基于扫频光源的全同弱反射光栅传感网络解调系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光纤光栅解调技术领域，具体指一种基于扫频光源的全同弱反射光栅 传感网络解调系统及方法。
【背景技术】
[0002] 光纤光栅具有抗电磁干扰、电绝缘性好、耐腐蚀、体积小、重量轻、传输损耗小、可 实现多点分布式测量、测量范围广等特点，被广泛地应用于民用工程、航空、船舶、电力、石 油、建筑物结构健康监测、复杂机械系统动态监测等领域。目前基于扫频激光器的高速光纤 光栅解调系统都是针对高反射率（强反射）的光纤光栅，但强反射光栅存在制作成本高、单 根光纤复用容量有限等缺点。例如在工程上常用的多点分布式测量需要多个光栅测试点， 一般会在一根光纤上串联多个光栅，因为强反射光栅的高反射率，每个光栅的反射波长必 须不同且要保持一定的波长间隔，这样的要求提高了光纤光栅的制作成本；而且受到光源 带宽的限制，可复用光栅的数量有限。随着光纤光栅制作工艺的提高，低反射率（弱反射） 光栅的出现可以解决此问题。因为具有较低的反射率，全同波长弱反射光栅每个都可以反 射相同波长的光，这样可以不受扫频光波长范围的限制，提高了光栅容量，而且全同弱反射 光栅可在线刻写，制作方便、成本低，在很多方面要优于强反射光栅。
[0003] 目前常采用光时域反射（OTDR)及光频率反射（OFDR)进行弱反射光栅传感网络的 解调。光时域反射（Optical Time Domain Reflectometry, 0TDR)，一般是采用波长线性扫 描的脉冲激光器作为光源，根据光纤光栅反射回来的时间序列实现传感器的定位，通过检 测不同波长的反射光强得到FBG谱的包络，然后采用拟合方法得到FBG中心波长。OTDR方 案可实现大容量弱反射光纤光栅复用，但对高速电路的设计和解调算法具有很高的要求。 光频率反射（Optical Frequency Domain Reflectometry, 0FDR)，一般采用线性可调谐光 源进行线性频率扫描，通过各个时延不同的光栅反射光与调制光源信号进行相乘产生拍频 现象，利用拍频的差异实现光栅复用，然后通过快速傅里叶变化（FFT)得到距离域信息，然 后使用带通滤波器滤波，最后利用反傅里叶变换（IFFT)结合希尔伯特变化获取不同位置 的光纤光栅反射波长信息。OFDR方案可实现大容量弱反射光栅复用，具有空间分辨率高等 优点，但是对光源要求高，波长解调过程复杂、不适用与长距离光纤光栅解调。
【发明内容】
[0004] 本发明目的在于克服上述现有技术的不足而提出一种基于扫频光源的全同弱反 射光栅传感网络解调系统及方法，本发明是基于对宽带扫频光源的波长扫描速度进行调 节，首先利用高速波长扫描速度下，不同位置的光栅反射光信号的时间延迟，实现全同弱反 射光栅的波长区分；再通过切换波长扫描速度消除距离延迟，实现全同弱反射光栅波长的 解调。当光纤光栅之间出现波长信号混叠情况时，通过大范围调节扫频激光器波长扫描速 度消除波长信号混叠现象实现波长区分。
[0005] 实现本发明目的采用的技术方案是一种基于扫频光源的全同弱反射光栅传感网 络解调系统，该系统包括：
[0006] 扫频光源模块，用于输出波长扫描速率可调的扫频光；
[0007] 检测模块，包括按间隔距离AL串接有η个全同波长弱反射率光纤光栅的单根光 纤；所述扫频光经过所述η个光纤光栅产生反射光信号；
[0008] 参考模块，包括梳状滤波器；
[0009] 信号采集模块，用于采集检测模块中反射光信号，以及采集参考模块中的梳状滤 波器透射光信号的中心波长计数值和对应中心波长；
[0010] 信号处理模块，用于处理信号采集模块采集的信号，完成全同弱反射光纤光栅传 感网络解调。
[0011] 此外，本发明还通过上述系统实现全同弱反射光栅传感网络解调方法，该方法包 括：
[0012] S100、将高于2Χ 105nm/s的波长扫描速率的扫频光通过所述η个光纤光栅，位于 不同位置的光纤光栅反射光信号产生时间延迟，实现全同弱反射光栅的波长区分；
[0013] S200、采集弱光栅反射信号，对数据进行处理，根据下式检测是否发生波长信号混 叠现象：
[0015] 凡_,为采集信号波峰个数，N 为检测通道布置光栅个数；
[0016] S300、通过调节波长扫描速度，对已区分的全同弱光栅进行波长解调，消除时间延 迟，得到真实波长值。
[0017] 本发明的解调方法可以实现全同弱反射光栅传感网络的波长解调，能够适用于长 距离、分布式、大容量光纤光栅的应用。解调方法简单，通过切换宽带扫频光源扫描速度可 以完成同波长光纤光栅的位置解调、光纤光栅真实波长解调、消除波形混叠的问题，方法具 有很好地适应性。同时本发明根据解调方法，设计了基于可调节扫描速度的宽带扫频光 源解调系统，系统包括宽带扫频光源模块、检测模块、参考模块、信号采集模块、信号处理模 块，系统结构简单。同时系统采用的宽带扫频光具有光强稳定、调制方法简单等优点，这些 优点使解调系统不受外界环境影响，解调精度高，同时成本适中。
【附图说明】
[0018] 图1为基于扫频光源的全同弱反射光栅传感网络解调系统的结构框图。
[0019] 图2为本发明解调方法流程图。
[0020] 图3为光纤光栅布置与实现光纤光栅波长区分的原理示意图。
[0021] 图4为波长信号混叠现象与解决方法的示意图
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地详细说明。
[0023] 本发明提出了一种基于扫频光源的全同弱反射光栅传感网络解调系统，该解调系 统结构如图1所示，包括5个部分：宽带扫频光源模块、检测模块、参考模块、信号采集模块 和信号处理模块，其中，
[0024] 宽带扫频光源模块包括扫频激光器，扫频激光器的输入连接有使能控制单元、波 长扫描驱动单元和恒温控制单元，波长扫描驱动单元连接有信号发生电路，恒温控制单元 连接有数模转换电路。扫频激光器的输出端连接有光分路器。
[0025] 检测模块包括按间隔距离△ L串接有η个同波长弱反射率光纤光栅的单根光纤。
[0026] 参考模块包括梳状滤波器；
[0027] 信号采集模块，包括放大器、增益控制电路、模数转换单元。
[0028] 信号处理模块，包括嵌入式控制模块和上位机。
[0029] 宽带扫频光源模块中扫频激光器在使能控制的作用下，只在前半周期输出扫频 光，扫频光的波长值与激光器扫描驱动的电压值 对应，电压信号的幅值和频率决定了 扫频激光器的波长扫描速率。
[0030] 扫频光进入检测模块（多个全同弱反射光纤光栅组成的传感网络）和参考模块 (梳状滤波器），经过检测模块中的各个光栅反射光信号以峰值计数值的形式被信号采集 模块采集，峰值计数值表示FBG反射峰值信号在一个驱动电压周期中的相对时间位置，参 考模块中的梳状滤波器透射光信号的中心波长计数值和对应中心波长被信号采集模块采 集用于波长解调。嵌入式模块将数据打包压缩后传给上位机，上位机对数据进行算法处理， 并和嵌入式控制模块相互配合调节驱动电压信号的频率，以实现波长扫描速度的调节，完 成全同弱反射光纤光栅传感网络解调。
[0031] 通过该解调系统实现全同弱反射光栅传感网络解调的方法流程如图2所示，具体 包括以下步骤：
[0032] S100、本发明首先利用高于2Χ 105nm/s的波长扫描速率和光纤光栅距离延迟实现 全同弱光纤光栅区分。具体说明如下：
[0033] 由于光的传播速度约为3*10sm/s，而光缆介质的光折射率约为1. 5,所以光在光纤 传播速度约为2*108m/s，通过布置光纤光栅的间隔距离产生的时间延迟。当高速扫频光通 过时，光栅间光传输延迟转换为光栅反射光信号时间延迟，实现光栅反射光信号在时间上 的分离。
[0034] 如图3a所示，波长为λ。的全同弱反射光栅（FBGl、FBG2、FBG3)在一段光缆上等 距离放置，每个全同弱光栅之间光缆距离为A L。
[0035] 扫频激光器在光源使能控制器驱动下输出波长随时间连续变化的扫频光，解调系 统通过系统时钟计数，将扫频光的波长值λ转换为计数值Ν，满足λ =f (N)，波长扫描速 度为Vs (Vs= f (N)/t)。扫频光进入刻有全同弱光栅的光缆中，每个弱光栅反射的光信号被 解调系统接收的时间分别为L、t2、t 3, t2、t3对应的相对时间位置即计数值为N p N2、N3, 同波长光纤光栅的反射信号在时间上被区分开，如图3b、c所不。
[0036] 由距离Δ L产生的延迟时间Δ t ( Δ t = I^t1= 13_t2)计算式如下：
[0038] c代表光在真空中传播速度，η代表光缆介质的光折射率。
[0039] 两个弱光栅反射光计数值差值Λ Ν( Δ N = N2-N1= N 3-Ν2)与波长扫描速度和延迟 时间的关系式如下：
[0040] f (AN