一种快速调谐实时校准光纤光栅解调装置及工作方法
【专利摘要】本发明公开了一种快速调谐实时校准光纤光栅解调装置及工作方法；包括VCSEL模块，VCSEL模块的输出连接用于将光源均匀分配给多路输出的光分路器，光分路器的第二路输出依次连接用于校准激光器输出波长的标准气室、第一光电探测电路和模数转换器，第一路输出依次连接第二光电探测电路和模数转换器，其他路输出连接光环形器后连接被测光纤光栅，光环形器还通过第三光电探测电路与模数转换器连接；模数转换器的输出连接数字信号处理器，数字信号处理器的输出端连接VCSEL模块。能够实现对光纤光栅中心波长精确、稳定、快速的解调，整机结构简单、体积小巧、成本低、功耗低，适用于监测点较少、成本敏感、频带较宽的应用场合。
【专利说明】
一种快速调谐实时校准光纤光栅解调装置及工作方法
技术领域
[0001] 本发明涉及光电检测技术领域，尤其涉及一种快速调谐实时校准光纤光栅解调装 置及工作方法。
【背景技术】
[0002] 相比传统电子传感器，光纤光栅传感器不仅精度高、稳定性好，而且还具有不带电 本质安全、抗电磁干扰、耐腐蚀、易于复用等独特优势。因此，光纤光栅传感器在矿山、电力、 石油化工、土木工程等领域得到日益广泛的应用。光纤光栅具有波长编码特性，通过波长解 调可得到传感器信息。目前市面上光纤光栅解调方案主要有：1)体相位光栅解调模块，如 Bayspec、Axsun、Ibsen等；2)可调光纤F-P滤波器，如MOI、NI等；3)波长扫描激光器，如Μ0Ι、 Optilab等。这些系统普遍存在结构复杂、价格昂贵、扫描速度慢等不足，一般不适用于监测 点较少、成本敏感、频带较宽的应用场合，如矿山微震监测、机电设备振动监测、电力变压器 状态监测等。
[0003] 近年出现的一种波长介于1.3μπι至1.6μπι的垂直腔面发射激光器(VCSEL)，又称长 波长VCSEL，因其具有可调谐范围宽、窄线宽、调谐速度快、成本低、功耗低、寿命长等显著优 点，不仅在光通讯和气体传感领域已得到广泛的应用，而且在光纤光栅解调方面也显示出 巨大应用潜力。近几年的文献报道中也出现了一些基于VCSEL的光纤光栅解调方案。据了 解，这些方案通常是将VCSEL输出波长函数线性化处理，且提前标定好系统参数并固化。这 种做法简单易行，但也容易受到激光器输出噪声、光强波动、温度变化等因素的影响，造成 解调结果不稳定、误差较大，难以满足现场实际使用要求。
[0004] 综上可见，利用VCSEL开发一种精确、稳定、快速、低成本的光纤光栅解调装置成为 一项重要需求。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种快速调谐实时校准光纤光栅解调 装置及工作方法，能够实现对光纤光栅中心波长精确、稳定、快速的解调，整机结构简单、体 积小巧、成本低、功耗低，适用于监测点较少、成本敏感、频带较宽的应用场合。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] 一种快速调谐实时校准光纤光栅解调装置，包括VCSEL模块，所述VCSEL模块的输 出连接用于将光源均匀分配给多路输出的光分路器，所述光分路器的第二路输出依次连接 用于校准激光器输出波长的标准气室、第一光电探测电路和模数转换器，第一路输出依次 连接第二光电探测电路和所述模数转换器，其他路输出连接光环形器后连接被测光纤光 栅，所述光环形器还通过第三光电探测电路与所述模数转换器连接;所述模数转换器的输 出连接数字信号处理器，所述数字信号处理器的输出端连接所述VCSEL模块。
[0008] 所述数字信号处理器将接收到的第一路的参考光信号和第二路的透射光信号进 行归一化操作，并对归一化后的信号进行峰值检测，得到标准气室吸收谱线的峰值序列，然 后进行二次拟合，得到VCSEL模块输出的波长关系式;最后利用该关系式，并根据被测光纤 光栅反射光信号的峰值检测结果，求出光纤光栅中心波长值。
[0009] 所述第一光电探测电路包括连接的第一光探测器和第一对数放大器，第二光电探 测电路包括连接的第二光电探测器和第二对数放大器;所述第三光电探测电路包括连接的 第三光电探测器和第三对数放大器。
[0010] 所述VCSEL模块包括数模转换器和温度控制模块，所述数模转换器的输入端与所 述数字信号处理器连接，输出端通过驱动电路与VCSEL激光器连接，VCSEL激光器的输出端 连接所述光分路器，所述温度控制模块输入端与所述数模转换器连接，同时温度控制模块 也与VCSEL激光器连接。
[0011] 所述驱动电路包括差动放大器和运算放大器，差动放大器的负输入端接地，输出 端接电阻后接运算放大器的正输入端，差动放大器的参考端接运算放大器的输出端，运算 放大器的负输入端与输出端连接，运算放大器的正输入端还接VCSEL激光器。
[0012] 所述数字信号处理器还与通讯接口和触摸屏连接。
[0013] -种快速调谐实时校准光纤光栅解调装置的工作方法，包括，
[0014] VCSEL模块产生的激光信号经过光分路器分成多路光信号，第一路输出作为参考 光信号，第二路输出经过标准气室后的为透射光信号；
[0015] 数字信号处理器将接收到的第一路的参考光信号和第二路的透射光信号进行归 一化操作；
[0016] 对归一化后的信号进行峰值检测，得到标准气室吸收谱线的峰值序列；然后进行 二次拟合，得到VCSEL模块输出的波长关系式；
[0017] 最后利用该关系式，并根据被测光纤光栅反射光信号的峰值检测结果，求出光纤 光栅中心波长值。
[0018] 所述峰值检测采用四点峰值检测算法，具体步骤为：
[0019] 步骤1，在设定边界范围内计算光谱峰值的半高值Vhm;
[0020] 步骤2,分别找到光谱左右斜边中，最接近Vt?的两个值；
[0021 ]步骤3，使用线性插值法计算得到半高值对应的光谱左右斜边两个扫描时间值h (Vhm)和 T2(Vhm);
[0022] 步骤4,检测到的峰值结果为
[0023]数字信号处理器接收到的信号都要首先经过滤波处理，利用滑动平均算法进行滤 波。
[0024]所述二次拟合采用最小二乘曲线拟合算法。
[0025]本发明的有益效果：
[0026] 1)采用VCSEL作为光源，使得光纤光栅的解调波长范围更宽，解调系统结构更简 单、体积更小、成本和功耗更低。
[0027] 2)采用对数放大器实现大动态范围光信号的探测，适应性更强，且光信号的归一 化处理采用对数减法完成，一致性更好。
[0028] 3)利用标准气室多个特征吸收峰波长，并结合四点峰值检测算法与二次拟合算 法，对激光器波长进行精确校准，在全量程范围内解调精度更高。
[0029] 4)基于VCSEL快速调谐特性以及高速数字信号处理技术，使得波长扫描与解调速 度更快，可以满足光纤光栅静态和动态解调要求。
【附图说明】
[0030] 图1为本发明整体组成框图；
[0031] 图2为VCSEL激光器驱动电路原理图；
[0032]图3为VCSEL激光器在不同温度下的波长与电流关系曲线；
[0033]图4为VCSEL激光器在不同温度下的光功率与电流关系曲线；
[0034]图5为标准气室信号与VCSEL激光器参考信号的归一化示意图；
[0035]图6为VCSEL激光器输出波长校准曲线；
[0036] 图7(a)为光纤光栅解调数据电压输出示意图，图7(b)为光纤光栅解调数据波长输 出示意图；
[0037] 图8为光纤光栅温度传感器解调实验结果；
[0038] 图9为光纤光栅加速度传感器解调频率响应实验结果；
[0039] 图10为光纤光栅加速度传感器解调加速度响应实验结果。
[0040] 其中，1VCSEL激光器，2温度控制模块，3驱动电路，4数模转换器，5光分路器，6光环 形器，7被测光纤光栅，8标准气室，9第一光电探测器，10第二光电探测器，11第三光电探测 器，12第一对数放大器，13第二对数放大器，14第三对数放大器，15模数转换器，16数字信号 处理器，17触摸屏，18以太网接口。
【具体实施方式】
[0041] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0042] 如图1所示，一种快速调谐实时校准光纤光栅解调装置包括用于产生可调谐激光 光源的VCSEL模块，用于将光源均匀分配给多路输出的光分路器5，用于校准激光光源波长 的标准气室8,用于将被测光纤光栅7反射光、标准气室8透射光以及激光器参考光转换为电 信号并进行放大的光电探测电路，用于多路探测信号采集、处理及控制的数据采集控制电 路，用于信息输入输出的人机接口。
[0043] VCSEL模块由VCSEL激光器1、温度控制模块2、驱动电路3和数模转换器4组成。温度 控制模块2确保VCSEL激光器在恒温条件下工作;驱动电路3提供某一频率的锯齿波驱动电 流，实现一定波长范围的光谱扫描。
[0044] 所述VCSEL激光器选用德国VERTILAS的VCSEL-1530模块，其波长在1530nm附近，可 调谐波长范围为3nm左右。其内置了热电制冷器(TEC)和温度传感器，方便与温度控制模块 连接。所述VCSEL激光器具有波长电流调谐特性，在实际应用中，将温度保持稳定，使用电流 调谐进行波长扫描。在恒温条件下，其输出波长与电流符合近似二次函数关系，通过标准气 室的校准可得到准确关系式。
[0045]所述温度控制模块为MAX1978,其片内集成了功率M0SFET以及高性能热控制环电 路，可维持±0.001°C的温度稳定性。微处理器16通过数模转换器4输出模拟电压信号控制 温度控制模块2调节温度。温度控制模块2接受VCSEL激光器1的温度传感器信号，经过微处 理器16和温度控制模块2处理的控制信号再传送给VCSEL激光器1中的热电制冷器，以实现 一个闭环的温度控制。
[0046] 所述驱动电路基于差动放大器AD8276和运算放大器AD8661构建，具有电路简单、 可编程、电流大、噪声低、响应速度快等特点。差动放大器AD8276的负输入端接地，SENSE端 接和输出端OUT都接电阻R r后接运算放大器AD8661的正输入端，差动放大器AD8276的REF端 接运算放大器AD8661的输出端，运算放大器AD8661的负输入端与输出端连接，运算放大器 AD8661的正输入端还接VCSEL激光器。
[0047]所述数模转换器为AD5663，其具有两个独立的16位DAC以及输出缓冲放大器，可实 现温度控制模块和驱动电路的程控功能。
[0048] 光电探测电路共有16个探测通道，其中包括由第二光电探测器10和第二对数放大 器13构成的激光器参考光第一探测通道，由第一光电探测器9和第一对数放大器12构成的 标准气室透射光第二探测通道，以及由第三光电探测器11和第三对数放大器14构成的光纤 光栅反射光第三探测通道。其余13个探测通道与第三探测通道的构成相同，分别对应一个 光纤光栅反射光探测通道。第一对数放大器12、第二对数放大器13、第三对数放大器14为 AD8305。
[0049] 光分路器5选用1分16光分路器，其中第一路输出光作为激光器参考光进入第一探 测通道，第二路输出光经过标准气室8进入第二探测通道，第三路输出光经过光环形器6到 达被测光纤光栅7,其反射光再经过光环形器6进入光纤光栅反射光第三探测通道。其余13 路输出光与第三路输出光的配置相同，分别经过一个光环形器6与相应被测光纤光栅7和第 三探测通道相连。
[0050] 标准气室8内充乙炔气体，利用光谱吸收技术，将吸收波长作为基准波长校准激光 器输出波长。
[0051] 数据采集控制电路包括模数转换器15和数字信号处理器16,数字信号处理器为 STM32F429。
[0052]模数转换器选用美国TI公司的ADS 1278，其具有8通道、24位、128kSPS采样能力，两 片级联扩展至16通道;数字信号处理器选用美国ST公司的STM32F429，其主频为180MHz，带 有DSP功能，可以高速执行波长扫描、数据采集、平滑滤波、归一化、峰值检测、二次拟合、波 长计算等软件操作。
[0053]所述数字信号处理器16与数模转换器和模数转换器通过高速SPI接口通讯。
[0054]人机接口包括触摸屏17和通讯接口，其中交互模块为7寸800X480电阻式触摸屏， 通讯接口为以太网接口 18,能够实现局域网的远程连接。
[0055] -种快速调谐实时校准光纤光栅解调装置的工作方法，包括，
[0056] VCSEL模块产生的激光信号经过光分路器分成多路光信号，第一路输出作为参考 光信号，第二路输出经过标准气室后的为透射光信号；
[0057] 数字信号处理器将接收到的第一路的参考光信号和第二路的透射光信号进行归 一化操作；
[0058] 对归一化后的信号进行峰值检测，得到标准气室吸收谱线的峰值序列；然后进行 二次拟合，得到VCSEL模块输出的波长关系式；
[0059]最后利用该关系式，并根据被测光纤光栅反射光信号的峰值检测结果，求出光纤 光栅中心波长值。
[0060] 所述峰值检测采用四点峰值检测算法，具体步骤为：
[0061] 1)在一定边界范围内计算光谱峰值的半高值，记做Vhm;
[0062] 2)分别找到光谱左右斜边中，最接近Vhm的两个扫描时间值（（h，Vi)，（ T2，V2))以及 ((iv ,νη,αν，V2，））；
[0063] 3)使用如公式（1)所示的线性插值法计算得到半高值对应的左右两个扫描时间Ti (Vh^PTWhm)
[0065] 4)检测到的峰值结果为：
[0066] 二次拟合采用最小二乘曲线拟合算法。
[0067] 如图2所示，所述驱动电路包括差动放大器AD8276、运算放大器AD8661、基准电阻 等部分。可编程电压Vr加在AD8276的同相输入端，该电压控制输出电流量IWAD8276的反相 输入端则直接接地。该器件内置四个40k Ω激光调整电阻，分别与输入引脚、REF引脚和 SENSE引脚相连。AD8276可以驱动15mA的输出电流，而无需外部晶体管或M0SFET。由于 AD8276内部电阻完全匹配，R r两端电压等于输入电压Vr，从而产生恒定的负载电流Ι〇，ΒΡ?。 = Vr/Rr〇
[0068] 如图3所示，所述VCSEL激光器的波长可随着电流和温度的变化而变化。它们之间 的关系可由下式给出：
[0069] A(I,T)=a · (I-I〇)2+b · (I-I〇)+k · Τ+λ〇(3)
[0070] 式中，a、b和k为待求参数。给定T = 25°C，Ιο=1 ·907ηιΑ，λ() = 1527·219ηηι，可求得a = 0.01462nm/mA2、b = 0 · 29146nm/mA以及k = 0 · 11629nm/°C。可见看出，激光器的波长与电流 之间符合近似二次函数关系，且电流和温度调谐都可以改变波长。实际应用中，将激光器保 持恒温（如25°C)，只依靠电流调谐实现波长扫描，调谐速度设定为1kHz。当电流约从2mA增 至9mA，对应的波长约从1527nm上升到1530nm，扫描范围约为3nm，则对应的光纤光栅应变和 温度测量范围约为2500με和300°C。
[0071 ] 如图4所示，所述VCSEL激光器在进行电流调谐时，其光功率随电流变化而变化，为 了消除光源波动的影响，需要进行归一化操作。
[0072]如图5所示，VCSEL激光器通过光分路器将光源分成多路信号，其中第一路为参考 光，第二路经过标准气室为透射光，第三路和其它路经过光环形器送入被测光纤光栅为反 射光。所有采集到的光谱信号都要经过滤波处理，其采用滑动平均算法。另外，由于光纤连 接、弯折、耦合等原因，各通道的光衰减差异很大，因此使用具有l〇〇dB动态范围的对数放大 器AD8305进行各通道光电流信号的检测。利用其转换函数，可得到标准气室的透射光信号 V s与VCSEL激光器参考光信号Vr的归一化信号Vn:
[0074] 式中Is和Ir分别为标准气室信号和参考信号的光电转换电流。
[0075] 如图6所示，使用前述的四点峰值检测算法，得到标准气室光谱的五个峰值，分别 为0.37788ms，0.56833ms，0.74442ms，0.90994ms。再通过查询HITRAN 数据库，得到相应的吸 收峰波长，分别为 1527.44098nm, 1528.01418nm, 1528.59374nm, 1529.17972nm和 1529.7721nm。最后，使用最小二乘二次拟合算法，得到波长校准公式为：
[0076] A = 〇.788t2+2.287t+1527.03868 (5)
[0077] 式中t为扫描时间。
[0078] 如图7(a)-图7(b)所示，在每个扫描周期，使用前述的四点峰值监测算法，得到光 纤光栅传感信号峰值，带入波长校准公式，解调得到光纤光栅中心波长。将多个离散波长解 调值连成曲线，就可以得到静态信号(如温度、应变、压力等），或动态信号(如加速度、振动、 冲击等）。
[0079] 如图8所示，解调系统与一个光纤光栅温度传感器(基于光纤光栅制作的温度传感 器)相连时，使用〇°C至230°C的恒温槽和精度为0.05Γ的铂电阻测温仪作为测试装置，解调 系统扫描频率为1kHz，并使用100点算数平均，得到测试结果。可以看出，整个量程范围内， 最大测量误差约为〇.19°C。
[0080] 如图9和图10所示，解调系统与一个光纤光栅加速度传感器(基于光纤光栅制作的 加速度传感器)相连时，使用丹麦B&K公司4808标准振动台作为测试装置，解调系统扫描频 率为1kHz，得到测试结果。可以看出，其3dB截止频率约为300Hz@0.5m/s 2,最小可检测加速 度约为 0.01m/s2@80Hz。
[0081] 目前有的文献利用参考气室单个吸收峰来对激光器的波长进行校准，并根据激光 器驱动电流与波长间的线性关系进行波长计算，但实际上，激光器电流与波长间为非线性 关系，且受光强波动、波长漂移等因素影响，解调精度和稳定性难以保证。而本发明利用标 准气室多个特征吸收峰，并结合四点峰值检测算法与二次拟合算法，对激光器输出波长进 行实时校准，在全量程范围内解调精度更高。
[0082] 目前有的文献的光电探测电路为常规线性放大，但激光器输出功率随电流的变化 而变化，光电放大倍数需要人工反复调整，太大则功率高时信号饱和，太小则功率低时信号 太小;且实际应用时光路损耗不确定，现场调整放大倍数不现实，实用性大打折扣。而本发 明采用对数放大器实现大动态范围光信号的探测，适应性更强，且光信号的归一化处理用 对数减法完成，一致性更好。
[0083]本发明采用高速数字信号处理器，实时运算一系列解调运算，并结合VCSEL激光器 快速调谐特性，使得波长扫描与解调速度更快，可以满足振动、加速度、微震等信号的动态 解调要求。
[0084]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。
【主权项】
1. 一种快速调谐实时校准光纤光栅解调装置，其特征是，包括VCSEL模块，所述VCSEL模 块的输出连接用于将光源均匀分配给多路输出的光分路器，所述光分路器的第二路输出依 次连接用于校准激光器输出波长的标准气室、第一光电探测电路和模数转换器，第一路输 出依次连接第二光电探测电路和所述模数转换器，其他路输出连接光环形器后连接被测光 纤光栅，所述光环形器还通过第三光电探测电路与所述模数转换器连接;所述模数转换器 的输出连接数字信号处理器，所述数字信号处理器的输出端连接所述VCSEL模块。2. 如权利要求1所述一种快速调谐实时校准光纤光栅解调装置，其特征是，所述数字信 号处理器将接收到的第一路的参考光信号和第二路的透射光信号进行归一化操作，并对归 一化后的信号进行峰值检测，得到标准气室吸收谱线的峰值序列，然后进行二次拟合，得到 VCSEL模块输出的波长关系式;最后利用该关系式，并根据被测光纤光栅反射光信号的峰值 检测结果，求出光纤光栅中心波长值。3. 如权利要求1所述一种快速调谐实时校准光纤光栅解调装置，其特征是，所述第一光 电探测电路包括连接的第一光探测器和第一对数放大器，第二光电探测电路包括连接的第 二光电探测器和第二对数放大器;所述第三光电探测电路包括连接的第三光电探测器和第 三对数放大器。4. 如权利要求1所述一种快速调谐实时校准光纤光栅解调装置，其特征是，所述VCSEL 模块包括数模转换器和温度控制模块，所述数模转换器的输入端与所述数字信号处理器连 接，输出端通过驱动电路与VCSEL激光器连接，VCSEL激光器的输出端连接所述光分路器，所 述温度控制模块输入端与所述数模转换器连接，同时温度控制模块也与VCSEL激光器连接。5. 如权利要求4所述一种快速调谐实时校准光纤光栅解调装置，其特征是，所述驱动电 路包括差动放大器和运算放大器，差动放大器的负输入端接地，输出端接电阻后接运算放 大器的正输入端，差动放大器的参考端接运算放大器的输出端，运算放大器的负输入端与 输出端连接，运算放大器的正输入端还接VCSEL激光器。6. 如权利要求1所述一种快速调谐实时校准光纤光栅解调装置，其特征是，所述数字信 号处理器还与通讯接口和触摸屏连接。7. -种快速调谐实时校准光纤光栅解调装置的工作方法，其特征是，包括， VCSEL模块产生的激光信号经过光分路器分成多路光信号，第一路输出作为参考光信 号，第二路输出经过标准气室后的为透射光信号； 数字信号处理器将接收到的第一路的参考光信号和第二路的透射光信号进行归一化 操作； 对归一化后的信号进行峰值检测，得到标准气室吸收谱线的峰值序列；然后进行二次 拟合，得到VCSEL模块输出的波长关系式； 最后利用该关系式，并根据被测光纤光栅反射光信号的峰值检测结果，求出光纤光栅 中心波长值。8. 如权利要求7所述的一种快速调谐实时校准光纤光栅解调装置的工作方法，其特征 是，所述峰值检测采用四点峰值检测算法，具体步骤为： 步骤1，在设定边界范围内计算光谱峰值的半高值Vhm; 步骤2，分别找到光谱左右斜边中，最接近Vhm的两个值； 步骤3,使用线性插值法计算得到半高值对应的左右两个扫描时 步骤4,检测到的峰值结果）9. 如权利要求7所述的一种快速调谐实时校准光纤光栅解调装置的工作方法，其特征 是，数字信号处理器接收到的信号都要首先经过滤波处理，利用滑动平均算法进行滤波。10. 如权利要求7所述的一种快速调谐实时校准光纤光栅解调装置的工作方法，其特征 是，所述二次拟合采用最小二乘曲线拟合算法。
【文档编号】G01K11/32GK106017533SQ201610470804
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月23日
【发明人】胡宾鑫, 王金玉, 宋广东, 刘统玉
【申请人】山东省科学院激光研究所