一种白光干涉型光纤法珀传感器的多传感器复用解调系统及处理方法与流程

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种白光干涉型光纤法珀传感器的多传感器复用解调系统及处理方法。

背景技术：

白光干涉型光纤法珀传感器是一种利用宽光谱干涉实现高精度测量的光纤传感器，它具有传感器体积小、传感器端不带电、抗电磁辐射、耐高温抗腐蚀、易远程传感、与光纤通信兼容等优点。因此在石油、化工、煤矿、机械、以及各种易燃易爆及恶劣工作环境的特殊场合中具有极大的应用潜力。

光纤白光干涉测量系统的典型解调系统原理图2所示，它由低相干宽带光源(11)、光耦合器(12)、光谱仪(13)、数据处理单元(14)组成。若低相干宽带光源具有图3(a)的理想宽带光谱特性，经过传输光纤达到光纤法珀传感器(21)后返回图3(b)的宽光谱干涉信号，该信号经光谱仪采集、再由后续数据处理单元用相应的解调算法进行腔长的计算处理，完成解调。这样的测量系统具有结构简单、技术成熟、易于实现的优点。但其难以实现多传感器复用的缺陷，制约了其大规模的工程应用。

针对白光干涉传感器的多传感器复用问题，目前主要有时分复用与频分复用两种复用技术。时分复用是使用光开关分时地将光源切换到多个传感器并进行解调，虽然它使每个传感器具有相同的解调精度，但光路的切换却限制了系统整体的测量速度，且机械切换结构的长期可靠性较低。频分复用同时获取腔长l不同的数个传感器的干涉光谱信号，再对干涉光谱信号进行频谱分析，利用频谱上的不同峰值将传感器区分出来；由于它要求各个光纤法珀传感器的腔长不同，复用的数量少，实用性差。

因此，白光干涉型光纤法珀传感器的多传感器复用，成了制约该类传感器大规模应用的瓶颈之一。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种白光干涉光纤法珀传感器的多传感器复用解调方法与系统，通过使用光谱线宽窄、扫频范围宽的扫频激光光源与大腔长光纤法珀传感器结合的解决方案，并配以与光源波长范围匹配的波分复用器、以及后续稀疏光谱采样解调算法，在不降低相干信号对比度的条件下，有效解决白光干涉型光纤法珀传感器的大容量并联复用难题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种白光干涉型光纤法珀传感器的多传感器复用解调系统，该系统如图1所示，由扫频激光光源(101)、光环形器(102)、波分复用器(103)、光电探测模块(104)、光谱还原模块(105)和数据处理模块(106)依次连接组成n通道的复用解调系统(1)，并分别连接n个大腔长光纤法珀传感器(2)；

所述扫频激光器的光谱线宽窄、扫频范围宽，以在较宽的光谱范围内输出波长可变的窄线宽扫频激光束；

所述光环形器用于将扫频激光器发出的扫频激光束单向传递至波分复用器；

所述波分复用器用于将扫频光谱范围内的激光信号分割为n路窄带光谱信号，并分别传输至n个光纤法珀传感器，再将法珀传感器返回的n路窄带光谱干涉信号合并后、经光环行器传输到光电探测模块；

所述光电探测模块用于将从n个光纤法珀传感器返回的干涉信号转换为随时间变化的电信号，再经放大、采样转换为离散的数字电信号；

所述光谱还原模块用于将时域扫描干涉光谱信号转换为光谱波长域的干涉光谱信号；

所述数据处理模块用于将干涉光谱信号，解调计算出n个光纤法珀传感器的腔长值。

进一步，所述n个大腔长的光纤法珀传感器，其每个的腔长l都应满足lmin<l<lmaxn，以确保每个传感器都能够产生足够多的干涉条纹数、以满足后续解调计算的要求。

所述光纤法珀传感器的腔长上限lmax及下限lmin分别满足下二式：

其中fmhw为扫频激光的光谱线宽，δλ与λc分别为扫频激光光源扫频的光谱范围及其中心波长(如图4所示)；而波分复用器一个通道的光谱带宽b(如图5(a)所示)，其通道数n及频率间隔δf满足下两式：

n＝δλ/b(3)

进一步，适用于所述解调系统的多传感器处理方法，包括以下步骤：

s1：利用光谱还原模块将接收到的干涉光谱还原为n段干涉光谱信号；

s2：用稀疏采样的频率解调法，对每段光谱数据分别进行处理计算，求出各自的等效频率值；

s3：根据等效频率值与光纤法珀传感器的腔长关系，分别求解出n个光纤法珀传感器的值。

本发明的有益效果在于：本发明通过将光谱线宽窄、扫频范围宽的扫频激光光源与大腔长光纤法珀传感器结合，并配以波分复用器进行n路光谱分割，从而在不降低相干信号对比度的条件下，减小每个传感器所占用的光谱带宽；并采用稀疏采样的频率解调法，对n个光纤法珀传感器的干涉光谱信号进行解调计算，以保障窄带光谱信号的解调精度；从而有效解决白光干涉型光纤法珀传感器的大容量并联复用难题。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为多路复用白光干涉光纤法珀测量系统结构图；

图2为现有的典型白光干涉法珀传感器解调系统原理图；

图3为白光干涉型光纤法珀传感器的光谱图，其中图3(a)、图3(b)分别为低相干度光源的理想光谱图、及其相应的光纤法珀传感器输出的干涉光谱图；

图4为扫频激光光源的光谱示意图；图4(a)为扫频激光器输出窄线宽光谱扫描过程；图4(b)为其扫频光谱范围；

图5为本方法干涉信号的复用原理图；图5(a)为n路波分复用器的光谱特性图；图5(b)为这n路光纤法珀传感器各自的干涉光谱图；

图6为传感器复用光谱的解调算法原理流程框图；

图7为实施例一所述并联复用光纤法珀测量系统结构图；

图8为实施例二所述并联复用光纤法珀测量系统结构图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图1所示，由宽带扫频激光器101、光环形器102、波分复用器103、光电探测模块104、光谱还原模块105和数据处理模块106依次连接组成n通道的复用解调系统1，并连接n个大腔长光纤法珀传感器2；

所述宽带扫频激光器101用于在宽光谱范围内提供波长可变的激光光源；所述光环形器102用于将光源发出的宽谱扫频激光信号单向传递至波分复用器，同时将波分复用器返回的光信号单向传输给光电探测模块；所述波分复用器103用于将宽带光分割为多个波长的n路窄带光，并分别传输至n个长腔长光纤法珀传感器，再将光纤法珀传感器返回的干涉光信号合并后返回光环形器；所述光电探测模块104用于将波长扫描的干涉激光信号转换为随时间变化的电信号，再经放大、采样转换为离散的数字电信号；所述光谱还原模块105用于将时域扫描干涉光谱信号转换为光谱波长域的干涉光谱信号；所述数据处理模块106用于从干涉光谱信号中一次性解调计算出n个光纤传感器的腔长值。

由扫频激光器提供的宽带光源如图4所示，光源任意时刻输出的均是如图4(a)所示的光谱带宽为fwhm的窄谱线激光，当其随随时间进行扫描时，其最终扫频光谱范围为图4(b)所示。

波分复用器的光谱特性如图5(a)所示，一个滤波通道相当于一个光谱窄带滤波器，其将一个波长的光输出到对应的端口，并连接一只光纤法珀传感器，从而获得如图5(b)所示多路复用干涉光谱。

解调算法包含三步，如图6所示：首先对光谱进行n段分割，再采用稀疏光谱的频率解调算法对各段干涉光谱信号分别进行解调计算，得到n个光纤法珀传感器各自的等效角频率，最后将其转换为光纤法珀传感器腔长，从而完成n个光纤法珀传感器的腔长解调。

为了保证干涉信号的信噪比，n光纤法珀传感器皆采用大腔长的法珀传感器。

所述n个大腔长的光纤法珀传感器，其每个的腔长l都应满足lmin<l<lmaxn，以确保每个传感器都能够产生足够多的干涉条纹数、以满足后续解调计算的要求。

所述光纤法珀传感器的腔长上限lmax及下限lmin应分别满足下二式：

其中fmhw为扫频激光的光谱线宽，δλ与λc分别为扫频激光光源扫频的光谱范围及其中心波长(如图4所示)；而波分复用器一个通道的光谱带宽b(如图5(a)所示)，其通道数n及频率间隔δf满足下两式：

n＝δλ/b(3)

该方法和系统中所涉及的波分复用器、光电探测模块、光谱还原与解调模块及解调算法的实施平台均有多种实现方案。本发明提出两套具体的实施案例：

1、实施例一

该实施例的系统原理如图7所示，该系统中光源采用通信c波段mems型扫频激光器111；波分复用器采用阵列波导光栅型波分复用器(awg-dwdm)113；光电探测模块由铟镓砷高速光电探测器(ingaas-pd)114、信号放大电路115和高速adc采集电路116组成；采用fpga的光谱还原模块117将信号分割还原成n段干涉光谱信号，并传输至pc机118，由labview程序实现n个腔长的解调计算。

2、实施例二

该实施例的系统原理如图8所示，该系统中光源采用通信c+l波段扫描光栅反馈型扫频激光器121；波分复用器采用体相位全息光栅型密集波分复用器(vph-dwdm)123，光电探测模块由自带增益的锗高速光电探测器(ge-apd)124和高速ad采集电路125组成。光谱还原模块采用arm处理模块126来实现n路光谱的还原；采用高速dsp数据处理系统127进行处理计算，并用嵌入式软件、完成n个腔长的解调计算。

3、实施效果

对图1所示的法珀传感器复用方案，若采用通信c波段带宽为35nm的扫频激光光源和符合国际通信标准g.694.1中通道频率间隔100ghz的波分复用器，光纤法珀传感器的腔长满足公式(1)和公式(2)，则可实现40路的光纤法珀传感器多路复用系统，并确保所有干涉传感器之间互相不干扰、独立传感。

由于一次光谱采集就能获得所有传感器的信息，而系统的测量速度由扫频激光器的光谱扫频速度决定，因此该方案增加传感器复用数并不会降低系统的整体测量速度。故，本发明所述系统采用市售的高速扫频激光器，就对数十上百只光纤传感器达到1khz以上的复用解调速率。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。