基于VCSEL波长解调和TDM加WDM多点弱光纤光栅温度监测系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于VCSEL波长解调和TDM加WDM多点弱光纤光栅温度监测系统。该系统利用VCSEL解调技术和TDM加WDM结合，加上与VCSEL扫描波长范围相匹配的光纤光栅温度传感器阵列，构成低成本、低功耗、新型的、多点光纤光栅温度解调系统。本发明专利技术目的在于利用VCSEL解调技术和TDM加WDM技术的组合，利用一个解调仪可以同时对大数量、多个点的弱光纤光栅温度解调，达到低成本、低功耗、大数量的FBG光纤光栅监测的目的，解决一般光纤光栅温度监测系统中解调仪成本高昂的问题。由于该系统的解调频率可以达到上千赫兹，因此，该系统也可以用来作为多点光纤光栅机械振动传感器解调仪，可以极大地提高光纤光栅测振的响应速度和应用范围。大地提高光纤光栅测振的响应速度和应用范围。大地提高光纤光栅测振的响应速度和应用范围。

【技术实现步骤摘要】
基于VCSEL波长解调和TDM加WDM多点弱光纤光栅温度监测系统


[0001]本专利技术涉及光纤传感器
，特别是涉及一种基于VCSEL波长解调和TDM加WDM多点弱光纤光栅温度监测系统。

技术介绍

[0002]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。
[0003]光纤传感器与其它类型传感器相比，体积小，非常容易与传感结构和材料融合构成各种物理量传感器件。对光纤光栅传感信号的解调就是依据对光纤光栅不同的反射波长进行检测、变换，进而得到外界信息的变化量，如，采用光纤光栅传感器进行温度检测时，根据对光纤光栅反射波长的解调得到被测点的温度值。
[0004]在对光纤光栅传感器进行数据采集和分析的过程中，光纤光栅解调仪是传感器系统的核心部件，一般的光纤光栅传感信号的解调方法有多种，包括功率化解调(如采用大功率ASE宽谱光源)、波长解调(采用扫描激光器系统)和干涉解调等方法。随着FBG传感系统的广泛应用，如何研发出一种能够实现同步测量、精度高、成本低并能够满足复杂工程环境下应用的FBG传感解调系统将成为工程应用的新的需求。

技术实现思路

[0005]为了解决上述问题，本专利技术提出了一种基于VCSEL波长解调和TDM加WDM多点弱光纤光栅温度监测系统，采用VCSEL的波长解调技术，采用TDM和WDM技术将一条光纤分路上的若干个弱光纤光栅分离，同时采用光纤分路器同时支持多个弱光纤光栅的波长解调，通过VCSEL波长解调技术和TDM加WDM技术的结合，实现对大数量、大范围、多点的弱光纤光栅温度解调。同时，由于VCSEL的调谐速度可以达到上千赫兹，因此该系统也可以有效地同时监测多个机械振动信号，极大地提高了光纤光栅测振的响应速度和应用范围。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]第一方面，本专利技术提供一种基于VCSEL波长解调和TDM加WDM多点弱光纤光栅温度监测系统，包括：脉冲电流驱动单元、光纤分路器、VCSEL激光器和多点弱光纤光栅阵列；
[0008]所述脉冲电流驱动单元用于产生脉冲驱动电流以驱动VCSEL激光器在波长扫描范围发射光脉冲信号；
[0009]所述光纤分路器包括若干条光纤分路，在每条光纤分路中包括若干组串联且中心波长相间设定长度的弱光纤光栅组，每组弱光纤光栅组包括串联且中心波长相同的弱光纤光栅，以此构成多点弱光纤光栅阵列；所述多点弱光纤光栅阵列中通过TDM在时域中区分中心波长相同的弱光纤光栅的反射脉冲，且通过WDM解调同条光纤分路中中心波长不同的弱光纤光栅；
[0010]所述VCSEL激光器通过将光脉冲信号传输至多点弱光纤光栅阵列中，以在波长扫
描范围内，根据弱光纤光栅的反射光谱进行波长解调，从而实现被测点的测温。
[0011]作为可选择的实施方式，所述每组弱光纤光栅组中，相邻弱光纤光栅之间连接延迟光纤。
[0012]作为可选择的实施方式，在不同的采样时间点下，弱光纤光栅和延时光纤的反射脉冲间隔采集。
[0013]作为可选择的实施方式，在所述光纤分路中，延迟光纤的长度相等。
[0014]作为可选择的实施方式，在每条光纤分路中连接有多组中心波长相同、且每组的中心波长相间1nm、反射率为5％的弱光纤光栅。
[0015]作为可选择的实施方式，所述温度监测系统还包括处理单元，处理单元根据弱光纤光栅的反射光谱在VCSEL激光器的波长扫描范围内的位置变化及激光波长，对弱光纤光栅进行波长解调得到被测点的温度。
[0016]作为可选择的实施方式，所述温度监测系统还包括处理单元，所述处理单元根据弱光纤光栅的反射脉冲得到对应弱光纤光栅的中心点，以此得到弱光纤光栅在波长扫描范围中的位置变化，同时标定VCSEL激光器在波长扫描范围的激光波长的电流转换系数，得到弱光纤光栅的波长变化值，实现对弱光纤光栅的波长解调。
[0017]作为可选择的实施方式，所述温度监测系统还包括采集单元，用于获取弱光纤光栅的反射脉冲，且根据采集单元的采样频率和采样时间点，得到反射脉冲对应的弱光纤光栅的位置。
[0018]作为可选择的实施方式，所述脉冲电流驱动单元产生预设扫描幅值的脉冲驱动电流，所述脉冲驱动电流大于VCSEL激光器的阈值电流，且根据扫描幅值确定VCSEL激光器的波长扫描范围，以驱动VCSEL激光器在波长扫描范围内发射光脉冲信号。
[0019]第二方面，本专利技术提供一种基于VCSEL波长解调和TDM加WDM多点弱光纤光栅温度监测方法，包括：
[0020]通过产生脉冲驱动电流以驱动VCSEL激光器在波长扫描范围发射光脉冲信号；
[0021]所述VCSEL激光器通过将光脉冲信号传输至光纤分路器的若干条光纤分路中，在每条光纤分路中包括若干组串联且中心波长相间设定长度的弱光纤光栅组，每组弱光纤光栅组包括串联且中心波长相同的弱光纤光栅，以此构成多点弱光纤光栅阵列；
[0022]获取光脉冲信号在多点弱光纤光栅阵列中的反射脉冲，通过TDM在时域中区分中心波长相同的弱光纤光栅的反射脉冲，且通过WDM解调同条光纤分路中的弱光纤光栅。
[0023]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0024]本专利技术提出一种基于VCSEL波长解调和TDM加WDM多点弱光纤光栅温度监测系统及方法，构建TDM加WDM的多点弱光纤光栅阵列，通过光纤分路器，在每个光纤分路上设有若干组串联且中心波长相间1nm的弱光纤光栅组，每组弱光纤光栅组包括串联且中心波长相同的弱光纤光栅，采用VCSEL的波长可调谐特性，通过TDM在时域中区分中心波长相同的弱光纤光栅的反射脉冲，通过WDM解调同条光纤分路中的弱光纤光栅，支持多个弱光纤光栅的波长解调，通过VCSEL波长解调技术和TDM加WDM技术的结合，实现对大数量、大范围、多点的弱光纤光栅的温度解调，实现同步测量、精度高、成本低且能够满足复杂工程环境下应用的温度监测系统。
[0025]本专利技术附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得
明显，或通过本专利技术的实践了解到。
附图说明
[0026]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0027]图1为本专利技术实施例1提供的基于VCSEL波长解调和TDM加WDM多点弱光纤光栅温度监测系统示意图；
[0028]图2(a)为本专利技术实施例1提供的三组中心波长相同且每组中心波长相间1nm的多点弱光纤光栅阵列图；
[0029]图2(b)为本专利技术实施例1提供的一组中心波长相同的多点弱光纤光栅阵列图；
[0030]图3为本专利技术实施例1提供的调制VCSEL激光器脉冲电流形成的锯齿波脉冲驱动电流示意图；
[0031]图4(a)
‑
4(b)为本专利技术实施例1提供的VCSEL激光器脉冲锯齿波电流时域信号和采集单元采集的时域信号；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于VCSEL波长解调和TDM加WDM多点弱光纤光栅温度监测系统，其特征在于，包括：脉冲电流驱动单元、光纤分路器、VCSEL激光器和多点弱光纤光栅阵列；所述脉冲电流驱动单元用于产生脉冲驱动电流以驱动VCSEL激光器在波长扫描范围发射光脉冲信号；所述光纤分路器包括若干条光纤分路，在每条光纤分路中包括若干组串联且中心波长相间设定长度的弱光纤光栅组，每组弱光纤光栅组包括串联且中心波长相同的弱光纤光栅，以此构成多点弱光纤光栅阵列；所述多点弱光纤光栅阵列中通过TDM在时域中区分中心波长相同的弱光纤光栅的反射脉冲，且通过WDM解调同条光纤分路中中心波长不同的弱光纤光栅；所述VCSEL激光器通过将光脉冲信号传输至多点弱光纤光栅阵列中，以在波长扫描范围内，根据弱光纤光栅的反射光谱进行波长解调，从而实现被测点的测温。2.如权利要求1所述的基于VCSEL波长解调和TDM加WDM多点弱光纤光栅温度监测系统，其特征在于，所述每组弱光纤光栅组中，相邻弱光纤光栅之间连接延迟光纤。3.如权利要求2所述的基于VCSEL波长解调和TDM加WDM多点弱光纤光栅温度监测系统，其特征在于，在不同的采样时间点下，弱光纤光栅和延时光纤的反射脉冲间隔采集。4.如权利要求2所述的基于VCSEL波长解调和TDM加WDM多点弱光纤光栅温度监测系统，其特征在于，在所述光纤分路中，延迟光纤的长度相等。5.如权利要求1所述的基于VCSEL波长解调和TDM加WDM多点弱光纤光栅温度监测系统，其特征在于，在每条光纤分路中连接有多组中心波长相同、且每组的中心波长相间1nm、反射率为5％的弱光纤光栅。6.如权利要求1所述的基于VCSEL波长解调和TDM加WDM多点弱光纤光栅温度监测系统，其特征在于，所述温度监测系统还包括处理单元，处理单元根据弱光纤光栅的反射脉冲在VCSEL激光器的...

【专利技术属性】
技术研发人员：金光贤，刘统玉，宁雅农，孟辉，张伟，石智栋，谷朝明，王济海，
申请(专利权)人：广东感芯激光科技有限公司山东省科学院激光研究所，
类型：发明
国别省市：