分布式光纤光栅的传感谱形解调系统及方法技术方案

分布式光纤光栅的传感谱形解调系统及方法，宽带光源提供大于任意级联长周期光纤光栅损耗峰带宽的光信号，工控机将光开关切换的指令发送至单片机，单片机接收到指令后控制引脚电平完成光开关进行光路的切换，光信号沿着光路经LPGP和耦合器后传输至光谱仪，工控机再发送对光谱仪的控制指令，光谱仪接收指令完成光信号的解调，解调后数据返回至所述的工控机进行数据处理，最后将LPGP的光谱、谐振波长和周围温度进行还原。本发明专利技术可以完成光开关光路的切换、光谱仪对分布式LPGP波长和透射率的采集、数据的处理、数据的显示和存储等功能；完成历史数据的查询、并对历史数据进行回放功能；实现分布式LPGP复用解调系统的用户登录、功能模块切换功能。

【技术实现步骤摘要】
分布式光纤光栅的传感谱形解调系统及方法
本专利技术属于光纤光栅检测领域，涉及分布式光纤光栅的传感谱形解调系统及方法。
技术介绍
光纤光栅是近期发展非常迅速的光纤无源器件。光纤光栅的带宽范围大且波长选择性好，具有非传导性、高灵敏度、高分辨率、抗腐蚀、抗电磁干扰、极化不敏感等特点。由于光纤光栅与光纤之间天然的兼容性，光纤光栅易于与光纤连接且损耗低、光谱特性好、可靠性高。这些优点使光纤光栅以及基于光纤光栅的器件成为全光网中理想的关键器件。长周期光纤光栅（LPFG,longperiodgrating）是一种能够实现某些特定波长的前向传输的导模与包层模之间耦合的新型光纤器件，级联长周期光纤光栅（LPGP，longperiodgratingpair）是由2个参数完全相同的LPG刻写在同一根光纤上构成，LPGP作为LPG的一个特殊结构，本质上还是LPG，LPG的制作技术、理论研究、应用同样适用于LPGP，具备LPG的所有优点，由于它的结构不同，还具备一些其他特质。目前，分布式测量是传感器应用的发展趋势之一。许多工程诸如油田、工厂中的管道和锅炉、桥梁大坝等安全监测系统都对分布式测量提出了极高的要求。在分布式光纤传感系统中，光纤传感器体积小，多个传感器可以共用一套光源、解调系统和数据处理设备，解决了光纤传感器成本较高的问题，同时还能保留光纤传感器精度高，串扰小的优点。传感性能优异的LPGP因其特殊的工作模式，传感应用仍然主要局限于分立的光纤传感器件或单点光纤传感系统，目前国内外鲜有分布式LPGP的复用解调系统提出，严重制约了其在光纤传感领域的进一步应用。因此，提出一种适合LPGP的复用解调系统可以大大加快它们走向实用化的进程。解调是从调制的信号中恢复携带信息的过程，其实质是对携带信息的检测。光纤光栅传感器是对光源发出的光信号进行调制，其传感的原理为：当外界的物理参量发生变化时，经过光纤光栅传感器的光信号的特征波长发生变化，通过检测特征波长的变化量来反推出外界的物理参量的变化情况。因此，对光纤光栅传感器进行解调就是对光信号的特征波长进行检测。复用技术是实现分布式传感的关键技术，复用是指一种在传输路径上综合多路信道，然后恢复原机制或解除终端各信道复用技术的过程。在光纤传感领域，根据传感器的特性不同，需合理选择复用方案实现传感器的分布式传感。目前，常用的光纤光栅传感器复用方案有时分复用、波分复用和空分复用三种。与传感器研究的各种解调方式相比，对LPGP复用解调系统研究则相对较少，这是由于LPGP的损耗峰带宽大，在不同波长位置皆有信号存在，若采用波分复用的工作模式，势必造成其复用效率过低，同时透射式的工作模式使其难以采用已有的时分复用系统。这些问题都对LPGP的传感信号复用及解调造成了困难。尽管LPGP的传感信号实现复用与解调困难重重，但人们经过长期的研究，还是提出了一些思路与方案来初步解决这个问题。一些研究者提出利用特殊的光学器件来实现LPFG的复用，LinHS等人采用了光时分复用方法，通过环形器将多个LPFG连接，构成星形的网络，实现分布式的传感检测。WojtekJ.Bock等人则将两个LPFG镀上不同厚度的类金钢石碳膜，并连接一个衍射光栅来构成一个简单的准分布式LPFG系统。对LPFG进行特殊设计也是目前提出的解决方案之一，JiriHromadka等人在一个单模光纤上同时刻三个LPFG，通过在波长区域复用来检测多参数。陈海云等人通过设计不同传感单元LPFG的光栅周期，并进一步通过包层腐蚀或镀膜调整各LPFG损耗峰位置，使各LPFG的损耗峰在观察波长范围内相互错位，实现分布式测量。由于LPGP具备Mach-Zehnder干涉仪的性质，管祖光等人基于光学低相干干涉原理设计了LPGP的复用解调系统，通过迈克尔逊干涉仪来补偿LPGP引入的光程差，对采集干涉信号进行傅里叶变换进行LPFG光谱的还原，初步实现对两个LPGP的复用和解调。SatoshiTanaka设计了四个LPGP的复用解调系统，并对施加在LPGP上的应力进行测量，将四个LPGP串联在一个光路上，四个LPGP间隔光纤长度不同引入了不同的相位，对光谱仪采集的串联LPGP的叠加光谱进行傅里叶变换，分解出各LPGP的相位，并在应力传感实验得出了各LPGP的相位与施加的应力之间的关系。综合来看，虽然国内外对级联长周期光纤光栅进行了一些初步的研究，复用的级联长周期光纤光栅最多是四个，而且解调复杂，实现有一定的难度，研究解调容量大，容易实现的级联长周期光纤光栅非常有必要。在众多的解调方法中，最常用的是使用光谱仪进行波长解调，针对光谱仪解调过程是直接对光栅的反射或透射光进行光谱分析，没有转换为电信号并进行数字处理的过程，不便与其他系统的集成这一缺点，可以将计算机技术与光谱仪解调相结合的方法来实现传感谱形的解调，提高系统的集成化和解调的效率。
技术实现思路
针对级联长周期光纤光栅的解调复用手段复杂、解调的级联长周期光纤光栅的数目不足，本专利技术提供分布式光纤光栅的传感谱形解调系统及方法，它对系统各模块进行编程设计，实现了各个级联长周期光纤光栅的光谱还原、谐振波长和温度解调，设计的系统具有精度高、兼容性强、操作界面友好等优点；宽带光源发出大于任意LPGP损耗峰带宽的光信号，光信号传输至光开关处，计算机将光开关切换的指令发送至单片机，单片机接收到指令后控制引脚电平完成光路的切换，光信号沿着光路经LPGP和耦合器后传输至光谱仪，此时计算机再发送对光谱仪的控制指令，光谱仪接收指令完成光信号的解调，解调后数据返回至计算机中进行数据处理，最后将LPGP的光谱、谐振波长和周围温度进行还原。为达此目的，本专利技术提供分布式光纤光栅的传感谱形解调系统，包括依次连接的宽带光源、光切换及复用模块、单片机、光谱仪和工控机，所述的光切换及复用模块模块包括光开关、分布式LPGP和耦合器，所述的光开关和单片机连接，所述的耦合器和光谱仪连接；所述的宽带光源提供大于任意LPGP损耗峰带宽的光信号，所述的工控机将光开关切换的指令发送至单片机，所述的单片机接收到指令后控制引脚电平完成所述的光开关进行光路的切换，光信号沿着光路经LPGP和所述的耦合器后传输至光谱仪，所述的工控机再发送对所述的光谱仪的控制指令，光谱仪接收指令完成光信号的解调，解调后数据返回至所述的工控机进行数据处理，最后将LPGP的光谱、谐振波长和周围温度进行还原；所述的工控机由四个模块组成：登录模块、功能分配模块、解调模块和数据回放模块，所述解调模块由光路切换子模块、数据通讯与处理子模块、温度解调子模块和数据显示子模块组成，所述的工控机的各模块均是用Labview软件自行开发。作为本专利技术解调系统进一步改进，所述的光开关为1×6机械式可控光开关，所述的耦合器为6×1光纤耦合器，实现6个光路的6合1。作为本专利技术解调系统进一步改进，在所述的工控机（4）中，登录模块是分布式LPGP复用解调系统的入口和保证，只有输入的用户名和密码正确，才能登录系统，进入功能分配界面，所述的登录模块实现的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.分布式光纤光栅的传感谱形解调系统，包括依次连接的宽带光源（1）、光切换及复用模块（2）、单片机（3）、光谱仪（4）和工控机（5），其特征在于，所述的光切换及复用模块模块（2）包括光开关、分布式LPGP和耦合器，所述的光开关和单片机（3）连接，所述的耦合器和光谱仪（4）连接；/n所述的宽带光源（1）提供大于任意LPGP损耗峰带宽的光信号，所述的工控机（5）将光开关切换的指令发送至单片机（3），所述的单片机（3）接收到指令后控制引脚电平完成所述的光开关进行光路的切换，光信号沿着光路经LPGP和所述的耦合器后传输至光谱仪（4），所述的工控机（5）再发送对所述的光谱仪（4）的控制指令，光谱仪（4）接收指令完成光信号的解调，解调后数据返回至所述的工控机（5）进行数据处理，最后将LPGP的光谱、谐振波长和周围温度进行还原；/n所述的工控机（4）由四个模块组成：登录模块、功能分配模块、解调模块和数据回放模块，所述解调模块由光路切换子模块、数据通讯与处理子模块、温度解调子模块和数据显示子模块组成，所述的工控机（5）的各模块均是用Labview软件自行开发。/n

【技术特征摘要】
1.分布式光纤光栅的传感谱形解调系统，包括依次连接的宽带光源（1）、光切换及复用模块（2）、单片机（3）、光谱仪（4）和工控机（5），其特征在于，所述的光切换及复用模块模块（2）包括光开关、分布式LPGP和耦合器，所述的光开关和单片机（3）连接，所述的耦合器和光谱仪（4）连接；
所述的宽带光源（1）提供大于任意LPGP损耗峰带宽的光信号，所述的工控机（5）将光开关切换的指令发送至单片机（3），所述的单片机（3）接收到指令后控制引脚电平完成所述的光开关进行光路的切换，光信号沿着光路经LPGP和所述的耦合器后传输至光谱仪（4），所述的工控机（5）再发送对所述的光谱仪（4）的控制指令，光谱仪（4）接收指令完成光信号的解调，解调后数据返回至所述的工控机（5）进行数据处理，最后将LPGP的光谱、谐振波长和周围温度进行还原；
所述的工控机（4）由四个模块组成：登录模块、功能分配模块、解调模块和数据回放模块，所述解调模块由光路切换子模块、数据通讯与处理子模块、温度解调子模块和数据显示子模块组成，所述的工控机（5）的各模块均是用Labview软件自行开发。


2.根据权利要求1所述的分布式光纤光栅的传感谱形解调系统，其特征在于，所述的光开关为1×6机械式可控光开关，所述的耦合器为6×1光纤耦合器，实现6个光路的6合1。


3.根据权利要求1所述的分布式光纤光栅的传感谱形解调系统，其特征在于，在所述的工控机（4）中，登录模块是分布式LPGP复用解调系统的入口和保证，只有输入的用户名和密码正确，才能登录系统，进入功能分配界面，所述的登录模块实现的具体流程是：
登录模块的设计原理是响应主界面上的鼠标在按键上按下的事件，来实现程序窗口之间的切换，因此采用事件结构，设计了“确定”和“取消”两个按键事件，操作人员输入用户名和密码，并按下“确定”按键，若输入的信息与预先设定的信息相符，则运行相符判断为真中的程序，在延时1500ms后，开始运行若输入的信息与预先设定的信息不相符，则运行不相符判断为真中的程序，弹出提示输入有误的对话框，点击对话框的“确定”按键时，对话框会消失，若按下登录模块的“取消”按键，则直接退出程登录模块序。


4.根据权利要求1所述的分布式光纤光栅的传感谱形解调系统，其特征在于，在所述的工控机（4）中，所述功能分配模块用于功能分配模块有利于操作人员在多个程序功能之间进行切换，在分布式LPGP复用解调系统中，操作人员往往需要在选择一个功能进行运行，所述的功能分配模块实现的具体流程是：
功能分配模块程序的设计原理与登录模块类似，同样采用事件结构，与当用户鼠标按下“解调模块界面”按键之后，程序将打开解调模块的界面窗口，并将功能分配模块界面窗口关闭；当用户鼠标按下“数据回放模块界面”之后，程序将打开数据回放模块界面窗口，同时将功能分配模块界面窗口关闭；当用户点击“退出系统”按键之后，程序会关闭系统主界面。


5.根据权利要求1所述的分布式光纤光栅的传感谱形解调系统，其特征在于，在所述的工控机（4）中，所述解调模块中的光路切换子模块由计算机、单片机和可控光开关配合完成，实现对LPGP光路的循环切换，配置串口函数对串口的地址、波特率等进行配置，通过条件结构、While循环和移位寄存等向单片机循环发送字符串1、2…6，分别代表着切换到LPGP-1、LPGP-2…LPGP-6，的光路；
单片机上写入的是引脚电平控制程序，当单片机从计算机接收到字符串1时，引脚0置高电平，引脚6置低电平，光路切换为LPGP-1光路；当单片机从计算机接收到字符串2时，引脚1置高电平，引脚5置低电平，此时光路切换为LPGP-2，依此类推。


6.根据权利要求1所述的分布式光纤光栅的传感谱形解调系统，其特征在于，在所述的工控机（4）中，所述解调模块中的数据通讯与处理子模块由计算机和光谱仪配合完成，计算机发送控制命令至光谱仪，光谱仪对分布式LPGP波长、透射率的采集并传输回计算机进行数据处理，所述的数据通讯与处理子模块实现的具体流程是：
首先执行的是将配置的中心波长和波长跨度通过连接字符串函数转换为光谱仪可以识别的控制命令，在实际的程序控制时，应考虑光谱仪的扫描范围，超出光谱仪扫描范围的控制命令不会被光谱仪识别，因此基于光谱仪的扫描开始波长和结束波长设置了阈值，扫描波长的下限为600nm，上限为1700nm；
接着设置扫描模式、扫描的点数和执行扫描的控制命令传输至光谱仪中，光谱仪会在识别这三个命令后开始进行扫描，扫描结束后将波长轴的数据和透射率轴的数据分别通过读取函数传输到计算机上，由于光谱仪扫描需要一定的时间，因此需要加入一个延时；
最后对读出的数据进行处理，从光谱仪读出的信息格式为，以波长轴为例：+1.55000000E-006，+1.55001000E-006，+1.55002000E-006，……，是字符串，是不可以直接进行数据分析的，因此需要对其中的波长和透射率数据进行提取才能进行数据处理，程序的主体是匹配模式函数和扫描字符串函数，匹配模式函数起到一个“定位”的功能，在从偏移量起始的字符串中搜索正则表达式，得到一...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡兴柳，方挺，王彦，沈浩，司海飞，
申请(专利权)人：金陵科技学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32