本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于光纤环形腔衰荡的光栅检测装置。
背景技术：
过去30年中，光纤环形腔衰荡光谱（fiberloopdownspectroscopy，flrds）技术在化学、环境、食品安全和医疗应用等领域已取得了巨大进步和成功的应用。21世纪初，stewart等首次提出了flrds技术。flrds是一种新颖而优越的灵敏吸收光谱技术，其使用光纤环路而不是高反射镜作为谐振腔，不仅具有一般光纤传感器的优点，而且具有独特的优势，如快速检测、实时响应、免受光源功率波动影响、减少对超高反射镜的依赖等。由于其在光纤传感领域的巨大潜力，flrds技术已被广泛应用于痕量物质、浓度、磁场、压力、应变、温度和偏振等物理量的测量。
实际设计的flrds系统中，光纤作为传感元件，本身存在一定的损耗，并且对待测物理量的感应不够好，会增大衰荡时间，对实验结果造成影响。因此，装置中的光纤损耗是制约flrds应用的重要因素。目前的光纤衰荡腔系统中，尚未提出对总光纤损耗的减小提出有效的解决办法。而且，在flrds系统中，对数据的采集和对系统的控制方面，现有技术中，光源通过采用恒流源来进行控制，并通过示波器采集数据，数据采集效率低，控制不方便。因此需要提出一种基于光纤环形腔衰荡的光栅检测装置，以解决flrds系统数据采集和系统控制方面的不足。
技术实现要素：
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于光纤环形腔衰荡的光栅检测装置，降低大量成本的同时又使整套设备变得轻便，数据采集也变得高效快捷。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于光纤环形腔衰荡的光栅检测装置，包括fpga控制器，dfb激光器、激光驱动源、整形滤波模块、偏振控制器、电光调制器、掺铒光纤放大器、光纤环形衰荡腔、光电探测器、信号放大器和ad转换电路；所述fpga控制器内设置有激光控制模块和脉冲信号发生模块，其中，所述激光控制模块的输出端与所述激光驱动源的控制端连接，用于控制所述激光驱动源，使其输出恒流信号，对dfb激光器进行激励，使其发出连续光信号，该连续光信号经偏振控制器后，进入所述电光调制器；所述脉冲信号发生模块的输出端通过所述整形滤波模块与所述电光调制器的控制端连接，用于输出pwm脉冲信号，所述pwm脉冲信号经所述整形滤波模块后输出给电光调制器，进而对进入所述电光调制器的连续光进行调制，经电光调制器调制形成的脉冲光经所述掺铒光纤放大器进行功率放大后，入射到所述光纤环形衰荡腔中进行往返衰荡，从所述光纤环形衰荡腔出射的脉冲光信号被所述光电探测器探测，所述光电探测器输出的电信号经所述信号放大器、ad转换电路后，输入到所述fpga控制器，所述fpga控制器用于根据所述光电探测器的探测信号，计算出所述光纤环形衰荡腔上的外界应变p。
所述光纤环形衰荡腔包括第一光纤耦合器，第二光纤耦合器、单模光纤smf、光纤布拉格光栅和光隔离器，所述第一光纤耦合器和第二光纤耦合器均为分光比为10:90的1×2光纤耦合器，所述第一光纤耦合器的10%端口为所述光纤环形衰荡腔的输入端，所述第二光纤耦合器的10%端口为所述光纤环形衰荡腔的输出端，所述第一光纤耦合器和第二光纤耦合器的单端端口连接在一起，所述第一光纤耦合器的90%端口通过所述第一光纤与所述第二光纤耦合器的90%端口连接形成光纤环形腔，所述光纤布拉格光栅和光隔离器熔接在所述单模光纤smf中。
所述dfb激光器内设置有热敏电阻和半导体制冷器，所述fpga控制器内还设置有恒温模块，所述热敏电阻的输出端通过ad转换电路与所述fpga控制器内的恒温模块连接，所述fpga控制器内的恒温模块的输出端与所述半导体制冷器的控制端连接，所述恒温模块用于根据所述热敏电阻的测量值，控制半导体制冷器的电流，进而控制dfb激光器的温度，使其保持在恒温状态。
所述的一种基于光纤环形腔衰荡的光栅检测装置，还包括可调电压源，所述fpga控制器内还设置有电压控制模块，所述电压控制模块的输出端与所述可调电压源的控制端连接，所述可调电压源用于给所述电光调制eom提供偏置电压，所述电压控制模块用于控制所述可调电压源的输出电压，从而调节所述电光调制器的偏置电压。
所述fpga控制器包括读fifo、写fifo、sdram缓存模块、和noisⅱ软核，所述sdram缓存模块用于存储所述ad转换电路输入的探测信号。
所述外界应变p的计算公式为：
其中，τ0表示所述光纤环形衰荡腔在初始状态的衰荡时间，τ表示所述光纤环形衰荡腔在应变p下的衰荡时间，k表示与应变的系数。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明通过fpga控制器控制激光驱动源来对dfb激光器来进行驱动，fpga控制器可以对dfb激光器进行波长调谐，从而得到波长可调谐的激光器；并且通过fpga控制器内置的脉冲信号发生模块来生成脉冲控制信号，从而控制电光调制器eom的输入脉冲信号，对dfb激光器发出的激光调制进行控制，使得本发明的检测装置集成度高，系统的灵活性和可靠性大大提高；
2、本发明通过热敏电阻探测激光器的温度，经a/d转换电路输入给fpga控制器，由fpga控制器控制半导体制冷器对激光器进行恒温控制，降低了温度引起的误差，抑制了温度对波长的漂移，简单且易于调试，容易进行数字控制，大大提高了系统的灵活性和可靠性；
3、在光纤环形衰荡腔内熔接入一段fbg光栅代替光纤作为传感原件，用光栅替换光纤作为传感元件可以减小损耗，缩短衰荡时间，可以获得更精确的测量结果，提高了灵敏度；
4、将恒流源源驱动和信号采集的部分由电路模块代替，更加的方便快捷，有利于产品化发展。
附图说明
图1为本发明实施例提出的一种基于光纤环形腔衰荡的光栅检测装置的结构示意图；图中实线表示电路连接，虚线表示光束路径。
图2为本发明中光纤环形衰荡腔的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1~2所示，本发明提出了一种基于光纤环形腔衰荡的光栅检测装置，包括fpga控制器，dfb激光器、激光驱动源、整形滤波模块、偏振控制器、电光调制器、掺铒光纤放大器、光纤环形衰荡腔、光电探测器、信号放大器、ad转换电路。
如图1所示，所述fpga控制器内设置有激光控制模块和脉冲信号发生模块，其中，所述激光控制模块的输出端与所述激光驱动源的控制端连接，用于控制所述激光驱动源，使其输出恒流信号，对dfb激光器进行激励，发出波长为1550nm的连续光信号，该连续光信号经偏振控制器后，进入所述电光调制器。所述脉冲信号发生模块的输出端通过所述整形滤波模块与所述电光调制器的控制端连接，用于输出pwm脉冲信号，所述pwm脉冲信号经所述整形滤波模块后输出给电光调制器，进而对进入所述电光调制器的连续光进行调制，经电光调制器调制后的光束，变成脉宽为20ns，，功率为3mw的脉冲光，该脉冲光入射到所述掺铒光纤放大器，经所述掺铒光纤放大器将脉冲光的功率放大变为50mw后，入射到所述光纤环形衰荡腔中进行往返衰荡，从所述光纤环形衰荡腔出射的脉冲光信号被所述光电探测器探测，所述光电探测器输出的电信号经所述信号放大器、ad转换电路后，输入到所述fpga控制器，所述fpga控制器用于根据所述光电探测器的探测信号，计算出所述光纤环形衰荡腔上的外界应变p。
其中，所述激光驱动源包括具体可以包括第一d/a转换电路和第二d/a转换电路、加法器和压控恒流源模块，所述激光控制模块具体可以为fpga控制器内置的dds波形发生器，其产生的三角波信号和正弦波信号，分别通过第一d/a转换电路和第二d/a转换电路转化为模拟信号后输入加法器叠加，然后送入压控恒流源模块，压控恒流源模块输出信号至dfb激光器，实现对dfb激光器的驱动。通过fpga控制器内置的dds波形发生器实现对激光器驱动源的控制，使得本发明中的激光驱动源比现有技术中的激光恒流源体积更小，可以实现稳定的输出。
具体地，如图1所示，本发明实施例中提出的一种基于光纤环形腔衰荡的光栅检测装置还包括可调电压源，所述fpga控制器内还设置有电压控制模块，所述电压控制模块的输出端与所述可调电压源的控制端连接，所述可调电压源用于给所述电光调制eom提供偏置电压，所述电压控制模块用于控制所述可调电压源的输出电压，从而调节所述电光调制器的偏置电压；则本发明不仅可以通过fpga控制器内的脉冲信号发生模块生成脉冲信号输入到电光调制器，还可以通过fpga控制器内的电压控制模块来控制可调电压源输送给电光调制器的偏置电压，增加了检测装置的灵活性和可靠性。
其中，所述可调电压源用于给电光调制器提供一个偏置电压，可调电压源的输出电压由fpga控制器进行控制，因此，可以通过fpga控制器自动调节电光调制器的偏置电压，此外，所述可调电压源还可以包括一个输出为固定5v的电压模块，该电压模块输出的5v电压用于给所述整形滤波模块供电，本发明通过可调电压源模块取代了大型的电压源器件，使功能专一而进行了最大简化。
具体地，如图1所示，本发明实施例中，所述dfb激光器内设置有热敏电阻和半导体制冷器，所述fpga控制器内还设置有恒温模块，所述热敏电阻的输出端通过ad转换电路（图中未示出）与所述fpga控制器内的恒温模块连接，所述fpga控制器内的恒温模块的输出端与所述半导体制冷器的控制端连接，所述恒温模块用于根据所述热敏电阻的测量值，控制半导体制冷器的电流，进而控制dfb激光器的温度，使其保持在恒温状态。
其中，所述dfb激光器选用型号为934013c1412-42的中心波长为1550nm的dfb激光器，偏振控制器选用的是美国generalphotonics生产的型号为plc-003-s-90偏振控制器，电光调制器eom选用的是美国jdsu公司生产的型号为x5的电光调制器，使连续光变为脉冲光。掺铒光纤放大器edfa是上海瀚宇光纤通信技术有限公司生产的型号为ha4123的edfa，其将可调激光器输出的光功率放大至+23dbm左右。光电探测器选用的是美国thorlabs公司生产的型号为det08cfc/m的ingaas光电探测器。
具体地，如图2所示，所述光纤环形衰荡腔包括第一光纤耦合器，第二光纤耦合器、单模光纤smf、光纤布拉格光栅fbg和光隔离器iso，所述第一光纤耦合器和第二光纤耦合器均为分光比为10:90的1×2光纤耦合器，所述第一光纤耦合器的10%端口为所述光纤环形衰荡腔的输入端，其与所述掺铒光纤放大器的输出端连接，所述第二光纤耦合器的10%端口为所述光纤环形衰荡腔的输出端，其输出光信号被所述光电探测器探测；所述第一光纤耦合器和第二光纤耦合器的单端端口连接在一起，所述第一光纤耦合器的90%端口通过所述单模光纤smf与所述第二光纤耦合器的90%端口连接形成光纤环形腔，所述光纤布拉格光栅和光隔离器熔接在所述单模光纤smf中。本实施例中，所述单模光纤长度被设为6m，选用的是康宁公司生产的单模光纤，在1550nm处的损耗大约为0.2db/km。两个耦合器的单端输出口连接在一起，两个90%端口和单模光纤的两端熔接在一起构成一个长度大于6m的光纤环形腔。
进一步地，如图2所示，所述fpga控制器包括读fifo、写fifo、sdram缓存模块、和noisⅱ软核，所述sdram缓存模块用于存储所述ad转换电路输入的探测信号。
本发明提出的一种基于光纤环形腔衰荡的光栅检测装置的测量原理如下：从掺铒光纤放大器出射的光脉冲，进入光纤环形衰荡腔后，在环形衰荡腔中不断的往返衰荡，每次均有一小部分的光强被光电探测器接收，光电探测器将接收到的光信号转化为电信号，经过信号处理后发送给fpga控制器进行分析以及存储，另外一部分则继续在环形腔中往返衰减，直到脉冲的光强被衰减完。光的衰荡周期与单模光纤smf上的应变相关，假设不施加外界应变时，当i衰减为i0的1/e时，光纤环形衰荡腔的衰荡时间τ0。为当外界应变p施加在光纤光栅上时，由应变p带来的附加损耗为b，衰荡时间为τ。则有：
其中k表示与应变的系数，因此，通过光电探测器测量光纤环形衰荡腔的出射信号，发送到fpga控制器，fpga控制器可以通过寻峰算法进行处理，得到实时衰荡时间以及无应变时的衰荡时间τ0，然后通过上述公式进行计算可以得到外界应变p。其中，寻峰算法是fpga内的一种算法，在光学领域也是有很多应用，因此在此不做赘述。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。