基于VCSEL波长解调和脉冲光源加热的风速测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于VCSEL波长解调和脉冲光源加热的风速测量系统及方法，包括：产生驱动电流驱动VCSEL激光器发射波长扫描光束；该光束经第一分路器传输至传感光栅和参考光栅，通过对传感光栅和参考光栅的反射光进行波长解调后，得到传感光栅和参考光栅的温度变化；产生脉冲电流以驱动光源发射脉冲光束；在脉冲电流处于高电平时，脉冲光束经第二分路器传输至掺铒光纤，对掺铒光纤加热，使传感光栅升温至预设温度；在脉冲电流处于低电平时，传感光栅的温度由预设温度下降至参考光栅的温度，根据传感光栅温度恢复时间得到风速。利用VCSEL波长解调和脉冲光源加热实现高精度风速测量，利用多路分路器实现多点测量，实现低成本、低功耗、多测量点的风速测量。多测量点的风速测量。多测量点的风速测量。

【技术实现步骤摘要】
基于VCSEL波长解调和脉冲光源加热的风速测量系统及方法


[0001]本专利技术涉及光纤传感
，特别是涉及一种基于VCSEL波长解调和脉冲光源加热的风速测量系统及方法。

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]煤矿井下火灾包括外因火灾和内因火灾，其中以采空区煤自燃灾害为主的内因火灾最为常见，经研究分析，采空区漏风等煤矿井下通风不良与煤自燃灾害的发生有着相辅相成且密不可分的关系。
[0004]随着风速检测技术的不断发展，目前大多矿用风速传感器和便携式测风仪表只能实现巷道大风速的测量，稳定性和适应性远远不能满足煤矿用户在采空区测量漏风微风的实际需求。煤矿用户需要准确测量微小风速的传感器，特别是煤矿井下粉尘、湿度比较大的情况下，还能保持稳定、准确测量风速的传感器；尤其是采空区等电子设备无法进入的场所，迫切需要无源、高灵敏度的风速传感器。
[0005]中国专利CN109342769B提供一种测风标定方法和流速测量方法及装置，该方法利用光纤将加热光源的光能量传递到传感光纤光栅附近并对其加温，当传感光栅的波长随风速变化而变化时，通过测量传感光栅的波长和环境光栅的波长差值，推算出风速大小。
[0006]中国专利CN108387754B提供一种二维风速传感器探头设计，用来解决同时测量二维风速的问题。这些微风设计实现了小于0.3m/s的低速微风测量。
[0007]但是，由于这些测量系统采取CW模式加热传感光栅，使得加热激光器功耗较大；最主要的问题是，由于传感光栅加热和温度测量是在同一个时间段进行，加热中的能量变化将直接影响测量精度；同时，由于传感探头的热平衡温度是由加热光能量和风速变化两个因素影响，使得标定比较困难。

技术实现思路

[0008]为了解决上述问题，本专利技术提出了一种基于VCSEL波长解调和脉冲光源加热的风速测量系统及方法，利用VCSEL波长解调和脉冲光源加热技术实现高精度风速测量，同时利用多路分路器，实现多点的风速测量，解决一般风速测量系统测量精度低、成本高的问题。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0010]第一方面，本专利技术提供一种基于VCSEL波长解调和脉冲光源加热的风速测量系统，包括：光纤风速传感器、光纤光栅解调仪和加热脉冲光源模块；
[0011]所述光纤风速传感器包括参考光栅、传感光栅及设于传感光栅上且用于加热传感光栅的掺铒光纤，传感光栅和掺铒光纤设于风场中；
[0012]所述光纤光栅解调仪包括VCSEL激光器、VCSEL电流驱动模块和第一分路器；VCSEL电流驱动模块产生驱动电流以驱动VCSEL激光器发射出波长被调谐的光束或波长扫描光
束，波长扫描光束经第一分路器传输至传感光栅和参考光栅，以通过对传感光栅和参考光栅的反射光进行波长解调后，得到传感光栅和参考光栅的温度变化；
[0013]所述加热脉冲光源模块包括光源、脉冲电流驱动模块和第二分路器；脉冲电流驱动模块产生脉冲电流以驱动光源发射脉冲光束；在脉冲电流处于高电平时，经第二分路器将脉冲光束传输至掺铒光纤，并对掺铒光纤加热，掺铒光纤对传感光栅加热，使传感光栅升温至预设温度；在脉冲电流处于低电平时，掺铒光纤停止加热，传感光栅的温度在风场影响下，由预设温度下降至参考光栅的温度，即下降至当前环境温度；根据传感光栅温度下降时间或恢复时间得到对应的风速大小。
[0014]作为可选择的实施方式，所述脉冲电流周期性地加热掺铒光纤，再周期性地加热传感光栅，实现在时域上分离传感光栅的加热过程和温度变化测量过程。
[0015]作为可选择的实施方式，在脉冲电流处于低电平时，根据对传感光栅的波长解调，得到传感光栅随时间的温度变化量，当传感光栅的温度由预设温度下降至参考光栅的温度时，根据传感光栅温度恢复时间得到风速。
[0016]作为可选择的实施方式，通过预先标定传感光栅温度恢复时间和风速的关系曲线，构建传感光栅温度恢复时间和风速的定标模型；根据定标模型和传感光栅的温度恢复时间得到被测风场的风速。
[0017]作为可选择的实施方式，所述VCSEL电流驱动模块产生预设扫描幅值的驱动电流，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波长扫描光束。
[0018]作为可选择的实施方式，所述驱动电流大于VCSEL激光器的阈值电流。
[0019]作为可选择的实施方式，通过标定VCSEL的激光波长，得到传感光栅和参考光栅的反射光的波长在波长调制范围内的变化，以实现对传感光栅和参考光栅波长变化的解调。
[0020]作为可选择的实施方式，所述传感光栅、参考光栅和掺铒光纤均设于金属套管中，且将参考光栅采用隔热材料与金属套管隔离，使参考光栅的温度只随环境温度变化而变化，并且不受风场影响。
[0021]作为可选择的实施方式，所述第一分路器采用1x8分路器；所述第二分路器采用1x4分路器。
[0022]第二方面，本专利技术提供一种基于VCSEL波长解调和脉冲光源加热的风速测量方法，包括：
[0023]在利用VCSEL波长解调时，通过产生驱动电流以驱动VCSEL激光器发射波长扫描光束；
[0024]波长扫描光束经第一分路器传输至传感光栅和参考光栅，以通过对传感光栅和参考光栅的反射光进行波长解调后，得到传感光栅和参考光栅的温度变化；
[0025]在对传感光栅周期性加热时，通过产生脉冲电流以驱动光源发射加热脉冲光束；
[0026]在脉冲电流处于高电平时，脉冲光束经第二分路器传输至掺铒光纤，对掺铒光纤的加热，再由掺铒光纤对传感光栅加热，使传感光栅升温至预设温度；
[0027]在脉冲电流处于低电平时，掺铒光纤停止加热，传感光栅的温度受风场影响，由预设温度下降至参考光栅的温度，根据传感光栅温度恢复时间得到风速。
[0028]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0029]本专利技术提出一种基于VCSEL波长解调和脉冲光源加热的风速测量系统及方法，利用VCSEL的波长可调谐特性，采用成本低的VCSEL激光器代替价格较高的扫描激光器，以对单个传感光栅的波长变化进行波长解调，得到传感光栅的温度变化；采用脉冲光源加热技术，对传感光栅施行分时段加热，在时域上分离传感光栅的加热过程和温度变化测量过程，不但减少加热功耗，且传感光栅的温度变化只由风速大小来决定，使得测量系统更加稳定，重复性变好，测量精度提高；最后结合1X8分路器，实现支持多点的风速测量。本专利技术利用VCSEL解调技术和脉冲光源技术相结合，实现对多点的光纤风速传感器的解调，解决一般风速测量系统成本高昂的问题。
[0030]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
[0031]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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于VCSEL波长解调和脉冲光源加热的风速测量系统，其特征在于，包括：光纤风速传感器、光纤光栅解调仪和加热脉冲光源模块；所述光纤风速传感器包括参考光栅、传感光栅及设于传感光栅上且用于加热传感光栅的掺铒光纤，传感光栅和掺铒光纤设于风场中；所述光纤光栅解调仪包括VCSEL激光器、VCSEL电流驱动模块和第一分路器；VCSEL电流驱动模块产生驱动电流以驱动VCSEL激光器发射波长扫描光束，波长扫描光束经第一分路器传输至传感光栅和参考光栅，以通过对传感光栅和参考光栅的反射光进行波长解调后，得到传感光栅和参考光栅的温度变化；所述加热脉冲光源模块包括光源、脉冲电流驱动模块和第二分路器；脉冲电流驱动模块产生脉冲电流以驱动光源发射脉冲光束；在脉冲电流处于高电平时，经第二分路器将脉冲光束传输至掺铒光纤，以对掺铒光纤加热后，使传感光栅升温至预设温度；在脉冲电流处于低电平时，传感光栅的温度受风场影响，由预设温度下降至参考光栅的温度，根据传感光栅温度恢复时间得到风速。2.如权利要求1所述的基于VCSEL波长解调和脉冲光源加热的风速测量系统，其特征在于，所述脉冲电流周期性加热掺铒光纤，以周期性加热传感光栅，实现在时域上分离传感光栅的加热过程和温度变化测量过程。3.如权利要求1所述的基于VCSEL波长解调和脉冲光源加热的风速测量系统，其特征在于，在脉冲电流处于低电平时，根据对传感光栅的波长解调，得到传感光栅的温度变化，当传感光栅的温度由预设温度下降至参考光栅的温度时，根据传感光栅温度恢复时间得到风速。4.如权利要求1所述的基于VCSEL波长解调和脉冲光源加热的风速测量系统，其特征在于，通过预先标定传感光栅温度恢复时间和风速的关系曲线，构建传感光栅温度恢复时间和风速的定标模型；根据定标模型和传感光栅的温度恢复时间得到被测风场的风速。...

【专利技术属性】
技术研发人员：金光贤，刘统玉，宁雅农，孟辉，杨青山，易巧凤，张红民，
申请(专利权)人：广东感芯激光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：