专利名称：一种基于透射光栅分光计的高速波长解调系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种光纤光栅波长解调技术，尤其涉及一种基于透射光栅分光计的闻速波长解调系统。
背景技术：
温度、应力、振动等信号变化会导致光纤布拉格光栅传感器中心波长发生变化，且前后两变化之间有着固定关系，因此通过探测其波长变化量可实现相应环境参数的测量。一般的传感系统要求解调系统具有皮米量级的波长分辨率及几十纳米的波长测量范围。为了用于实际工程中的检测，国内外对光纤布拉格光栅的解调技术进行了大量的 研究，提出了多种解调方法。但是这些解调方法响应速度慢，精度较低，且无法实现多点复用检测。
实用新型内容有鉴于此，有必要提供一种高精度、高速度、多点复用检测、且成本低廉的波长解调系统。本实用新型是通过以下技术方案实现的基于透射光栅分光计的高速波长解调系统，包括宽带光源(I)、设有光端口(2-1、2-2,2-3)的光环行器(2)、光纤光栅(4)、透射光栅分光计(5)及解调波长的信号处理单元,宽带光源(I)的光束经光端口(2-1)、光端口(2-2)发射给光纤光栅(4),由光纤光栅(4 )反射后经光端口( 2-3 )进入透射光栅分光计(5 )，透射光栅分光计(5 )信号连接信号处理单元(6)，所述透射光栅分光计(5)包括准直透镜(5-1)、一级衍射光栅(5-2)、二级衍射光栅(5-3 )、非球面镜(5-4 )以及光探测器阵列(5-5 )。所述高速波长解调系统还包括位于光环行器(2)和光纤光栅(4)之间的光开关(3)。所述光开关(3)包括2条以上可高速切换的通道。所述信号处理单元(6)信号连接光开关(3)。所述光开关(3)的每个通道上串接至少一个光纤光栅(4)。所述一级衍射光栅(5-2)和二级衍射光栅(5-3)为透射式衍射光栅。所述非球面镜(5-4)为会聚镜。所述光探测器阵列(5-5)为InGaAs线阵探测器。所述的宽带光源(I)为光纤光源或超辐射发光二极管。所述高速波长解调系统还包括可外接设备的通信接口。本实用新型的有益效果是本实用新型所述基于透射光栅分光计的高速波长解调系统，包括宽带光源、设有光端口的光环行器、光纤光栅、透射光栅分光计及调节波长的信号处理单元，宽带光源的光束经光端口 2-1、光端口 2-2发射给光纤光栅，由光纤光栅反射后经光端口 2-3进入透射光栅分光计，透射光栅分光计信号连接信号处理单元，所述透射光栅分光计包括准直透镜、一级衍射光栅、二级衍射光栅、非球面镜以及光探测器阵列。如此，光纤光栅的反射光信号由光端口 2-3进入透射光栅分光计，通过准直透镜形成平行光束后投射到一级衍射光栅上，通过一级衍射光栅的部分衍射光束投射到二级衍射光栅上，然后通过二级衍射光栅的部分衍射光束通过非球面镜成像到光探测器阵列上，再由信号处理单元读出成像位置及强度，并根据系统参数解调光栅波长值。本实用新型光栅波长解调系统通过两级衍射光栅，增大了衍射光束的衍射角，提高了解调系统的波长分辨率，保证该系统的高精度。另外信号处理单元采用高速数字信号处理芯片和可编程逻辑芯片，即DSP和FPGA，系统动态响应快，可用于多种物理量的高频动态测量。本实用新型所述高速波长解调系统还包括位于光环行器和光纤光栅之间的光开关，该光开关包括2条以上可高速切换的通道，且信号处理单元信号连接光开关。如此，通过信号处理单元控制光开关高速地切换通道，实现了该系统的多点复用检测。进一步地，所述光开关的每个通道上串接至少一个光纤光栅。最多可以串接30个 光纤光栅，如此形成分布式光纤光栅阵列，保证其多点分布式测量的效果。本实用新型所述一级衍射光栅和二级衍射光栅为透射式衍射光栅。如此，光束通过时，不同波长的光线的衍射角不同，从而可以将不同波长的光线依波长大小分开，实现对光束的解调。本实用新型所述高速波长解调系统还包括可外接设备的通信接口。如此，使得本系统可以与外界设备(如计算机)实现通讯，提高了该系统的应用价值。
以下结合附图
对本实用新型作进一步详细说明。图I是本实用新型高速波长解调系统实施方式一的原理框图；图2是图I的透射光栅分光计的原理框图；图3是本实用新型高速波长解调系统实施方式二的原理框图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步的详述实施方式一请一并参阅图I、图2所示的本实用新型基于透射光栅分光计的高速波长解调系统的实施方式一，包括宽带光源I、设有光端口 2-1、2-2、2_3的光环行器2、光开关3、光纤光栅4、透射光栅分光计5及解调波长的信号处理单元6，宽带光源I的光束经光端口 2-1、光端口 2-2、光开关3发射给光纤光栅4,由光纤光栅4反射后经光端口 2-3进入透射光栅分光计5，透射光栅分光计5信号连接信号处理单元6，所述透射光栅分光计5包括准直透镜5-1、一级衍射光栅5-2、二级衍射光栅5-3、非球面镜5-4以及光探测器阵列5_5。所述宽带光源I为平坦度较高的光纤光源。所述光开关3为IXn通道的光开关。本实施方式中至少为2条以上可高速切换的通道，每个通道上至少串接一个光纤光栅4。当然，根据测试需要，每个通道可分别串接I 30个不等的光纤光栅4，以形成分布式光纤光栅阵列，实现多点分布式测量。[0031]所述透射光栅分光计5包括准直透镜5-1、一级衍射光栅5-2、二级衍射光栅5_3、非球面镜5-4以及光探测器阵列5-5。该一级衍射光栅5-2、二级衍射光栅5-3为透射式衍射光栅，采用两级衍射光栅，有效提高了该系统的波长分辨率。该非球面镜5-4为会聚镜。该光探测器阵列5-5为快速光电响应的InGaAs探测器线性阵列。所述信号处理单元6信号连接光开关(3)，实现对IXn通道光开关3的通道切换控制。该信号处理单元6包括数字信号处理芯片和可编程逻辑芯片。除此以外，该高速波长解调系统还包括可外接设备的通信接口(图未视)。信号处理单元6通过通信接口与外界设备7 (如计算机等)实现通讯。该通信接口可以是USB接口或RS232/485等接口。本实用新型所述基于透射光栅分光计的高速波长解调系统的工作原理是宽带光源I发出的光束经光环行器的光端口 2-1，发射到与光环行器的光端口 2-2相连的通道可调的I Xn光开关3，再由光纤光栅4反射后，经光环行器的光端口 2-3进入透射光栅分光计5，通过准直透镜5-1形成平行光束后投射到一级衍射光栅5-2上，通过一级衍射光栅5-2·的部分衍射光束投射到二级衍射光栅5-3上，然后通过二级衍射光栅5-3的部分衍射光束通过非球面镜5-4成像到光探测器阵列5-5上，再将光纤光栅4反射光谱所成的像的位置及强度传输至信号处理单元6，由信号处理单元6对光谱信号进行滤波等抑噪处理后，经A/D采样部分进行采样，再经DSP、FPGA等高速处理芯片解调光纤光栅的波长，并同时实现对I Xn通道光开关3等的通道切换控制及与外界设备7 (如计算机等)的通信等。本实用新型采用了衍射光栅，光束通过时，不同波长的光线的衍射角不同，从而可以将不同波长的光线依波长大小分开，实现对光束的解调；采用两级衍射光栅，有效提高了系统的波长分辨率。而且由于整个解调系统内部的光路部分都是相对固定的部件，因此动态响应较快，可用于高频动态测量，具有较大的实际使用价值。本实施方案中，通过红外现象卡粗略调整光路，使较长波长的光线的聚焦点和较短波长的光线的聚焦点分别照射在光探测器阵列的两个端点，相应的中间波段的光线的聚焦点在光探测器阵列的两端之间。然后，经过定标，可得到光线波长的光探测器阵列像元的对应关系，再由信号处理单元根据标定参数解调光栅波长值。本实施方案中，信号处理单元采用高速和精准的数字信号处理芯片和软件拟合算法。处理芯片为DSP和FPGA，软件算法包含阈值、二项式拟合、高斯拟合等，为系统实现了高速数据流处理和传感分析。本实用新型的基于透射光栅分光计的高速波长解调系统具有皮米量级的波长解调分辨率、几十纳米的波长测量范围及上千赫兹的动态频率响应。可以理解，所述的宽带光源也可以是超辐射发光二极管。那么这种本实用新型非本质的变化，也在本实用新型保护范围之内。实施方式二 请参阅图3所示的本实用新型基于透射光栅分光计的高速波长解调系统的第二实施方式，其与实施方式一的区别点在于所述基于透射光栅分光计的高速波长解调系统为单通道，即宽带光源I的光束经光端口 2-1、光端口 2-2直接发射给光纤光栅4，由光纤光栅4反射后经光端口 2-3进入透射光栅分光计5，再由信号处理单元6根据标定参数解调光栅波长值。[0042]本实施方式中，采取单通道的模式，实现高精度、高速度、多点复用检测的波长解调系统， 减少了多通道光开关的使用，成本进一步降低。本实施方式中其余结构和有益效果均与实施方式一一致，这里不再一一赘述。
权利要求1.基于透射光栅分光计的高速波长解调系统，包括宽带光源(I)、设有光端口(2-1、2-2,2-3)的光环行器(2)、光纤光栅(4)、透射光栅分光计(5)及解调波长的信号处理单元(6),宽带光源(I)的光束经光端口(2-1)、光端口(2-2)发射给光纤光栅(4),由光纤光栅(4)反射后经光端口(2-3)进入透射光栅分光计(5)，透射光栅分光计(5)信号连接信号处理单元(6)，其特征在于所述透射光栅分光计(5)包括准直透镜(5-1)、一级衍射光栅(5-2),二级衍射光栅(5-3)、非球面镜(5-4)以及光探测器阵列(5-5)。
2.如权利要求I所述的基于透射光栅分光计的高速波长解调系统，其特征在于所述高速波长解调系统还包括位于光环行器(2)和光纤光栅(4)之间的光开关(3)。
3.如权利要求2所述的基于透射光栅分光计的高速波长解调系统，其特征在于所述光开关(3)包括2条以上可高速切换的通道。
4.如权利要求3所述的基于透射光栅分光计的高速波长解调系统，其特征在于所述信号处理单元(6)信号连接光开关(3)。
5.如权利要求4所述的基于透射光栅分光计的高速波长解调系统，其特征在于所述光开关(3)的每个通道上串接至少一个光纤光栅(4)组成光纤光栅阵列。
6.如权利要求I至5任意一项所述的基于透射光栅分光计的高速波长解调系统，其特征在于所述一级衍射光栅(5-2)和二级衍射光栅(5-3)为透射式衍射光栅。
7.如权利要求6所述的基于透射光栅分光计的高速波长解调系统，其特征在于所述非球面镜(5-4)为会聚镜。
8.如权利要求7所述的基于透射光栅分光计的高速波长解调系统，其特征在于所述光探测器阵列(5-5)为InGaAs线阵探测器。
9.如权利要求7或8所述的基于透射光栅分光计的高速波长解调系统，其特征在于所述的宽带光源(I)为光纤光源或超辐射发光二极管。
10.如权利要求9所述的基于透射光栅分光计的高速波长解调系统，其特征在于所述高速波长解调系统还包括可外接设备的通信接口。
专利摘要本实用新型涉及一种基于透射光栅分光计的高速波长解调系统，包括宽带光源、光环行器、光开关、光纤光栅、透射光栅分光计及信号处理单元，所述透射光栅分光计包括准直透镜、一级衍射光栅、二级衍射光栅、非球面镜以及光探测器阵列。如此，光纤光栅的反射光信号进入透射光栅分光计，通过准直透镜形成平行光束后投射到一级衍射光栅上，通过一级衍射光栅的部分衍射光束投射到二级衍射光栅上，然后通过二级衍射光栅的部分衍射光束通过非球面镜成像到光探测器阵列上，再由信号处理单元读出成像位置及强度，并根据系统参数解调光栅波长值。该系统通过两级衍射光栅，增大了衍射光束的衍射角，提高了波长分辨率，保证该系统的高精度。
文档编号G01D5/353GK202748042SQ20122039696
公开日2013年2月20日 申请日期2012年8月11日 优先权日2012年8月11日
发明者刘庆, 刘斌, 汪金霞, 胡浩 申请人:安徽民生信息股份有限公司