高速高精度多通道布拉格光栅解调仪的制作方法

本发明属于光纤传感领域，特别涉及到对布拉格光栅传感器进行高速高精度解调及多通道应用的方法和实现装置。

背景技术：

光纤传感器自上世纪70年代问世以来，由于其高灵敏度，传--感合一，优越的电磁兼容性等等一系列优点，受到业内的高度重视和期待。

与其它类型光纤传感器相比，光纤光栅由于体积小，非常容易与传感结构和材料融合，构成温度、压力、流量、应变等多种传感器件，业内普遍认为光纤光栅是光纤传感技术实用化，大规模应用的一条具有非常良好前景的技术路线。

解调的本质是将光纤光栅的波长变化检测出来，它携带了所要检测物理量的信息。高精度、快速、多通道、低成本的实现解调，是光纤光栅传感器大规模工程化应用的一个重要前提。

国内外相当多的研究报道及专利申请（授权）涉及光纤光栅传感的解调工作，例如：

高精度多通道光纤光栅传感系统（中国专利CN101021443A）

高精度光纤光栅传感信号解调仪（中国专利CN101216327A）

高精度光栅光纤解调系统（中国专利CN1908713A）

超高速光纤光栅传感器解调系统及其实现方法（中国专利CN1494237A）

多通道布拉格光栅传感器（ 美国专利 5426297）

使用啁啾布拉格光栅反射的超高灵敏度传感器（美国专利5706079）

尽管有相当多的类似工作，但是，能够同时 满足“ 高速 、高精度 、多通道、以及较低成本”的光栅解调的方法和装置极为罕见。

技术实现要素：

本发明要解决的问题是，提供一种能够同时满足“高速、高精度多通道及较低成本”的解调技术方案及实现该方案的装置。

本发明的具体内容包括：

波长扫描激光光源由以下部分组成： 激光二极管；二极管驱动电路, 二极管温度传感器，制冷-加热调温单元以及控制单元；其连接控制关系为：控制单元接收传感器的激光二极管温度信息，产生调整温度指令送调温单元，产生驱动信号送二极管驱动电路；二极管驱动电路将驱动信号放大后用其控制激光二极管，激光二极管的温度受调温电路的控制，其激光输出送多通道阵列的1×N分支器的输入端。

实现传感器多通道应用的阵列装置由以下部分组成：一个1×N分支器；N-1个1×2耦合器。1根或数根多芯光缆；传感器阵列中包括m个传感光栅。其中： 1×N分支器的的N-1个output分支对应连接到N-1个1×2耦合器的output1端，N-1个1×2耦合器input1端通过多芯光缆连接到传感器。多芯光缆为每个传感器分配一根光纤。N-1个1×2耦合器的output2 端连接到解调装置的对应光电转换器PIN。1×N分支器的的N分支输出中的一路不连接1×2耦合器而直接连接气体吸收池。

高速高精度解调装置包括解调支路和标定支路；解调支路包括光电探测器；信号放大器，增益控制器，比较器 ，计数器，微处理器，气体吸收池，其连接控制关系为：光电探测器将光信号转变为电信号信号进入放大器，放大器的增益受控于可编程自动 增益控制 ，其输出进入 比较器 ，比较器将放大器输入的信号与微处理器给定的参考信号进行比较，其比较结果触发计数器，该计数器的计数结果用于获得传感光栅的波长信息。微处理器，与解调支路相比，标定支路的信号由气体吸收池输出后进入光电探测器，其余连接和控制关系与解调支路相同。

本发明采用的激光二极管为 CW-DFB或者CW-DBL类型,用以实现由电流对波长进行连续高速调制。

由于激光二极管只能提供一个很窄的波长扫描范围，所以,本发明所有的传感器都采用相同的波长的光栅，为区分不同的传感器，采用多芯光缆为每个传感器配备一个独享的通道，可以根据实际应用情况采用一根或多根光缆，但光纤总芯数多于解调装置的总通道数，而解调装置的通道数应多于传感器的总数量。

本发明采用的方案，由于激光二极管谱线极窄，能量高度集中，即使经过1：128分支器进行能量衰减，每个通道仍然有足够的信噪比，为共享激光器及气体波长标准奠定了基础。较多的通道保证了系统的经济性，从实际应用考虑，一般8-64个通道比较合理。

本发明的波长高速扫描通过调制激光二极管馈入电流来获得，波长低速扫描通过调制激光二极管的温度来实现。

本发明通过控制激光模块的温度来控制扫描波长的起始点并扩展波长扫描的覆盖范围。

本发明采用多个不同中心波长的激光光源,在微处理器的控制下接力工作, 使波长高速扫描的范围得到扩展。

本发明的波长解调采用：驱动电流扫描的时间对应于特定的波长，反射信号超过设定阈值证明检测到FBG的前沿，再次低于阈值证明检测到FBG的后沿，由这二个时间跳变得位置由此可得到FBG反射峰的宽度和中心波长。

本发明采用高速计数器将波长扫描范围密集划分；每个扫描周期使用气体吸收谱对激光器进行动态标定；利用激光器的馈入电流—扫描波长曲线的特征，对其进行线性化校正等技术措施保证高解调精度。

本发明采用可编程自动增益控制电路，为不同的通道提供不同的增益，所有的传感器信号在经过放大器后，工作在相同的设定幅度上。该方法显著改善了系统的可靠性和实用性。

本发明采用为不同的通道提供不同的采样平均次数的方法，使系统能同时测量高频和低频信号。该方法有效地改善了系统的可靠性和实用性。

发明的有益效果：

本发明高速所提出的技术方案，可以实现FBG传感器的高速、高精度、多通道解调。典型技术指标为：采样频率可达2kHz, 在1 kHz 采样率下的波长分辨率达到0.11pm ，精度达到1pm；在10H采样率下的波长分辨精度达到0.01pm, 精度达到0.1pm；解调器同时处理的通道数量至少为16通道，系统有足够能力达到96个通道。本发明实现的通道数量保证了光纤传感系统高性能下的较低成本。

附图说明

图1是本发明的系统图

图2 是本发明的传感通道分配图

图3展示了本发明主要信号的波形和时间关系

图4波长解调原理图

图5波长校正原理图

图6是本发明实施例1中使用温度调控波长扫描的起始点

图7是本发明实施例2 中多激光光源接力扩展波长扫描覆盖范围示意图

以下结合附图和实施例对本发明进一步详细阐述，但本发明不限于这些实施例。

实施例1 ：16通道FBG地震数据采集站

需求分析： 地震勘探检波器的工作特点是，环境温度从可能-40Co— 70Co，工作时所有的传感器都位于相同温度下且温度变化不大。系统平时处于待机状态，记录从激发开始的几秒（至多几十秒）的地震波信号，该系统要求高速、高精度、多通道采集信号。

参阅图1，图2和图3，图4，本实施例的 FBG高速、高精度、多通道解调的方法和实现装置包括：

波长扫描激光光源由以下部分组成： 激光二极管11；二极管驱动电路12, 二极管温度传感器13，制冷-加热调温单元14以及控制单元15；其连接控制关系为：控制单元15接收传感器13的激光二极管温度信息，产生调整温度指令送调温单元14，产生驱动信号送二极管驱动电路12；二极管驱动电路12将驱动信号放大后用其控制激光二极管11，激光二极管11的温度受调温电路14的控制，其激光输出送多通道阵列的1×16分支器的输入端（1端）。

从图3，图4上看，从二极管驱动电路12输出的波形 ，是一个电流幅度调制的锯齿波，本实施例中其扫描周期为0.5ms, 电流幅度为50mA—250mA. 进一步从图3上看，从激光二极管11输出的波形，是一个波长随时间扫描的，本实施例中波长的扫描范围为1.2nm，在此，波长的量程1.2nm与时间周期0.5ms建立了联系。

参阅图2，实现传感器多通道应用的阵列装置2由以下部分组成：一个1×16分支器21；15个1×2耦合器22。多芯光缆3，共2根8芯光缆（31和32）共16根光纤；传感器阵列4中共包括401，401…412等12个光栅地震传感器。其中： 1×16分支器的的15个output分支对应连接到15个1×2耦合器22的output1端，15个1×2耦合器22的input1端与2根8芯电缆31和32分别相连（其中8芯光缆32的一根光纤空置备份），为每个传感器分配一根光纤。15个1×2耦合器的output2端连接到解调装置的对应光电转换器PIN，1×16分支器其中一路不经过1×2耦合器而直接连接气体吸收池50。

更近一步，本实施例中（图6-2），从解调器向左右二个方向分别连接2根8芯光缆，其中的4根光纤连接了光栅传感器，这些传感器的间隔距离为50米。

参阅图3，当波长与传感光栅一致，波长查询激光会发生反射，从传感光栅反射回来的波形，是一个光栅反射谱，其在时间上的分布，实质上反映了波长的信息。

参阅图1，高速高精度解调装置5包括解调支路和标定支路；解调支路包括光电探测器51；信号放大器52 增益控制器53 ，比较器54 ，计数器55，微处理器56，其连接控制关系为：光电探测器51将光信号转变为电信号信号进入放大器52，放大器52的增益受控于可编程自动 增益控制53 ，其输出进入 比较器54 ，比较器54将放大器52输入的信号与第一微处理器15给定的参考信号进行比较，其比较结果触发计数器55，该计数器的计数结果送第二微处理器56用于获得传感光栅的波长信息。与解调支路相比，标定支路的信号由气体吸收池50输出后进入光电探测器51，其余连接和控制关系与解调支路相同。

参阅图3，光栅反射信号波形、进入二极管51之后，其光信号被转换为外形类似的电信号以便于处理，进一步放大后，其幅度发生了变化，但轮廓所包含的波长信息继续保留。为了提取布拉格光栅的波长信息，放大幅度的信号进入比较器与一个参考幅度进行比较，比较器的二个特征点所在扫描周期中的时间位置，包含了波长的信息。每次扫描开始，第一微处理器15触发一个计数器开始计数，比较器的输出作为另外一个触发信号，将所在时刻计数器的计数数值读出并送到第二微处理器56，到此获得了二个数字化的光栅反射波的前沿和后沿，即：获得了光栅的宽度信息和中心波长信息。

本实施例的波长高速扫描通过调制激光二极管馈入电流来获得，波长低速扫描通过调制激光二极管的温度来实现。其中采用的扫描激光光源是一个40mW 的波长连续可调（CW）分布反馈（DFB）激光二极管FRL15DCWD，对馈入电流的进行80%的幅度调制获得了1.2nm的波长扫描范围。

用本实施例的扫描光源进行波长解调，系统可以获得如下优点：

第一， 可以进行高速解调。由于波长对电流的响应几乎没有延迟（皮秒级响应速度）,理论上，系统可获得百KHz的采样 频率，FBG系统 足以进行声波或更高频信号的采集。

第二， 由于该种激光器的谱线极其狭窄（给定指标5MHz）,激光的能量高度集中，实测经过 1：128的分光损耗，其能量仍然可以获得良好的信噪比，这意味着一个激光器有足够的能量同时对上百路传感光栅进行扫描解调。

第三， 由于该种激光器的谱线极其狭窄，为细分扫描步距，进而提高解调精度留下来充分的余地。

用本实施例的波长扫描存在如下问题和解决的方法如下：

第一， 由于波长高速扫描的范围很窄，为保证扫描覆盖所有的传感器，要求传感器谱宽较小（小于0.3nm）, 系统中所有的传感器要保证良好的一致性。

第二， 由于环境温度的变化，检波器的传感光栅波长会发生漂移，本实施例采用调整激光器的温度，使动态扫描的范围最佳地覆盖全部传感光栅。

在本实施例中，野外工作环境的可能温度为-40Co— +70Co，温度对光栅波长影响大约12pm/1Co. 所以温度对传感器系统的最大影响大约为(110Co×12)1300pm. 另一方面，该型号激光二极管的波长/温度系数大约为100pm/1Co，本实施例可实现的由控制激光器温度而获得的对波长的控制范围大约为2200pm，足以补偿环境温度的影响。这样，以调整激光器温度来使高速扫描范围最优地覆盖光栅波长的设计最终得以实现。

三项重要的措施保证了本实施例获得超高解调精度。第一，采用高速计数器将波长扫描范围密集划分；第二，每个扫描周期使用气体吸收谱对激光器进行动态标定；第三，利用激光器的馈入电流—扫描波长曲线的特征，对其进行线性化校正，以下结合示意图，对其工作原理进行详细描述。

参阅图4的波形，激光器驱动电路产生起始电流50mA, 终止电流270mA, 扫描周期1mS的锯齿波电流，施加到激光器，该激光器产生了激光Lp（波形），在时间轴上，激光Lp从锯齿波的起点扫描到终点，时间行程为0.5mS, 在波长轴上激光Lp的波长从起始波长λs连续扫描到终止波长λe. 这样，扫描时间与波长具有了确定的关系。当入射的激光波长与光栅波长重合时，入射光会产生反射，该光栅的反射光信号Sg（波形）在扫描周期的时间上的位置即包含了其所在波长的信息， 经过检波放大后的电压信号Vs继承了光栅反射信号Sg的波长特征， 在比较器中（波形），参考信号Vrf与光栅信号Vs进行比较,其电压幅度一致的二个点P1和P2既表达了光栅的波长宽度特征，也表达了光栅的波长位置特征。读出P1和P2点在时间轴上的数据可以有多种方法，但无论哪种方法，将时间轴划分的越细，即可获得越高的波长精度。本实施例采用高速计数器对时间轴进行划分，每次锯齿波扫描起始，触发一个计数器开始工作，当比较器中参考电压Vrf与信号电压Vs幅度相同的时间位置T1 T2, 将触发计数器（波形）产生计数N1和N2，该计数最终完成了从光栅波长信息（模拟量）到数字化电信号的测量和转换。计数器价格便宜并且速度极快，一个普通的20M计数器，相当于将0.5mS的时间范围划分为10K, 也就是将波长扫描范围划分为104步，本实施例中激光器的波长扫描为1.1nm, 这样，这样其波长步距（分辨率）大约为0.11pm。

第二项保证本实施例获得超高解调精度的措施是在每个扫描周期都使用气体吸收谱对激光器进行动态标定，参阅图5-1 图5-2. 在图5-1中，我们可以认为这每个周期中温度和噪音恒定，但是不同扫描周期的温度和电子噪音不恒定，这将影响每个扫描的波长起始点，也就是不同周期下，计数器一个相同的数值对应的波长值有所不同，为此，本实施例采用与标准气体吸收进行比较的方法消除这个误差。

首先，在25Co标准标定状态下，, 我们以参考通道获得的Nr1 ，Nr2算出气体吸收峰Nrs （Nrs =（Nr2 -Nr1)/2）该数值(本实施例实测值1870=气体吸收峰1550.231nm)。其次，我们以动态实测的参考通道计数器读数Nr1 ，Nr2 ，Nr3...…Nrk与该标准值（1870）的差，获得一系列动态的误差Nδ1 ，Nδ2，Nδ3 ，...…Nδk，最后，我们将每个传感通道相同采样周期的读数与对应的动态误差进行相加，获得了纠正后的数值。该数值消除了由于温度或其它低频干扰造成的波长抖动。见表一。

表一： 动态标定后的传感通道读数

第三项保证本实施例获得超高解调精度的措施是对激光器的电流-波长曲线进行线性化校正，并同时赋予每个计数器读数一个相应的唯一波长值。

由于半导体激光器的电流-波长曲线并非理想的线性，为提高精度，必须采用一定的方法进行线性化处理。通常线性化校正的方法是拟合法或查表法，本实施例混合采用了查表法和拟合法。具体做法是：首先制作出电流-波长-读数关系对照表，由于扫描的起点电流为50mA,终点为270mA,在扫描过程中，计数器完成从0到10000的计数，而施加的扫描电流可以认为是比较理想的线性，我们给激光器施加不同的电流，用波长计读出相应电流下的波长值，获得表二

表二： 波长-电流-读数对照表

其次，以表二数据为基准，通过拟合方法并扩展填补数据，最终获得读数波长—实际波长的对应表三。

由于不可能也不必要测试所有的10000个对照数据，可行的方法是分成若干个区并测试若干个点本实施例采用分为3个区A: 50mA-110mA之间每10mA一个点，110-220之间10mA 一个点，220-270之间每5mA 一个点）然后采用拟合法，将从读数波长从1到10000对应的数据全部补齐，形成表三。

最后将表三存储在计算机中，每采样周期各通道的计数器读数（表一）都可以通过查找表三获得唯一的波长读数。

可靠性和实用性的保证措施：

在野外使用过程中，由于操作人员不同，光缆的连接，盘绕的角度都具有难以避免的不一致性，本实施例采用自动增益控制的方法，为不同的通道提供不同的增益，使所有感器信号在经过放大器后，工作在相同的设定幅度上。不同于一般AGC电路，本实施例采用由计算机进行按照程序给出一系列不同的增益系数，并同时检测反射光栅的宽度，以此为依据，对各个传感通道实行自检和初始化，大大提高系统的可靠性和操作的方便性。

实施例2： 96通道船体健康监控 数据 采集系统

实施例2是一个船体健康状态的混合传感监测系统，施工方要求安装80个传感器，监测内容包括发动机的异常振动状态（高频信号），锅炉内的温度和压力，船体应变（低频信号）情况等等，由于这些数据的可能处于传感器量程的任何状态，而且需要同时数据实时采集，实施例1中的依靠温度调节，选择性覆盖整个光栅动态区域的方法难以实现。

本实施例在整体方案上与实施例一相同，其改进部分（参阅图7-1和图7-2）在于，使用二个定制的大功率CW-DBL激光二极管XL15DCWX, 其激光功率200mW 二个激光的输出经过耦合器11-4合并为并进入1×N波长分支器21。 二个激光二极管的中心波长分别为1550nm和1551nm, 在80%的电流幅度调制下可获得2.7nm的动态扫描范围，(在图7-2上显示为λ1s—λ1e；λ2s—λ2e)。 工作时，MCU1按先后顺序给驱动电路12-1和12-2轮流提供宽度为0.25mS、周期2K的锯齿波信号，同时MCU1控制13-1/14-1和13-2/14-2，将激光器设定在2个固定的温度控制点T1和T2上。适当选取T1和T2,使2个激光波长形成接力，波长重叠范围（λ2s—λ1e）为0.4nm，最终达到5nm(见7-2 ,λcombination)的扫描波长带宽。

本实施例为改进系统的可靠性和实用性，采用对所有信号均高速采样（2K采用率）以确保高频振动信号的采集不会失真。 由于系统中存在多种不同的传感器，需要同时测量高频和低频信号，本实施例采用了为不同的通道分别提供10次和100次平均等不同的平均次数的方法，既满足了同时检测高频和低频信号的需要，又简化了系统构成，提高了精度。

上述二个具体实施例并非用于限制发明的应用范围，凡在发明的原则内所作的非本质性简单修改替换，均应包括在本发明的保护范围之内。