一种光纤光栅解调系统及解调仪技术方案

本发明专利技术涉及一种光纤光栅解调系统及解调仪，该系统包括控制器，控制可调谐激光光源装置、采集装置和数据分析处理；采集装置，接收可调谐光光源装置的脉冲触发信号同时对信号处理电路进行数据采集并将采集到的数据发送至控制器；可调谐光光源装置，根据控制器的控制调整激光光源波长并将激光光源发送至耦合器；在波长切换时输出脉冲触发信号至采集装置；耦合器，接收可调谐光光源装置的信号并为与耦合器串接的光纤光栅传感器提供光信号；光电转换器，接收所述光纤光栅传感器通过所述耦合器反射的光信号并转换为电信号；信号处理电路，接收光电转换模块发送的电信号并进行处理且将处理数据发送至所述采集模块。本发明专利技术速度快、精度高和动态范围大。

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术涉及光学解调领域，更具体涉及一种光纤光栅解调系统及解调仪。
技术介绍
：光纤布拉格光栅(FBG)是国际上新兴的一种在光纤通讯、光纤传感等光电子处理领域有着广泛应用前景的基础性光纤器件。当前FBG的制作与应用研究成为世界各国光纤技术研究的热点和重点。作为传感元件，光纤光栅将被感测信息转化为其反射波长的移动，即波长编码，因而不受光源功率波动和其系统损耗的影响。另外，光纤光栅具有可靠性好、抗电磁干扰、抗腐蚀等特点，易于将多个光纤光栅串联在一根光纤上构成光纤光栅阵列，实现分布式传感，这是其他传感元件所不及的。FBG传感器的关键就在于精确的检测Bragg反射波长的微小移动，即对波长编码信号进行解调。从解调的光波信号来看，光纤光栅传感信号的解调方案包括强度解调、相位解调、频率解调、偏振解调和波长解调等。其中，波长解调技术具有将感测的信息进行波长编码，中心波长处窄带反射，不必对光纤连接器和耦合器损耗及光源输出功率起伏进行补偿等优点，得到了广泛应用。在传感过程中，光源发出的光波由传输通道经连接器进入传感光栅，传感光栅在外场(主要是应力和温度)的作用下，对光波进行调制；接着，带有外场信息的调制光波被传感光栅反射(或者透射)，由连接器进入接收通道而被探测器接收解调并输出。由于探测器接收的光谱包含了外场作用的信息，因而从探测器检测出的光谱分析及相关变化，即可获得外场信息的细致描述。从检测方式可以分为反射式和透射式检测。目前比较典型的主要有以下几种波长检测方案：光谱仪和多波长计检测法，边缘滤波检测法，可调谐滤波检测法，匹配光栅检测法，波长可调谐光源解调法等。光纤布拉格光栅解调的直接方法有采用光谱仪或者多波长计等设备来直接读取，但是这些仪器价格昂贵，体积庞大，一般适用于实验室。多波长计对波长的测试非常精确，分辨率可以达到0.0004nm，能看到系统的噪声平台，但是在功率测量方面不如光谱分析仪，采用波长计解调也有价格昂贵的特点，一般适用于实验室。边缘滤波检测法基于光强检测，适用于动态、静态测量，具有较好的线性输出，测量范围与探测器的分辨率成正比。该方案的优点在于采用了较好的补偿措施，能够有效抑制光源输出功率的起伏，连接干扰和微弯等不利因素，且系统反应迅速，成本较低，使用方便。不足之处是系统使用了体积光学滤波元件，其测量精度受到滤波器准直和稳定性的严重影响，故削弱了其便携性。并且，该系统也无法消除因耦合器分光比的起伏变化，光纤中的双折射等因素对测量结果的影响.匹配光栅解调结构简单，造价低廉，精度高，光路中耦合器数量较多，光损耗较大；参考光栅在压电体作用下扫描的区域较窄，要求传感光栅与参考光栅严格匹配，测量范围较小，一般限于几个纳米，无法满足较宽波段传感信号解调的要求。可调谐F-P滤波解调方法体积小，测量精度高，可用于分布式光纤光栅传感系统。但是它的缺点在于重复性相对较差，滤波损耗较大，目前高性能的F-P腔主要依赖国外进口，系统成本偏高。可调谐激光光源方法输出为极窄带的脉冲光源，通过不断调整光源的中心波长来扫描光纤光栅的反射输出，从而得到在光纤光栅工作带宽范围内的反射光谱，通过对反射谱的分析计算获得光纤光栅的中心波长，从而完成波长解调。这种方法能够输出更高功率的光信号，同时可获得很高的信噪比和分辨力，显著提高了光纤传感器的使用数量限制和应用距离。由于可事先对光源进行定标，避免了现场使用庞大昂贵的光谱仪，使现场检测简单方便。
技术实现思路
：本专利技术的目的是提供一种光纤光栅解调系统及解调仪，以克服现有技术中存在的上述问题。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种光纤光栅解调系统，包括：控制器，控制可调谐激光光源装置、采集装置和数据分析处理；采集装置，接收可调谐光光源装置的脉冲触发信号同时对信号处理电路进行数据采集并将采集到的数据发送至控制器；可调谐光光源装置，根据控制器的控制调整激光光源波长并将激光光源发送至耦合器；在波长切换时输出脉冲触发信号至采集装置；耦合器，接收可调谐光光源装置的信号并为与所述耦合器串接的光纤光栅传感器提供光信号；光电转换器，接收所述光纤光栅传感器通过所述耦合器反射的光信号并转换为电信号；信号处理电路，接收光电转换模块发送的电信号并进行处理且将处理数据发送至所述采集装置。所述可调谐光光源装置设有同步触发输出端口，并通过该同步触发输出端口向所述采集装置发送所述脉冲触发信号。所述采集装置设有与所述的同步触发输出端口相匹配的同步触发输入端口；并通过该同步触发输入端口接收所述脉冲触发信号。所述采集装置每接收一个所述脉冲触发信号就进行一次数据采集。所述耦合器为3dB耦合器，并设有两个分光端口和合路端口；所述合路端口串接若干光纤光栅传感器。所述激光光束通过其中一个所述分光端口进入，并通过所述合路端口传送至所述光纤光栅传感器；所述光纤光栅传感器的反射光通过另一个所述分光端口输出至所述光电转换器。所述光纤光栅传感器为光纤布拉格光栅传感器；每个所述光纤光栅传感器的中心波长的偏移范围均不相同。所述中心波长的计算过程为：在初始状态下对各个光纤光栅传感器进行光谱扫描；假设光纤光栅传感器数量为n，按照反射光谱为各个光纤光栅传感器设定初始中心波长以及中心波长偏移范围，确保各传感器的工作波长范围无交叉重叠；进行实时扫描和中心波长变化跟踪。所述实时扫描和中心波长变化跟踪过程包括：i、进行实时扫描并存储数据，将得到的光谱根据初始预定义的波长区间进行划分，每个划分的区间对应相应所述光纤光栅传感器的反射光谱；ii、从第一个区间开始计算，设置i＝0；iii、在i区间内寻找峰值(λiC,Pimax)，并计算P-3dB＝Pimax-3dBm；iv、在反射峰左侧，从峰值(λiC,Pimax)开始，将各功率值Pm与P-3dB进行比较，一旦出现P-3dB≥Pm，则记录区间值A(λm，Pm)和B(λm+1，Pm+1)，在A和B之间利用线性插值法计算出P-3dB对应的波长λL；v、在反射峰右侧，从峰值(λiC,Pimax)开始，将各波长对应的功率值Pm与P-3dB进行比较，当出现P-3dB≥Pm，则记录区间值A(λm，Pm)和B(λm-1，Pm-1)，在A和B之间利用线性插值法计算出P-3dB对应的波长λR；vi、计算所述光纤光栅传感器i对应的中心波长λiC＝(λL+λR)/2并输出；vii、当i<n-1时，则设置i＝i+1,则跳至步骤iii，直至完成n个所述光纤光栅传感器中心波长的计算；当i＝n-1时,若接收到停止命令则结束寻找，否则跳至步骤i进行实时跟踪测量；其中，m是指光谱数据表中的索引值，λ为波长，P为功率值。本专利技术提供的一种光纤光栅解调仪，包括如上述技术方案所述的光纤光栅解调系统和最接近的现有技术比，本专利技术提供技术方案具有以下优异效果1、本专利技术提供的技术方案能够输出更高功率的光信号，同时可获得很高的信噪比和分辨力；2、本专利技术提供的技术方案显著提高了光纤传感器的使用数量限制和应用距离；3、本专利技术提供的技术方案由于可事先对光源进行定标，避免了现场使用庞大昂贵的光谱仪，使现场检测简单方便；4、本专利技术提供的技术方案可同时解调多个测试点，采用PC控制，具有速度快、精度高、动态范围大等特点。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤光栅解调系统，其特征在于：包括：控制器，控制可调谐激光光源装置、采集装置和数据分析处理；采集装置，接收可调谐光光源装置的脉冲触发信号同时对信号处理电路进行数据采集并将采集到的数据发送至控制器；可调谐光光源装置，根据控制器的控制调整激光光源波长并将激光光源发送至耦合器；在波长切换时输出脉冲触发信号至采集装置；耦合器，接收可调谐光光源装置的信号并为与所述耦合器串接的光纤光栅传感器提供光信号；光电转换器，接收所述光纤光栅传感器通过所述耦合器反射的光信号并转换为电信号；信号处理电路，接收光电转换模块发送的电信号并进行处理且将处理数据发送至所述采集装置。

【技术特征摘要】
1.一种光纤光栅解调系统，其特征在于：包括：控制器，控制可调谐激光光源装置、采集装置和数据分析处理；采集装置，接收可调谐光光源装置的脉冲触发信号同时对信号处理电路进行数据采集并将采集到的数据发送至控制器；可调谐光光源装置，根据控制器的控制调整激光光源波长并将激光光源发送至耦合器；在波长切换时输出脉冲触发信号至采集装置；耦合器，接收可调谐光光源装置的信号并为与所述耦合器串接的光纤光栅传感器提供光信号；光电转换器，接收所述光纤光栅传感器通过所述耦合器反射的光信号并转换为电信号；信号处理电路，接收光电转换模块发送的电信号并进行处理且将处理数据发送至所述采集装置。2.如权利要求1所述的一种光纤光栅解调系统，其特征在于：所述可调谐光光源装置设有同步触发输出端口，并通过该同步触发输出端口向所述采集装置发送所述脉冲触发信号。3.如权利要求2所述的一种光纤光栅解调系统，其特征在于：所述采集装置设有与所述的同步触发输出端口相匹配的同步触发输入端口；并通过该同步触发输入端口接收所述脉冲触发信号。4.如权利要求3所述的一种光纤光栅解调系统，其特征在于：所述采集装置每接收一个所述脉冲触发信号就进行一次数据采集。5.如权利要求1所述的一种光纤光栅解调系统，其特征在于：所述耦合器为3dB耦合器，并设有两个分光端口和合路端口；所述合路端口串接若干光纤
\t光栅传感器。6.如权利要求5所述的一种光纤光栅解调系统，其特征在于：所述激光光束通过其中一个所述分光端口进入，并通过所述合路端口传送至所述光纤光栅传感器；所述光纤光栅传感器的反射光通过另一个所述分光端口输出至所述光电转换器。7.如权利要求1、5或6所述的一种光纤光栅解调系统，其特征在于：所述光纤光栅传感器为光纤布拉格光栅传感器；每个所述光纤光栅传感器的中心波长的偏移范围均不...

【专利技术属性】
技术研发人员：张睿汭，仝杰，汪洋，丁慧霞，雷煜卿，郑敏，侯丹，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：北京;11