光纤光栅解调仪的通道、频率扩展方法及系统与流程

本发明属于光纤光栅传感领域，能够为压电陶瓷型光纤光栅解调仪提供一种频率和通道的扩展方法。在不增加任何器件的情况下将解调频率或者工作通道数增加一倍。

背景技术：

压电陶瓷型可调谐波长滤波器利用法布里—珀罗结构，通过压电陶瓷改变两个反射镜之间的距离实现可变的波长输出；为实现波长的线性输出，一般采用线性度较好的三角波电压驱动压电陶瓷，其中三角波上升阶段对应的是法布里—珀罗腔由长变短的过程，三角波下降阶段对应的是法布里—珀罗腔由短变长的过程，如图1所示。

在过去的光纤光栅解调仪中，由于上升阶段和下降阶段中压电陶瓷所表现出的迟滞效应不一致也不对称，因此一般选择上升阶段进行修正和解调，而将下降阶段的数据完全丢弃。这种处理方式并不聪明而且十分浪费。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中无法有效利用下降沿中数据的缺陷，提供一种在不增加任何器件的情况下将解调仪的工作频率或将解调仪的工作通道数提高一倍的光纤光栅解调仪扩展方法及系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种光纤光栅解调仪频率、通道扩展方法，包括以下步骤：

宽谱光源通过频率为f的压电陶瓷型可调谐波长滤波器后，进入第一待测光栅通道和第二待测光栅通道，不同的待测光栅通道连接不同的待测光栅；

若为通道扩展模式，则在驱动波的上升阶段，输出第二待测光栅通道的光信号，采集该第二待测光栅通道的上升沿光信号并进行修正和解调；在驱动波的下降阶段，输出第一待测光栅通道的光信号，采集该第一待测光栅通道的下降沿光信号并进行修正和解调；

若为频率扩展模式，则始终输出其中一个待测光栅通道的光信号，采集该待测光栅通道的上升沿和下降沿光信号，并进行修正和解调，解调后的信号的频率为2f；

根据不同扩展模式，分别输出解调后的信号。

本发明所述的方法中，通过双边沿交叉解调方法对采集的信号进行解调。

本发明所述的方法中，通过非线性修正方法对采集的信号进行修正。

本发明所述的方法中，所述驱动波为与驱动压电陶瓷型可调谐波长滤波器工作的三角波同步的矩形波，矩形波上升沿对应了三角波的上升阶段，矩形波的下降沿对应了三角波的下降阶段。

本发明还提供了一种光纤光栅解调仪频率、通道扩展系统，包括：

光源；

压电陶瓷型可调谐波长滤波器，用于将通过的光源的光转换为时域上的扫频光；

光学栅格生成器，用于选择通过的扫频光，输出标准光谱信号；

两个待测光栅通道，连接不同的光栅，输出不同的待测光谱信号；

光电转换模块，用于将标准光谱信号和待测光谱信号转换成电信号，并根据不同的扩展模式控制输出信号，在通道扩展模式下，并在驱动波的控制下，上升沿和下降沿分别输出不同待测光栅通道的信号，在频率扩展模式下，仅输出其中一个待测光栅通道的信号；

数据采集模块，用于采集光电转换模块输出的信号；

信号解调模块，用于将数据采集模块采集的信号进行分组、修正、解调和输出。

本发明所述的系统中，光电转换模块包含一个多路模拟开关，该多路模拟开关包括两个输入端口、一个地址总线控制端口和一个输出端；每个输入端口分别输入一路待测光栅通道的待测信号；

通过地址总线控制端口的输入信号选择输出两路路待测信号中的一路或者两路同时输出。

本发明所述的系统中，地址总线控制端口的输入信号为与驱动压电陶瓷型可调谐波长滤波器工作的三角波同步的矩形波，矩形波上升沿对应了三角波的上升阶段，矩形波的下降沿对应了三角波的下降阶段。

本发明所述的系统中，光学栅格生成器为透射型光学器件，宽谱光进入后与透射峰波长重合的光可以通过，其他波长的光则被吸收。

本发明所述的系统中，数据采集模块中包含一个A/D采样芯片和一个FPGA控制芯片，A/D采样芯片将模拟信号进行A/D转换，FPGA控制芯片在与驱动压电陶瓷型可调谐波长滤波器工作的三角波同步的矩形波的控制下采集A/D转换后的信号。

本发明所述的系统中，光源为半导体环形腔激光器SOA。

本发明产生的有益效果是：本发明提出了一种对光谱信号上升阶段、下降阶段分别修正和解调的方法，配合硬件电路，可以实现在不增加任何器件的情况下将解调仪的工作频率或将解调仪的工作通道数提高一倍，从而在相同的成本下，实现更优秀的性能。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是的法布里—珀罗腔的电压—腔长变化曲线。

图2是本发明提供的系统框图。

图3是本发明提供的模拟开关图。

图4是本发明提供的流程图。

包括光源1，压电陶瓷型可调谐波长滤波器2，光学格栅生成器3，光电采集模块4，数据采集模块5，数据处理及修正模块6。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明针对传统光纤光栅解调仪的上升阶段解调、下降阶段丢弃的方式，提出了一种效率更高的上升、下降阶段同时解调的方法，从而在不加任何器件的情况下将解调频率或者工作通道数增加了一倍。

如图2所示，本发明实施例的光纤光栅解调仪的通道、频率扩展系统包括光源1、压电陶瓷型可调谐波长滤波器2、光学栅格生成器31、两个待测光栅通道32和光电转换模块4、采集模块5和信号解调模块6。光源1通过压电陶瓷型可调谐波长滤波器2后变成时域上的扫频光，再经过光学栅格生成器31和待测光栅通道32后，输出标准光谱和待测光谱，光学栅格生成器31的光谱波长值可以通过光谱仪精确测得，并作为之后解调修正的参考。标准和待测光谱信号通过光电转换模块4转变为电信号，光电转换模块4中包含有一个多路模拟开关，通过地址总线控制可以选择输出2路待测信号中的一路或者两路同时输出。光电转换模块4输出的信号被数据采集模块5采集，然后送到数据处理模块6进行分组、修正和解调。

光源1为系统提供原始光信号，光谱带宽一般大于50nm，其输出光谱范围不应超过可调谐波长滤波器2的波长调谐范围。

可调谐波长滤波器2为系统提供扫频光信号和与驱动压电陶瓷型可调谐波长滤波器工作的三角波同步的矩形波。

光学栅格生成器31为透射型光学器件，宽谱光进入后与透射峰波长重合的光可以通过，其他波长的光则被吸收。该器件用于产生波长固定、间隔基本一致的多个透射峰，这些透射峰的波长值可以通过光谱仪精确测量，测量所得的数据被存入仪表内作为解调时的参考；不同的待测光栅通道可以连接不同的待测光栅，待测光栅的波长不能超过光源1的光谱覆盖范围。

光电转换模块4将光学栅格生成器31和待测光栅通道输出的光信号转换为电信号供数据采集模块5采集。光电转换模块4中包含一个多路模拟开关，通过地址总线控制可以选择输出两路路待测信号中的一路或者两路同时输出，如图3所示。当地址位A₀为高时，模拟开关的输出OUT为CH2中的信号，当地址位A₀为低时，模拟开关的输出OUT为CH1中的信号。一般情况下，地址位A₀将会连接一个与驱动三角波相位一致的方波信号，方波上升沿对应了三角波的上升阶段，方波的下降沿对应了三角波的下降阶段；因此，该模拟开关在三角波的上升阶段会输出CH2中的数据，在三角波的下降阶段会输出CH1中的数据，然后将两组数据送入数据采集模块5和数据处理模块6进行分析解调，一路A/D采集通道可以同时解调两路待测光栅通道的数据，从而实现了待测光栅通道的扩展。也可以将地址位A₀固定连接高电平，此时模拟开关的输出OUT永远是CH2的数据，但CH1的数据也可不经过开关直接输出，三角波上升阶段和下降阶段输出的都是同一待测光栅通道中的数据，将两个阶段的数据分成两组送入数据采集模块5和数据处理模块6进行分析解调，即可实现解调频率的翻倍即频率的扩展。

数据采集模块5中包含一个A/D采样芯片和一个FPGA控制芯片，A/D芯片将光电转换模块4输出的模拟信号进行A/D转换后由与驱动三角波相位一致的方波信号控制FPGA芯片进行采集，方波信号的上升沿和下降沿都会进行数据采集，FPGA会将上升沿采集的数据D_u和下降沿采集的数据D_d分开保存。

数据处理及修正模块6将数据采集模块5收集到的数据进行上下沿交叉解调并修正，根据不同的设置(通道扩展或是频率扩展)最终给出符合需求的解调结果。数据处理及修正模块6中用到的处理方法详见之前申请人申请的专利，其公开号为105278206A(申请号201510796200.7)。

通道扩展和频率扩展模式前端的工作流程基本相同：宽谱光源1通过频率为f的压电陶瓷型可调谐波长滤波器2被调制成时域上的扫频光，之后进入光学标准具和待测光栅通道32，经过光学标准具的光谱波长由光谱仪精确测量，且将测量值D_s作为参考存储在FPGA芯片中。FPGA在三角波上升沿期间采集到的数据D_u，包括标准光谱数据D_u-s和待测光谱数据D_u-m；在下降沿期间采集到的数据D_d，同样包括标准光谱数据D_d-s和待测光谱数据D_d-m。至此以后将分为通道扩展和频率扩展两种模式进行介绍。

通道扩展模式：在通道扩展模式下，多路模拟开关的地址位A₀连接的是与三角波相位保持同步的矩形方波，因此三角波上升沿期间矩形波的值为‘1’，三角波下降沿期间矩形波的值为‘0’。参照图3可知，三角波上升沿期间开关的输出OUT为CH2的数据，三角波下降沿期间开关的输出OUT为CH1的数据。因此FPGA采集OUT脚时，D_u-s、D_u-m为CH2的数据，D_d-s、D_d-m为CH1的数据，之后将D_u-m参考D_u-s进行解调得到CH2的波长，将D_d-m参考D_d-s进行解调得到CH1的波长，CH1、CH2的解调频率与压电陶瓷型可调谐波长滤波器的调制频率一致均为f，一路A/D采集通道可得到两路待测光栅通道的波长，实现了通道的扩展。

频率扩展模式：在频率扩展模式下，多路模拟开关的地址位A₀连接的是一个高电平，参考图3可知，无论是上升沿还是下降沿，OUT输出都是CH2的数据，而CH1也可不通过模拟开关直接输出。因此FPGA采集OUT脚时，D_u-s、D_u-m、D_d-s、D_d-m都是CH2的数据，D_u-m参考D_u-s进行解调可得到一组CH2的波长，D_d-s参考D_d-m进行解调可得到另一组CH2的波长，因此在频率为f的压电陶瓷型可调谐波长滤波器的调制下可得到频率为2f的解调结果，实现了频率的扩展。

本发明实施例的光纤光栅解调仪频率、通道扩展方法，包括以下步骤：

S1、宽谱光源通过频率为f的压电陶瓷型可调谐波长滤波器后，进入第一待测光栅通道和第二待测光栅通道，不同的待测光栅通道连接不同的待测光栅；

S2、若为通道扩展模式，则在驱动波的上升阶段，输出第二待测光栅通道的光信号，采集该第二待测光栅通道的上升沿光信号并进行修正和解调；在驱动波的下降阶段，输出第一待测光栅通道的光信号，采集该第一待测光栅通道的下降沿光信号并进行修正和解调；

S3、若为频率扩展模式，则始终输出其中一个待测光栅通道的光信号，采集该待测光栅通道的光信号的上升沿和下降沿，并进行修正和解调，解调后的信号的频率为2f；

S4、根据不同扩展模式，分别输出解调后的信号。

其中步骤S3中的修正和调节方法可采用之前申请人申请的专利中的方法，公开号为105278206A(申请号2015107962007)，在此不赘述。

进一步地，本发明一个具体实施例，如图4所示，宽谱光源1通过频率为f压电陶瓷型可调谐波长滤波器2进入待测光栅通道。FPGA芯片将上升沿采集到的数据D_u和下降沿采集到的数据D_d分开保存并进行修正和解调。解调完成后，系统会判断是否为通道扩展模式，若不是则会默认为频率扩展模式。当系统为通道扩展模式时(模拟开关地址位A₀与同步矩形波相连)，FPGA将上升沿的解调结果作为CH1的数据，将下降沿的解调结果作为CH2的数据，从而实现了通道扩展。当系统为频率扩展模式时(模拟开关地址位A₀与高电平相连)，FPGA将上升沿和下降沿的解调结果都作为CH1的数据，可输出频率为2f的解调结果，从而实现了频率扩展。

本实施例中选用半导体环形腔激光器SOA作为光源。选用光学标准具作为光学栅格生成器31，标准具具有波长稳定性好等优点。光电采集模块中光电转换电路由同轴探测器、对数放大器构成；数据采集模块由高速A/D采集芯片和FPGA芯片构成，数据处理及修正模块采用ARM9处理器实现。

综上，本发明具有以下优点：

1)本发明在不增加任何器件的情况下，可以实现通道的扩展，降低了A/D采集芯片所需的通道数，为多通道光纤光栅解调仪降低了成本。

2)本发明在不增加任何器件的情况下，可以实现采集频率的翻倍，为高速光纤光栅解调仪提供了更加简单的方案，可用于震动、声音等领域的测量。

3)本发明可将通道扩展和频率扩展集成一体化，便于用户根据不同需求进行选择。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案，都落入本发明的保护范围。