专利名称：基于动态扫描的光纤光栅传感解调仪及方法
技术领域：
本发明涉及光纤光栅的解调技术,具体是一种基于动态扫描的光纤光栅传感解调仪及方法。
背景技术：
光纤光栅能够将外界应变信号(如应力信号、应变信号、振动信号、温度变化信号等)转换成自身反射谱的中心波长变化信号。因此，通过将光纤光栅进行适当封装，便可制成光纤光栅传感器。光纤光栅传感器因其具有不受电磁福射干扰、体积小、制作简单、波长敏感等特点，被广泛应用于远距离光学传感和光学通信领域。在实际应用中，为了保证光纤光栅传感器能够正常工作，必需对光纤光栅进行解调。目前，光纤光栅的解调技术主要分为:一、光谱分析技术。此种技术需要进行大量数学计算，因而其解调速度低、不适用于大带宽应变信号的测量。二、基于可调谐滤波器的波长扫描技术。此种技术波长分辨率高、测量范围宽、复用能力强，但其解调速度低、使用成本高、不适用于高速与高精度宽量程动态应变信号的同时测量。三、边缘滤波器技术。此种技术需要为每个光纤光栅配置专门的边缘滤波器和探测器，因而其使用不方便、使用成本高。四、非平衡M-Z干涉仪解调技术。此种技术存在零点漂移问题，因而其仅适用于动态应变信号的测量。五、强度调制型光纤光栅解调系统。此种技术解调速度高，但受自身非线性特性影响，其解调精度低。综上所述，现有光纤光栅的解调技术由于自身原理所限，普遍存在解调速度低、解调精度低、使用不方便、使用成本高、以及适用范围窄的问题。为此有必要发明一种全新的光纤光栅的解调技术，以解决现有光纤光栅的解调技术存在的上述问题。
发明内容
本发明为了解决现有光纤光栅的解调技术解调速度低、解调精度低、使用不方便、使用成本高、以及适用范围窄的问题，提供了一种基于动态扫描的光纤光栅传感解调仪及方法。本发明是采用如下技术方案实现的:基于动态扫描的光纤光栅传感解调仪，包括宽带光源、可调谐滤波器、光纤耦合器、隔离器、光纤光栅、标准具、第一光电探测器、第二光电探测器、第一信号放大调理电路、第二信号放大调理电路、多路同步A/D转换器、基于FPGA的解调控制电路、计算机、D/A转换器、以及高压驱动放大电路；其中，宽带光源的信号输出端与可调谐滤波器的信号输入端连接；可调谐滤波器的信号输出端与光纤耦合器的信号输入端连接；光纤稱合器的信号输出端与隔离器的信号输入端、光纤光栅的信号输入端、第一光电探测器的信号输入端连接；隔离器的信号输出端与标准具的信号输入端连接；标准具的信号输出端与第二光电探测器的信号输入端连接；第一光电探测器的信号输出端与第一信号放大调理电路的信号输入端连接；第二光电探测器的信号输出端与第二信号放大调理电路的信号输入端连接；第一信号放大调理电路的信号输出端、第二信号放大调理电路的信号输出端均与多路同步A/D转换器的信号输入端连接；多路同步A/D转换器的信号输出端与基于FPGA的解调控制电路的信号输入端连接；基于FPGA的解调控制电路的信号输出端与多路同步A/D转换器的信号输入端、计算机的信号输入端、D/A转换器的信号输入端连接；D/A转换器的信号输出端与高压驱动放大电路的信号输入端连接；高压驱动放大电路的信号输出端与可调谐滤波器的信号输入端连接。基于动态扫描的光纤光栅传感解调方法(该方法在本发明所述的基于动态扫描的光纤光栅传感解调仪中完成)，该方法是采用如下步骤实现的:
a.宽带光源向可调谐滤波器输出宽带光；可调谐滤波器将输入的宽带光转换成窄线宽激光，并将窄线宽激光输出至光纤耦合器；光纤耦合器将输入的窄线宽激光进行耦合，并将耦合后的窄线宽激光输出至光纤光栅，同时通过隔离器将耦合后的窄线宽激光输出至标准具；
b.光纤光栅根据输入的窄线宽激光形成反射谱；第一光电探测器实时探测形成的反射谱，并将探测到的反射谱输出至第一信号放大调理电路；第一信号放大调理电路将输入的反射谱进行放大调理；同时，标准具根据输入的窄线宽激光形成透射谱；第二光电探测器实时探测形成的透射谱，并将探测到的透射谱输出至第二信号放大调理电路；第二信号放大调理电路将输入的透射谱进行放大调理；
c.多路同步A/D转换器实时同步采集放大调理后的反射谱和透射谱，并将采集到的反射谱和透射谱输出至基于FPGA的解调控制电路；基于FPGA的解调控制电路在初始三角波扫描周期实时采集可调谐滤波器的高压驱动信号和标准具的Mag Flag特征波长位置，并将采集到的高压驱动信号和Mag Flag特征波长位置以及输入的反射谱和透射谱输出至计算机；
d.基于FPGA的解调控制电路根据输入的反射谱产生高压驱动信号，并将产生的高压驱动信号输出至D/A转换器；D/A转换器将输入的高压驱动信号进行数模转换，并将数模转换后的高压驱动信号输出至高压驱动放大电路；高压驱动放大电路将输入的高压驱动信号进行放大，并将放大后的高压驱动信号输出至可调谐滤波器；基于FPGA的解调控制电路根据输入的反射谱实时调节可调谐滤波器的扫描电压，使得可调谐滤波器输出的窄线宽激光的波长锁定在反射谱的_3dB位置；
e.当光纤光栅受到外界应变信号时，反射谱的中心波长发生变化，透射谱的各个峰值的中心波长保持不变；重复步骤d，使得可调谐滤波器输出的窄线宽激光的波长重新锁定在反射谱的_3dB位置；计算机根据输入的高压驱动信号、Mag Flag特征波长位置、反射谱、透射谱计算反射谱的_3dB位置相对透射谱的各个峰值的中心位置的变化量，并根据计算出的变化量实时解算出反射谱的中心波长变化信号，然后带入光纤光栅的标定系数，并根据带入的标定系数和计算出的中心波长变化信号实时解算出外界应变信号。所述步骤c中，可调谐滤波器的初始扫描电压为三角波扫描电压；所述步骤d中，基于FPGA的解调控制电路在三角波扫描电压的上升沿寻找反射谱的最大值，并根据寻找到的反射谱的最大值位置在三角波扫描电压的下降沿调节可调谐滤波器的扫描电压的偏置电压和峰峰值范围，使得可调谐滤波器输出的窄线宽激光的波长锁定在反射谱的-3dB位置；基于FPGA的解调控制电路根据输入的反射谱峰值大小将输入的反射谱峰值分成若干个区间，并根据不同的区间产生具有不同扫描步长的高压驱动信号。与现有光纤光栅的解调技术相比，本发明所述的基于动态扫描的光纤光栅传感解调仪及方法具有如下优点:一、与光谱分析技术相比，本发明所述的基于动态扫描的光纤光栅传感解调仪及方法无需进行大量数学计算，因而其解调速度更高，完全适用于大带宽应变信号的测量。二、与基于可调谐滤波器的波长扫描技术相比，本发明所述的基于动态扫描的光纤光栅传感解调仪及方法解调速度更高，使用成本更低，完全适用于高速与高精度宽量程动态应变信号的同时测量。三、与边缘滤波器技术相比，本发明所述的基于动态扫描的光纤光栅传感解调仪及方法无需为每个光纤光栅配置专门的边缘滤波器和探测器，因而其使用更方便，使用成本更低。四、与非平衡M-Z干涉仪解调技术相比，本发明所述的基于动态扫描的光纤光栅传感解调仪及方法不存在零点漂移，因而其不仅适用于动态应变信号的测量。五、与强度调制型光纤光栅解调系统相比，本发明所述的基于动态扫描的光纤光栅传感解调仪及方法不受非线性特性影响，因而其解调精度更高。综上所述，本发明所述的基于动态扫描的光纤光栅传感解调仪及方法基于全新结构原理，有效解决了现有光纤光栅的解调技术解调速度低、解调精度低、使用不方便、使用成本高、以及适用范围窄的问题。本发明有效解决了现有光纤光栅的解调技术解调速度低、解调精度低、使用不方便、使用成本高、以及适用范围窄的问题，适用于光纤光栅传感器。
图1是本发明中基于动态扫描的光纤光栅传感解调仪的结构示意图。图2是本发明中光纤光栅形成的反射谱的中心波长和可调谐滤波器输出的窄线宽激光的波长的曲线示意图。图3是本发明中光纤光栅形成的反射谱的曲线示意图。图4是本发明中标准具形成的透射谱的曲线示意图。图5是本发明中可调谐滤波器的扫描电压的曲线示意图。图6是本发明中光纤光栅形成的反射谱的中心波长在静态应变条件下的漂移量曲线示意图。图7是本发明中光纤光栅形成的反射谱和可调谐滤波器的扫描电压在2kHz动态应变信号下的曲线示意图。图8是本发明中光纤光栅形成的反射谱的中心波长在2kHz动态应变信号下的曲线示意图。图中:1-宽带光源，2-可调谐滤波器，3-光纤耦合器，4-隔离器，5-光纤光栅，6-标准具,7-第一光电探测器,8-第二光电探测器,9-第一信号放大调理电路,10-第二信号放大调理电路，11-多路同步A/D转换器，12-基于FPGA的解调控制电路，13-计算机，14-D/A转换器，15-高压驱动放大电路。
具体实施例方式基于动态扫描的光纤光栅传感解调仪，包括宽带光源1、可调谐滤波器2、光纤率禹合器3、隔离器4、光纤光栅5、标准具6、第一光电探测器7、第二光电探测器8、第一信号放大调理电路9、第二信号放大调理电路10、多路同步A/D转换器11、基于FPGA的解调控制电路12、计算机13、D/A转换器14、以及高压驱动放大电路15 ;其中，宽带光源I的信号输出端与可调谐滤波器2的信号输入端连接；可调谐滤波器2的信号输出端与光纤耦合器3的信号输入端连接；光纤稱合器3的信号输出端与隔离器4的信号输入端、光纤光栅5的信号输入端、第一光电探测器7的信号输入端连接；隔离器4的信号输出端与标准具6的信号输入端连接；标准具6的信号输出端与第二光电探测器8的信号输入端连接；第一光电探测器7的信号输出端与第一信号放大调理电路9的信号输入端连接；第二光电探测器8的信号输出端与第二信号放大调理电路10的信号输入端连接；第一信号放大调理电路9的信号输出端、第二信号放大调理电路10的信号输出端均与多路同步A/D转换器11的信号输入端连接；多路同步A/D转换器11的信号输出端与基于FPGA的解调控制电路12的信号输入端连接；基于FPGA的解调控制电路12的信号输出端与多路同步A/D转换器11的信号输入端、计算机13的信号输入端、D/A转换器14的信号输入端连接；D/A转换器14的信号输出端与高压驱动放大电路15的信号输入端连接；高压驱动放大电路15的信号输出端与可调谐滤波器2的信号输入端连接。基于动态扫描的光纤光栅传感解调方法(该方法在本发明所述的基于动态扫描的光纤光栅传感解调仪中完成)，该方法是采用如下步骤实现的:
a.宽带光源I向可调谐滤波器2输出宽带光；可调谐滤波器2将输入的宽带光转换成窄线宽激光，并将窄线宽激光输出至光纤稱合器3 ;光纤稱合器3将输入的窄线宽激光进行耦合，并将耦合后的窄线宽激光输出至光纤光栅5，同时通过隔离器4将耦合后的窄线宽激光输出至标准具6 ；
b.光纤光栅5根据输入的窄线宽激光形成反射谱；第一光电探测器7实时探测形成的反射谱，并将探测到的反射谱输出至第一信号放大调理电路9 ;第一信号放大调理电路9将输入的反射谱进行放大调理；同时，标准具6根据输入的窄线宽激光形成透射谱；第二光电探测器8实时探测形成的透射谱，并将探测到的透射谱输出至第二信号放大调理电路10 ；第二信号放大调理电路10将输入的透射谱进行放大调理；
c.多路同步A/D转换器11实时同步采集放大调理后的反射谱和透射谱，并将采集到的反射谱和透射谱输出至基于FPGA的解调控制电路12 ;基于FPGA的解调控制电路12在初始三角波扫描周期实时采集可调谐滤波器2的高压驱动信号和标准具6的Mag Flag特征波长位置，并将采集到的高压驱动信号和Mag Flag特征波长位置以及输入的反射谱和透射谱输出至计算机13 ；
d.基于FPGA的解调控制电路12根据输入的反射谱产生高压驱动信号，并将产生的高压驱动信号输出至D/A转换器14 ；D/A转换器14将输入的高压驱动信号进行数模转换，并将数模转换后的高压驱动信号输出至高压驱动放大电路15 ;高压驱动放大电路15将输入的高压驱动信号进行放大，并将放大后的高压驱动信号输出至可调谐滤波器2 ;基于FPGA的解调控制电路12根据输入的反射谱实时调节可调谐滤波器2的扫描电压，使得可调谐滤波器2输出的窄线宽激光的波长锁定在反射谱的_3dB位置；
e.当光纤光栅5受到外界应变信号时，反射谱的中心波长发生变化，透射谱的各个峰值的中心波长保持不变；重复步骤d，使得可调谐滤波器2输出的窄线宽激光的波长重新锁定在反射谱的_3dB位置；计算机13根据输入的高压驱动信号、Mag Flag特征波长位置、反射谱、透射谱计算反射谱的_3dB位置相对透射谱的各个峰值的中心位置的变化量，并根据计算出的变化量实时解算出反射谱的中心波长变化信号，然后带入光纤光栅5的标定系数，并根据带入的标定系数和计算出的中心波长变化信号实时解算出外界应变信号。
所述步骤c中，可调谐滤波器2的初始扫描电压为三角波扫描电压；所述步骤d中，基于FPGA的解调控制电路12在三角波扫描电压的上升沿寻找反射谱的最大值，并根据寻找到的反射谱的最大值位置在三角波扫描电压的下降沿调节可调谐滤波器2的扫描电压的偏置电压和峰峰值范围，使得可调谐滤波器2输出的窄线宽激光的波长锁定在反射谱的_3dB位置；基于FPGA的解调控制电路12根据输入的反射谱峰值大小将输入的反射谱峰值分成若干个区间，并根据不同的区间产生具有不同扫描步长的高压驱动信号。具体实施时，所述宽带光源I采用具有较高增益平坦度的高功率光源(带宽大于40nm，波长范围为1520nnTl560nm，总功率大于10mW)。所述可调谐滤波器2的输出线宽优于0.0lnm，可调谐滤波器2输出的窄线宽激光的波长范围为1520nnTl560nm。所述多路同步A/D转换器11采用多路高速同步串行A/D转换器。
权利要求
1.一种基于动态扫描的光纤光栅传感解调仪，其特征在于:包括宽带光源(I)、可调谐滤波器(2)、光纤耦合器(3)、隔离器(4)、光纤光栅(5)、标准具(6)、第一光电探测器(7)、第二光电探测器(8)、第一信号放大调理电路(9)、第二信号放大调理电路(10)、多路同步A/D转换器(11)、基于FPGA的解调控制电路(12)、计算机(13)、D/A转换器(14)、以及高压驱动放大电路(15);其中，宽带光源(I)的信号输出端与可调谐滤波器(2)的信号输入端连接；可调谐滤波器(2)的信号输出端与光纤耦合器(3)的信号输入端连接；光纤耦合器(3)的信号输出端与隔离器(4)的信号输入端、光纤光栅(5)的信号输入端、第一光电探测器(7)的信号输入端连接；隔离器(4)的信号输出端与标准具(6)的信号输入端连接；标准具(6)的信号输出端与第二光电探测器(8)的信号输入端连接；第一光电探测器(7)的信号输出端与第一信号放大调理电路(9)的信号输入端连接；第二光电探测器(8)的信号输出端与第二信号放大调理电路(10)的信号输入端连接；第一信号放大调理电路(9)的信号输出端、第二信号放大调理电路(10)的信号输出端均与多路同步A/D转换器(11)的信号输入端连接；多路同步A/D转换器(11)的信号输出端与基于FPGA的解调控制电路(12)的信号输入端连接；基于FPGA的解调控制电路(12)的信号输出端与多路同步A/D转换器(11)的信号输入端、计算机(13)的信号输入端、D/A转换器(14)的信号输入端连接；D/A转换器(14)的信号输出端与高压驱动放大电路(15)的信号输入端连接；高压驱动放大电路(15)的信号输出端与可调谐 滤波器(2)的信号输入端连接。
2.一种基于动态扫描的光纤光栅传感解调方法，该方法在如权利要求1所述的基于动态扫描的光纤光栅传感解调仪中完成，其特征在于:该方法是采用如下步骤实现的: a.宽带光源(I)向可调谐滤波器(2)输出宽带光；可调谐滤波器(2)将输入的宽带光转换成窄线宽激光，并将窄线宽激光输出至光纤稱合器(3);光纤稱合器(3)将输入的窄线宽激光进行耦合，并将耦合后的窄线宽激光输出至光纤光栅(5)，同时通过隔离器(4)将耦合后的窄线宽激光输出至标准具(6)； b.光纤光栅(5)根据输入的窄线宽激光形成反射谱；第一光电探测器(7)实时探测形成的反射谱，并将探测到的反射谱输出至第一信号放大调理电路(9);第一信号放大调理电路(9)将输入的反射谱进行放大调理；同时，标准具(6)根据输入的窄线宽激光形成透射谱；第二光电探测器(8)实时探测形成的透射谱，并将探测到的透射谱输出至第二信号放大调理电路(10);第二信号放大调理电路(10)将输入的透射谱进行放大调理； c.多路同步A/D转换器(11)实时同步采集放大调理后的反射谱和透射谱，并将采集到的反射谱和透射谱输出至基于FPGA的解调控制电路(12);基于FPGA的解调控制电路(12)在初始三角波扫描周期实时采集可调谐滤波器(2)的高压驱动信号和标准具(6)的MagFlag特征波长位置，并将采集到的高压驱动信号和Mag Flag特征波长位置以及输入的反射谱和透射谱输出至计算机(13)； d.基于FPGA的解调控制电路(12)根据输入的反射谱产生高压驱动信号，并将产生的高压驱动信号输出至D/A转换器(14) ;D/A转换器(14)将输入的高压驱动信号进行数模转换，并将数模转换后的高压驱动信号输出至高压驱动放大电路(15);高压驱动放大电路(15)将输入的高压驱动信号进行放大，并将放大后的高压驱动信号输出至可调谐滤波器(2);基于FPGA的解调控制电路(12)根据输入的反射谱实时调节可调谐滤波器(2)的扫描电压，使得可调谐滤波器(2)输出的窄线宽激光的波长锁定在反射谱的-3dB位置；e.当光纤光栅(5)受到外界应变信号时，反射谱的中心波长发生变化，透射谱的各个峰值的中心波长保持不变；重复步骤d，使得可调谐滤波器(2)输出的窄线宽激光的波长重新锁定在反射谱的_3dB位置；计算机(13)根据输入的高压驱动信号、Mag Flag特征波长位置、反射谱、透射谱计算反射谱的_3dB位置相对透射谱的各个峰值的中心位置的变化量，并根据计算出的变化量实时解算出反射谱的中心波长变化信号，然后带入光纤光栅(5)的标定系数，并根据带入的标定系数和计算出的中心波长变化信号实时解算出外界应变信号。
3.根据权利要求2所述的基于动态扫描的光纤光栅传感解调方法，其特征在于:所述步骤c中，可调谐滤波器(2)的初始扫描电压为三角波扫描电压；所述步骤d中，基于FPGA的解调控制电路(12)在三角波扫描电压的上升沿寻找反射谱的最大值，并根据寻找到的反射谱的最大值位置在三角波扫描电压的下降沿调节可调谐滤波器(2)的扫描电压的偏置电压和峰峰值范围，使得可调谐滤波器(2)输出的窄线宽激光的波长锁定在反射谱的-3dB位置；基于FPGA的解调控制电路(12)根据输入的反射谱峰值大小将输入的反射谱峰值分成若干个区间，并根据不 同的区间产生具有不同扫描步长的高压驱动信号。
全文摘要
本发明涉及光纤光栅的解调技术，具体是一种基于动态扫描的光纤光栅传感解调仪及方法。本发明解决了现有光纤光栅的解调技术解调速度低、解调精度低、使用不方便、使用成本高、以及适用范围窄的问题。基于动态扫描的光纤光栅传感解调仪包括宽带光源、可调谐滤波器、光纤耦合器、隔离器、光纤光栅、标准具、第一光电探测器、第二光电探测器、第一信号放大调理电路、第二信号放大调理电路、多路同步A/D转换器、基于FPGA的解调控制电路、计算机、D/A转换器、以及高压驱动放大电路。本发明适用于光纤光栅传感器。
文档编号G01D5/353GK103162724SQ201310074289
公开日2013年6月19日 申请日期2013年3月8日 优先权日2013年3月8日
发明者马游春, 李锦明, 谭秋林, 苏淑靖, 文丰, 丑修建, 闫树斌, 王常江 申请人:中北大学