基于非相干频域反射的布拉格光纤光栅阵列解调装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于非相干频域反射的布拉格光纤光栅阵列解调装置，包括DFB频率调制驱动器、温度控制器、DFB激光器、第一光分路器、光环形器、布拉格光纤光栅阵列、第一光电探测器、乘法器、低通滤波器、第一路数据采集卡、第二个光分路器、第二个光电探测器、第二路数据采集卡、光谱仪和信号处理模块；本发明专利技术通过乘法器进行频谱搬移，降低信号频率，降低了系统的采样率和数据处理的复杂程度。另外，本发明专利技术通过DFB激光器驱动实现对输出光直接进行调制，通过控制DFB激光器的温度实现波长扫描。显著降低了系统的复杂程度和成本。

Prague fiber grating array demodulation device and method based on incoherent frequency domain reflection

The invention discloses a fiber Prague grating array demodulation device based on noncoherent frequency domain reflectometry, including DFB frequency modulation driver, temperature controller, DFB laser, the first optical splitter, optical circulator, optical fiber Prague grating array, the first photoelectric detector, multiplier and low-pass filter, data acquisition card, the first road second optical splitter, second photoelectric detectors, second channel data acquisition card, spectrometer and signal processing module; the invention of frequency shifting by multiplier, reduce the signal frequency, reduce the sampling rate of the system and the complexity of data processing. In addition, the invention realizes the direct modulation of the output light through the drive of the DFB laser, and realizes the wavelength scanning by controlling the temperature of the DFB laser. Significantly reduce the complexity and cost of the system.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光纤传感解调
，具体地指一种基于非相干频域反射的布拉格光纤光栅阵列解调装置与方法。
技术介绍
光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、动态测量范围宽、体积小、易于复用等优点，因此得到了广泛的研究。利用它的稳定性和易构成传感网络，可应用于大型民用工程建筑、航空航天、医学、易燃易爆的石油化工业以及高压高辐射的电力工业、核工业中。在许多复杂的应用场合，经常需要进行多点分布式的测量。以前的测量技术中，通常采用波分复用技术，在一根光纤上面串联多个中心波长具有一定间隔的强反射光栅。由于强反射光栅具有制作成本高，而且受到光源带宽的限制，可复用的容量也有限，在具体工程应用中具有一定的局限性。随着光纤光栅制作技术的不断提高，全同弱反射率光栅的出现解决了此问题。因为具有较低的反射率，全同弱反射光栅每个都可以反射相同波长的光，提高了光栅容量，同样也大大降低了对光源带宽的要求。而且全同弱反射光栅具有可在线刻写，制作方便、成本低等优点，在工程应用方面要优于强反射光栅。目前对弱反射光栅传感网络的解调主要采用光时域反射技术(OTDR)和光频域反射技术(OFDR)。光时域反射一般采用宽带光源作为光源，经过滤波器滤波后输出一个窄带光，通过高速脉冲驱动控制SOA开关产生高速脉冲光，根据光栅反射回来的时间实现传感器的定位，调节滤波器的中心波长，检测不同中心波长下各个传感器的反射光强得到FBG的光谱，采用高斯拟合得到FBG的中心波长。基于OTDR的解调技术能够实现大容量布拉格光纤光栅复用，但是为减小系统的空间分辨率，需要减小脉冲宽度，对解调系统电路的带宽、采样率和数据传输、算法提出了很高的要求。光频率反射一般采用窄线宽线性扫描光源进行波长扫描，各个时延不同的光栅反射光与光源输出光产生拍频，由于光栅位置不同，拍频得到的信号频率不同，通过傅里叶变化得到反映光栅距离信息的频谱，使用数字带通滤波器分离各个光栅拍频信号的时域信号，最后利用反傅里叶变换(IFFT)结合希尔伯特变化还原光栅的反射光谱信息。OFDR方案可实现大容量弱反射光栅复用，具有空间分辨率高等优点，但是对光源线宽要求高，波长解调过程复杂、不适用与长距离光纤光栅解调。
技术实现思路
本专利技术的目的就是要提供一种基于非相干频域反射的布拉格光纤光栅阵列解调装置与方法，该装置和方法相比于基于光时域反射的光纤光栅解调技术，明显降低了解调系统的采样率、数据处理、光路和电路的复杂程度。为实现此目的，本专利技术所设计的基于非相干频域反射的布拉格光纤光栅阵列解调装置，其特征在于：它包括DFB频率调制驱动器、温度控制器、DFB(DistributedFeedbackLaser，分布式反馈激光器)激光器、第一光分路器、光环形器、布拉格光纤光栅阵列、第一光电探测器、乘法器、低通滤波器、第一路数据采集卡、第二个光分路器、第二个光电探测器、第二路数据采集卡、光谱仪和信号处理模块；其中，DFB激光器的频率调制驱动信号输入端连接DFB频率调制驱动器的DFB频率调制驱动信号输出端，DFB激光器的工作温度控制信号输入端连接温度控制器的信号输出端，DFB激光器的输出端连接第一光分路器的光输入端，第一光分路器的第一路光输出端连接光环形器的第一接口，光环形器的第二接口连接布拉格光纤光栅阵列的光通信接口；光环形器的第三接口连接第一光电探测器的光信号输入端，第一光电探测器的电信号输出端连接乘法器的一个输入端，乘法器的第二个输入端连接DFB频率调制驱动的DFB频率调制驱动信号输出端，乘法器的信号输出端连接低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端连接第一路数据采集卡的输入端，第一路信号采集卡的输出端连接信号处理模块的第一路信号输入端；第一光分路器的第二路光输出端连接第二光分路器的光输入端，第二光分路器的第一路光输出端连接第二光电探测器的光信号输入端，第二光电探测器的电信号输出端连接第二数据采集卡的采集信号输入端，第二数据采集卡的信号输出端连接信号处理模块的第二个输入端，第二光分路器的第二路光输出端连接光谱仪的光输入端，光谱仪用于对DFB激光器输出光波长进行校准。一种利用上述装置进行布拉格光纤光栅阵列解调的方法，其特征在于，它包括如下步骤：步骤1：DFB频率调制驱动器和温度控制器对DFB激光器进行频率调制和温度控制，使DFB激光器输出用于对布拉格光纤光栅中心波长进行扫描的频率调制光；步骤2：DFB激光器输出的频率调制光通过第一光分路器分成两路；步骤3：第一光分路器输出的一路窄带输出光通过光环形器进入作为传感载体的布拉格光纤光栅阵列中；布拉格光纤光栅阵列反射的窄带光信号经过光环形器后输入第一光电探测器，第一光电探测器将反射的窄带光信号转换为对应的电信号(光栅波长探测电信号，即光栅的反射光强信号)输入到乘法器的第一个输入端与DFB频率调制驱动输出的DFB频率调制驱动信号进行混频，乘法器的输出的混频信号进入低通滤波器，低通滤波器滤除所述混频信号中的高频信号得到反映布拉格光纤光栅阵列中各个光栅位置信息的低频信号；第一路数据采集卡采集到反映布拉格光纤光栅阵列中各个光栅位置信息的低频信号，并将反映布拉格光纤光栅阵列中各个光栅位置信息的低频信号输出到信号处理模块，从而获取布拉格光纤光栅阵列中各个光栅的位置信息；第一光分路器输出的另一路窄带输出光作为参考光信号，输送给第二光分路器，第二光分路器将参考光信号分为两路，一路参考光信号输入第二光电探测器，第二光电探测器将参考光信号转换为对应的参考光的电信号(光强信息)传输给第二数据采集卡；另一路参考光信号输入光谱仪，光谱仪对DFB激光器输出光波长进行校准，第二数据采集卡将参考光的电信号输送给解调系统；步骤4：通过温度控制器调节DFB激光器的工作温度，从而改变DFB激光器输出光的中心波长，实现波长扫描，通过解调系统中信号处理模块的现有解调算法，利用反映布拉格光纤光栅阵列中各个光栅位置信息的低频信号计算出DFB激光器输出的各个波长下布拉格光纤光栅阵列中每个光纤光栅的光强，信号处理模块利用各个波长下布拉格光纤光栅阵列中每个光栅的光强拟合出布拉格光纤光栅阵列各个光纤光栅的光谱信息。本专利技术的有益效果：1、本专利技术通过乘法器进行频谱搬移，降低信号频率，大大降低了系统的采样率和数据处理的复杂程度。2、本专利技术通过DFB激光器驱动实现对输出光直接进行调制，通过控制DFB激光器的温度实现波长扫描，显著降低了系统的复杂程度和成本。3、本专利技术中光栅的距离和位置信息均在频域内完成(系统数据处理采用快速傅里叶变换)，提高了整个系统的信噪比。本专利技术能够实现长距离、分布式、大容量全同布拉格光纤光栅传感网络的波长解调。附图说明图1为本专利技术装置的结构示意图；图2为本专利技术中信号频率变化图；其中，a为发射信号与回波信号频率图，b为差频信号频率变化图；图3为不同温度下系统解调的光纤光栅的光谱图；其中，1—DFB频率调制驱动器、2—温度控制器、3—DFB激光器、4—第一光分路器、5—光环形器、6—布拉格光纤光栅阵列、7—第一光电探测器、8—乘法器、9—低通滤波器、10—第一路数据采集卡、11—第二个光分路器、12—第二个光电探测器、13—第二路数据采集卡、14—光谱仪、15—信号处理模块。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于非相干频域反射的布拉格光纤光栅阵列解调装置，其特征在于：它包括DFB频率调制驱动器(1)、温度控制器(2)、DFB激光器(3)、第一光分路器(4)、光环形器(5)、布拉格光纤光栅阵列(6)、第一光电探测器(7)、乘法器(8)、低通滤波器(9)、第一路数据采集卡(10)、第二个光分路器(11)、第二个光电探测器(12)、第二路数据采集卡(13)、光谱仪(14)和信号处理模块(15)；其中，DFB激光器(3)的频率调制驱动信号输入端连接DFB频率调制驱动器(1)的DFB频率调制驱动信号输出端，DFB激光器(3)的工作温度控制信号输入端连接温度控制器(2)的信号输出端，DFB激光器(3)的输出端连接第一光分路器(4)的光输入端，第一光分路器(4)的第一路光输出端连接光环形器(5)的第一接口，光环形器(5)的第二接口连接布拉格光纤光栅阵列(6)的光通信接口；光环形器(5)的第三接口连接第一光电探测器(7)的光信号输入端，第一光电探测器(7)的电信号输出端连接乘法器(8)的一个输入端，乘法器(8)的第二个输入端连接DFB频率调制驱动(1)的DFB频率调制驱动信号输出端，乘法器(8)的信号输出端连接低通滤波器(9)的输入端，低通滤波器(9)的输出端连接第一路数据采集卡(10)的输入端，第一路信号采集卡(10)的输出端连接信号处理模块(15)的第一路信号输入端；第一光分路器(4)的第二路光输出端连接第二光分路器(11)的光输入端，第二光分路器(11)的第一路光输出端连接第二光电探测器(12)的光信号输入端，第二光电探测器(12)的电信号输出端连接第二数据采集卡(13)的采集信号输入端，第二数据采集卡(13)的信号输出端连接信号处理模块(15)的第二个输入端，第二光分路器(11)的第二路光输出端连接光谱仪(14)的光输入端，光谱仪(14)用于对DFB激光器(3)输出光波长进行校准。...

【技术特征摘要】
1.一种基于非相干频域反射的布拉格光纤光栅阵列解调装置，其特征在于：它包括DFB频率调制驱动器(1)、温度控制器(2)、DFB激光器(3)、第一光分路器(4)、光环形器(5)、布拉格光纤光栅阵列(6)、第一光电探测器(7)、乘法器(8)、低通滤波器(9)、第一路数据采集卡(10)、第二个光分路器(11)、第二个光电探测器(12)、第二路数据采集卡(13)、光谱仪(14)和信号处理模块(15)；其中，DFB激光器(3)的频率调制驱动信号输入端连接DFB频率调制驱动器(1)的DFB频率调制驱动信号输出端，DFB激光器(3)的工作温度控制信号输入端连接温度控制器(2)的信号输出端，DFB激光器(3)的输出端连接第一光分路器(4)的光输入端，第一光分路器(4)的第一路光输出端连接光环形器(5)的第一接口，光环形器(5)的第二接口连接布拉格光纤光栅阵列(6)的光通信接口；光环形器(5)的第三接口连接第一光电探测器(7)的光信号输入端，第一光电探测器(7)的电信号输出端连接乘法器(8)的一个输入端，乘法器(8)的第二个输入端连接DFB频率调制驱动(1)的DFB频率调制驱动信号输出端，乘法器(8)的信号输出端连接低通滤波器(9)的输入端，低通滤波器(9)的输出端连接第一路数据采集卡(10)的输入端，第一路信号采集卡(10)的输出端连接信号处理模块(15)的第一路信号输入端；第一光分路器(4)的第二路光输出端连接第二光分路器(11)的光输入端，第二光分路器(11)的第一路光输出端连接第二光电探测器(12)的光信号输入端，第二光电探测器(12)的电信号输出端连接第二数据采集卡(13)的采集信号输入端，第二数据采集卡(13)的信号输出端连接信号处理模块(15)的第二个输入端，第二光分路器(11)的第二路光输出端连接光谱仪(14)的光输入端，光谱仪(14)用于对DFB激光器(3)输出光波长进行校准。2.根据权利要求1所述的基于非相干频域反射的布拉格光纤光栅阵列解调装置，其特征在于：所述乘法器(8)、低通滤波器(9)和信号处理模块(15)组成解调系统，所述乘法器(8)的两个输入端输入的信号为DFB频率调制驱动信号和第一个光电转换器(7)转换得到的光栅波长探测电信号，乘法器(8)输出端连接低通滤波器(9)的输入端，低通滤波器(9)的输出端连接第一路数据采集卡(10)的输入端；所述乘法器(8)用于将光栅波长探测电信号和DFB频率调制驱动信号相乘得到混频信号；低通滤波器(9)用于滤除所述混频信号中的高频信号得到反映布拉格光纤光栅阵列(6)中各个光栅位置信息的低频信号；信号处理模块(15)用于计算出DFB激光器(3)输出的各个波长下布拉格光纤光栅阵列(6)中每个光纤光栅的光强，并利用各个波长下布拉格光纤光栅阵列(6)中每个光栅的光强拟合出布拉格光纤光栅阵列(6)各个光纤光栅的光谱信息。3.根据权利要求1所述的基于非相干频域反射的布拉格光纤光栅阵列解调装置，其特征在于：所述布拉格光纤光栅阵列(6)的光反射率范围为0.1～1％。4.根据权利要求1所述的基于非相干频域反射的布拉格光纤光栅阵列...

【专利技术属性】
技术研发人员：李政颖，张纯，王洪海，桂鑫，王一鸣，鞠亮，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42