一种光纤光栅振动信号的解调系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种光纤光栅振动信号的解调系统及方法，包括：前端解调光路、信号处理模块和上位机；前端解调光路将采集到的四路光信号送入信号处理模块，所述信号处理模块对信号进行进行初步处理后传送至上位机；上位机获取四路光通道的实际光功率，将实际光功率按照边沿线性滤波解调原理进行处理，获得待测外界振动信号解调光波长数据的时频分布结果。本发明专利技术有益效果：解调光路采用边沿线性滤波解调法，具有稳定性高、解调速度快、结构简单、成本低的特点，适合于动态物理量测量，解调系统无需采用机械部分调谐，对传感光栅的高灵敏度不造成损耗。

A Demodulation System and Method of Fiber Bragg Grating Vibration Signal

【技术实现步骤摘要】
一种光纤光栅振动信号的解调系统及方法
本专利技术涉及光纤光栅振动信号检测
，尤其涉及一种光纤光栅振动信号的解调系统及方法。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。振动是工业领域十分普遍的物理现象，仪器设备的运行情况和建筑工程的稳定性质都可以通过振动来表征。当这些仪器设备、建筑工程自身结构出现不平衡现象或受到外界不良因素的干扰时，其振动参量会产生相应的变化，对振动对象造成损伤，当损伤积累到一定程度时，便会引发安全事故的发生。为了减少振动带来的损伤，振动测试技术成为一门应用广泛而不断发展的技术。利用振动测试技术可以设计研发振动检测系统，实现振动参量的测量，及时、准确的掌握工程结构的运行状况，对运行不正常的工程结构采取相应的补救措施，防患于未然，保证工程结构和仪器设备健康运行，避免灾难事故的发生。光纤光栅传感检测技术是振动检测方法的重要组成部分。光纤光栅具有优质的电绝缘性，抗电磁干扰能力强等优点，并且作为一种能量转换型传感器，不需要外电源作用即可实现传感。因此，光纤光栅传感器为各种复杂环境、极端条件下的传感检测提供了可能性，被广泛用于损伤检测、土木工程、航天航空、电力电子、隧道交通、石油化工、生物医学工程等多个领域。对光纤布拉格光栅光学传感信息获取的技术称为光栅解调技术，对光纤光栅波长的解调是实现光纤光栅传感系统的关键技术。光信号传输的速率非常高，时隙间隔为纳秒级别，这对信号的解调速率提出了很高的要求。一直以来，高速光栅传感信号解调技术的不成熟是光纤光栅振动检测应用的主要障碍，很多技术仅限于实验室研究阶段。传统的光纤光栅传感器解调设备，存在结构复杂、价格昂贵、使用条件受限制等不足，并且波长解调频率低，多用于对静态物理量或低频物理变化的传感检测，未能充分发挥光纤光栅传感器的优点，无法满足在工业控制领域对于高速、高定制性、结构精简的光纤光栅解调产品日益增长的需求。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提出一种光纤光栅振动信号的解调系统及方法，能够实现低成本、性能稳定的光纤光栅振动传感解调。在一些实施方式中，采用如下技术方案：一种光纤光栅振动信号的解调系统，包括：前端解调光路、信号处理模块和上位机；所述前端解调光路包括：ASE光源发出的光依次经过隔离器、分路器后分成等功率两路输出，所述两路输出分别经过环形器单向射入光纤光栅振动传感器；在外界振动信号作用下，光纤光栅振动传感器后向反射布拉格波长发生漂移，每一路光纤光栅振动传感器的后向反射布拉格波长经过环形器单向射入耦合器，所述耦合器的两路输出光具有不同的耦合比，其中一路进入线性滤波器后被光电探测器采集，另一路作为参考光直接被光电探测器采集；所述光电探测器将采集到的四路光信号经过信号处理模块传送至上位机，所述上位机通过计算光电探测器采集的滤波光和参考光的光功率的比值，得到对应振动情况下光纤光栅振动传感器对应的波长变化，进而实现对振动信号的检测。在另一些实施方式中，采用如下技术方案：一种光纤光栅振动信号的解调方法，包括：ASE光源发出的光通过隔离器、分路器后分成两路，两路信号分别经过环形器进入光纤光栅振动传感器；在外界振动作用下，每一路光栅后向反射光透过环形器进入耦合器，耦合器输出两路光信号，其中一路经过线性滤波后作为滤波光被光电探测器采集，另一路作为参考光直接被光电探测器采集；通过计算光电探测器采集的滤波光和参考光的光功率的比值，得到对应振动情况下光纤光栅振动传感器对应的波长变化，进而实现对振动信号的检测。在另一些实施方式中，采用如下技术方案：一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的解调方法。在另一些实施方式中，采用如下技术方案：一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行执行上述的解调方法。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：实现了高效、稳定和低成本的光纤光栅振动信号解调、处理和传输。解调光路采用边沿线性滤波解调法，具有稳定性高、解调速度快、结构简单、成本低的特点，适合于动态物理量测量，解调系统无需采用机械部分调谐，对传感光栅的高灵敏度不造成损耗。解调信号处理模块采用FPGA作为核心控制器，采用并行结构，信号处理速度快，成本低，开发周期短，设计体积小，系统可靠性高。采用硬件协议栈以太网模块进行数据通讯，传输速度快，稳定性高。整体系统性能稳定可靠，充分满足了工业控制领域对于高速、高定制性、结构精简的光纤光栅解调方法的需求。附图说明图1为实施例一中光纤光栅振动信号的解调系统结构示意图；图2为实施例一中解调光路使用的边沿线性滤波法的原理示意图；图3为实施例一中基于FPGA的解调信号处理模块结构示意图；图4为实施例一中信号调理电路原理图；图5为实施例一中整体软件架构示意图；图6为实施例一中振动频率100Hz下上位机处理得到的波长变化时域曲线；图7为实施例一中振动频率100Hz下上位机处理得到的波长变化频域曲线；其中，1.ASE宽带光源，2.光隔离器，3.分路器，4.环形器，5.光纤光栅振动传感器，6.耦合器，7.线性滤波器，8.光电探测器，9.解调信号处理模块，10.上位机。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本专利技术使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。实施例一在一个或多个实施方式中，公开了一种光纤光栅振动信号的解调系统，如图1所示，包括：前端解调光路、信号处理模块和上位机10；其中，前端解调光路基于边沿线性滤波法，前端解调光路包括：ASE宽带光源1、光隔离器2、分路器3、环形器4、光纤光栅振动传感器5、耦合器6、线性滤波器7和光电探测器8。ASE宽带光源1发出的光通过隔离器后，经1×2分路器3等功率两路输出，经环形器4单向入射进入光纤光栅振动传感器5。在外界物理扰动的作用下，光栅后向反射布拉格波长发生漂移，该波长的变化透过环形器4单向入射进入1×2耦合器6，耦合器6两路输出光具有不同耦合比，具有较高强度的一路光进入线性滤波器7后被光电探测器8采集，另一路作为参考光直接被光电探测器8采集。至此，两测点光纤光栅振动传感器5形成四路光通道，四路光电探测器8将采集的光信号转换为电信号送入后端解调信号处理模块9。本实施例包含了四路光通道，可以同时测两个点的振动，每个测点有一路滤波光，一路参考光。本实施例中，ASE宽带光源1为C+L波段的ASE光源，工作波长范围为1525nm～1605nm，输出功率范围为0～20dbm。环形器4为三端口环形器，宽带光源发出的光只能从其红色端射入后，由蓝色端射出；传感光栅反射光只能从蓝色端口射入后，由白色端口射出，以上传输结构之外方向上的损耗很大，视为隔离状态。耦合器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光纤光栅振动信号的解调系统，其特征在于，包括：前端解调光路、信号处理模块和上位机；所述前端解调光路包括：ASE光源发出的光依次经过隔离器、分路器后分成等功率两路输出，所述两路输出分别经过环形器单向射入光纤光栅振动传感器；在外界振动信号作用下，光纤光栅振动传感器后向反射布拉格波长发生漂移，每一路光纤光栅振动传感器的后向反射布拉格波长经过环形器单向射入耦合器，所述耦合器的两路输出光具有不同的耦合比，其中一路进入线性滤波器后被光电探测器采集，另一路作为参考光直接被光电探测器采集；所述光电探测器将采集到的四路光信号经过信号处理模块传送至上位机，所述上位机通过计算光电探测器采集的滤波光和参考光的光功率的比值，得到对应振动情况下光纤光栅振动传感器对应的波长变化，进而实现对振动信号的检测。

【技术特征摘要】
1.一种光纤光栅振动信号的解调系统，其特征在于，包括：前端解调光路、信号处理模块和上位机；所述前端解调光路包括：ASE光源发出的光依次经过隔离器、分路器后分成等功率两路输出，所述两路输出分别经过环形器单向射入光纤光栅振动传感器；在外界振动信号作用下，光纤光栅振动传感器后向反射布拉格波长发生漂移，每一路光纤光栅振动传感器的后向反射布拉格波长经过环形器单向射入耦合器，所述耦合器的两路输出光具有不同的耦合比，其中一路进入线性滤波器后被光电探测器采集，另一路作为参考光直接被光电探测器采集；所述光电探测器将采集到的四路光信号经过信号处理模块传送至上位机，所述上位机通过计算光电探测器采集的滤波光和参考光的光功率的比值，得到对应振动情况下光纤光栅振动传感器对应的波长变化，进而实现对振动信号的检测。2.如权利要求1所述的一种光纤光栅振动信号的解调系统，其特征在于，所述信号处理模块包括：依次连接的光电转换电路、信号调理电路、信号采集电路和FPGA控制器，所述FPGA控制器与以太网通讯模块连接；所述FPGA控制器内部创建双口RAM模块，实现采集数据与以太网通讯模块的对接。3.如权利要求2所述的一种光纤光栅振动信号的解调系统，其特征在于，所述信号调理电路包括依次连接的前置放大电路、低通滤波电路和电压偏置电路；所述前置放大电路包括：光电二极管D1经光照射后产生电压，所述电压经过反相放大器U1进行放大后输出；输出信号经过低通滤波后进入电压偏置电路，所述电压偏置电路输出正向的模拟电压信号。4.如权利要求1所述的一种光纤光栅振动信号的解调系统，其特征在于，所述上位机包括：数据通讯模块，被配置为侦听下位机连接请求，并在获得连接请求后，实现TCP连接，将下位机打包的四通道光功率采集信号读入上位机；采样数据还原模块，被配置为将TCP传输的网络包数据进行拆分还原，获得四路采样通道的AD转换值，根据AD转换精度计算获得四路采样通道的模拟电压值，进而根据光电转换响应度获取四路光通道的实际光功率；数据处理模块，被配置为通过计算四路光通道中滤波光...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜明顺，孔祥龙，张法业，张雷，隋青美，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37