基于自相关原理的光纤光栅数字解调系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种基于自相关原理的光纤光栅数字解调系统。它解决了目前光纤光栅传感系统解调技术测量精度低、实时性差、复用能力不足、价格高昂、无法满足工程实际需要等问题，具有测量精度高，扫描速度快、实时性好，复用能力强、性价比高，通用性强等优点。其系统构成为：它包括光源以及至少一个光纤光栅传感器，所述光源经耦合装置与依次串联的光纤光栅传感器连接，同时该耦合装置还与可调谐滤波器连接，可调谐滤波器则与光电探测器连接，光电探测器依次与前置放大器、数模转换器连接，数模转换器与数字控制器输入端连接；数字控制器的输出端则依次经机电控制器、机电调制系统与可调谐滤波器的控制输入端连接。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种基于自相关原理的光纤光栅数字解调系统。
技术介绍
光纤光栅传感器是一种波长调制型器件，结构紧凑，抗干扰能力强，便于利用复用(波 分、时分、空分)技术形成光纤传感网络进行大面积多点测量，在通信、建筑、机械、医疗、 航天、航海、矿业等许多领域都有着广阔的应用前景，在近年得到很大的发展。目前，关于光纤光栅传感的理论研究已取得很大的成就，成熟的光纤光栅制造工艺也已 使光纤光栅传感器具有小批量生产能力，而如何降低成本，完善解调和复用技术，满足工程 上高精度应用的要求已成为急需解决的问题。由于光纤光栅解调技术是一种光纤光栅波长漂移高分辨探测技术，主要目的是对传感光 栅反射谱进行实时监测，分析出编码波长的变化并将其转化为电信号输出，其实质是对一束 光中不同编码光的分辨与测量的问题。理想的探测方法应满足下面要求(1) 测量范围大，分辨率高。实际应用中，常常要求波长漂移量的探测范围达到纳米级， 测量分辨率为亚皮米到几个皮米，即动态测量范围为1000: 1~100000: 1。(2) 复用性好。光纤光栅传感系统主要由光源、光纤光栅传感器和解调系统三部分构成。 通过共享光源和解调系统，光纤光栅传感系统的成本将随复用传感器数目的增加而大幅减少， 从而降低整个系统的成本。(3) 实时性好。为满足工程中对信号实时监测的要求，需要解调系统具有较高的解调速 率，以便及时跟踪被测信号的变化。(4) 通用性强。为适应不同规模光纤光栅传感系统的需要，要求解调系统能够适应不同 波长、不同数量光纤光栅传感器构成的测量系统，即具有不依赖某一特定光纤光栅传感器的通用性o目前，国内外对此技术已展开广泛而深入的研究，并且从不同方面提出了许多解调方案， 但常用的主要是滤波法、干涉法和可调谐光源扫描法，如附表1所示。比较说来，国外在这 方面的研究较为成熟，有先进的技术和产品；而国内仍处于研发阶段，相应的产品主要依赖 进口，所以迫切需要先进的具有自主产权的技术和产品。表格1.主要解调技术性能对比从附表l中可以看出，现有的解调方法，要么技术复杂，性价比低，普通领域难以接受； 要么实时性差，分辨率低，难以适应工程测量的需要，因此都不能完全满足实际应用的要求。 具体说来，现有技术的缺陷主要表现在以下几个方面<table> complex table see original document page 3 </column></row><table>(1)强噪声背景下高分辨检测问题难以解决。在光纤光栅传感系统中，传感光栅的谱宽 仅为0.07~0.6nm，反射信号光能量只是系统光源中非常微小的一部分，因此要求解调装置有 较高的信噪比以保证系统所需要的分辨率。而现有解调技术大多采用光强探测方法，难以解 决强噪声背景下高分辨探测的问题。(2) 复用传感器数量有限，传感网络规模难以适应实际需求。通过共享光源和解调系统， 光纤光栅传感系统的成本将随复用传感器数目的增加而大幅减少，进而形成相对于传统机电 传感系统的优势。但现有解调技术仅支持20 40的复用传感器数目，光纤光栅传感网络的复 用能力十分有限，无法满足大型和复杂监控目标的规模要求。(3) 实时检测问题难以解决。实时检测要求解调系统具有较快的信号解调速率，同时还 能够对静态信号和动态信号都能很好地测量，而现有技术无法同时满足这两方面的要求。这 也是制约光纤光栅传感系统进入工程应用的瓶颈所在。
技术实现思路
本技术的目的就是为了解决目前光纤光栅传感系统解调技术测量精度低、实时性差、 复用能力不足、价格高昂、无法满足工程实际需要等问题，提供一种具有测量精度高，扫描 速度快、实时性好，复用能力强、性价比高，通用性强等优点的基于自相关原理的光纤光栅 数字解调系统。为实现上述目的，本技术采用如下技术方案-一种基于自相关原理的光纤光栅数字解调系统，它包括光源以及至少一个光纤光栅传感 器，所述光源经耦合装置与依次串联的光纤光栅传感器连接，同时该耦合装置还与可调谐滤 波器连接，可调谐滤波器则与光电探测器连接，光电探测器依次与前置放大器、数模转换器 连接，数模转换器与数字控制器输入端连接；数字控制器的输出端则依次经机电控制器、机 电调制系统与可调谐滤波器的控制输入端连接。所述系统基于测量信号的自相关分析，通过数字处理方法得到需要的解调结果；所述耦 合装置为2X2耦合器，所述光源为宽带光源；所述可调谐滤波器为任意的中心波长可以调节 的器件，如布拉格光栅、长周期光栅、F-P腔等；所述光纤光栅传感器为任意波长调制型光 栅传感器，如布拉格光栅传感器、长周期光栅传感器等，且不同测点的光栅传感器谱线形状 可以相同或不同，其量程可以重合，也可以不重合；所述数字控制器为以DSP或FPGA或ARM 芯片为核心构成的控制器。本技术的解调方法的有益效果是光纤光栅自相关数字解调方法是一种通用的基于 时间序列分析的新型数字解调方法，它借助现代数字处理系统强大的信号处理能力，可以实 现动态和静态参量的高分辨率、多点快速解调，而且成本低、通用性强。具体来说，主要有 下面几点(1) 测量分辨率高，能在强噪声背景下实现高精度测量。与现有技术不同，本技术 所述解调技术基于信号的自相关运算，测量精度完全取决于信号处理器的运算能力，因此可 以在低信噪比情况下获得测量精度远高于现有解调技术的结果。(2) 复用性好。与现有技术不同，本技术所述解调技术是通过比较相邻周期内调制 信号波形的变化来获得复用传感器波长漂移的，因此在复用时，允许不同测点复用传感器的 谱线具有相同的形状(如允许不同测点传感器具有相同的中心波长)，也允许不同测点复用传 感器具有相同的波长变化范围(如均为1550nm-1555nm)，从而大幅度提升了系统的复用能 力。从理论上说，本技术所述解调技术复用传感器的数目可以是无限的，实际应用时则 受光网络构建方式和数字信号处理器运算能力的限制。(3) 实时性好。与现有技术仅能跟踪几赫兹 几十赫兹的信号不同，本技术所述解调技术采用软测量方法，具有很快的解调速度，能够跟踪千赫兹量级的信号，完全可以满足 实时监须ij的需要。(4) 性价比高。现有技术对特定光学器件有很强的依赖性，而这种器件主要依靠进口， 因此成本很高。本技术所述解调技术采用数字方法，从一定程度上降低了对光学器件的 依赖性，因此可以有效地降低系统成本，提高系统的性价比。(5) 通用性强。与现有技术不同，本技术所述解调技术在使用时只要求反射信号能 被光电探测器接受，而不需要系统本身提供测量基准，因此对诸如光栅传感器中心波长、相 邻传感器波长间隔等参数无特殊要求，具有较强的通用性，易于工程应用。附图说明图1为本技术解调系统的光纤光栅传感器透射解调示意图2为本技术解调系统的光纤光栅传感器反射解调示意图3为光电探测器接受的第K个扫描周期内的信号波形图4为光电探测器接受的第K+l个扫描周期内的信号波形图5为光电探测器接受的第K个信号波形图6为光电探测器接受的第K+l个信号波形图。其中，1.光源，2.光纤光栅传感器，3. 2X2耦合器，4.可调谐滤波器，5.光电探测 器，6.前置放大器，7.数模转本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于自相关原理的光纤光栅数字解调系统，它包括光源（１）以及至少一个光纤光栅传感器（２），其特征是：所述光源（１）经耦合装置与依次串联的光纤光栅传感器（２）连接，同时该耦合装置还与可调谐滤波器（４）连接，可调谐滤波器（４）则与光电探测器（５）连接，光电探测器（５）依次与前置放大器（６）、数模转换器（７）连接，数模转换器（７）与数字控制器（８）输入端连接；数字控制器（８）的输出端则依次经机电控制器（９）、机电调制系统（１０）与可调谐滤波器（４）的控制输入端连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李东升，
申请(专利权)人：李东升，
类型：实用新型
国别省市：88[中国|济南]