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新型波长解调技术在干涉型光纤传感器输出解调中的应用

更新时间：2019-12-25 14:28:18 大小：2M 上传用户：zhiyao6查看TA发布的资源 标签：波长解调技术光纤传感器 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

提出了一种改进型边缘滤波波长解调技术,解决干涉型或谐振型光纤传感器输出的干涉谱波长的快速解调问题。该波长解调技术基于啁啾光栅和长周期光栅的光谱特点,以啁啾光栅作为矩形滤波器,提取传感器输出干涉谱的一个干涉峰;以长周期作为边缘滤波器,将干涉峰的波长信息转化为光强信息进行检测。该波长解调技术波长解调范围为传感器输出干涉谱的一个自由光谱范围(FSR),解调速度快,克服了当前波长解调技术中存在的测量范围与测量速度难以同时提高的问题,同时还具有系统成本低,体积小,能够灵活多路扩展的特点。详细介绍了解调系统的工作原理以及系统结构,并将其实际应用于一种干涉型光纤电流传感器输出干涉谱的波长解调中。通过实验证明电流传感器工作在工频及脉冲电流(脉冲宽度25μs)情况下,该解调系统对传感器输出干涉谱具有准确、快速的解调效果。该研究对推进干涉或谐振型光纤传感器的实际工程化水平的提高具有重要意义。


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，
第
，
，
Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ．９ ２９４８２９５３  
ｐｐ  
第
卷
３７  
ꢀ
期
９
光
谱
学
与
光
谱
分
析
ꢀ ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ  
－
，
Ｓｅｔｅｍｂｅｒ ２０１７  
ｐ
ꢀ
年
月
Ｓｅｃｔｒｏｓｃｏ ａｎｄＳｅｃｔｒａｌＡｎａｌｓｉｓ  
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ ꢀ ｐ ꢀｐ  
ｐｙ  
２０１７  
ꢀꢀꢀ  
９
ꢀ
ｙ
ꢀ
ꢀ
新型波长解调技术在干涉型光纤传感器输出解调中的应用  
＊
， ，  
宸 李仙丽 丁  
陈
晖
ꢀ
ꢀ
，
西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室 陕西 西安  
７１００４９  
ꢀ
，
提出了一种改进型边缘滤波波长解调技术 解决干涉型或谐振型光纤传感器输出的干涉谱波长的  
ꢀ
摘
要
ꢀ
。 ， ，  
快速解调问题 该波长解调技术基于啁啾光栅和长周期光栅的光谱特点 以啁啾光栅作为矩形滤波器 提取  
； ，  
传感器输出干涉谱的一个干涉峰 以长周期作为边缘滤波器 将干涉峰的波长信息转化为光强信息进行检  
。
（
该波长解调技术波长解调范围为传感器输出干涉谱的一个自由光谱范围  
ＦＳＲ  
）， ，  
解调速度快 克服了当  
测
， ， ，  
前波长解调技术中存在的测量范围与测量速度难以同时提高的问题 同时还具有系统成本低 体积小 能  
。 ，  
够灵活多路扩展的特点 详细介绍了解调系统的工作原理以及系统结构 并将其实际应用于一种干涉型光  
。 （  
纤电流传感器输出干涉谱的波长解调中 通过实验证明电流传感器工作在工频及脉冲电流 脉冲宽度  
）
２５ ｓ  
μ
， 、 。  
情况下 该解调系统对传感器输出干涉谱具有准确 快速的解调效果 该研究对推进干涉或谐振型光纤传感  
。
器的实际工程化水平的提高具有重要意义  
； ； ； ；  
关键词 波长解调 边缘滤波法 干涉型光纤传感器 啁啾光栅 长周期光栅  
ꢀ
：
：
文献标识码  
Ａ
：
／
（
）
中图分类号  
ＴＨ７４  
ꢀꢀ  
ＤＯＩ １０．３９６４ ．ｉｓｓｎ．１００００５９３２０１７０９２９４８０６  
ꢀꢀꢀ  
ｊ
－
－
－
。
出干涉波长的变化转换为光强的变化 这种方法除了具有解  
， 、  
调速度快 适 应 于 对 振 动 超 声 等 快 变 信 号 测 量 的 优 点 之  
引
言
ꢀ
，
（ ）， ，  
个 结构简单 易扩展  
１ ＦＳＲ  
外
还具有波长解调范围宽  
。
到对多个传感器输出的同时解调等优点  
本文将详细介绍改进型边缘滤波法在波长解调中的应用  
干涉或谐振型光纤传感器的输出为周期性的干涉或谐振  
ꢀꢀ  
。 ，  
信号 当外部信号作用到光纤传感器的传感区域时 传感器  
，
输出的干涉或谐振谱波长会发生变化 通过检测波长的变化  
。
原理以及实现方法 并将该方法应用于一种干涉型电流传感  
［］  
１
。
。 ，  
器的输出解调中 通过实验结果分析 证明了该方法对干涉  
可以获得被探测对象的相关信息  
。
波长解调技术是采用干涉或谐振型光纤传感器实现测量  
型光纤传感器输出波长的解调性能  
。
过程中的重要环节 目前常用的波长解调技术主要有波长检  
［
］
２３  
－
。
测法和光强检测法 波长检测法  
（
是采用光谱测量装置 如  
原
理
ꢀ
１
ꢀ
、 ） 。  
光谱仪 光纤可调谐滤波器等 直 接 测 量 波 长 的 变 化 这 种  
［
方法具有光谱解调范围宽 一般为传感器输出干涉光谱的  
改进型边缘滤波器的波长解调  
１
１．１  
ꢀ
（ ）］ ， （  
的优点 但缺点是解调速度较低 一  
ＦＳＲ  
个自由光谱范围  
采用改进型边缘滤波器波长解调技术的测量系统结构如  
［］  
４
；
），  
不适用对快变信号的测量  
。 ，  
所示 光源输出的宽谱光进入干涉型光纤传感器 传感  
１
般为  
级
光强检测法是通  
图
ｍｓ  
，
过传感器输出干涉光谱在某一固定波长处的光强变化 实现  
，
器信号的输出经过矩形滤波器后 由边缘滤波器将波长变化  
。 ，  
波长的有效解调 这种方 法 的 优 点 是 结 构 简 单 灵 敏 度 高  
，
。
Ｐ
信息  
转换为光强的变化量  
Δ
Δλ  
， ，  
解调速度快 适合动态信号的测量 但缺点是波长解调范围  
（
干涉型光纤传感器输出光谱具有周期性 典型输出光谱  
ꢀꢀ  
（
较窄 一般小于干涉谱的  
），  
从而限制了传感器的测  
ＦＳＲ  
）。  
矩 形 滤 波 器 的 波 长 窗 口 范 围 为  
－ＦＳＲ ２  
／
个
如图 所 示  
２
１
～
。
量范围  
本工作提出一 种 基 于 改 进 型 边 缘 滤 波 法 的 波 长 解 调 技  
／ ，  
，
传感器的输出经过矩形滤波器后 仅有 个干涉峰  
１
ＦＳＲ ２  
（
透过矩形滤波器 如图  
）。  
边缘滤波器是一种光强透过率与  
３
。 ，  
通过矩形波长滤波器和边缘滤波器的结合 将传感器输  
，
光波长呈线性关系的一种器件 当单个干涉峰经过边缘滤波  
术
：
，
：
修订日期  
２０１６０３０９  
收稿日期  
２０１５１１２０  
－ －  
ꢀ
ꢀ
ꢀ
－
－
：
（
），  
高等学校博士学科点专项科研基金项目  
（ ）  
资助  
２０１１０２０１１１００５９  
基金项目 国家自然科学基金项目  
５１３７７１２５  
：
陈
，
， ，  
年生 西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室硕博连读研究生  
１９９１  
作者简介  
宸
女
ꢀ
：
ｅｍａｉｌ ｃｈｅｎｃｈｅｎ６１３ ｓｔｕ．ｘｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ  
ꢀꢀ＊  
：
ｅｍａｉｌ ｄｉｎｈｕｉ ｘｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ  
ꢀꢀ ＠ ｊ  
通讯联系人  
－
＠
ｊ
－
ｇ
第
期
光谱学与光谱分析  
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ  
９
２９４９  
［
］
５６  
。
－
，
器滤波时 其透 过 功 率 与 波 长 呈 正 比  
这 样 通 过 检 测 边  
矩形滤波器的作用是消除干涉谱中其他不同周期干涉峰对边  
（
沿滤波器的输出功率即可获得干涉峰的波长信息 如图  
）。  
４
。
缘滤波器输出光强的影响  
图
改进型边缘滤波法波长解调原理结构图  
１
ꢀ
Ｆｉ．１ Ｐｒｉｎｃｉｌｅｏｆｔｈｅ ｒｏｏｓｅｄｗａｖｅｌｅｎｔｈｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｕｅ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ｇ
ｐ
ｐ ｐ  
ｇ
ｑ
（）， （）  
Ｒ
λ
、
分别表示边缘滤波器 矩形滤波器以及传感器的  
Ｃ
λ
。 （）  
表示光源的输出功率随波长变化的函数关  
Ｌ
λ
传输功率比  
。
系
那么传感器输出的干涉谱经解调系统后的输出功率为  
（
Ｉ
λ
ｐ
）
＝
（） （） （） （  
λ －λ λ  
ｅａｋ  
ｐ
）
（）  
２
Ｌ
Ｃ
Ｅ
Ｒ
ｄ
λ
λ
λ
ｅ
ａ
ｋ
∫
（） ：  
。
ｋ为待测得传感器输出干涉峰值波长  
λ
ｅａ  
ｐ
式
中
２
， （）  
则近似  
Ｌ
λ
如果系统的工作波长选择在光源的平坦区  
； ，  
矩 形 滤 波 器 在 其 通 带 范 围 内 其 传 输 功 率 比  
为恒定值  
Ｋ
图
传感器输出干涉光谱图  
２
ꢀ
（）  
恒定为  
Ｃ
λ
。
于是式  
１
（）  
可进一步改写为式  
２
（）  
３
Ｆｉ．２ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｓｅｃｔｒａｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ｇ ｐ  
λ
２
（
Ｉ
λ
ｐ
）
＝
（） （  
Ｒ
λ
）
ｄ
－λ λ  
ｅａｋ  
（）  
３
ＫＥ  
λ
ｅ
ａ
ｋ
ｐ
λ
∫
１
，
，
λ
２
。
为矩形滤波器的通带波长范围  
式中  
λ
１
，
考虑到传感器输出的干涉谱的线宽很窄 远小于光源  
、
，
矩形滤 波 器 以 及 边 沿 滤 波 器 的 光 谱 范 围 光 功 率 函 数  
Ｉ
（
λ
ｅａｋ  
ｐ
）
则可进一步简化为  
λ
２
（
Ｉ
λ
ｐ
）
＝
（
λ
ｐ
）
（
）
ｄ
－λ λ  
ｅａｋ  
（）  
４
ＫＥ  
Ｒ
λ
ｐ
ｅ
ａ
ｋ
ｅ
ａ
ｋ
λ
∫
１
λ
２
（） ，  
中 当传感器的结构确定时  
４
，
（
λ －λ λ  
ｅａｋ  
ｐ
）
可以近  
ｄ
式
Ｒ
λ
∫
１
图
采用矩形滤波器截取部分传感器干涉谱  
３
ꢀ
。 ，  
似为常数 因此 理想情况下解调系统的输出功率随干涉峰  
Ｆｉ．３ Ｓｉｎｌｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｅａｋｃａｔｕｒｅｄ  
ꢀ ꢀ  
ｐ
ꢀ
ꢀ
ｇ
ｇ
ｐ
，
波长的关系 仅取决于边沿滤波器的传输功率随波长变化的  
ｂ ｒｅｃｔａｎｕｌａｒｆｉｌｔｅｒ  
ꢀ
ｇ
ｙ
ꢀ
（）。 ，  
由 于 边 沿 滤 波 器 为 线 性 元 件 输 功 率 比  
Ｅ
λ
函数关系  
Ｅ
（） 。  
为线性函数 因此解调系统输出功率与传感器干涉波长  
λ
的关系为  
（
Ｉ
λ
ｐ
）
（）  
５
Ｍ
＝ λ  
ｅａｋ  
ｐ
ｅ
ａ
ｋ
（） ，  
。
为常数  
Ｍ
式
中
５
改进型边沿滤波波长解调系统  
１．２  
ꢀ
（）  
光源的选择  
１
，
光源 光源输出光谱如图 所示  
５
，
光
解调系统采用  
ＡＳＥ  
。
源输出功率随波长呈高斯函数关系 解调系统的工作波长范  
图
传感器干涉峰变化引起边缘  
４
ꢀ
。
围应尽量选择在高斯曲线的平坦区域内  
滤波器输出功率变化  
（）  
矩形滤波器  
２
———  
啁啾光栅  
ꢀꢀ  
Ｆｉ．４ Ｏｕｔｕｔｏｆｔｈｅｅｄｅｆｉｌｔｅｒｖａｒｉｅｓｗｉｔｈ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ｇ
ꢀ
ｇ
ｐ
啁啾光栅是一种栅格周期沿着光纤的轴向非等间距变化  
ｔｈｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｅａｋｗａｖｅｌｅｎｔｈ  
ꢀ ꢀ ꢀ  
ｇ
ｐ
［］  
７
，
的特殊光栅  
与 具 有 相 等 栅 格 周 期 的 布 喇 格 光 纤 光 栅 相  
，
。
图
比
啁啾具有较宽的反射谱带宽  
为啁啾光栅典型的反  
６
（）  
为式  
λ
（）  
１
定义归一化的传输功率比  
Ｈ
ꢀꢀ  
。 ，  
射光谱 由图 可见 啁啾光栅的反射谱具有较平坦的区域  
６
。
（）  
Ｐｕ  
λ
ｏｔ  
（）  
Ηλ ＝  
（）  
１
，
通过合理选择和制作啁啾光栅 可得到具有不同波长范围和  
（）  
λ
Ｐｎ  
ｉ
“
波长宽度的 平坦区  
”， 。  
以适应不同波长范围的解调需要  
。
表示器件的功率传输率随波长变化的函数关系 假设  
（），  
Ｅ
λ

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