基于激光自混合干涉效应的光纤光栅信号解调系统及方法

摘要

本发明提出一种基于激光自混合干涉效应的光纤光栅信号解调系统及方法，可用于光纤光栅动态应变的测量。由于采用激光自混合干涉测量方式，因此本发明与现有方法相比，不但具有干涉测量方法精度高的优点，同时还因为只有一个测量通道使得系统具有结构简单、尺寸小的优点；采用激光器端电压测量干涉信号的方法，使得测量带宽不再受光电探测器带宽的限制，可以实现高速的动态测量，而且因减少了光电探测器降低了系统成本，同时也提高了系统的可靠性；同时由于激光自混合干涉信号独特的特点，该方法还具有动态应变变化方向辨识的功能。

主权项

一种基于激光自混合干涉效应的光纤光栅信号解调方法，该解调方法基于激光自混合干涉效应的光纤光栅信号解调系统，其特征在于：该解调系统分为光路部分和电路部分，光路部分实现信号检测功能，包括半导体激光器、单模光纤及光纤光栅；电路部分完成信号采集与处理功能，包括半导体激光器的驱动电路、激光器端电压测量电路、数据采集卡和计算机；其中，半导体激光器与刻有光纤光栅的单模光纤熔接在一起，由半导体激光器驱动电路为半导体激光器提供电流驱动和温度控制，而作为被测信号的激光器端电压信号可通过激光器端电压测量电路得到，得到的测量信号经数据采集卡实时采集送入计算机进行处理，从而计算得到被测信号的大小；所述的光纤光栅是布拉格光纤光栅；激光器为一般商用的带尾纤单模半导体激光器，具体为FP型半导体激光器或DFB半导体激光器；数据采集卡选择一般商用的单通道16位数据采集卡，采样频率大于500kHz；当光纤光栅受到外界应力作用时，引起光纤光栅的反射或透射峰波长的变化，这导致光纤光栅的反射中心波长与半导体激光器中心波长的匹配程度发生变化，这会引起反馈光发生变化，而反馈光与谐振腔内的光模式相混合后，形成外光反馈效应，对激光器端电压也产生调制，激光器端电压调制信号通过测量电路处理后，由数据采集卡采集并发送至计算机，利用Labview或VC软件编制计算机程序提取条纹数并计算被测应变，显示相应曲线，具体步骤如下：步骤(1)、由半导体激光器驱动电路中提供固定的驱动电流和控制温度，利用端电压测量电路单元实现对端电压信号的放大处理，即得到调制的被测量信息；步骤(2)、由高速数据采集卡实时采集端电压信号，采集的数据作为计算机的输入；步骤(3)、在计算机里，利用Labview或VC软件编制计算机程序提取条纹个数，计算得到被测应变大小；步骤(4)、实时显示计算结果或曲线；其中，当半导体激光器的输出光进入到具有一定反射率的光纤光栅后，反射光作为反馈重新进入激光器谐振腔，产生激光自混合干涉效应，而反馈光的大小一方面与光纤光栅的反射率大小有关，另一个方面与光纤光栅的反射中心波长与半导体激光器中心波长的匹配程度相关，当其反射中心波长与半导体激光器中心波长匹配时，反馈光输出最大；当光纤光栅受到应力作用时，产生的应变最终会影响光纤光栅的折射率调制周期以及纤芯折射率，从而引起光纤光栅的反射或透射峰波长的变化，当光纤光栅收到轴向拉力时，中心反射波长由λ1增加λ2，而且中心反射波长的变化与应变成线性关系，当中心反射波长发生变化时，这导致光纤光栅的反射中心波长与半导体激光器中心波长的匹配程度发生变化，这会引起反馈光发生变化，从而使得自混合干涉的反馈条纹发生变化，因此利用激光自混合效应，根据反馈条纹的变化，就可以解调出应变的大小。