专利名称：一种基于vcsel的超高速光纤光栅传感系统及其方法
技术领域：
本发明涉及超高速传感技术研究领域，特别涉及一种基于VCSEL (VerticalCavity Surface Emitting Laser,垂直腔面发射激光器)的超高速光纤光栅传感系统。
背景技术：
超高速传感技术在地震波检测(地质勘探、石油工业等)、瞬态形变和冲击波分析(机车交通安全、军事武器测试等)等领域具有极其重要的应用需求。光纤传感技术，以其体积小、灵敏度高、抗电磁干扰、重量轻、适合远程监控等特点，在超高速传感领域得到越来越广泛的应用。由于光纤光栅与光纤之间天然的兼容性，很容易将多个光纤光栅串联在一根光纤 上构成光纤光栅阵列，实现准分布式传感，加之本身传感信号为波长调制，测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗不受光源功率波动和系统损耗影响的特点，因此光纤光栅在传感领域的应用引起了世界各国有关学者的广泛关注和极大兴趣。现有的光纤光栅传感系统通常基于波长解调，解调方法种类繁多，但总体而言其解调速度慢且系统昂贵，不适合广泛推广，特别是高速传感应用。与此同时，传感系统中通常使用宽带光源，其优点在于可在几十纳米的范围内提供宽带平滑的光谱输出，但其平均输出能量较低，直接影响了随后传感器解调信号的信噪比，进而降低了传感器精度。例如，最为广泛使用的光纤光栅传感解调方式是S. M. Melle等人报道的基于被动波长解调系统实现对光纤光栅传感器的动态，“A passive wavelength demodulationsystem for guided-wave Bragg grating sensors,，，IEEE Photon. Technol.Lett. , vol. 4, p. 516, 1992。这一方法以泵浦光激发铒光纤产生的自发福射谱为宽带光学，光纤光栅反射信号波长变化通过调谐法布里-珀罗(F-P)腔解调，其最高解调速度低于ΙΚΗζ，且存在重复稳定性易受温度影响以及解调成本高等问题。近年来,基于阵列光波导arrayed waveguide grating (AWG)的光纤光栅解调系统成为研究热点。例如，2010年，Honglei Guo, Gaozhi Xiao等人报道了基于芯片式压电控制AWG波长扫描式光纤光栅解调方法,“Wavelength Interrogator Based on Closed-LoopPiezo-Electrically Scanned Space—to—Wavelength Mapping of an Arrayed WaveguideGrating^IEEE J. Lightwave Technol. , vol. 28, p. 2654, 2010.此方法具有波长扫描范围宽和易于系统集成的特点，但其本质上属于分段式波长间隔扫描解调，通过两个通道间能量比例算法计算光栅反射波长，无法实现高速实时解调。因此，提出一种能够实现超高速实时解调且成本低廉的光纤光栅传感系统极具现实意义。

发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于VCSEL的超高速光纤光栅传感系统，该系统具有信噪比高和无需窄带滤波(或匹配滤波)等优点，且结构紧凑、成本低廉、解调速度快、精度高。本发明还提供了一种基于上述超高速光纤光栅传感系统的传感方法，该方法解调速度快，且传感精度高。本发明通过以下技术方案实现一种基于VCSEL的超高速光纤光栅传感系统,包括VCSEL激光光源、传感探头和光电转换模块，所述VCSEL激光光源、传感探头和光电转换模块三者通过光纤环形器或耦合器连接；所述VCSEL激光光源由电流驱动装置驱动；所述传感探头包括支承构件、外壳、聚合物弹性管、光纤探头和光纤导线，所述光纤探头包括倾斜光纤光栅和包层-纤芯能量再耦合结构，所述聚合物弹性管外侧由外壳保护，聚合物弹性管一端固定于支承构件上，另一端悬空感测振动，光纤探头封装在聚合物弹性管内，并通过光纤导线与光纤环形器或耦合器相连；所述光电转换模块分为两部分，第一部分包括第一光电探测器，用于将包含环境振动信息的反射光信号转换为振动电信号，第二部分包括第二光电探测器和衰减器，衰减器用于将VCSEL激光光源输出的周期调制激光经光纤耦合器后的光信号衰减一定比率，得到基准光信号，第二光电探测器用于将基准光信号转换为基准电信号；光电转换模块与外部数据处理装置连接，数据处理装置用于归一化计算基准电信号和振动电信号，得到传感系统的输出值。本发明中采用VCSEL激光光源取代传统的BBS宽带光源具有以下优点=VCSEL激光光源输出光信号由驱动电流决定，当VCSEL的驱动 在一定的电流范围内以一定的频率(例如IOkHz)均匀变化时，VCSEL激光光源输出光功率较传统BBS宽带光源高15db，而输出光谱带宽约为f2nm，可以使输出光谱匹配于测试所需的光谱范围内。由于以上特性使得VCSEL的超高速光纤振动传感系统与宽带光源光纤传感系统相比，具有传感信号信噪比高、解调灵敏度高的优点并且无需引入滤波器。优选的，所述包层-纤芯能量再耦合结构采用错位熔接法加工而成。采用这种加工方法可以使用于耦合由倾斜光纤光栅激发的反向于入射光传输的低阶包层模再次进入光纤纤芯，从而得到反映光纤振动信息的包层模能量变化，实现振动高灵敏度实时检测。这种光纤加工方法具有制作简单、不降低光纤机械强度、振动信息获取直接、灵敏度高等优点。更进一步的，所述包层-纤芯能量再耦合结构采用错位熔接法加工而成时，包层与纤芯的横向错位控制在2 4um，其中光纤纤芯直径在flOum、包层直径为125um。采用此横向错位熔接方式既能够保证充足的包层模-纤芯模耦合通道，又能够避免引入过大的熔接损耗。由于包层模在进入光纤纤芯前传输损耗较大，因此错位熔接点尽量接近倾斜光纤光栅，典型间距为2 5mm。整个传感探头(即包含错位熔接点和倾斜光纤光栅)尺寸可小于IOmm0作为优选方案，所述倾斜光纤光栅采用倾斜光栅，光栅倾斜角度为f 3度，这一倾角范围即保证充足的低级包层模激发用于提供振动信息，同时又有较强的纤芯反射模用于提供环境温度信息和光强校准。聚合物弹性管要求具有较高的弹力回复性和机械强度，例如高弹性聚乙烯材料。聚合物弹性管与内部光纤之间的空隙通过光敏胶固化，例如环氧丙烯酸酯胶等，用以增强弹性管应变快速有效的传递至内部光纤光栅，提高应变一致性。传感探头的工作原理是较传统布拉格光纤光栅仅反射纤芯模工作方式(在光纤纤芯内传输的光波模式)不同的是，倾斜光纤光栅由于光栅倾斜角度的引入，在反射纤芯模的同时后向激发大量包层模(可在光纤包层传输的光波模式)。通常，这些后向传输的包层模只能在光纤包层内传输，并且很快被衰减掉(光纤包层能量衰减较大)。通过采用错位熔接法加工而成的包层-纤芯能量再耦合结构，可将后向传输的包层模有效再耦合进入光纤纤芯，进而通过低损耗的光纤线芯传输至远端探测系统。由于包层-纤芯耦合能量非常敏感于光纤微弯曲或光纤振动(包层模能量变化正比于光纤振动幅度)，因此，通过探测后向包层模能量变化即可实时监测振动频率信息。与此同时，倾斜光栅纤芯模反射能量不随光纤微弯曲变化，可有效消除光源和传输系统引入的光强抖动，并提供温度变化信息。本发明的另一个目的通过以下的技术方案实现一种基于VCSEL的超高速光纤光栅传感方法，VCSEL激光光源输出周期调制激光至光纤稱合器或环形器,其中一路光信号通过衰减器衰减、光电探测器转换后得到基准电信号 ；另一路光信号进入传感探头，在环境振动信息作用于传感探头时，传感探头中的倾斜光纤光栅实现前向传导纤芯模反向传导包层模式的有效激发，将传感光纤内包层模式有效耦合进入上游单模光纤纤芯；再次通过光纤耦合器或环形器后，将包含环境振动信息的反射光信号由光电探测器转换为振动电信号；将振动电信号除以基准电信号得到的归一化值作为传感系统的输出值。在实际应用中，也可以通过选择适当的采样频率采样得到振动输出，计算得到振动的频率、幅度、加速度等信息。本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果I、较传统的电类传感器，基于全光纤传感的技术具有体积小、重量轻、灵敏度高、抗电磁干扰、可多点复用、适合远程监控等优点。2、较波长解调型光纤解调系统，本发明具有解调速度快(可达MHz)、解调成本低(无需滤波器)、光源与解调系统集成度高(模块化设计)等优点，更适合超高频振动传感实际应用。3、较传统宽带光源光纤传感系统，基于VCSEL光源的传感系统具有体积小巧(模块化设计)、成本低、光源输出具有峰值功率高、带宽窄带可调的优点，其传感信号信噪优于传统宽带光源(高15dB)，进而极大提高传感器灵敏度。4、较传统布拉格光纤光栅探头，本发明采用具有包层模激发的倾斜光纤光栅，并引入错位熔接方法有效获取包层模能量，实现高灵敏度振动测量。该方法通过一个光纤探头得到两组独立反射光能量一组用于获取振动信息(即包层模再耦合能量)，另一组用于环境温度变化、光源抖动等误差校准(即纤芯模能量)，因此探头可提供多参量、更稳定的传感信息。


图I是本发明装置的结构示意图；图2是本发明装置中传感探头的结构示意图；图3是VCSEL激光光源在不同驱动电流幅度下的光谱图；图4是VCSEL激光光源在不同驱动电流频率下的光谱图；图5是实施例I中基准电信号和振动电信号的波动意图；图6是实施例I输出信号进行采样后的示意图。图1-2中I一电流驱动装置；2—VCSEL激光光源；3—光纤耦合器；4一传感探头；5—第一光电探测器；6—衰减器；7—第二光电探测器；8—数据处理装置；41 一倾斜光纤光栅；42—包层-纤芯能量再耦合结构；43—聚合物弹性管；44一支承构件；45—外壳；46—光纤导线。
具体实施例方式下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。实施例I如图I所示，本实施例一种基于VCSEL的超高速光纤光栅传感系统，包括VCSEL激光光源2、传感探头4和光电转换模块，所述VCSEL激光光源2、传感探头4和光电转换模块 三者通过光纤耦合器3连接。在实际应用中也可以用光纤环形器代替。所述VCSEL激光光源2由电流驱动装置I驱动。所述光电转换模块分为两部分，第一部分包括第一光电探测器5,用于将包含环境振动信息的反射光信号转换为振动电信号,第二部分包括第二光电探测器7和衰减器6，衰减器6用于将VCSEL激光光源2输出的周期调制激光经光纤耦合器3后的光信号衰减一定比率，得到基准光信号，第二光电探测器7用于将基准光信号转换为基准电信号；光电转换模块与外部数据处理装置8连接，数据处理装置8用于归一化计算基准电信号和振动电信号，得到传感系统的输出值。如图2所示，传感探头4包括支承构件44、外壳45、聚合物弹性管43、光纤探头和光纤导线46，所述光纤探头包括倾斜光纤光栅41和包层-纤芯能量再耦合结构42，所述聚合物弹性管43外侧由外壳45保护，聚合物弹性管43 —端固定于支承构件44上，另一端悬空感测振动，光纤探头封装在聚合物弹性管43内，并通过光纤导线46与光纤耦合器3相连。根据图3和4来说明本实施例中采用VCSEL激光光源取代传统的BBS宽带光源所具有的优点。VCSEL激光光源2输出光信号由驱动电流决定，电流驱动装置I为VCSEL激光光源2通过驱动电流频率和幅度变化灵活调整VCSEL输出激光的扫描速率和扫描带宽。如图3所示，当VCSEL的驱动在一定的电流范围内以IOkHz的频率均匀变化时，以及如图4所示，当VCSEL的驱动在一定的频率范围内以7mA的电流均匀变化时，激光光源输出光功率较传统BBS宽带光源高15db，而输出光谱带宽约为f2nm，可以使输出光谱匹配于测试所需的光谱范围内。由于以上特性使得VCSEL的超高速光纤振动传感系统与宽带光源光纤传感系统相比，具有传感信号信噪比高、解调灵敏度高的优点并且无需引入滤波器。本实施例中包层-纤芯能量再耦合结构42采用错位熔接法加工而成，且包层与纤芯的横向错位控制在2 4um，其中光纤纤芯直径在flOum、包层直径在125um。采用此横向错位熔接方式既能够保证充足的包层模-纤芯模耦合通道，又能够避免引入过大的熔接损耗。错位熔接点尽量接近倾斜光纤光栅41，典型间距为疒5_。整个传感探头4(即包含错位熔接点和倾斜光纤光栅41)尺寸小于10mm。本实施例中倾斜光纤光栅41采用倾斜光栅，光栅倾斜角度为1-3度，这一倾角范围即保证充足的低级包层模激发用于提供振动信息，同时又有较强的纤芯反射模用于提供环境温度信息和光强校准。本实施例中聚合物弹性管43采用高弹性聚乙烯材料来保证其具有较高的弹力回复性和机械强度，聚合物弹性管43与内部光纤之间的空隙通过环氧丙烯酸酯胶固化。本实施例中的一种基于VCSEL的超高速光纤光栅传感系统米用如下的传感方法，VCSEL激光光源2输出周期调制激光至光纤耦合器3，其中一路光信号通过衰减器6衰减、第二光电探测器7转换后得到基准电信号，如图5中的PD2信号所示。另一路光信号进入传感探头4，传感探头4中包括倾斜光纤光栅41，环境振动信息(幅度、频率和方向等)将作用于倾斜光纤光栅探头，利用倾斜光纤光栅可实现前向传导纤芯模反向传导包层模式的有效激发，其激发包层模相对于倾斜光纤光栅的写入矢量面具有极强的偏振依赖性的性质；采用错位熔接法，将传感光纤内包层模式有效耦合进入上游单模光纤纤芯；再次通过光纤率禹合器3后,将包含环境振动信息的反射光信号由第一光电探测器5转换为振动电信号,如图5中的PDl信号所示。将振动电信号HH除以基准电信号PD2得到的归一化值作为传感系统的输出值，对这些输出值进行采样，最后可得到传感系统输出示意图如图6所示，同时，根据此图也可进一步计算出光纤探头的振动频率。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的 限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于VCSEL的超高速光纤光栅传感系统，其特征在于，包括VCSEL激光光源、传感探头和光电转换模块，所述VCSEL激光光源、传感探头和光电转换模块三者通过光纤环形器或耦合器连接；所述VCSEL激光光源由电流驱动装置驱动；所述传感探头包括支承构件、外壳、聚合物弹性管、光纤探头和光纤导线，所述光纤探头包括倾斜光纤光栅和包层-纤芯能量再耦合结构，所述聚合物弹性管外侧由外壳保护，聚合物弹性管一端固定于支承构件上，另一端悬空感测振动，光纤探头封装在聚合物弹性管内，并通过光纤导线与光纤环形器或耦合器相连；所述光电转换模块分为两部分，第一部分包括第一光电探测器，用于将包含环境振动信息的反射光信号转换为振动电信号，第二部分包括第二光电探测器和衰减器，衰减器用于将VCSEL激光光源输出的周期调制激光经光纤耦合器后的光信号衰减一定比率，得到基准光信号，第二光电探测器用于将基准光信号转换为基准电信号；光电转换模块与外部数据处理装置连接，数据处理装置用于归一化计算基准电信号和振动电信号，得到传感系统的输出值。
2.根据权利要求I所述的基于VCSEL的超高速光纤光栅传感系统，其特征在于，所述包层-纤芯能量再耦合结构采用错位熔接法加工而成。
3.根据权利要求2所述的基于VCSEL的超高速光纤光栅传感系统，其特征在于，所述包层-纤芯能量再耦合结构采用错位熔接法加工而成时，包层与纤芯的横向错位控制在2 4um，其中光纤纤芯直径在8 10um之间，包层直径为125um。
4.根据权利要求3所述的基于VCSEL的超高速光纤光栅传感系统，其特征在于，错位熔接点与倾斜光纤光栅之间的间距为2 5mm。
5.根据权利要求I所述的基于VCSEL的超高速光纤光栅传感系统，其特征在于，所述倾斜光纤光栅米用倾斜光栅，光栅倾斜角度为1-3度。
6.根据权利要求I所述的基于VCSEL的超高速光纤光栅传感系统，其特征在于，聚合物弹性管采用高弹性聚乙烯材料。
7.根据权利要求I所述的基于VCSEL的超高速光纤光栅传感系统，其特征在于，聚合物弹性管与内部光纤之间的空隙通过光敏胶固化。
8.根据权利要求I所述的基于VCSEL的超高速光纤光栅传感系统，其特征在于，所述光敏胶具体是指环氧丙烯酸酯胶。
9.一种基于权利要求1-8任一项所述的基于VCSEL的超高速光纤光栅传感系统的传感方法，其特征在于，，VCSEL激光光源输出周期调制激光至光纤稱合器或环形器,其中一路光信号通过衰减器衰减、光电探测器转换后得到基准电信号；另一路光信号进入传感探头，在环境振动信息作用于传感探头时，传感探头中的倾斜光纤光栅实现前向传导纤芯模反向传导包层模式的有效激发，将传感光纤内包层模式有效耦合进入上游单模光纤纤芯；再次通过光纤耦合器或环形器后，将包含环境振动信息的反射光信号由光电探测器转换为振动电信号；将振动电信号除以基准电信号得到的归一化值作为传感系统的输出值。
全文摘要
本发明公开了一种基于VCSEL的超高速光纤光栅传感系统，包括VCSEL激光光源、传感探头和光电转换模块，传感探头包括倾斜光纤光栅和包层-纤芯能量再耦合结构，光电转换模块包括振动信息解调和衰减基准获取两部分，外部数据处理装置给出系统归一化输出。实现方法为VCSEL激光光源输出高速周期调制激光至光纤耦合器，其中一路光信号通过衰减器、光电转换后得到基准电信号；另一路光信号进入光纤探头，得到包含环境振动信息的反射光信号，经光电转换后得到振动电信号；将振动电信号除以基准电信号得到传感系统归一化输出。本发明可实现超高速(高于MHz)、高灵敏度(优于15dB)振动传感，系统集成度高、成本低(无需滤波)，归一化输出消除温变影响，稳定度高。
文档编号G01H9/00GK102798457SQ20121029643
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月20日 优先权日2012年8月20日
发明者郭团, 关柏鸥, 杜发, 尚立斌, 刘甫 申请人:暨南大学