基于自相关原理的光纤光栅数字解调方法及其系统技术方案

本发明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方法及其系统。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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于自相关原理的光纤光栅数字解调方法及其系统。技术背景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己取得很大的成就，成熟的光纤光栅制造工艺也己 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己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i^^9 。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<table>table see original document page 5</column></row><table>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-(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
本专利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 字解调方法及其系统。为实现上述目的，本专利技术釆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。一种基于自相关原理的光纤光栅数字解调方法，它的方法为，1) 宽带光源发出的光经过耦合器进入光纤光栅传感阵列，被反射后进入可调谐滤波器；2) 在机电调制系统的作用下，可调谐滤波器将包含测量信息的传感光栅反射光调制成随 时间周期变化的信号，再送入光电探测器进行光电转换，得到周期变化的时间信号序列；3) 该序列信号经前置放大、数模转换后送入数字信号处理器中进行运算，得到需要测量 的光纤光栅波长漂移量，达到解调的目的。所述步骤l)中，光纤光栅传感器与可调谐滤波器的反射谱或透射谱均为高斯分布，即<formula>formula see original document page 6</formula>及式中，^是光纤光栅的中心波长，A是其半高带宽，A是中心波长的反射率，&是可调谐滤波器的中心波长，丑M是其半高带宽，i^是中心波长的反射率。所述步骤2)中，单点解调时，进入光电探测器的周期变化的时间信号序列为<formula>formula see original document page 6</formula>在上式中，,o、及s、 5s、 &5^均为不随时间变化的系统常数，而;^和;^则是随时间变化的函数，其中，A随时间的变化反映被测物理量随时间变化的情况，是需要测量的量，而 ^随时间的变化则是由机电调制系统的变化规律设定的， 一般为线性，即为式中4。为可调谐滤波器初始中心波长，对应着测量的下限；》；为扫描速率；fe， r为 扫描周期。所述步骤3)中，单点解调时，光纤光栅波长漂移量为 根据相邻两个扫描周期内尸的关系式&<formula>formula see original document page 7</formula>有<formula>formula see original document page 7</formula>为系统常数，^(xr)表示第《个扫描周期内测量光栅的中心波长，A^:r+r)则表示第K+i个扫描周期内测量光栅的中心波长，且该测量光栅的中心波长在同 一个扫描周期内不会发生变化。上式说明，光电探测器输出信号的自相关是测量光栅中心波长漂移变化量;1/-;!/+1的函数，根据测量得到的时间序列计算出其自相关函数J-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：发明
国别省市：88[中国|济南]