具有测距功能的光纤光栅波长同步解调系统技术方案

本发明专利技术涉及一种具有测距功能的光纤光栅波长同步解调系统，其包括，在设定的波长范围内周期性扫描的可变频扫描激光仪、光学多波长基准源、扫描激光仪输出分路器组、多路第二光电探测器、多个同步采集器以及运算处理单元。由运算处理单元控制可变频扫描激光仪的扫描滤波器先后工作在两种不同的扫描周期，解调出两种不同扫描周期下各个光纤光栅的波长值，根据运算处理单元预先设定的程控信号源送出的两种扫描三角波周期和对应解调出的光纤光栅波长值的差异来计算出光纤传输的准确距离，并进而修正由该光纤传输距离引入的光纤光栅波长解调误差，实现光纤光栅传感器的准确空间定位和精确波长解调。且本发明专利技术的结构简单，成本低廉，应用范围较为广泛。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光纤传感
，特别涉及光纤传感信号解调装置
，具体是指一种具有测距功能的光纤光栅波长同步解调系统。
技术介绍
光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating)传感技术是光纤传感中可靠性高、实用性强并可波分复用的传感技术。它是采用激光照射法，由中心波长为235nm 248nm的激光光斑经透镜和反射镜多次光路调节后，形成光强均匀分布的长方形激光光斑，然后借助相位掩模板，使激光光斑图形化，沿石英单模光纤轴向形成亮暗相间的等周期衍射条纹，最终导致被图形化光斑照射区域内光纤的折射率发生周期性改变(通过大量的工艺研究，光纤被光斑照射区域的长度通常控制在8mm-15mm)，照射完成后，单模光纤被照射加工过的区域就具备了布拉格反射特性-当满足布拉格条件的特定波长窄带光入射后，会被该区域反射后沿入射光路原路返回，而其他波长的光信号则被正常透射，通常将光纤的这段区域称为布拉格光栅(Fiber Bragg Grating)，简称光纤光栅(FBG)。FBG窄带反射谱的中心波长由光栅的等效折射率和折射率变化周期决定，物理量如应变、温度会通过弹光效应、热光效应改变光栅的等效折射率和折射率变化周期，从而使FBG反射谱的中心波长发生漂移，通过用光谱仪或光纤光栅波长解调装置检测FBG反射谱的中心波长变化，可实现对物理量信息的解调。这种技术只有光纤的栅区才对应变和温度敏感，光纤的其他部分对它物理量不敏感，因此，基于FBG波长编码特性，FBG和光纤本身是一体化的，光源强度及其他因素造成的光衰减都不会影响FBG测量精度，同时在一根光纤上可并接或串接多个具有不同中心波长的FBG传感器进行多点分布式传感测量。目前，光纤光栅传感技术已经在国内外得到广泛应用，如桥梁、大坝、隧道、建筑等土木工程结构的温度和应力变形监测，滑坡、泥石流等地质灾害监测，开关柜、变压器、电缆、架空线等输变电设备在线测温，油罐、隧道等火灾自动报警，压力容器、起重机械等特种设备结构安全监测以及矿井结构安全监测等等。在光纤光栅传感技术中，光纤光栅传感器技术和光纤光栅信号解调技术是最为关键的两项技术，尤其是光纤光栅信号解调技术，对光纤光栅传感系统可实现的最终测量精度、测量速度和系统容量影响巨大，且其技术复杂度高、所占成本比重较大，直接影响到光纤光栅传感技术的产业化和工程化应用。光纤光栅信号解调技术中，常用的方法有干涉法、色散法及波长可调谐滤波法。干涉法波长解调分辨率高，但易受外界环境影响，适合在实验室科研应用。色散法波长解调原理简单，图1为色散法光纤光栅波长解调设备硬件原理示意图。其产品实现相对容易，波长解调分辨率和精度取决于CCD探测阵列的像素，在光通信领域已属于成熟技术，通常用于光纤信道的光功率和光波长性能监测分析(OPM);在光纤传感领域，多通道扩展需要借助成本高昂的光开关，并且通道之间存在切换时延，一般用于对数据采集速率和多通道同步性要求不高的场合，如开关柜、电缆等电力设备在线温度监测、油罐火灾报警等。波长可调谐滤波法波长解调所采用的可调法布里-珀罗滤波器通常是基于压电陶瓷或静电驱动，调谐频率最高可达到MHz量级,调谐范围可达到上百nm,而且通过与光放大器构建环形光学谐振腔，由光纤放大器产生的ASE宽带光被可调法布里-珀罗滤波器滤波后通过定向耦合器再次进入光放大器放大，这样形成光学谐振，抑制掉在滤波器以外的波长，同时在滤波器带宽内还通过竞争选模，输出比滤波器线宽更窄的窄线宽波长可调谐激光，可实现对光纤光栅反射谱的精细扫描，获取光纤光栅反射谱的最大峰值功率和中心波长值。基于波长可调谐滤波器的可调谐激光器硬件原理如图2所示。图3所示为基于可调谐激光器的光纤光栅波长解调设备硬件原理。可调谐激光器工作在波长周期性扫描状态(例如1525nm到1565nm范围)，当它扫到某个光纤光栅波长时，则让该光纤光栅的反射光信号通过。图3中，通道I为光学多波长基准源通道，通道2为传感测量通道，各自的光谱信号如图4所示。图4中，通道I为光学多波长基准源通道，通常采用梳齿滤波器产生多个等波长间隔且具有热稳定波长值的光谱透射峰作为波长测量校准信号；通道2为传感测量通道，通过与光纤光栅阵列连接，接收到一个或多个光纤光栅的反射光谱信号。当可调谐激光器从1525nm到1565nm波长范围内开始扫描后，对通道I和通道2进行同步数据采集，就可以计算出通道2各个光纤光栅反射峰出现时刻相对于通道I某个波长基准源透射峰出现时刻的时间差，然后结合可调谐激光器的波长——时间扫描速度，计算得到通道2各个光纤光栅相对于通道I某个波长基准源的波长值偏移，由于通道I所有波长基准源对应的光谱透射峰的波长值是事先已精确测定的，所以就可以算出通道2所有光纤光栅的准确波长测量值。之所以在通道I中设置光学多波长基准源，目的就是消除可调谐激光器内部压电陶瓷或静电驱动的非线性误差。采用可调谐激光器构建的基于波长可调谐滤波法的波长解调设备具有很高的出纤光能量密度，因此可通过多路分光后实现测量通道平滑扩展，无需借助成本高昂的光开关，降低了系统的硬件成本，而且在需要高速、同步测量的振动、应变和压力测量应用场合具有显著的技术优势。基于波长可调谐滤波法设计的波长解调设备中，被测光纤光栅的波长是通过计算传感测量通道中各个光纤光栅反射峰出现时刻相对于光学多波长基准源通道内某个波长基准源透射峰出现时刻的时间差来计算获得，因此，在实际工程现场，由于被测光纤光栅往往远离波长解调设备，而且与波长解调设备之间的光纤传输距离很难准确测量，因此，各个光纤光栅反射峰出现的时刻还包含了其不同光纤传输距离引入的时延误差，从而直接影响到波长解调设备对各个光纤光栅波长的测量精度，导致光纤传感系统引入物理量测量误差，出现波长计算“刻舟求剑”现象，造成光纤光栅传感监测系统出现误报、漏报等不可靠因素。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种能实现测距功能，基于测距功能消除光纤光栅信号解调中的误差，从而有效解决波长可调谐滤波法光纤光栅信号解调技术中，由于光纤传输距离所引入的光纤光栅波长测量误差问题，且结构简单，成本低廉，应用范围较为广泛的具有测距功能的光纤光栅波长同步解调系统。为了实现上述的目的，本专利技术的具有测距功能的光纤光栅波长同步解调系统包括如下构成:可变频扫描激光仪，具有扫描激光输出端、m路同步时钟输出端和数字变频控制端Π ；光学多波长基准源，其输入端连接所述的可变频扫描激光仪的扫描激光输出端，用以提供多个以一定波长间隔分布的光谱信号；扫描激光仪输出分路器组，具有I路输入端、η路输出端及η路返回端，所述的I路输入端连接所述的可变频扫描激光仪的扫描激光输出端，η路输出端分别连接η路传感通道；η+1路第二光电探测器，其η+1路输入端分别连接所述的光学多波长基准源的输出端和扫描激光仪输出分路器组的η路返回端；m个同步采集器，每个同步采集器均连接所述的可变频扫描激光仪的程控信号源的一路同步时钟输出端，每个同步采集器还连接n/m+1路的第二光电探测器输出端；运算处理单元，分别连接所述的m个同步采集器的输出端和所述的可变频扫描激光仪的数字变频控制端口。该具有测距功能的光纤光栅波长同步解调系统中，所述的可变频扫描激光仪包括:程控信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有测距功能的光纤光栅波长同步解调系统，其特征在于，所述的系统包括：可变频扫描激光仪，具有扫描激光输出端、m路同步时钟输出端和数字变频控制端口；光学多波长基准源，其输入端连接所述的可变频扫描激光仪的扫描激光输出端，用以提供多个以一定波长间隔分布的光谱信号；扫描激光仪输出分路器组，具有1路输入端、n路输出端及n路返回端，所述的1路输入端连接所述的可变频扫描激光仪的扫描激光输出端，n路输出端分别连接n路传感通道；n+1路第二光电探测器，其n+1路输入端分别连接所述的光学多波长基准源的输出端和扫描激光仪输出分路器组的n路返回端；m个同步采集器，每个同步采集器均连接所述的可变频扫描激光仪的程控信号源的一路同步时钟输出端，每个同步采集器还连接n/m+1路的第二光电探测器输出端；运算处理单元，分别连接所述的m个同步采集器的输出端和所述的可变频扫描激光仪的数字变频控制端口。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘玉珏，
申请(专利权)人：上海拜安传感技术有限公司，
类型：发明
国别省市：