基于边带滤波fbg解调系统灵敏度的提高方法
【专利摘要】基于边带滤波FBG解调系统灵敏度的提高方法，涉及边带滤波解调FBG领域。本发明是为了解决现有的FBG解调系统灵敏度低，不能检测微弱信号或微弱信号变化不明显的问题。本发明所述的采用n个边带滤波器进行边带滤波，获得FBG反射光的总功率，FBG中心波长λ0随时间变化时，根据FBG中心波长λ0，能够获得FBG光谱的左右边界波长λ1和λ2，带入FBG反射光的总功率中，获得时间t值和相应的FBG反射光谱的总功率的拟合方程，根据拟合方程及FBG中心波长随时间变化的表达式获得灵敏度与波长和功率有关的表达式，当改变所用边带的斜率后，获得灵敏度与边带斜率的关系式，进而获得FBG解调系统灵敏度。它可用在FBG解调系统中。
【专利说明】基于边带滤波FBG解调系统灵敏度的提高方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及基于边带滤波FBG解调系统的灵敏度提高方法。属于边带滤波解调 FBG领域。
【背景技术】
[0002] 作为一种新型传感元件，光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG)传感器具 备独特的优点使其得以迅猛发展，如准分布式和波长编码。这些优点使得FBG传感器的应 用领域非常广泛。在一些实际应用中，FBG传感器应用于微弱信号的检测，这种情况下，解 调系统的灵敏度就是其重要的性能参数，提高FBG解调灵敏度可以实现FBG传感器对外界 环境的微弱变化的实时监测，在一些安全监测领域或要求监测结果精确的领域具有很高的 使用价值。
【发明内容】
[0003] 本发明是为了解决现有的FBG解调系统灵敏度低，不能检测微弱信号或微弱信号 变化不明显的问题。现提供基于边带滤波FBG解调系统的灵敏度提高方法。
[0004] 基于边带滤波FBG解调系统的灵敏度提高方法，该方法是基于边带滤波FBG解调 系统实现的，所述系统包括ASE光源、耦合器、FBG、掺铒光纤放大器、η个边带滤波器和光谱 仪，η为正整数，
[0005] ASE光源发出的光经过耦合器进入FBG中，与FBG中心波长相匹配的光波被反射回 来，再次通过耦合器进入掺铒光纤放大器对光功率进行放大处理，之后通过η个边带滤波 器滤波后进入光谱仪中进行波形的提取；
[0006] 步骤一、ASE光源发出的光经过耦合器进入FBG中，由于FBG的折射率是周期性变 化的与FBG中心波长相匹配的光波被反射回来，形成FBG反射光谱，该反射谱波形近似高斯 曲线，将FBG反射光谱拟合为高斯表达式 ：
[0007]
【权利要求】
1.基于边带滤波FBG解调系统灵敏度的提高方法，该方法是基于边带滤波FBG解调系 统实现的，所述系统包括ASE光源（1)、耦合器（2)、FBG(3)、掺铒光纤放大器（4)、n个边带 滤波器（5)和光谱仪（6)，η为正整数， ASE光源（1)发出的光经过耦合器（2)进入FBG(3)中，与FBG(3)中心波长相匹配的光 波被反射回来，再次通过耦合器（2)进入掺铒光纤放大器（4)对光功率进行放大处理，之后 通过η个边带滤波器（5)滤波后进入光谱仪（6)中进行波形的提取； 其特征在于， 步骤一、ASE光源发出的光经过耦合器进入FBG中，由于FBG的折射率是周期性变化的 与FBG中心波长相匹配的光波被反射回来，形成FBG反射光谱，该反射谱波形近似高斯曲 线，将FBG反射光谱拟合为高斯表达式 ：
式中，y〇, A, w均为常量；λ表不波长；λ ^表不FBG反射谱的中心波长； 设所用的第η个边带滤波器线性区域透射率的表达式为：
式中，kn为第η个边带线性区域对应的边带斜率，bn为第η个边带计算透射率时对应 的常量， 采用η个边带滤波器对FBG反射光进行边带滤波，获得η次滤波后FBG反射光谱的功 率为：
式中，τη( λ)为第η个边带滤波器的对应波长的透射率， 将FBG反射光谱的功率单位变为毫瓦的公式：
根据公式：
对单位为毫瓦的FBG反射光谱的功率进行积分处理获得FBG反射光谱总功率， 式中，λ i表示FBG反射谱左侧边界对应的波长，λ 2表示FBG反射谱右侧边界对应的 波长， 根据公式：
将FBG反射光谱的总功率单位从毫瓦变为dBm， 将公式1至公式6依次代入，获得单位为dBm的FBG反射光谱的总功率的总表达式为：
FBG中心波长λ J逭时间变化时，设FBG中心波长随时间按正弦发生变化的表达式为：
式中，a为FBG反射谱的中心波长变化振幅，λ w为FBG起始中心波长， 根据FBG中心波长λ ^，能够获得FBG光谱的左右边界波长λ i和λ 2， 将λ ρ λ i和λ 2代入公式7中，将时间t和相应的FBG反射光谱的总功率进行拟合， 其拟合方程的表达式为：
式中，Pn代表η次滤波功率值，P%表示η次滤波时当中心波长不发生漂移所对应的功 率值，cn表示η次滤波后功率变化的振幅， 步骤二、根据步骤一中FBG中心波长随时间按正弦发生变化的表达式和时间t与FBG 反射光谱的总功率拟合方程的表达式，获得灵敏度与波长和功率有关的表达式，当改变所 用边带的斜率后，获得灵敏度与边带斜率的关系式，进而获得FBG解调系统灵敏度。
2.根据权利要求1所述的基于边带滤波FBG解调系统灵敏度的提高方法，其特征在于， 步骤二中根据FBG中心波长随时间按正弦发生变化的表达式和拟合方程的表达式，获得灵 敏度与波长和功率有关的表达式，当改变所用边带的斜率后，获得灵敏度与边带斜率的关 系式，进而获得FBG解调系统灵敏度的过程为： 由FBG中心波长随时间按正弦发生变化的表达式和拟合方程的表达式获得FBG解调系 统的灵敏度计算公式为：
式中，S为FBG解调系统的灵敏度，Λ P为FBG反射谱的功率变化量，Λ λ为FBG反射 谱的中心波长变化量，h和t2为不同的时刻， FBG中心波长振幅a为lnm时，则灵敏度计算公式变为：
采用一个边带滤波器对FBG反射光进行单次边带滤波，边带斜率k改变时，经过滤波后 的FBG反射光功率的振幅Cl会发生改变，将k和相应的Cl值进行数据拟合得出Cl和k的 关系式为：
即灵敏度为：
采用两个边带滤波器对FBG反射光进行两次边带滤波，所用边带斜率分别为&和k2， 当&不变仅改变k2时，经过两次边带滤波的FBG反射光功率的振幅c2发生变化，将kp k2 之和与相应的c2值进行数据拟合，得出的c2与ki+k2之和的关系式为：
即灵敏度为：
η次边带滤波后，FBG解调系统的灵敏度与边带斜率呈线性变化关系，根据数据拟合方 程：
获得FBG解调系统灵敏度S，
【文档编号】G01D5/26GK104154935SQ201410400464
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月14日 优先权日:2014年8月14日
【发明者】熊燕玲, 任乃奎, 赵磊, 杨文龙, 沈涛, 于雪莲 申请人:哈尔滨理工大学