考量，另一部分 光信號經(jīng)過由第一光纖耦合器和第二光纖耦合器組成的光纖環(huán)形器并選擇性輸出光信號， 輸出的光信號經(jīng)過第三光纖耦合器后其中一部分光信號經(jīng)X型光開關后通過光譜分析儀、 光電轉換器、DSP和示波器觀察，分析相應激光波長進而研究該溫度系統(tǒng)的規(guī)律并作為實 驗量，另一部分光信號通過光纖進入980/1550nm波分復用器形成反饋，當光信號再次通過 錯位光纖熔接處時再次發(fā)生干涉現(xiàn)象，而耦合器因錯位光纖處溫度不變選出的激光波長不 變，若錯位光纖溫度改變，則經(jīng)耦合器選擇得到的激光波長也發(fā)生相應的改變；設定不同的 溫度，一方面由光譜分析儀采集輸出激光波長的偏移，并對相應輸出的激光信號參數(shù)采集 和存儲，另一方面由干涉輸出得到校正值對激光波長測量值進行校正，最后根據(jù)對應不同 溫度情況下所采集的相應輸出激光的波長參數(shù)得到波長-溫度曲線并校正，進而實現(xiàn)對未 知溫度的精確測量。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于帶校正的雙耦合結構單模錯位光纖測量溫度的方法，該方法通過錯位光纖結構，干涉的光信號經(jīng)過耦合器產(chǎn)生特定波長的激光，然后通過分析不同溫度下相應的輸出激光波長來研究溫度傳感系統(tǒng)的性能，雙耦合結構分辨率高，性能穩(wěn)定且靈敏度高，另外在錯位光纖單耦合部分的輸出還增加了干涉數(shù)據(jù)的校正算法處理功能，使得測溫結果得到校準，進一步提高了測溫的精度和準確度。
【IPC分類】G01K11/32
【公開號】CN105092085
【申請?zhí)枴緾N201510554469
【發(fā)明人】王芳, 楊琳琳, 王旭, 于坤, 郭彩霞, 劉玉芳, 李蕾
【申請人】河南師范大學
【公開日】2015年11月25日
【申請日】2015年9月1日