[发明专利]一种基于周期调制的光纤光栅布拉格谐振波长确定方法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，特别涉及一种基于周期调制的光纤光栅布拉格谐振波长的精确确定方法。

背景技术

光纤光栅(FBG)传感器因其体积小、重量轻、抗电磁干扰能力强并且易于调制等优点而被广泛应用于众多领域。光纤光栅传感器的解调采用的是波长编码，使得光纤光栅的解调不受光源光强以及其他器具带来损耗的波动，成为应用最广泛的解调技术。FBG通过解调波长信息得到温度、振动、动静应变等参数的改变。常见的解调方法有：光谱法、边缘滤波法、干涉法、可调谐窄带光源法、可调谐F-P滤波法。其中光谱法在信噪比和光功率等方面测试结果理想，但是波长的分辨率比较低，并且一些高精度的光谱仪，价格昂贵，体积庞大，不能满足实际工程的需要。边缘滤波法虽然系统结构和信号处理简单，但由于其本质为光强滤波的形式，且滤波器的线性滤波特性只是近似的，光源光谱的波动等变化会引入误差。干涉法虽然测量分辨率高、灵敏度好、适用于测量动态应变，但是解调范围比较小。可调谐窄带滤波法不适合在高低温环境中工作。可调谐F-P滤波法在各领域的应用比较广泛。

但是这些传统的解调方法精确度的提高都受到光谱峰值位置平坦的限制，因此要想大幅度的提高解调精度，重点在于是否通过某种方法重构出一个峰值位置更加尖锐的光谱。

发明内容

为了解决传统的解调方法所遇到的问题，本发明提出了一种基于周期调制的光纤光栅布拉格谐振波长确定方法，并不是直接对原始的光谱进行解调，而是对悬臂梁施加周期性的振动，获得周期性变化的光谱，重构出一个与之前的反射光谱具有相同的中心波长的光谱，利用曲线的极值点与一阶导数为零的点是对应的原理，直接求重构的光谱曲线的一阶导数为零的位置，最终提高了解调的精度。

本发明的一种基于周期调制的光纤光栅布拉格谐振波长确定方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、借由周期性的振动激励悬臂梁，使得固定在悬臂梁上的光纤光栅感受到周期性变化的应变，高速采集卡采集振动过程中的光谱的原始数据信息，并且通过标准具的标定将原始光谱数据的横坐标由采样点转换为波长，得到周期性变化的光谱；

步骤2、记录每一个波长点处各点的光强值随调制时间的变化曲线，并对此曲线进行傅立叶变换，求出其中的二倍频分量强度与基频分量强度之比值其中E(f)和E(2f)分别代表傅立叶变换后的一倍频分量和二倍频分量的强度值；

步骤3、在同一个曲线上，利用步骤2中各波长点处二倍频分量强度与基频分量强度之比值的重构出半高宽度变窄的光谱，做出原始的反射光谱，并保证这两条曲线具有相同的极大值；

步骤4、直接对重构的光谱进行解调，得到原来光谱的极值点的位置；获得光纤光栅反射谱的峰值点的位置，实现对光纤光栅的高精度解调；

而周期调制的光纤光栅布拉格谐振波长确定方法，可以。我们

与现有技术相比，本发明具有以下效果：

1、相比于普通的解调方法，本发明利用对悬臂梁施加周期性的应变实现FBG反射光谱的周期性移动，通过分析每一个波长点处光强随着调制光谱的变化，最终重构出半高宽度更窄的光谱，可以进一步提高解调精度；

2、本发明方法的推导以高斯分布的宽带光源为基础，但是同样适用于其他分布的宽带光源；

3、本发明可以用于利用曲线极值点进行传感，并且该极值点受调制的装置；

4、本发明中涉及的解调方法可以用来测量低频振动的振幅。

附图说明

图1为本发明的一种基于周期调制的光纤光栅布拉格谐振波长确定方法整体流程图；

图2为获得周期性FBG反射光谱的解调装置示意图；

图3为通过图1的装置进行数据采集并经过处理得到的周期性变化的光谱图；

图4为部分位置处的光强随时间变化曲线图；

图5为通过周期性调制而获得的重构的半高宽度比较窄的光谱图；

图6为未经调制的光谱图与调制后得到的光谱图；

图7为极值点位置变化曲线图；

图8为考察点强度变化曲线图。

附图标记：

1、信号发生器，2、功率放大器，3、激振器，4、粘有FBG的悬臂架，5、F-P标准具，6、980泵浦源头，7、FFP-TF，8、波分复用器WDM，9、掺铒光纤，10、环形器，11、陷波滤波器，12、光电探测器，13、光纤光栅FBG，14、扫描驱动器，15、光电探测电路，16、数据采集处理器，17、耦合器。

具体实施方式