弱光栅检测装置及其检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种弱光栅检测装置及其检测方法，其中检测装置包括小宽带光源、掺铒光纤放大器、调制模块、环形器、取样模块和光谱分析仪；小宽带光源提供2～6nm的宽谱连续光功率信号；小宽带光源连接调制模块，调制模块输出的光信号经过掺铒光纤放大器放大后，通过环形器的一个端口耦合进待检测对象，所述待检测对象为单个或者多个低反射率的光纤光栅；环形器的另一个端口连接取样模块；取样模块连接光谱分析仪。本发明通过分离并放大单个光栅的反射信号，对比计算单个光栅的真实反射率，同时准确定位单个光栅的位置。
【专利说明】弱光栅检测装置及其检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及弱光栅的检测，尤其涉及一种弱光栅检测装置及其检测方法。
【背景技术】
[0002]弱光纤光栅传感网络具有复用能强、串扰小、性价比高等优势，有望在火灾报警、安全围栏等多点监测领域广泛应用。弱光纤光栅传感网络的性能，直接取决于弱光栅阵列的制造技术。目前，“光栅在线刻写”装置已经开发成功，能在光纤拉制过程中自动刻写弱光栅阵列。这种阵列避免了传统光栅熔接成阵列时的接点损耗，具有良好的机械特性，有利于大规模时分复用。但由于制造工艺复杂，在线刻写光栅的反射率会在几个dB范围内波动。过低反射率的光栅，其反射信号强度可能低于查询系统最低阈值。此外，当光栅阵列成缆或铺设时，由于受应力的影响，个别光栅的布拉格波长可能出现反射谱啁啾化。由于光纤光栅传感网络的工作主要取决于对布拉格波长峰值的准确判定，过低反射率或反射谱的啁啾化，将直接导致布拉格波长的检测困难，从而导致系统无法有效工作，对大规模阵列中各光栅的反射率很有必要。
[0003]传统光栅反射率的测量采用透射法，即利用光谱仪观察宽带光源通过光栅后的透射谱，通过分析光谱中凹陷深度来计算光栅的反射率。这种方法仅适合中、高反射率的光栅。对于弱光栅(例如，反射率低于0.2%)，这种凹陷深度很难观察，测量光栅的反射率非常困难。文献“Reflectivity measurement of weak fiber Bragg grating，，(武汉理工大学学报，J.Wuhan Univ.Mater)提出了一种多光栅累积测量的方法，即假定一组光栅具有相同的反射率，通过测量该组光栅的累积反射，来计算单个光栅的平均反射率。对于不同反射率光栅构成的阵列，这种方法误差大且不能标识单个光栅的真实反射率。此外，该方法还需要截断一组光栅作为检测样本，无法实现在线测量，也不能定位光栅所在的位置。光栅反射率越低，对取样光栅的数量要求越多，测量误差也会逐渐增大。传统的OTDR可以用于观察光栅阵列，但是由于OTDR光源采用的是非连续光源，光栅反射的波长不一定是峰值波长，观察到的反射峰不能真实反映光栅的反射率，因此不能用来准确测量光栅的反射率。此夕卜，OTDR的定位分辨率一般在+/_2m，在工程中很难精确标定间距在2m以下的单个光栅的位置，且工作盲区大。其量程也与脉冲宽度相关，量程越大，脉宽越宽，定位精度和分辨率越低。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中无法在线准确测量大规模弱光纤光栅的反射率的缺陷，提供一种实现在线检测，且能准确检测单个光栅的反射率的弱光栅检测装置及其检测方法。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
提供一种弱光栅检测装置，其特征在于，包括小宽带光源、调制模块、掺铒光纤放大器、环形器、取样模块和光谱分析仪；小宽带光源提供2飞nm的宽谱连续光功率信号；小宽带光源连接调制模块，调制模块输出的光信号经过掺铒光纤放大器放大后，通过环形器的一个端口耦合进入待检测对象，所述待检测对象为单个光纤光栅或者包含多个低反射率光纤光栅的弱光栅阵列；环形器的另一个端口连接取样模块；取样模块连接光谱分析仪。
[0006]本发明所述的装置中，调制模块包括第一 SOA高速光电开关和信号发生器，第一SOA高速光电开关与小宽带光源连接，信号发生器对通过第一 SOA高速光电开关的光源信号进行调制并放大，调制输出的光脉冲宽度小于20ns，信号发生器产生两路同源的周期性脉冲信号，第一路信号输出给第一 SOA高速光电开关；
取样模块包括第二 SOA高速光电开关，其与环形器、信号发生器和光谱分析仪连接，信号发生器产生的第二路信号输出给第二 SOA高速光电开关，调节第二路信号，使其与第一路信号产生时延，该第二 SOA高速光电开关以ns级开关速度对环形器输出的经光纤光栅反射回来的光脉冲在时域内进行选择和分离；当第二 SOA高速光电开关打开时，允许到达的光信号通过并进行放大；否则，吸收光信号。
[0007]本发明所述的装置中，所述放大器为掺铒光纤放大器。
[0008]本发明所述的装置中，当所述待检测对象为弱光栅阵列时，光纤光栅之间的间隔
距离应大于
【权利要求】
1.一种弱光栅阵列检测装置，其特征在于，包括小宽带光源(I)、调制模块(2)、放大器(3)、环形器(4)、取样模块(5)和光谱分析仪(6);小宽带光源(I)提供2飞nm的宽谱连续光功率信号；小宽带光源(I)连接调制模块(2)，调制模块(2)输出的光信号经过放大器(3)放大后，通过环形器(4 )的一个端口耦合进入待检测对象，所述待检测对象为单个光纤光栅或者包含多个低反射率光纤光栅的弱光栅阵列；环形器(4)的另一个端口连接取样模块(5)；取样模块(5 )连接光谱分析仪(6 )。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，调制模块(2)包括第一SOA高速光电开关(8)和信号发生器(9)，第一 SOA高速光电开关(8)与小宽带光源(I)连接，信号发生器(9)对通过第一 SOA高速光电开关(8)的光源信号进行调制并放大,调制输出的光脉冲宽度小于20ns,信号发生器(9)产生两路同源的周期性脉冲信号,第一路信号输出给第一 SOA高速光电开关(8)； 取样模块(5)包括第二 SOA高速光电开关(10),其与环形器(4)、信号发生器(9)和光谱分析仪(6)连接，信号发生器(9)产生的第二路信号输出给第二 SOA高速光电开关(10)，调节第二路信号，使其与第一路信号产生时延，该第二 SOA高速光电开关(10)以ns级开关速度对环形器(4)输出的、经光纤光栅反射回来的光脉冲在时域内进行选择和分离；当第二 SOA高速光电开关(10)打开时，允许到达的光信号通过并进行放大；否则，吸收光信号。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，当所述待检测对象为弱光栅阵列时，光纤光栅之间的间隔距离大于:L =鱼手:￡,其中c为真空中的光传播速度，n=l.5为光纤纤
In芯的折射率，tl为调制模块 (2)的调制脉冲宽度，t2为取样模块(5)的取样脉冲宽度。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，放大器(3)为掺铒光纤放大器。
5.一种弱光栅检测方法，其基于权利要求1的装置，其特征在于，包括以下步骤: 将已测定反射率的标准光栅与环形器的输出端口熔接，通过调节调制模块得到相应的调制脉冲频率和脉冲宽度，精确调节脉冲串之间的延时，使标准光栅的反射峰最大，通过光谱分析仪测得标准光栅的反射谱，得到标准光栅的峰值功率: 将在线刻写的单个光纤光栅或者包含多个低反射率光纤光栅的弱光栅阵列的一端与环形器的输出端口熔接，并将另一端浸入匹配液中，以减小端面反射的影响； 确定调制脉冲频率和脉冲宽度，当待检测对象为弱光栅阵列时，则根据调制脉冲频率和脉冲宽度确定光栅之间的间隔距离； 通过信号源调节两路同源的周期性脉冲信号，使两路信号产生时延； 根据光谱分析仪中反射光信号的强度判定是否存在布拉格反射光信号，若存在，则再精确调整脉冲串之间的时延，使反射峰值最大，再根据时延计算光纤光栅的位置； 比较光栅反射峰值功率与标准光栅反射峰值功率之间的差异，计算被测光栅的反射率。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，当检测到满足要求的布拉格反射光信号时，对应的反射光栅距离调制模块的距离，其中τ为时延，c为真空中的光速，\为纤芯的有效折射率。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当待检测对象为弱光栅阵列时，弱光栅阵列中第i个光栅的反射率Ri为=Ri = R0-(Pr-Pi)+ Ai，其中Pr为5标准光栅的峰值功率,Pi为第i个光栅的峰值功率，R0为标准光栅的反射率，△ i为反射率修正值。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于: 对于不同波长的弱光栅阵列，Ai的计算公式为=Ai = 2*a*Li，其中α为光纤的衰减系数，Li为第i个反射光栅距离调制模块的距离； 对于相同波长的弱光栅阵列，Ai的计算公式为- Ai = 2* Q*L1-1gtR(A)(1-RU))^)],其中RU)为光栅阵列的平均反射率。
【文档编号】G01M11/02GK103471812SQ201310295211
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年7月15日 优先权日:2013年7月15日
【发明者】文泓桥, 罗志会, 郭会勇, 姜德生 申请人:武汉理工大学