基于VCSEL波长解调和TDM加WDM多点弱光纤光栅温度监测系统

基于vcsel波长解调和tdm加wdm多点弱光纤光栅温度监测系统
技术领域
1.本发明涉及光纤传感器技术领域，特别是涉及一种基于vcsel波长解调和tdm加wdm多点弱光纤光栅温度监测系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.光纤传感器与其它类型传感器相比，体积小，非常容易与传感结构和材料融合构成各种物理量传感器件。对光纤光栅传感信号的解调就是依据对光纤光栅不同的反射波长进行检测、变换，进而得到外界信息的变化量，如，采用光纤光栅传感器进行温度检测时，根据对光纤光栅反射波长的解调得到被测点的温度值。
4.在对光纤光栅传感器进行数据采集和分析的过程中，光纤光栅解调仪是传感器系统的核心部件，一般的光纤光栅传感信号的解调方法有多种，包括功率化解调(如采用大功率ase宽谱光源)、波长解调(采用扫描激光器系统)和干涉解调等方法。随着fbg传感系统的广泛应用，如何研发出一种能够实现同步测量、精度高、成本低并能够满足复杂工程环境下应用的fbg传感解调系统将成为工程应用的新的需求。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明提出了一种基于vcsel波长解调和tdm加wdm多点弱光纤光栅温度监测系统，采用vcsel的波长解调技术，采用tdm和wdm技术将一条光纤分路上的若干个弱光纤光栅分离，同时采用光纤分路器同时支持多个弱光纤光栅的波长解调，通过vcsel波长解调技术和tdm加wdm技术的结合，实现对大数量、大范围、多点的弱光纤光栅温度解调。同时，由于vcsel的调谐速度可以达到上千赫兹，因此该系统也可以有效地同时监测多个机械振动信号，极大地提高了光纤光栅测振的响应速度和应用范围。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.第一方面，本发明提供一种基于vcsel波长解调和tdm加wdm多点弱光纤光栅温度监测系统，包括：脉冲电流驱动单元、光纤分路器、vcsel激光器和多点弱光纤光栅阵列；
8.所述脉冲电流驱动单元用于产生脉冲驱动电流以驱动vcsel激光器在波长扫描范围发射光脉冲信号；
9.所述光纤分路器包括若干条光纤分路，在每条光纤分路中包括若干组串联且中心波长相间设定长度的弱光纤光栅组，每组弱光纤光栅组包括串联且中心波长相同的弱光纤光栅，以此构成多点弱光纤光栅阵列；所述多点弱光纤光栅阵列中通过tdm在时域中区分中心波长相同的弱光纤光栅的反射脉冲，且通过wdm解调同条光纤分路中中心波长不同的弱光纤光栅；
10.所述vcsel激光器通过将光脉冲信号传输至多点弱光纤光栅阵列中，以在波长扫
描范围内，根据弱光纤光栅的反射光谱进行波长解调，从而实现被测点的测温。
11.作为可选择的实施方式，所述每组弱光纤光栅组中，相邻弱光纤光栅之间连接延迟光纤。
12.作为可选择的实施方式，在不同的采样时间点下，弱光纤光栅和延时光纤的反射脉冲间隔采集。
13.作为可选择的实施方式，在所述光纤分路中，延迟光纤的长度相等。
14.作为可选择的实施方式，在每条光纤分路中连接有多组中心波长相同、且每组的中心波长相间1nm、反射率为5％的弱光纤光栅。
15.作为可选择的实施方式，所述温度监测系统还包括处理单元，处理单元根据弱光纤光栅的反射光谱在vcsel激光器的波长扫描范围内的位置变化及激光波长，对弱光纤光栅进行波长解调得到被测点的温度。
16.作为可选择的实施方式，所述温度监测系统还包括处理单元，所述处理单元根据弱光纤光栅的反射脉冲得到对应弱光纤光栅的中心点，以此得到弱光纤光栅在波长扫描范围中的位置变化，同时标定vcsel激光器在波长扫描范围的激光波长的电流转换系数，得到弱光纤光栅的波长变化值，实现对弱光纤光栅的波长解调。
17.作为可选择的实施方式，所述温度监测系统还包括采集单元，用于获取弱光纤光栅的反射脉冲，且根据采集单元的采样频率和采样时间点，得到反射脉冲对应的弱光纤光栅的位置。
18.作为可选择的实施方式，所述脉冲电流驱动单元产生预设扫描幅值的脉冲驱动电流，所述脉冲驱动电流大于vcsel激光器的阈值电流，且根据扫描幅值确定vcsel激光器的波长扫描范围，以驱动vcsel激光器在波长扫描范围内发射光脉冲信号。
19.第二方面，本发明提供一种基于vcsel波长解调和tdm加wdm多点弱光纤光栅温度监测方法，包括：
20.通过产生脉冲驱动电流以驱动vcsel激光器在波长扫描范围发射光脉冲信号；
21.所述vcsel激光器通过将光脉冲信号传输至光纤分路器的若干条光纤分路中，在每条光纤分路中包括若干组串联且中心波长相间设定长度的弱光纤光栅组，每组弱光纤光栅组包括串联且中心波长相同的弱光纤光栅，以此构成多点弱光纤光栅阵列；
22.获取光脉冲信号在多点弱光纤光栅阵列中的反射脉冲，通过tdm在时域中区分中心波长相同的弱光纤光栅的反射脉冲，且通过wdm解调同条光纤分路中的弱光纤光栅。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
24.本发明提出一种基于vcsel波长解调和tdm加wdm多点弱光纤光栅温度监测系统及方法，构建tdm加wdm的多点弱光纤光栅阵列，通过光纤分路器，在每个光纤分路上设有若干组串联且中心波长相间1nm的弱光纤光栅组，每组弱光纤光栅组包括串联且中心波长相同的弱光纤光栅，采用vcsel的波长可调谐特性，通过tdm在时域中区分中心波长相同的弱光纤光栅的反射脉冲，通过wdm解调同条光纤分路中的弱光纤光栅，支持多个弱光纤光栅的波长解调，通过vcsel波长解调技术和tdm加wdm技术的结合，实现对大数量、大范围、多点的弱光纤光栅的温度解调，实现同步测量、精度高、成本低且能够满足复杂工程环境下应用的温度监测系统。
25.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得
明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
26.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
27.图1为本发明实施例1提供的基于vcsel波长解调和tdm加wdm多点弱光纤光栅温度监测系统示意图；
28.图2(a)为本发明实施例1提供的三组中心波长相同且每组中心波长相间1nm的多点弱光纤光栅阵列图；
29.图2(b)为本发明实施例1提供的一组中心波长相同的多点弱光纤光栅阵列图；
30.图3为本发明实施例1提供的调制vcsel激光器脉冲电流形成的锯齿波脉冲驱动电流示意图；
31.图4(a)-4(b)为本发明实施例1提供的vcsel激光器脉冲锯齿波电流时域信号和采集单元采集的时域信号；
32.图5为本发明实施例1提供的提取弱光纤光栅反射信号的流程示意图；
33.图6(a)-6(f)为本发明实施例1提供的锯齿波电流注入到弱光纤光栅和延时光纤时的反射信号。
具体实施方式
34.下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
35.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
36.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
37.在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
38.实施例1
39.如图1所示，本实施例提供一种基于vcsel波长解调和tdm加wdm多点弱光纤光栅温度监测系统，具体包括：脉冲电流驱动单元、弱光纤光栅阵列、光纤分路器和vcsel激光器；
40.所述脉冲电流驱动单元用于产生脉冲驱动电流以驱动vcsel激光器在波长扫描范围发射光脉冲信号；
41.所述弱光纤光栅阵列包括若干条光纤分路，在每条光纤分路中包括若干组串联且中心波长相同的弱光纤光栅组，每组弱光纤光栅组之间串联长度相同的延时光纤，以此构成多点弱光纤光栅阵列；所述多点弱光纤光栅阵列中通过tdm在时域中区分中心波长相同的弱光纤光栅的反射脉冲，且通过wdm解调同条光纤分路中中心波长不同的弱光纤光栅；
42.所述vcsel激光器通过将光脉冲信号传输至多点弱光纤光栅阵列中，以在波长扫描范围内，根据弱光纤光栅的反射脉冲进行波长解调，从而实现被测点的测温。
43.作为可选择的一种实施方式，所述脉冲电流驱动单元由控制单元控制的；所述控制单元采用xc7z010-1clg400c，主要实现两个关键功能，其一，产生脉冲电流驱动单元需要的脉冲信号及同步信号，其二，用于驱动采集单元实现采集功能。
44.在本实施例中，所述该温度监测系统还包括采集单元，所述采集单元由控制单元控制的，所述采集单元包括两片高速模数转换芯片ad9633-125，采样频率为125mhz，位数为12bit，通道数为4通道，接口为lvds；采用两片高速数模转换芯片，检测采样若干个光纤分路中的弱光纤光栅反射脉冲信号。
45.在本实施例中，所述该温度监测系统还包括vcsel温度控制单元，所述vcsel温度控制单元由max8251etp集成温控芯片组成，该芯片tec电流可达
±
1.5a，环境温度范围在[-30,70]℃时，vcsel激光器温度可控制到[20,40]℃范围内。
[0046]
在本实施例中，所述该温度监测系统还包括光电探测器和放大电路，由光电探测器和放大电路组成可编程光电探测放大电路，其增益控制范围0～30db，较好的保证弥补信号链路中的损耗；
[0047]
作为可选择的一种实施方式，所述光纤分路器的每个光纤分路均连接一个光电探测器，所述光电探测器用于检测每个光纤分路上弱光纤光栅的反射脉冲信号；
[0048]
作为可选择的一种实施方式，每个光电探测器均连接放大电路，所述放大电路连接采集单元，每个光纤分路上的弱光纤光栅的反射信号经放大电路后，传输至采集单元中。
[0049]
在本实施例中，所述光纤分路器采用1分8光纤分路器，1分8分路器由1分8的plc分路器和8支1分2光纤耦合器组成；1分2光纤耦合器的一端接到多点弱光纤光栅阵列，另一端连接光电探测器用于检测弱光纤光栅的反射脉冲信号；1分8光纤分路器通过tdm加wdm技术将多点弱光纤光栅组成传感器阵列。
[0050]
在本实施例中，所述vcsel激光器输出的光脉冲信号同时注入到光纤分路器的若干条光纤分路中，每条光纤分路包括串联多组中心波长相同、且每组的中心波长相间1nm、反射率为5％的弱光纤光栅；
[0051]
作为可选择的一种实施方式，在每组弱光纤光栅组中，串联的弱光纤光栅的中心波长相等，且在相邻弱光纤光栅之间连接延迟光纤；
[0052]
作为可选择的一种实施方式，在每条光纤分路中，弱光纤光栅组之间的弱光纤光栅的中心波长间隔设定长度，且均串联连接；本实施例中将每组中心波长设置为相间1nm。
[0053]
作为可选择的一种实施方式，弱光纤光栅的反射率设置为5％；当接入波长相同的弱光纤光栅时，每个入射的光脉冲信号经过弱光纤光栅时会经过正向反射和反向反射两种反射才能返回到光电探测器；因此，若每个弱光纤光栅两次反射产生的功率损耗为50％，一个光脉冲信号最多可以经过20次弱光纤光栅的反射，所以每个光纤分路可以同时接入10个波长相同的弱光纤光栅，每条光纤分路可以串联三组中心波长相同、且每组的中心波长相间1nm的弱光纤光栅。
[0054]
在本实施例中，每组弱光纤光栅组的延时光纤等长度；延时光纤的作用是通过tdm技术将中心波长相同的弱光纤光栅的反射脉冲在时域中分开；还可以避免相邻测量点的互相干扰，且通过延时光纤还可测得环境温度。
[0055]
在本实施例中，通过光纤分路器将输入的光脉冲信号同时注入到若干条光纤分路中，，串联多组中心波长相同、且每组的中心波长相间1nm、反射率为5％的弱光纤光栅，由此构成的多点弱光纤光栅阵列可通过wdm解调同条光纤分路中的弱光纤光栅，且通过tdm在时域中区分中心波长相同的弱光纤光栅的反射脉冲。
[0056]
作为一个实际范例，如图2(a)所示，每组弱光纤光栅组包括10个弱光纤光栅，每条光纤分路中共包括30个弱光纤光栅，那么整个系统可被解调为240个弱光纤光栅。
[0057]
如图2(b)所示，每组弱光纤光栅组中包括串联的10个长度为0.1m的弱光纤光栅，相邻弱光纤光栅之间连接长度为1.9m的延时光纤，则总长度为20m。
[0058]
本实施例采用vcsel激光器代替价格较高的扫描激光器，vcsel波长解调技术是利用vcsel激光器波长可调谐特性，用vcsel激光器作为弱光纤光栅系统的光源；vcsel的主要光电特性是：波长电流比系数大约0.4nm/ma，阈值电流小于3ma；
[0059]
因此，向vcsel激光器注入大于阈值电流的锯齿波脉冲驱动电流，根据脉冲驱动电流的扫描幅值确定vcsel激光器的波长扫描范围，以驱动vcsel激光器在波长扫描范围内发射光脉冲信号；
[0060]
如，扫描幅值为4ma-14ma的锯齿波脉冲驱动电流，可以实现vcsel的输出波长产生4nm的波长变化，也是确定了vcsel激光器的波长扫描范围。
[0061]
在本实施例中，所述温度监测系统还包括处理单元，采集单元获取弱光纤光栅的反射脉冲信号后，当弱光纤光栅的反射波长在vcsel激光器的波长调制范围或扫描范围内变化时，处理单元根据弱光纤光栅的反射脉冲在vcsel激光器的波长扫描范围内的位置变化及激光波长，对弱光纤光栅进行波长解调得到被测点的温度；
[0062]
更进一步地，处理单元根据弱光纤光栅的反射脉冲得到对应弱光纤光栅的中心点，以此得到弱光纤光栅在波长扫描范围中的位置变化，同时标定vcsel激光器在波长扫描范围的激光波长的电流转换系数，得到弱光纤光栅的波长变化值，实现对弱光纤光栅的波长解调。
[0063]
那么，例如，在4ma-14ma锯齿波脉冲驱动电流的驱动下，vcsel激光器产生4nm的波长扫描范围，如果每个弱光纤光栅的波长变化是1nm，在每个vcsel激光器波长扫描范围内，在光纤分路中接入多点弱光纤光栅阵列，那么通过wdm技术就可以解调在同一条光纤分路中的所有弱光纤光栅；且通过tdm在时域中区分中心波长相同的弱光纤光栅的反射脉冲。
[0064]
在本实施例中，所述脉冲电流驱动单元用于产生驱动vcsel激光器的锯齿波脉冲驱动电流，所述锯齿波脉冲驱动电流大于vcsel激光器的阈值电流，如图3所示为脉冲电流驱动单元形成的锯齿波脉冲驱动电流；
[0065]
作为可选择的一种实施方式，控制单元每隔300ns调制电流增加0.02ma，形成锯齿波脉冲驱动电流，总调制电流范围为10ma，电流幅值调制范围4～14ma，对应的波长扫描范围为4nm；当然，可以理解的，上述数值只是给出可行一种实施方式，本领域技术人员可根据实际需求进行更改。
[0066]
在本实施例中，每次调制电流的同时发送同步信号给采集单元，以启动采集多点弱光纤光栅阵列中弱光纤光栅的反射脉冲信号；根据采集单元的采样频率和采样时间点，得到反射信号对应的弱光纤光栅的位置，且在不同的采样时间点下，弱光纤光栅和延时光纤的反射信号间隔采集。
[0067]
作为可选择的一种实施方式，所述采集单元的采样频率为100mhz，每次采样时间间隔为10ns，接收到同步信号后，连续采样20个点采样时间为200ns，对应的光纤距离为20m。
[0068]
通过改变调制vcsel激光器脉冲电流的间隔时间，以提高解调频率；如，控制单元每隔200ns调制vcsel激光器脉冲电流时，其解调周期t＝200ns x 500＝100us，解调频率为f＝1/t＝10khz；
[0069]
如图4(a)-4(b)是vcsel激光器脉冲锯齿波电流时域信号和采集单元采集的时域信号，其中，图4(a)为vcsel激光器脉冲电流形成的锯齿波电流在时域上的信号；如图4(b)是vcsel激光器每调制1次脉冲电流，启动采集单元采集信号20次。
[0070]
如图5为获取的光脉冲信号在多点弱光纤光栅阵列中的反射信号的示意图；其中，脉冲光谱脉宽为10ns，光谱覆盖光纤1m的区域，可保证在2m处，采样弱光纤光栅的反射信号。图5中，(a)为vcsel激光器脉冲电流在时域上的信号，(b)为采集单元在每个vcsel脉冲电流周期，在t2采样时间点采集的信号；(c)为采集单元在每个vcsel脉冲电流周期，在t20采样时间点采集的信号；由此，根据采集单元的采样频率和采样时间点，可以得到对应的光纤位置；
[0071]
如，采集单元采样频率为100mhz，t2采样时间点采集的反射信号为光纤距离2m处的信号，对应的光纤位置为1号弱光纤光栅组的位置，故4-14ma锯齿波电流范围内采样的信号为1号弱光纤光栅组的反射信号；t20采样时间点采集的反射信号为光纤距离20m处的信号，对应的光纤位置为10号弱光纤光栅组的位置，故4-14ma锯齿波电流范围内采样的信号为10号弱光纤光栅组的反射信号；依次类推，根据t1-t20采样时间点，t1、t3、t5、
…
、t17、t19为对应的延时光纤的反射信号，t2、t4、t6、
…
、t18、t20为对应的弱光纤光栅的反射信号。如上所述，可将弱光纤光栅和延时光纤的反射信号通过tdm在时域上进行区分。
[0072]
如图6(a)-6(f)所示为锯齿波电流注入到弱光纤光栅和延时光纤时的反射信号，其中，图6(a)为采样时间点t1时，vcsel脉冲电流形成的锯齿波脉冲驱动电流信号，图6(b)为对应的vcsel锯齿波电流与vcsel功率曲线，图6(c)为对应的采样时间点t1时，采集到的延时光纤的反射信号，即背景信号；图6(d)为采样时间点t2时，vcsel脉冲电流形成的锯齿波脉冲驱动电流信号，图6(e)为对应的vcsel锯齿波电流与vcsel功率曲线，图6(f)为对应的采样时间点t2时，采集到的弱光纤光栅的信号。
[0073]
在更多实施例中，还提供一种基于vcsel波长解调和tdm加wdm多点弱光纤光栅温度监测方法，包括：
[0074]
通过产生脉冲驱动电流以驱动vcsel激光器在波长扫描范围发射光脉冲信号；
[0075]
所述vcsel激光器通过将光脉冲信号传输至光纤分路器的若干条光纤分路中，在每条光纤分路中包括若干组串联且中心波长相间设定长度的弱光纤光栅组，每组弱光纤光栅组包括串联且中心波长相同的弱光纤光栅，以此构成多点弱光纤光栅阵列；
[0076]
获取光脉冲信号在多点弱光纤光栅阵列中的反射脉冲，通过tdm在时域中区分中心波长相同的弱光纤光栅的反射脉冲，且通过wdm解调同条光纤分路中的弱光纤光栅。
[0077]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。