[发明专利]基于色散马赫曾德尔干涉的光纤光栅解调装置及方法

说明书

本发明涉及一种基于色散马赫曾德尔干涉的光纤光栅解调装置，它包括宽带光源、窄线宽扫频激光器、第一光开关、光隔离器、半导体光放大器、脉冲数字信号源、光环形器、第二光开关、参考光栅、传感光栅阵列、法拉第旋镜、第一光耦合器、色散补偿光纤、单模光纤、第二光耦合器、光电探测器组、数据采集卡和上位机。本发明将光纤色散效应与传统马赫曾德尔干涉相结合，构建色散马赫曾德尔干涉，利用色散效应引起的光程差来实现相位增敏，通过高速时域光脉冲记录准分布光纤光栅阵列中各光栅的干涉信息，采用多相位解调技术处理时域干涉信号，实现了光纤光栅阵列的灵敏度高速解调，且解调装置具有抗干扰能力强、可实现分布式测量等优点。

技术领域

本发明涉及光纤光栅解调技术领域，具体涉及一种基于色散马赫曾德尔干涉的光纤光栅解调装置及方法。

背景技术

近年来，光纤光栅因具有体积小、耐腐蚀、抗电磁辐射干扰、传输损耗小、重量轻、易于组建大规模分布式传感网络等优点，被广泛应用于铁路、桥梁、航空、工业、军事等领域进行温度、应变、振动、加速度等物理量测量，以及建筑桥梁的结构健康监测。但在超声波探伤、航空发动机旋转监测、气体管道泄漏检测等特殊场合，需进行高速、高灵敏度的信号检测，光纤光栅的应用受制于传统波长解调技术。为使光纤光栅传感技术在上述特殊领域实用化，迫切需要超高灵敏度的光纤光栅高速解调技术与装置。

目前，光纤光栅阵列的解调方法主要有傅里叶锁模(Fourier Domain ModeLocking，FDML)扫频激光法、可调谐法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)滤波器法、匹配光栅解调法、非平衡M-Z干涉解调法、光纤色散效应解调法等等。但此类解调方法应用时存在局限性，难以同时兼顾高速解调与高灵敏度探测的需求。如FDML扫频激光法，采用环状结构激光谐振腔，输出窄带扫频光信号，根据扫频光波长与光栅中心波长重合时，光电探测器接收光强最强实现光纤光栅中心波长解调，但此法扫频激光谐振腔较长，易受外界环境干扰，光栅解调速度受限于光源扫频速率，且解调灵敏度一般；可调谐F-P滤波器法与FDML扫频法类似，其核心为法布里-珀罗滤波器，通过控制电路产生调谐信号驱动压电陶瓷改变F-P腔长，实现光源的光谱调谐，此法同样受限于F-P调谐速率，解调速率一般为几百赫兹到几千赫兹；匹配光栅解调法利用与传感光栅波长相匹配的光纤光栅作为参考，在驱动单元作用下匹配光栅跟踪传感光栅的波长变化，通过测量驱动元件的驱动信号，反向推导出传感光栅中心波长，此法解调速率也受限于驱动匹配光栅的速度，且一个匹配光栅仅对应一个传感光栅，难以应用于大规模光栅复用系统解调；非平衡M-Z干涉解调法的基本原理是光栅反射光通过两臂差不等的M-Z干涉仪时会发生干涉，当光纤光栅波长变化时，干涉信号的相位发生改变，产生干涉光相位调制，通过检测干涉仪相位变化即可解调光纤光栅中心波长，此方法具有较高的检测灵敏度，但极易受外界扰动影响，稳定性不足，仅适用于动态解调；光纤色散效应解调法利用不同波长的高速脉冲光在光纤中的时间延时不同解调，具有很高的解调速率，但需要高采样率的高速示波器，难以工程实用化，且受限于时域时延测量精度，解调灵敏度较一般。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于色散马赫曾德尔干涉的光纤光栅解调装置及方法，该装置和方法通过将光纤色散效应与传统M-Z干涉相结合，利用光栅波长变化时产生的色散效应显著改变M-Z干涉信号的相位，并由高速光脉冲记录时域干涉信号相位变化，采用3×3多相位解调技术求解相位变化，实现光纤光栅阵列的超高灵敏度高速解调。