一种多通道光纤光栅解调仪制造技术

本发明专利技术公开了一种多通道光纤光栅解调仪，该解调仪采用扫描式光纤激光器作为光源，所述扫描式激光器基于带温控的微机械结构滤波器，属于精确校准的窄线宽、高相干光源。校准通过带波长标记的热稳定ＦＰ标准具实现。增益匹配光纤放大器对激光器输出进行功率放大，并实现扫描激光谱的功率平坦度。光纤光栅反射信号通过光电探测器和ＡＤ转换器处理模块后进入数据采集与处理系统。所述数据采集与处理及峰值检测系统采用基于ＦＰＧＡ的全数字式方案实现，同时利用数字频率直接合成模块的同步信号得到微机械结构滤波器的控制电压。所述扫描式光纤激光器，标准具和ＦＰＧＡ通过其他设备相结合实现多通道、高精度、稳定性高、重复性好、串并结构的光栅传感网络信号的检测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种多通道光纤光栅解调仪，特别涉及了一种利用扫描光纤激光器技术实现光纤光栅传感网络检测的多通道解调仪。
技术介绍
基于光纤光栅的准分布式光纤应力和温度传感系统具有非常重要的应用价值，在 电力能源、石油化工、工民建筑以及其它需要进行实时温度和应力监测的领域都有非常广 泛的应用。采用该技术可以实现远距离的测量与监控，具有测量范围宽、高精度和高分辨率 的特点，在强电磁干扰或者易燃易爆的严酷环境下更具优势。 我国目前在光纤传感器的产业化和大规模推广应用方面远远不能满足国民经济 发展的需求，相关技术的研究和产业化已成为一个经济增长热点。传统上，光纤光栅的解调 采用光谱仪，单色仪以及波长计，但这些解调系统存在造价高，体积大等缺点，为此，人们相 继提出了许多结构简单，更为实用的解调方法。主要有干涉解调技术、线性边缘滤波技术， 匹配滤波解调技术，可调谐滤波解调技术等。其中干涉解调技术测量精度很高，但测量范围 受限于干涉仪的自由光谱范围。线性边缘滤波技术测试范围与分辨率成反比，匹配滤波技 术方法简单实用但调谐范围较小。基于可调谐FP滤波器的解调方法具有高灵敏度、光能利 用率高、操作简单、调谐范围宽和系统稳定性好等优点。适合于工程应用的波长位移检测技 术。故目前市场出售的光纤光栅解调仪主要基于可调谐FP技术。 基于可调谐的FP解调方法主要基于大功率宽谱光源和窄带滤波技术实现光栅反 射谱的峰值检测，其原理图如图3所示大功率宽带ASE光源(32)发出的宽谱光通过耦合 器(33)，其中一部分作用于光纤光栅阵列(34)，光纤光栅阵列的反射谱通过耦合器(35)耦 合进入FP滤波器(36);另一部分作用于标准光纤光栅(37)，同样，标准光纤光栅反射谱通 过耦合器进入FP滤波器中并通过光电探测器(38)，由模拟信号处理电路(39)进行数据处 理，随后输出温度或应变信息。 但此光纤光栅解调技术仍存在以下两个问题 (1)信号衰减大由于宽谱光源的出纤功率一般比较小。如果每一次通过F-P滤 波器的光谱宽度很小，则每次通过滤波器的光强会很弱，即信号衰减较大。这样在光电探测 器中所得到的光强也会很弱，不利于光电检测，增加了解调的难度。(2)信道受限由于光源的输出功率较小，且信号的衰减较大，若增加信道的数量，分光后更不利于光电检测，因此可测量的光纤光栅阵列路数受到限制。 基于上述原因，需要研发光源功率高、信号损耗率低、信道多的新型传感解调系统
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于窄线宽扫描激光器技术的多通道光纤光栅解调设 备，克服以上现有技术的不足。该光纤光栅解调系统基于窄线宽扫描激光器技术，通过全数 字方案实现串并结构的光纤光栅传感网络的实时解调。由于采用光源扫描技术，可保证信4号具有较高的信噪比，而且一次扫描能实现多通道的解调，可大大减小光开关等器件的使 用，进而明显提高传感系统的可靠性，大大改善信道受限的问题。 本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案是扫描激光器输出的光经过增益匹 配光纤放大器，既可以实现信号的放大，又保证峰值的平坦度。增益匹配放大器输出光经过 第一光纤耦合器分成两份，其中一份用于校准，根据实际应用中的需要，另一份经PLC分束器分成多份作用于光纤光栅传感网络实现波长的解调。在校准通道，采用的一种带波长标 记的FP标准具可实现扫描激光器波长的实时校准，以保证波长重复精度。激光器波长的扫 描通过在滤波器上施加周期性高压锯齿波实现，其原理是由FPGA(26)产生与数字相位同 步信号存在确定关系的原始锯齿，经过D/A转换器(27)和滤波器驱动模块(28)放大成高 压锯齿信号，从而驱动滤波器透射波长的改变。在每一个光纤光栅解调通道，用一只光纤耦 合器可将探测光耦合到传感光栅，同时将反射光耦合到光电探测器(PD)(22)。各探测器输 出的信号由数据采集与处理模块来处理，具体过程是多路光信号通过并行的多路AD转换 器模块(23)同时量化，把得到的数字量输入FPGA进行处理及峰值检测，处理得到的数据通 过PCI接口传输到嵌入式计算机，进行进一步的解算、存储和显示，测量结果可以通过多种 接口 (串口、USB和以太网口 )输出。 本专利技术一种多通道光纤光栅解调仪的优点是 (1)采用窄线宽光纤激光器扫描技术，可保证信号具有较高的信噪比，而且一次扫 描能实现多通道的解调，可大大减小光开关等器件的使用，进而明显提高传感系统的可靠 性； (2)采用微机械结构滤波器和全数字式解调方案，能实现较高的数据响应和处理 速度，从而实现传感系统的实时传感； (3)本系统采用动态的波长实时校准技术，可实现可调谐微机械滤波器透射波长 和光纤光栅传感网络波长信息的精确读取； (4)本系统使用了增益匹配放大器及采用对数放大的AD转换器处理模块，保证了 光源峰值的平坦度，避免了由于阈值设置不当，导致检测不到某些光纤光栅反射峰的问题。附图说明 图1是本专利技术所采用窄线宽扫描式光纤激光器装置的原理结构框图； 图2是本专利技术所采用的增益匹配光纤放大器装置的原理结构框图； 图3是本专利技术所采用的基于扫描式激光器的光纤光栅解调装置结构框图； 图4是现有的基于FP窄带滤波器的光纤光栅解调设备原理结构框图 图中1、第一泵浦源2、第一波分复用器3、第一掺铒光纤 4、第一光隔离器 5、光纤环行器6、第二掺铒光纤7、可调谐微机械结构滤波器8、光纤反射器 9、第二 光隔离器10、第一光纤耦合器11、第二泵浦源12第三隔离器 13第二波分复用器 14第三掺铒光纤15第四光纤隔离器16增益匹配滤波器17、扫描式光纤激光器18、 增益匹配光纤放大器19、第二光纤耦合器20、PLC分束器21、光纤耦合器阵列22、光 纤光栅阵列23、标准具24、光电探测器阵列25、A/D转换器模块26、 FPGA 27、D/A转 换器 28、 FP滤波器电压驱动电路 29、PCI接口 30、嵌入式计算机 31、显示与输出接 口 32、宽谱ASE光源 33、光纤耦合器34、光纤光栅阵列 35、标准参考光纤光栅36、FP滤波器37、光电探测器38、模拟信号处理电路。具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本专利技术作进一步详细说明。 本专利技术是一种基于扫描激光器的光纤光栅解调装置，由第一泵浦源、第一波分复用器、第一掺铒光纤、第一光隔离器、第一光纤环形器、第二掺铒光纤、可调谐FP滤波器、第二光纤环形器、第二光纤隔离器、第一光纤耦合器、第二泵浦源，第三光纤隔离器、第二波分复用器、第三掺铒光纤、第四光纤隔离器、增益匹配滤波器、第二光纤耦合器、PLC分束器、光纤耦合器阵列、标准具、光电探测器，A/D转换器、FPGA、D/A转换器、微机械结构滤波器电压驱动、PCI接口、嵌入式计算机、输出接口组成。在本专利技术中，根据信号不同，整个解调仪可以分为光路部分和电路部分，光路部分通过光纤熔接，而电路部分通过电信号联接。 参见图l，在本专利技术所述扫描式光纤激光器中，第一泵浦源1与第一波分复用器2的980nm输入端通过光纤相熔接，第一波分复用器2的980nm输出端与第一掺铒光纤3 —端通过光纤熔接，第一掺铒光纤3另一端与第一光隔离器4输入端通过光纤熔接，第一光隔离器4输出端与光纤环行器5输入端口 A通本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多通道光纤光栅解调仪，其特征在于包括：由可调谐、带温控的微机械结构滤波器构成的扫描式光纤激光器（１７），可为所述多通道光纤光栅解调仪提供一个高功率、窄线宽、波长可调谐的光源；由增益平坦滤波器构成的增益匹配光纤放大器（１８），实现扫描式光纤激光器（１７）功率的放大，并保证多通道光纤光栅解调仪光源波长峰值的平坦度；第二光纤耦合器（１９）将增益匹配光纤放大器（１８）输出光分为两份，一份通过ＦＰ标准具（２３），实现扫描式光纤激光器的实时校准；ＰＬＣ分束器（２０）、光纤耦合器阵列（２１）将光源输出扫描激光耦合进串并结构分布的光纤光栅传感器阵列（２２），并将光纤光栅传感器阵列的波长信息反馈给所述多通道光纤光栅解调仪；基于ＦＰＧＡ的数据采集与控制模块，主要由ＡＤ转化器处理模块（２５），ＦＰＧＡ（２６），ＤＡ转化器（２７），ＰＣＩ接口（２９）构成，实现多路信号的高速采集与处理及峰值检测，同时提供对可调谐微机械结构滤波器驱动电压的控制；嵌入式计算机（３０），对基于ＦＰＧＡ的数据采集与控制模块处理得到的数据进行进一步解算、存储和显示。

【技术特征摘要】
一种多通道光纤光栅解调仪，其特征在于包括由可调谐、带温控的微机械结构滤波器构成的扫描式光纤激光器(17)，可为所述多通道光纤光栅解调仪提供一个高功率、窄线宽、波长可调谐的光源；由增益平坦滤波器构成的增益匹配光纤放大器(18)，实现扫描式光纤激光器(17)功率的放大，并保证多通道光纤光栅解调仪光源波长峰值的平坦度；第二光纤耦合器(19)将增益匹配光纤放大器(18)输出光分为两份，一份通过FP标准具(23)，实现扫描式光纤激光器的实时校准；PLC分束器(20)、光纤耦合器阵列(21)将光源输出扫描激光耦合进串并结构分布的光纤光栅传感器阵列(22)，并将光纤光栅传感器阵列的波长信息反馈给所述多通道光纤光栅解调仪；基于FPGA的数据采集与控制模块，主要由AD转化器处理模块(25)，FPGA(26)，DA转化器(27)，PCI接口(29)构成，实现多路信号的高速采集与处理及峰值检测，同时提供对可调谐微机械结构滤波器驱动电压的控制；嵌入式计算机(30)，对基于FPGA的数据采集与控制模块处理得到的数据进行进一步解算、存储和显示。2. 根据权利要求1所述的多通道光纤光栅解调仪，其特征在于所述扫描式光纤激光 器包括第一泵浦源(1)、第一波分复用器(2)、第一掺铒光纤(3)、第一隔离器(4)、光纤环行 器(5)、第二掺铒光纤(6)、微机械结构滤波器(7)、光纤反射器(8)、第二隔离器(9)、第一光 纤耦合器(10);第一光纤环形器(5)、第二掺铒光纤(6)、微机械结构滤波器(7)、光纤反射 器(8)构成了一个利用饱和吸收效应压窄线宽，利用滤波原理选择频率，并且利用锯齿波 电压驱动滤波器实现波长可调的装置，具有线宽窄、调谐精度高等特点；所述微机械结构滤 波器(7)带有温控，可对谐振腔中的透射波长进行选择，并且保证扫描激光器输出波长的 重复性。3. 根据权利要求1所述的多通道光纤光栅解调仪，其特征在于所述增益匹配光纤放 大器包括第二泵浦源(11)、第三隔离器(12)、第二波分复用器(13)、第三掺铒光纤(14)、第 四隔离器(15)、增益匹配滤波器(16);通过选择相互匹配的第三掺铒光纤(14)和增益匹配 滤波器(16)实现扫描激光器输出波长平坦度的控制。4. 根据权利要求1所述的多通道光纤光栅解调仪，其特征在于所述基于FPGA的数 据采集与控制模块，由AD转化器处理模块...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨远洪，张萍萍，杨明伟，马游春，陈淑英，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]