基于硬件寻峰的高速光纤光栅解调系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于硬件寻峰的高速光纤光栅解调系统，其中，光栅传感器和光电转换模块之间连接高速扫频光输出及光通路模块，光电转换模块连接信号调理模块，信号调理模块连接硬件微分模块，硬件微分模块连接信号采集处理模块，信号采集处理模块的第一控制信号输出端连接信号调理模块，信号采集处理模块的第二控制信号输出端连接光学器件驱动模块，信号采集处理模块的第三控制信号输出端连接硬件微分模块，信号采集处理模块连接上位机，光学器件驱动模块驱动高速扫频光输出及光通路模块输出高速扫频光信号。本发明专利技术实现了脉冲信号峰值的硬件寻峰，从而提高了电路的稳定性，并有效地提高了解调精度，排除了光强变化对波长解调的干扰。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光纤光栅解调
，具体涉及一种基于硬件寻峰的高速光纤光栅解调系统。
技术介绍
随着光纤传感技术的发展，光纤光栅传感器以其抗电磁干扰、耐腐蚀、高绝缘性、便于分布式测量等优点，在土木工程、石油化工、航空航天、医疗、船舶工业等领域取得了广泛应用，成为传感领域内发展较快的技术之一。FBG (Fiber Bragg Grating,光纤布喇格光栅)可以封装成各种传感器，用于温度、应变和压力等物理量的检测。然而随着技术的不断进步，以及安全监测的需要，提出了利用FBG检测振动信息的要求，这就要求光纤光栅解调系统能够高速率、宽范围、高分辨率的测量FBG反射波长的变化量。现有的高速光纤光栅的解调系统如图I所示，包括多路光栅传感器、高速扫频光输出及光通路模块、光电转换模 块、AD采样模块、软件寻峰控制模块、电源模块和上位机。光纤光栅根据传感信号的不同，反射回特定波长的光，经过光电转换部分转换为脉冲信号，脉冲峰值对应反射光波长。而现有的信号解调的方案大都是采用AD采样然后软件寻峰方案。而软件寻峰方法存在许多问题，现在国内AD采样芯片的极限速度在200M左右，由于光栅反射脉冲宽度仅有200pm到300pm，经光电转换后，经DA采样的点数仅为200点左右，而利用200采样点对脉冲峰值进行分析会引入很大误差。DA采样法的另一问题是采样窗口过小，当光强变化较大时，会给峰值采样带来很大的问题，而采用对数电路等方法处理信号又会使脉冲封顶变得不明显。高速光纤光栅传感系统主要应用于旋转设备等高速振动场合传感量的检测，高速光纤光栅解调的难点在于速度快、数据量大、以及时常伴有大范围光强变化。而这些是上述传统解调方案所无法解决的。峰值检测部分是高速光纤光栅光栅解调的关键，在提高检测精度、检测速度的同时，必须降低噪声，排除转换波形不规则及光强变化等带来的干扰。而光纤光栅解调技术为光纤传感推广应用的关键技术。高速光纤光栅传感系统主要应用于旋转设备等高速振动场合传感量的检测，高速光纤光栅解调的难点在于速度快、数据量大、以及时常伴有大范围光强变化。而这些是传统解调方案所无法解决的。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述技术问题，提供一种基于硬件寻峰的高速光纤光栅解调系统，该系统能提闻电路的稳定性，并有效地提闻了解调精度，排除了光强变化对波长解调的干扰。为实现此目的，本专利技术所设计的基于硬件寻峰的高速光纤光栅解调系统，包括光栅传感器、高速扫频光输出及光通路模块、光电转换模块、上位机，其中，光栅传感器通过高速扫频光输出及光通路模块与光电转换模块连接，其特征在于它还包括光学器件驱动模块、信号采集处理模块、硬件微分模块以及信号调理模块，其中，所述光电转换模块的信号输出端通过所述信号调理模块连接所述硬件微分模块的信号输入端，所述硬件微分模块的信号输出端连接所述信号采集处理模块的信号采集端，所述信号采集处理模块的第一控制信号输出端连接所述信号调理模块的调理增益倍数控制端，所述信号采集处理模块的第二控制信号输出端连接所述光学器件驱动模块的扫频光源频率及偏置控制端，所述信号采集处理模块的第三控制信号输出端连接所述硬件微分模块的比较电压控制端，所述信号采集处理模块还通过局域网连接所述上位机，所述光学器件驱动模块驱动高速扫频光输出及光通路模块输出高速扫频光信号。所述光电转换模块包括光信号转电流信号单元和电流信号转电压信号单元，所述信号调理模块包括差动放大器、可编程增益放大器和低通滤波器，所述硬件微分模块包括类微分电路和高速比较器，其中，光信号转电流信号单元、电 流信号转电压信号单元、差动放大器、可编程增益放大器、低通滤波器、类微分电路以及高速比较器依序连接，所述光信号转电流信号单元的信号输入端接收高速扫频光输出及光通路模块中光通路内的光信号，高速比较器输出方波信号给信号采集处理模块，所述高速比较器的比较电压控制端连接信号采集处理模块的第三控制信号输出端，所述可编程增益放大器的调理增益倍数控制端连接信号采集处理模块的第一控制信号输出端。所述类微分电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容Cl以及运算放大器A，所述低通滤波器的信号输出端通过电容Cl连接运算放大器A的同相输入端，运算放大器A的同相输入端还通过电阻Rl接地GND，所述运算放大器A的反相输入端通过电阻R2接地，所述运算放大器A的输出端连接高速比较器的信号输入端，所述运算放大器A反相输入端还通过电阻R3连接运算放大器A的输出端。所述高速扫频光输出及光通路模块包括第一光隔离器、第二光隔离器、连接在第一光隔离器和第二光隔离器之间的光源、与第二光隔离器输出端连接的第一光耦合器、连接在第一光耦合器和第一光隔离器之间的法布里珀罗滤波器，第一光耦合器还连接有第二光耦合器，所述第二光耦合器连接有第三光耦合器，第三光耦合器连接有第四光耦合器和第五光耦合器，第四光耦合器连接光信号转电流信号单元和一个光栅传感器，第五光耦合器连接光信号转电流信号单元和另一个光栅传感器。所述第二光耦合器还连接有第六光耦合器，所述第六光耦合器连接有梳状滤波器和透射光栅，所述梳状滤波器和透射光栅均连接光信号转电流信号单元。所述光学器件驱动模块包括光源驱动及恒温单元和法布里珀罗滤波器驱动模块，其中，所述光源驱动及恒温单元的信号输出端连接光源，法布里珀罗滤波器驱动模块的信号输出端连接法布里珀罗滤波器，所述法布里珀罗滤波器驱动模块的信号输入端连接信号采集处理模块的第二控制信号输出端。所述信号采集处理模块为FPGA(Field — Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)。所述法布里珀罗滤波器驱动模块通过输出三角波驱动法布里珀罗滤波器。本专利技术通过设计信号调理模块、硬件微分模块、信号采集处理模块和光学器件驱动模块，实现了脉冲信号峰值的硬件寻峰，从而提高了电路的稳定性，并有效地提高了解调精度，排除了光强变化对波长解调的干扰。特别是设计的类微分电路，进一步保证了脉冲信号峰值寻峰的准确性。附图说明图I为现有高速光纤光栅的解调系统的结构框图；图2为本专利技术的结构框图；图3为本专利技术中高速扫频光输出及光通路模块的结构框图；图4为本专利技术中光学器件驱动模块的结构框图；图5为本专利技术中光电转换模块、信号调理模块和硬件微分模块的结构框图；图6为本专利技术中类微分电路的电路图； 图7为本专利技术中光信号转换后的脉冲波形图；图8为本专利技术中信号调理后的波形图；图9为本专利技术中类微分电路输出波形图。其中，I一光栅传感器、2—高速扫频光输出及光通路模块、2. I—光源、2. 2—第一光隔离器、2. 3—第二光隔离器、2. 4—第一光耦合器、2. 5—法布里珀罗滤波器、2. 6—第二光率禹合器、2. 7一第三光稱合器、2. 8一第四光稱合器、2. 9一第五光稱合器、2. 10一第六光率禹合器、2. 11一梳状滤波器、2. 12一透射光栅、3—光电转换模块、3. I一光信号转电流信号单兀、3. 2一电流/[目号转电压/[目号单兀、4一上位机、5—/[目号调理模块、5. I一差动放大器、5. 2—可编程增益放大器、5. 3—低通滤波器、6—光学器件驱动模块、6. I—光源驱动及恒温单元、6. 2—法布里珀罗滤波器驱动模块、7—信号采集处理模块、8—硬件微分模块、8. I本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于硬件寻峰的高速光纤光栅解调系统，包括光栅传感器（1）、高速扫频光输出及光通路模块（2）、光电转换模块（3）、上位机（4），其中，光栅传感器（1）通过高速扫频光输出及光通路模块（2）与光电转换模块（3）连接，其特征在于：它还包括光学器件驱动模块（6）、信号采集处理模块（7）、硬件微分模块（8）以及信号调理模块（5），其中，所述光电转换模块（3）的信号输出端通过所述信号调理模块（5）连接所述硬件微分模块（8）的信号输入端，所述硬件微分模块（8）的信号输出端连接所述信号采集处理模块（7）的信号采集端，所述信号采集处理模块（7）的第一控制信号输出端连接所述信号调理模块（5）的调理增益倍数控制端，所述信号采集处理模块（7）的第二控制信号输出端连接所述光学器件驱动模块（6）的扫频光源频率及偏置控制端，所述信号采集处理模块（7）的第三控制信号输出端连接所述硬件微分模块（8）的比较电压控制端，所述信号采集处理模块（7）还通过局域网连接所述上位机(4)，所述光学器件驱动模块（6）驱动高速扫频光输出及光通路模块（2）输出高速扫频光信号。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周祖德，刘泉，李政颖，唐智浩，赵猛，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：