专利名称：多通道高精度光纤光栅传感解调装置及其解调方法
技术领域：
本发明属于光纤光栅传感领域，该解调装置和方法可用于各种基于光纤光栅的应变、温度、压力等传感器的解调应用，应用场合包括航天、航空、石化、土木和电力。
背景技术：
光纤光栅传感系统是以光为载体，光纤为媒介。除了具有尺寸小、重量轻、带宽宽、灵敏度高、抗电磁干扰能力强和耐腐蚀能力强等优点外，而且是对波长绝对编码、不受光功率波动影响、集传感与传输于一体、易于制作以及埋入材料内部，已实现应力、应变、温度等多种物理量的测量。相比传统电传感系统，该技术在强电磁干扰、易燃易爆或热真空等严酷环境下更具优势。尽管光纤光栅传感系统理论上只依赖于光纤光栅波长，但信号的强度会影响到光纤光栅光谱的信噪比，进而影响到波长提取。因此传感系统中需要各传感器返回的光信号具有相同的幅值大小。一种可行的办法是采用平坦化的光源和反射率性能一致的光纤光栅传感器来实现，解决基于可调谐法布里-珀罗滤波器的光谱扫描技术信号衰减大和信道受限的问题。但在实际的应用场合，每个光纤光栅在安装布线后，反射谱幅值会发生变化，尤其随着测量环境改变，例如在超低温环境下，当布线弯曲过大，固定胶恶化和光纤涂覆层材料变形均会导致光纤传输损耗和光纤光栅反射谱幅值产生不可预期的动态变化，使各通道中的多个反射幅值差异增大，出现一些光纤光栅的反射峰无法检测而失效的困难。
发明内容
本发明目的是为了解决现有技术中存在的不足，提出一种信号功率动态自平坦的多通道高精度光纤光栅传感解调装置及其解调方法。该光纤光栅解调装置以光纤光栅的反射信号幅值作为动态反馈，补偿光源光功率的非平坦和系统布设使用中光损耗的动态不可预期的变化，从能有效提高光纤光栅传感器的长期检测能力和检测精度。为了解决上述技术问题，本发明多通道高精度光纤光栅传感解调装置予以实现的第一种技术方案是:该装置包括宽带光源、固定光衰减器、光隔离器、可调谐FP滤波器、光放大器、光纤耦合器、光纤FP标准具、电控可调光衰减器、I XN光开关、多个光纤无源器件、光纤光栅传感器阵列、第一光电探测器、第二光电探测器、采集卡和计算机；其中:宽带光源:采用C波段ASE光源、C+L波段ASE光源和SLD光源中任何一种，输出功率在0.5mff IOmW ；固定光衰减器:用来调节光源输出光功率，以达到可调谐FP滤波器对入口功率的限制范围；光隔离器:防止从光源输出的光反射回光源，以减小对光源造成伤害；可调谐FP滤波器:通过对其驱动电压的调节从宽带光源中滤出波长变化的窄光谱信号，从而形成高稳定度的可调谐激光输出，可调谐FP滤波器的谱宽在IOpm 200pm，自由谱范围为IOOnm 200nm ；光放大器:采用与光源工作波段匹配的光放大器，光放大器选用光纤放大器或半导体光放大器，经过光放大器放大可调谐激光输出光功率，从而形成IOmW的可调谐激光输出；光纤耦合器:将经过光放大器5输入的激光分成两束；一束光依次通过光纤FP标准具、光电探测器和采集卡后传输给计算机进行波长校正处理，另一束光依次通过电控可调光衰减器、IXN光开关和光纤无源器件后传输给由多个串联的、不同反射波长的光纤光栅传感器构成的光纤光栅传感器阵列；光纤FP标准具:用于输出等光频间隔的梳状光谱线，光频间隔在IOGHz IOOGHz ；电控可调光衰减器:用于动态实时调节每一个光纤光栅波长对应的光功率衰减量，从而在每一个光纤光栅波长下获得动态补偿的、幅值稳定的传感信号光功率；I XN光开关:通过控制其驱动板，实现光在N路的相应切换，N的数值选自2，4，8，
16,32,64,128中的一个；多个光纤无源器件:将光源发出的光传输到待检测物体并收集反射信号光，光纤无源器件采用光纤环形器或光纤耦合器；光纤光栅传感器阵列:用于感知外界待测量物体引起的参量变化，并将其编码到光纤光栅反射波长上；所述光纤光栅传感阵列的搭建采用时分复用结构。第一光电探测器和第二光电探测器:第一光电探测器设置在光纤FP标准具与采集卡之间，第二光电探测器设置在每个光纤无源器件与采集卡之间，第一光电探测器和第二光电探测器均分别用于将输入的光信号转化为电压模拟信号；采集卡:采集由第一光电探测器和第二光电探测器得到的电压模拟信号，并输出控制可调谐FP滤波器的模拟信号、IXN光开关的数字信号和电控可调光衰减器的模拟信号;计算机:通过对采集卡的控制，实现多通道光纤光栅的解调计算、显示和存储。本发明多通道高精度光纤光栅传感解调方法，采用上述的传感解调装置的第一种技术方案进行解调，包括以下步骤:步骤一:宽带光源发出的光通过固定光衰减器，使得输入到可调谐FP滤波器的光符合其入口功率的限制要求，宽带光源与可调谐FP滤波器之间的光隔离器用以保证光路传输的方向，可调谐FP滤波器输出的可调谐激光经过光放大器放大后获得IOmW的可调谐激光输出；步骤二:光纤I禹合器米用分光比为90:10的I禹合器,光纤I禹合器将光放大器输出的可调谐激光分为10:90的两束，其中:光放大器输出的10%的光分配给光纤FP标准具，由第一光电探测器将光纤FP标准具输出的光信号转化为电压模拟信号，并输入到采集卡，由采集卡控制扫描帧获得光纤FP标准具的光谱图，通过计算机进行算法处理，从而对可调谐激光输出波长进行校正；光放大器输出的90%的光用于光纤光栅传感；步骤三:由采集卡控制I XN光开关切换，从而构成多通道光纤光栅传感网络，光纤耦合器输出的90%的光经过一个电控可调光衰减器实时调节每个采样点对应的光功率衰减量后，由I XN光开关构成时分复用的N通道光束用于光纤光栅传感，每条通道均可串联多个光纤光栅传感器，并利用多个光纤无源器件获得多个光纤光栅传感器的反射光，反射光经由第二光电探测器转化为电压模拟信号，采集卡采集该电压模拟信号后，将获得的传感光纤光栅反射光谱作为反馈信息，用以控制电控可调光衰减器的驱动电压，从而调节每个采样点对应的光衰减量，实现传感信号反射幅值的动态自平坦功能；步骤四:采集卡将从第二电探测器依次扫描得到的传感光纤光栅反射光谱信息输入到计算机，通过算法解调出光纤光栅传感网络携带的待测点物理参量，并实现数据的处理、存储和显示。本发明多通道高精度光纤光栅传感解调装置予以实现的第二种技术方案是:该装置包括宽带光源、固定光衰减器、光隔离器、可调谐FP滤波器、光放大器、光纤耦合器、光纤FP标准具、电控可调光衰减器、I XN光纤分束器、多个光纤无源器件、光纤光栅传感器阵列、第一光电探测器、多个第二光电探测器、采集卡和计算机；与上述第一种传感解调装置的不同点仅在于:I XN光纤分束器:将输入的宽带光源分成N束光强相同、谱形相同的宽带光，N取值选自 2,4,8,16,32,64,128 中的一个；光纤光栅传感器阵列:用于感知外界待测量物体引起的参量变化，并将其编码到光纤光栅反射波长上；所述光纤光栅传感阵列的搭建采用空分复用结构，每条通道均分别配置一个电控可调光衰减器；第一光电探测器和多个第二光电探测器:第一光电探测器设置在光纤FP标准具与采集卡之间，每个第二光电探测器均分别设置在每个光纤无源器件与采集卡之间，第一光电探测器和第二光电探测器均分别用于将输入的光信号转化为电压模拟信号。本发明多通道高精度光纤光栅传感解调方法，采用上述的传感解调装置的第二种技术方案进行解调，包括以下步骤:步骤一:宽带光源发出的光通过固定光衰减器，使得输入到可调谐FP滤波器的光符合其入口功率的限制要求，宽带光源与可调谐FP滤波器之间的光隔离器用以保证光路传输的方向，可调谐FP滤波器输出的可调谐激光经过光放大器放大后获得IOmW的可调谐激光输出；步骤二:光纤I禹合器米用分光比为90:10的I禹合器,光纤I禹合器将光放大器输出的可调谐激光分为10:90的两束，其中:光放大器输出的10%的光分配给光纤FP标准具，由第一光电探测器将光纤FP标准具输出的光信号转化为电压模拟信号，并输入到采集卡，由采集卡控制扫描帧获得光纤FP标准具的光谱图，通过计算机进行算法处理，从而对可调谐激光输出波长进行校正；光放大器输出的90%的光用于光纤光栅传感；步骤三:采用IXN光纤分束器构成多通道光纤光栅传感网络，通过光纤耦合器输出的90%的光，由IXN光纤分束器构成空分复用的N通道光束用于光纤光栅传感，每条通道分别配置一个电控可调光衰减器后，串联多个光纤光栅传感器，并利用多个光纤无源器件获得多个光纤光栅传感器的反射光，反射光经由第二光电探测器转化为电压模拟信号，采集卡采集该电压模拟信号后，将获得的传感光纤光栅反射光谱作为反馈信息，用以控制电控可调光衰减器的驱动电压，从而调节每个采样点对应的光衰减量，实现传感信号反射幅值的动态自平坦功能；
步骤四:采集卡将从多个第二电探测器同步扫描得到的传感光纤光栅反射光谱信息输入到计算机，通过算法解调出光纤光栅传感网络携带的待测点物理参量，并实现数据的处理、存储和显示。与现有技术相比，本发明的有益效果是:1、本发明采用电控可调光衰减器动态实时调节每一个光纤光栅波长对应的光功率衰减量，从而在每一个光纤光栅波长下获得动态补偿的幅值稳定的高信噪比传感信号光功率，这综合补偿了光源的不平坦、光纤光栅传感器阵列布设和使用中的不可预期的动态变化，从而有效提高光纤光栅传感器的长期检测能力和检测精度。2、采用宽带光源、可调谐FP滤波器和光放大器串接构建直线型可调谐激光器，在获取高功率的可调谐激光输出时，同时具有高稳定性，避免了传统环腔型光纤可调谐激光器的功率波动大，光噪声大和扫描速度受限的困难。
图1是本发明多通道高精度光纤光栅解调装置第一种结构示意图；图2是本发明多通道高精度光纤光栅解调装置第二种结构示意图；图3是通过本发明多通道高精度光纤光栅传感解调前、后的光纤光栅光谱对比图。图中:1-宽带光源,2-固定光衰减器，3-光隔离器,4-可调谐FP滤波器,5_光放大器，6-光纤耦合器，7-光纤FP标准具，8-电控可调光衰减器，9-1 X N光开关，10-1 X N光纤分束器，11-光纤无源器件，12-光纤光栅传感器阵列，13-第一光电探测器，14-采集卡，15-计算机，16-第二光电探测器。
具体实施例方式下面结合具体实施方式
对本发明作进一步详细地描述。如图1所示，本发明多通道高精度光纤光栅传感解调装置的一种结构是，该装置包括宽带光源1、固定光衰减器2、光隔离器3、可调谐FP滤波器4、光放大器5、光纤耦合器6、光纤FP标准具7、电控可调光衰减器8、IXN光开关9、多个光纤无源器件11、光纤光栅传感器阵列12、第一光电探测器13、第二光电探测器16、采集卡14和计算机15。宽带光源1:采用C波段ASE光源、C+L波段ASE光源和SLD光源中任何一种，输出功率在0.5mff IOmW ；固定光衰减器2:用来调节光源输出光功率，以达到可调谐FP滤波器4对入口功率的限制范围；光隔离器3:防止从光源输出的光反射回光源，以减小对光源造成伤害；可调谐FP滤波器4:通过对其驱动电压的调节从宽带光源中滤出波长变化的窄光谱信号，从而形成高稳定度的可调谐激光输出，可调谐FP滤波器的谱宽在IOpm 200pm，自由谱范围为IOOnm 200nm ；光放大器5:采用与光源工作波段匹配的光放大器，光放大器5选用光纤放大器或半导体光放大器，经过光放大器5放大可调谐激光输出光功率，从而形成IOmW的可调谐激光输出；光纤耦合器6:将经过光放大器5输入的激光分成两束；一束光依次通过光纤FP标准具7、光电探测器13和采集卡14后传输给计算机15进行波长校正处理，另一束光依次通过电控可调光衰减器8、1XN光开关9和光纤无源器件11后传输给由多个串联的、不同反射波长的光纤光栅传感器构成的光纤光栅传感器阵列12 ；光纤FP标准具7:用于输出等光频间隔的梳状光谱线，光频间隔在IOGHz IOOGHz ；电控可调光衰减器8:用于动态实时调节每一个光纤光栅波长对应的光功率衰减量，从而在每一个光纤光栅波长下获得动态补偿的、幅值稳定的传感信号光功率；I XN光开关9:通过控制其驱动板，实现光在N路的相应切换，N的数值选自2，4，
8,16,32,64,128中的一个；光纤无源器件11:将光源发出的光传输到待检测物体并收集反射信号光，光纤无源器件采用光纤环形器或光纤耦合器；光纤光栅传感器阵列12:用于感知外界待测量物体引起的参量变化，并将其编码到光纤光栅反射波长上；第一光电探测器13和第二光电探测器16:第一光电探测器13设置在光纤FP标准具7与采集卡14之间，第二光电探测器16设置在光纤无源器件11与采集卡14之间，第一光电探测器13和第二光电探测器16均分别用于将输入的光信号转化为电压模拟信号；采集卡14:采集由第一光电探测器13和第二光电探测器16得到的电压模拟信号，并输出控制可调谐FP滤波器8的模拟信号、I XN光开关9的数字信号和电控可调光衰减器4的模拟信号；计算机15:通过对采集卡14的控制，实现多通道光纤光栅的解调计算、显示和存储。如图2所示，本发明多通道高精度光纤光栅传感解调装置的第二种结构是:该装置包括宽带光源1、固定光衰减器2、光隔离器3、可调谐FP滤波器4、光放大器5、光纤耦合器6、光纤FP标准具7、电控可调光衰减器8、1 XN光纤分束器10、多个光纤无源器件11、光纤光栅传感器阵列12、第一光电探测器13、多个第二光电探测器16、采集卡14和计算机15 ;其中:I XN光纤分束器10:将输入的宽带光源分成N束光强相同、谱形相同的宽带光，N取值选自2,4,8,16,32,64,128中的一个；光纤光栅传感器阵列12:用于感知外界待测量物体引起的参量变化，并将其编码到光纤光栅反射波长上；所述光纤光栅传感阵列12的搭建采用空分复用结构，每条通道均分别配置一个电控可调光衰减器；第一光电探测器13和多个第二光电探测器16:第一光电探测器13设置在光纤FP标准具与采集卡之间，每个第二光电探测器均分别设置在每个光纤无源器件与采集卡之间，第一光电探测器和第二光电探测器均分别用于将输入的光信号转化为电压模拟信号。本发明中提供了用上述第一种结构的传感解调装置进行解调的步骤:步骤一:宽带光源I发出的光通过固定光衰减器2，使得输入到可调谐FP滤波器4的光符合其入口功率的限制要求，宽带光源I与可调谐FP滤波器4之间的光隔离器3用以保证光路传输的方向，可调谐FP滤波器4输出的可调谐激光经过光放大器5放大后获得IOmff的可调谐激光输出；步骤二:光纤稱合器6米用分光比为90:10的稱合器,光纤稱合器6将光放大器5输出的可调谐激光分为10:90的两束，其中:光放大器5输出的10%的光分配给光纤FP标准具7，由第一光电探测器13将光纤FP标准具7输出的光信号转化为电压模拟信号，并输入到采集卡14，由采集卡14控制扫描帧获得光纤FP标准具7的光谱图，通过计算机15进行算法处理，从而对可调谐激光输出波长进行校正；光放大器5输出的90%的光用于光纤光栅传感；步骤三:由采集卡14控制I XN光开关9切换，从而构成多通道光纤光栅传感网络，光纤耦合器6输出的90%的光经过一个电控可调光衰减器8实时调节每个采样点对应的光功率衰减量后，由I XN光开关9构成时分复用的N通道光束用于光纤光栅传感，每条通道均可串联多个光纤光栅传感器，并利用多个光纤无源器件11获得多个光纤光栅传感器的反射光，反射光经由第二光电探测器16转化为电压模拟信号，米集卡15米集该电压模拟信号后，将获得的传感光纤光栅反射光谱作为反馈信息，用以控制电控可调光衰减器8的驱动电压，从而调节每个采样点对应的光衰减量，实现传感信号反射幅值的动态自平坦功能；步骤四:采集卡15将从第二电探测器16依次扫描得到的传感光纤光栅反射光谱信息输入到计算机15，通过算法解调出光纤光栅传感网络携带的待测点物理参量，并实现数据的处理、存储和显示。本发明中还提供了用上述第二种结构的传感解调装置进行解调的步骤:步骤一:宽带光源I发出的光通过固定光衰减器2，使得输入到可调谐FP滤波器4的光符合其入口功率的限制要求，宽带光源I与可调谐FP滤波器4之间的光隔离器3用以保证光路传输的方向，可调谐FP滤波器4输出的可调谐激光经过光放大器5放大后获得IOmff的可调谐激光输出；步骤二:光纤稱合器6米用分光比为90:10的稱合器,光纤稱合器6将光放大器5输出的可调谐激光分为10:90的两束，其中:光放大器5输出的10%的光分配给光纤FP标准具7，由第一光电探测器13将光纤FP标准具7输出的光信号转化为电压模拟信号，并输入到采集卡14，由采集卡14控制扫描帧获得光纤FP标准具7的光谱图，通过计算机15进行算法处理，从而对可调谐激光输出波长进行校正；光放大器5输出的90%的光用于光纤光栅传感；步骤三:采用IXN光纤分束器10构成多通道光纤光栅传感网络，通过光纤耦合器6输出的90%的光，由I XN光纤分束器构成空分复用的N通道光束用于光纤光栅传感,每条通道分别配置一个电控可调光衰减器8后，串联多个光纤光栅传感器，并利用多个光纤无源器件11获得多个光纤光栅传感器的反射光，反射光经由第二光电探测器16转化为电压模拟信号，采集卡15采集该电压模拟信号后，将获得的传感光纤光栅反射光谱作为反馈信息，用以控制电控可调光衰减器8的驱动电压，从而调节每个采样点对应的光衰减量，实现传感信号反射幅值的动态自平坦功能；
步骤四:采集卡15将从多个第二电探测器16同步扫描得到的传感光纤光栅反射光谱信息输入到计算机15，通过算法解调出光纤光栅传感网络携带的待测点物理参量，并实现数据的处理、存储和显示。综上，本发明多通道高精度光纤光栅传感解调方法的解调方法是采用宽带光源输出的光经固定衰减器后经过可调谐FP滤波器和光放大器串接构建直线型可调谐激光器，获取高稳定性、高功率的可调谐激光输出；由光纤耦合器将可调谐激光分为两部分，一部分可调谐激光用于光纤FP标准具进行波长校正，可实现高分辨率、波长重复性好、实时高精度解调；另一部分可调谐激光用于光纤光栅传感，首先形成N通道光束用于光纤光栅传感，可以采用以下两种方法之一:(I)采用I XN光开关切换，构成多通道光纤光栅传感网络，即该部分可调谐激光首先经过一个电控可调光衰减器，实时调节每个采样点对应的光功率衰减量，再由I X N光开关构成时分复用的N通道光束用于光纤光栅传感；(2 )采用由I X N光纤分束器构成空分复用的N通道光束用于光纤光栅传感，每通道分别配置一个电控可调光衰减器8后实时调节每个采样点对应的光功率衰减量。每条通道均可串联多个光纤光栅传感器，并利用多个光纤无源器件，如光纤环形器获得光纤光栅传感器的反射光，反射光经过光电探测器转化为电压信号并由采集卡采集获得具有反射幅值动态自平坦功能的光谱图。以光纤光栅的反射信号幅值作为动态反馈，采用电控可调光衰减器动态实时调节每一个光纤光栅波长对应的光功率衰减量，从而在每一个光纤光栅波长下获得动态补偿的幅值稳定的高信噪比传感信号光功率，综合补偿了光源的不平坦、光纤光栅传感器阵列布设和使用中的不可预期的动态变化，从而有效提高光纤光栅传感器的长期检测能力和检测精度，从而保证了本发明解调装置的信噪比与稳定性。本发明多通道高精度光纤光栅传感解调装置及其解调方法在航天、航空、石化、土木和电力领域有很好的应用前景。为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。实施例一:如图1所示，该多通道高精度光纤光栅传感解调装置包括宽带光源1、固定光衰减器2、光隔离器3、可调谐FP滤波器4、光放大器5、光纤稱合器6、光纤FP标准具7、电控可调光衰减器8、1XN光开关9、多个光纤无源器件11、光纤光栅传感器阵列12、第一光电探测器13、第二光电探测器16、采集卡14和计算机15 ;其中的光纤耦合器6采用分光比为90:10的光纤耦合器，光纤无源器件11采用光纤环形器。宽带光源I输出端通过单模光纤跳线与固定光衰减器2相连接，选择合适固定光衰减器2使输入到可调谐FP滤波器4的光强符合其入口功率的限制要求，宽带光源I与可调谐FP滤波器4之间需用光隔离器3来保证光路传输的方向，由可调谐FP滤波器4输出的可调谐激光与光放大器5的输入端口连接。经过光放大器5放大后的高稳定性、高功率的可调谐激光输出。经过分光比为90:10的光纤耦合器6，其分出10%输入光纤FP标准具7，由第一光电探测器13将光纤FP标准具7输出的光信号转化为电压模拟信号，并输入到采集卡14，由采集卡14控制扫描帧获得光纤FP标准具7的光谱图，采集卡14连接到计算机15对可调谐FP滤波器4进行波长校正。经过光纤耦合器6分出的90%先经过一个由驱动电压控制其光衰减量的电控可调光衰减器8，输出光通过由采集卡14控制其切换的I XN光开关9在时域分为N通道，每条通道分别接入该通道的光纤环形器的输入I端口，在2端口串联多个光纤光栅传感器并获得光纤光栅传感器的反射光，输出3端口将反射光输入到第二光电探测器16转化为电压信号，N通道的电压信号由采集卡14控制依次扫描帧获得其反射光的光谱图，连接到计算机15进行数据处理、存储和显示。实施例二:如图2所示，本发明多通道高精度光纤光栅传感解调装置包括宽带光源1、固定光衰减器2、光隔离器3、可调谐FP滤波器4、光放大器5、光纤耦合器6、光纤FP标准具7、电控可调光衰减器8、1XN光纤分束器10、多个光纤无源器件11、光纤光栅传感器阵列12、第一光电探测器13、多个第二光电探测器16、米集卡14和计算机15 ;其中的光纤稱合器6米用分光比为90:10的光纤耦合器，光纤无源器件11采用光纤环形器。宽带光源I输出端通过单模光纤跳线与固定光衰减器2相连接，选择合适固定光衰减器2使输入到可调谐FP滤波器4的光强符合其入口功率的限制要求，宽带光源I与可调谐FP滤波器之间需用光隔离器3来保证光路传输的方向，由可调谐FP滤波器4输出的可调谐激光与光放大器5的输入端口连接。经过光放大器5放大后的高稳定性、高功率的可调谐激光输出。经过光纤耦合器6分出10%输入光纤FP标准具7，由第一光电探测器13将光纤FP标准具7输出的光信号转化为电压信号，并输入到采集卡14，由采集卡14扫描每帧并获得光纤FP标准具7的光谱图，连接到计算机15对可调谐FP滤波器4进行波长校正。经过光纤耦合器6分出90%先经过I XN光纤分束器10在空域分为N通道，每条通道输出端口分别经过该通道由驱动电压控制其光衰减量的电控可调光衰减器11，输出光与该通道光纤环形器的输入I端口连接，在2端口串联多个光纤光栅传感器12并获得光纤光栅传感器的反射光，输出3端口将反射光输入到光电探测器13转化为电压信号，N通道的电压信号由采集卡14控制同步扫描帧获得其反射光的光谱图，采集卡14连接到计算机15进行数据处理、存储和显示。实施例三:本发明多通道高精度光纤光栅解调方法，计算机15控制采集卡14输出IOHz的锯齿波模拟信号作为可调谐FP滤波器4的驱动电压，得到频率为10Hz、波长分辨率为5pm，波长范围为40nm的宽带扫描激光输出，经过光放大器5放大后得到高功率输出的扫描激光，使用90:10的光纤耦合器6分出10%的扫描激光传输给光纤FP标准具7，将由可调谐FP滤波器7得到扫描激光的采样点与波长一一对应，起到波长实时校正的作用，保证解调系统的高波长重复性。对于上述实例一中的多通道高精度光纤光栅解调过程:90%先经过一个由驱动电压控制其光衰减量的电调可变光衰减器8，由I X N光开关9在时域分为8通道，通过第二光探测器16探测由4个光纤光栅传感器串联形成的光纤光栅传感器阵列12的反射幅值作为反馈信号，在每条通道的各自时域范围内控制对应该时域电控可调光衰减器8的电控可调光衰减器光衰减量，达到每通道的反射谱幅值具有动态自平坦性。如图3所示，其中通道2由于超低温环境引起的光纤光栅反射谱幅值不可预期的动态变化，通过本发明解调方法达到了光纤光栅反射谱幅值的动态自平坦性。
对于上述实例二中的多通道高精度光纤光栅解调过程:90%的扫描激光通过1X8光纤分束器构成8路通道并行解调的光纤光栅传感网络,每一路光纤光栅序列前方各插入一个电控可调光衰减器，通过探测由4个光纤光栅传感器串联构成的光纤光栅传感器阵列12的反射幅值作为反馈信号，输送给电控可调光衰减器8实时调节4个反射幅值对应采样点的光衰减量，使得采集卡14采集的4个反射幅值具有动态自平坦性，如图3所示。每路光纤光栅序列各自通过一个第二光电探测器16探测其光强信息，将光强信息转化为电压信息并放大后，数据信息通过采集卡14进行高速数据采集。采集到的光纤FP标准具7及8通道的扫描光谱信息输入到计算机，通过算法进一步解调出光纤光栅传感网络携带的的待测点物理参量，诸如:温度、应力或震动等参量信息，实现数据处理、存储和显示等功能。尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式
，上述的具体实施方式
仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
权利要求
1.一种多通道高精度光纤光栅传感解调装置，其特征在于，该装置包括宽带光源(I)、固定光衰减器(2)、光隔离器(3)、可调谐FP滤波器(4)、光放大器(5)、光纤耦合器(6)、光纤FP标准具(7)、电控可调光衰减器(8)、1 XN光开关(9)、多个光纤无源器件(11)、光纤光栅传感器阵列(12)、第一光电探测器(13)、第二光电探测器(16)、采集卡(14)和计算机(15);其中: 宽带光源(I):采用C波段ASE光源、C+L波段ASE光源和SLD光源中任何一种，输出功率在 0.5mff IOmW ； 固定光衰减器(2):用来调节光源输出光功率，以达到可调谐FP滤波器(4)对入口功率的限制范围； 光隔离器(3):防止从光源输出的光反射回光源，以减小对光源造成伤害； 可调谐FP滤波器(4):通过对 其驱动电压的调节从宽带光源中滤出波长变化的窄光谱信号，从而形成高稳定度的可调谐激光输出，可调谐FP滤波器的谱宽在IOpm 200pm，自由谱范围为IOOnm 200nm ； 光放大器(5):米用与光源工作波段匹配的光放大器,光放大器(5)选用光纤放大器或半导体光放大器，经过光放大器(5)放大可调谐激光输出光功率,从而形成IOmW的可调谐激光输出； 光纤耦合器(6 ):将经过光放大器(5 )输入的激光分成两束；一束光依次通过光纤FP标准具(7)、光电探测器(13)和采集卡(14)后传输给计算机(15)进行波长校正处理，另一束光依次通过电控可调光衰减器(8)、1XN光开关(9)和光纤无源器件(11)后传输给由多个串联的、不同反射波长的光纤光栅传感器构成的光纤光栅传感器阵列(12)； 光纤FP标准具(7):用于输出等光频间隔的梳状光谱线，光频间隔在IOGHz IOOGHz ；电控可调光衰减器(8):用于动态实时调节每一个光纤光栅波长对应的光功率衰减量，从而在每一个光纤光栅波长下获得动态补偿的、幅值稳定的传感信号光功率； IXN光开关(9):通过控制其驱动板，实现光在N路的相应切换，N的数值选自2，4，8，16,32,64,128 中的一个； 光纤无源器件(11):将光源发出的光传输到待检测物体并收集反射信号光，光纤无源器件采用光纤环形器或光纤耦合器； 光纤光栅传感器阵列(12):用于感知外界待测量物体引起的参量变化，并将其编码到光纤光栅反射波长上； 第一光电探测器(13)和第二光电探测器(16):第一光电探测器(13)设置在光纤FP标准具(7)与采集卡(14)之间，第二光电探测器(16)设置在光纤无源器件(11)与采集卡(14)之间，第一光电探测器(13)和第二光电探测器(16)均分别用于将输入的光信号转化为电压模拟信号； 采集卡(14):采集由第一光电探测器(13)和第二光电探测器(16)得到的电压模拟信号，并输出控制可调谐FP滤波器(8)的模拟信号、IXN光开关(9)的数字信号和电控可调光衰减器(4)的模拟信号； 计算机(15):通过对采集卡(14)的控制，实现多通道光纤光栅的解调计算、显示和存储。
2.根据权利要求1所述多通道高精度光纤光栅传感解调装置，其特征在于:所述光纤光栅传感阵列的搭建采用时分复用结构。
3.—种多通道高精度光纤光栅传感解调方法，其特征在于:采用如权利要求1所述的多通道高精度光纤光栅传感解调装置进行解调的步骤如下: 步骤一:宽带光源(I)发出的光通过固定光衰减器(2)，使得输入到可调谐FP滤波器(4)的光符合其入口功率的限制要求，宽带光源(I)与可调谐FP滤波器(4)之间的光隔离器(3 )用以保证光路传输的方向，可调谐FP滤波器(4)输出的可调谐激光经过光放大器(5 )放大后获得IOmW的可调谐激光输出； 步骤二:光纤稱合器(6)米用分光比为90:10的稱合器,光纤稱合器(6)将光放大器(5)输出的可调谐激光分为10:90的两束，其中: 光放大器(5)输出的10%的光分配给光纤FP标准具(7)，由第一光电探测器(13)将光纤FP标准具(7)输出的光信号转化为电压模拟信号，并输入到采集卡(14)，由采集卡(14)控制扫描帧获得光纤FP标准具(7)的光谱图，通过计算机(15)进行算法处理，从而对可调谐激光输出波长进行校正； 光放大器(5)输出的90%的光用于光纤光栅传感； 步骤三:由采集卡(14)控制I XN光开关(9)切换，从而构成多通道光纤光栅传感网络，光纤耦合器(6)输出的90%的光经过一个电控可调光衰减器(8)实时调节每个采样点对应的光功率衰减量后，由I XN光开关(9)构成时分复用的N通道光束用于光纤光栅传感，每条通道均可串联多个光纤光栅传感器，并利用多个光纤无源器件(11)获得多个光纤光栅传感器的反射光，反射光经由第二光电探测器(16)转化为电压模拟信号，采集卡(15)采集该电压模拟信号后，将获得的传感光纤光栅反射光谱作为反馈信息，用以控制电控可调光衰减器(8)的驱动电压，从而调节每个采样点对应的光衰减量，实现传感信号反射幅值的动态自平坦功能； 步骤四:采集卡(15)将从第二电探测器(16)依次扫描得到的传感光纤光栅反射光谱信息输入到计算机(15)，通过算法解调出光纤光栅传感网络携带的待测点物理参量，并实现数据的处理、存储和显示。
4.一种多通道高精度光纤光栅传感解调装置，其特征在于，该装置包括宽带光源(I)、固定光衰减器(2)、光隔离器(3)、可调谐FP滤波器(4)、光放大器(5)、光纤耦合器(6)、光纤FP标准具(7)、电控可调光衰减器(8)、1 XN光纤分束器(10)、多个光纤无源器件(11)、光纤光栅传感器阵列(12)、第一光电探测器(13)、多个第二光电探测器(16)、米集卡(14)和计算机(15);其中: 宽带光源(I):采用C波段ASE光源、C+L波段ASE光源和SLD光源中任何一种，输出功率在 0.5mff IOmW ； 固定光衰减器(2):用来调节光源输出光功率，以达到可调谐FP滤波器(4)对入口功率的限制范围； 光隔离器(3):防止从光源输出的光反射回光源，以减小对光源造成伤害； 可调谐FP滤波器(4):通过对其驱动电压的调节从宽带光源中滤出波长变化的窄光谱信号，从而形成高稳定度的 可调谐激光输出，可调谐FP滤波器的谱宽在IOpm 200pm，自由谱范围为IOOnm 200nm ； 光放大器(5):米用与光源工作波段匹配的光放大器,光放大器(5)选用光纤放大器或半导体光放大器，经过光放大器(5)放大可调谐激光输出光功率,从而形成IOmW的可调谐激光输出； 光纤耦合器(6 ):将经过光放大器(5 )输入的激光分成两束；一束光依次通过光纤FP标准具(7)、光电探测器(13)和采集卡(14)后传输给计算机(14)进行波长校正处理，另一束光依次通过IXN光纤分束器(10)、电控可调光衰减器(8)和光纤无源器件(11)后传输给由多个串联的、不同反射波长的光纤光栅传感器构成的光纤光栅传感器阵列(12)； 光纤FP标准具(7):输出等光频间隔的梳状光谱线，光频间隔在IOGHz IOOGHz ；IXN光纤分束器(10):将输入的宽带光源分成N束光强相同、谱形相同的宽带光，N取值选自 2,4,8,16,32,64,128 中的一个； 电控可调光衰减器(8):用于动态实时调节每一个光纤光栅波长对应的光功率衰减量，从而在每一个光纤光栅波长下获得动态补偿的、幅值稳定的传感信号光功率； 光纤无源器件(11):将光源发出的光传输到待检测物体并收集反射信号光，光纤无源器件(11)采用光纤环形器或光纤耦合器； 光纤光栅传感器阵列(12):用于感知外界待测量物体引起的参量变化，并将其编码到光纤光栅反射波长上； 第一光电探测器(13)和第二光电探测器(16):第一光电探测器(13)设置在光纤FP标准具(7)与采集卡(14)之间，每个第二光电探测器(16)均分别设置在每个光纤无源器件(11)与米集卡(14)之间,第一光电探测器(13)和第二光电探测器(16)均分别用于将输入的光信号转化为电压模拟信号； 采集卡(14):采集由第一光电探测器(13)和多个第二光电探测器(16)得到的电压模拟信号，并输出控制可调谐FP滤波器(8)的模拟信号、I XN光纤分束器(10)的数字信号和电控可调光衰减器(4)的模拟信号； 计算机(15):通过对采集卡(14)的控制，实现多通道光纤光栅的解调计算、显示和存储。
5.根据权利要求4所述多通道高精度光纤光栅传感解调装置，其特征在于:所述光纤光栅传感阵列(12)的搭建采用空分复用结构，每条通道均分别配置一个电控可调光衰减器(8)。
6.一种多通道高精度光纤光栅传感解调方法，其特征在于:采用如权利要求4所述的多通道高精度光纤光栅传感解调装置进行解调的步骤如下: 步骤一:宽带光源(I)发出的光通过固定光衰减器(2)，使得输入到可调谐FP滤波器(4)的光符合其入口功率的限制要求，宽带光源(I)与可调谐FP滤波器(4)之间的光隔离器(3 )用以保证光路传输的方向，可调谐FP滤波器(4)输出的可调谐激光经过光放大器(5 )放大后获得IOmW的可调谐激光输出； 步骤二:光纤稱合器(6)米用分光比为90:10的稱合器,光纤稱合器(6)将光放大器(5)输出的可调谐激光分为10:90的两束，其中: 光放大器(5)输出的10%的光分配给光纤FP标准具(7)，由第一光电探测器(13)将光纤FP标准具(7)输出的光信号转化为电压模拟信号，并输入到采集卡(14)，由采集卡(14)控制扫描帧获得光纤FP标准具(7)的光谱 图，通过计算机(15)进行算法处理，从而对可调谐激光输出波长进行校正；光放大器(5)输出的90%的光用于光纤光栅传感； 步骤三:采用IXN光纤分束器(10)构成多通道光纤光栅传感网络，通过光纤耦合器(6)输出的90%的光，由I XN光纤分束器构成空分复用的N通道光束用于光纤光栅传感,每条通道分别配置一个电控可调光衰减器(8 )后，串联多个光纤光栅传感器，并利用多个光纤无源器件(11)获得多个光纤光栅传感器的反射光，反射光经由第二光电探测器(16)转化为电压模拟信号，采集卡(15)采集该电压模拟信号后，将获得的传感光纤光栅反射光谱作为反馈信息，用以控制电控可调光衰减器(8)的驱动电压，从而调节每个采样点对应的光衰减量，实现传感信号反射幅值的动态自平坦功能； 步骤四:采集卡(15)将从多个第二电探测器(16)同步扫描得到的传感光纤光栅反射光谱信息输入到计算机(15)，通过算法解调出光纤光栅传感网络携带的待测点物理参量，并实现数据的处理、存储和 显示。
全文摘要
本发明公开了一种多通道高精度光纤光栅解调装置及其解调方法，其中，装置采用宽带光源、可调谐FP滤波器和光放大器串接构建可调谐激光器，获取高稳定性、高功率的可调谐激光输出；以光纤光栅的反射信号幅值作为动态反馈，采用电控可调光衰减器动态实时调节每一个光纤光栅波长对应的光功率衰减量，从而在每一个光纤光栅波长下获得动态补偿的幅值稳定的高信噪比传感信号光功率，综合补偿了光源的不平坦、光纤光栅传感器阵列布设和使用中的不可预期的动态变化，从而有效提高光纤光栅传感器的长期检测能力和检测精度。在航天、航空、石化、土木和电力领域有很好的应用前景。
文档编号G01D5/26GK103196473SQ201310099719
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月26日 优先权日2013年3月26日
发明者江俊峰, 刘铁根, 宋璐瑶, 刘琨, 王双, 尹金德, 何盼 申请人:天津大学