本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光电检测
，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。
技术介绍
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MOI、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。近年出现的一种波长介于1.3μm至1.6μm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。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。
技术实现思路
本专利技术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。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：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。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。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。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。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。所述数字信号处理器还与通讯接口和触摸屏连接。一种快速调谐实时校准光纤光栅解调装置的工作方法，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。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光谱左右斜边两个扫描时间值T1(Vhm)和T2(Vhm)；步骤4，检测到的峰值结果为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。所述二次拟合采用最小二乘曲线拟合算法。本专利技术的有益效果：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。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。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。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。附图说明图1为本专利技术整体组成框图；图2为VCSEL激光器驱动电路原理图；图3为VCSEL激光器在不同温度下的波长与电流关系曲线；图4为VCSEL激光器在不同温度下的光功率与电流关系曲线；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；图6为VCSEL激光器输出波长校准曲线；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；图8为光纤光栅温度传感器解调实验结果；图9为光纤光栅加速度传感器解调频率响应实验结果；图10为光纤光栅加速度传感器解调加速度响应实验结果。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。具体实施方式下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步说明。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。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。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本文档来自技高网...
【技术保护点】
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。
【技术特征摘要】
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...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡宾鑫，王金玉，宋广东，刘统玉，
申请(专利权)人：山东省科学院激光研究所，
类型：发明
国别省市：山东;37
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。