專利名稱：一種多通道光纖光柵解調(diào)儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種多通道光纖光柵解調(diào)儀，特別涉及了一種利用掃描光纖激光器技
術實現(xiàn)光纖光柵傳感網(wǎng)絡檢測的多通道解調(diào)儀。
背景技術：
基于光纖光柵的準分布式光纖應力和溫度傳感系統(tǒng)具有非常重要的應用價值，在 電力能源、石油化工、工民建筑以及其它需要進行實時溫度和應力監(jiān)測的領域都有非常廣 泛的應用。采用該技術可以實現(xiàn)遠距離的測量與監(jiān)控，具有測量范圍寬、高精度和高分辨率 的特點，在強電磁干擾或者易燃易爆的嚴酷環(huán)境下更具優(yōu)勢。 我國目前在光纖傳感器的產(chǎn)業(yè)化和大規(guī)模推廣應用方面遠遠不能滿足國民經(jīng)濟 發(fā)展的需求，相關技術的研究和產(chǎn)業(yè)化已成為一個經(jīng)濟增長熱點。傳統(tǒng)上，光纖光柵的解調(diào) 采用光譜儀，單色儀以及波長計，但這些解調(diào)系統(tǒng)存在造價高，體積大等缺點，為此，人們相 繼提出了許多結構簡單，更為實用的解調(diào)方法。主要有干涉解調(diào)技術、線性邊緣濾波技術， 匹配濾波解調(diào)技術，可調(diào)諧濾波解調(diào)技術等。其中干涉解調(diào)技術測量精度很高，但測量范圍 受限于干涉儀的自由光譜范圍。線性邊緣濾波技術測試范圍與分辨率成反比，匹配濾波技 術方法簡單實用但調(diào)諧范圍較小?；诳烧{(diào)諧FP濾波器的解調(diào)方法具有高靈敏度、光能利 用率高、操作簡單、調(diào)諧范圍寬和系統(tǒng)穩(wěn)定性好等優(yōu)點。適合于工程應用的波長位移檢測技 術。故目前市場出售的光纖光柵解調(diào)儀主要基于可調(diào)諧FP技術。 基于可調(diào)諧的FP解調(diào)方法主要基于大功率寬譜光源和窄帶濾波技術實現(xiàn)光柵反 射譜的峰值檢測，其原理圖如圖3所示大功率寬帶ASE光源(32)發(fā)出的寬譜光通過耦合 器(33)，其中一部分作用于光纖光柵陣列(34)，光纖光柵陣列的反射譜通過耦合器(35)耦 合進入FP濾波器(36);另一部分作用于標準光纖光柵(37)，同樣，標準光纖光柵反射譜通 過耦合器進入FP濾波器中并通過光電探測器(38)，由模擬信號處理電路(39)進行數(shù)據(jù)處 理，隨后輸出溫度或應變信息。 但此光纖光柵解調(diào)技術仍存在以下兩個問題 (1)信號衰減大由于寬譜光源的出纖功率一般比較小。如果每一次通過F-P濾 波器的光譜寬度很小，則每次通過濾波器的光強會很弱，即信號衰減較大。這樣在光電探測 器中所得到的光強也會很弱，不利于光電檢測，增加了解調(diào)的難度。
(2)信道受限由于光源的輸出功率較小，且信號的衰減較大，若增加信道的數(shù)
量，分光后更不利于光電檢測，因此可測量的光纖光柵陣列路數(shù)受到限制。 基于上述原因，需要研發(fā)光源功率高、信號損耗率低、信道多的新型傳感解調(diào)系統(tǒng)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于窄線寬掃描激光器技術的多通道光纖光柵解調(diào)設 備，克服以上現(xiàn)有技術的不足。該光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)基于窄線寬掃描激光器技術，通過全數(shù) 字方案實現(xiàn)串并結構的光纖光柵傳感網(wǎng)絡的實時解調(diào)。由于采用光源掃描技術，可保證信
4號具有較高的信噪比，而且一次掃描能實現(xiàn)多通道的解調(diào)，可大大減小光開關等器件的使 用，進而明顯提高傳感系統(tǒng)的可靠性，大大改善信道受限的問題。 本發(fā)明解決上述技術問題所采用的技術方案是掃描激光器輸出的光經(jīng)過增益匹 配光纖放大器，既可以實現(xiàn)信號的放大，又保證峰值的平坦度。增益匹配放大器輸出光經(jīng)過 第一光纖耦合器分成兩份，其中一份用于校準，根據(jù)實際應用中的需要，另一份經(jīng)PLC分束
器分成多份作用于光纖光柵傳感網(wǎng)絡實現(xiàn)波長的解調(diào)。在校準通道，采用的一種帶波長標 記的FP標準具可實現(xiàn)掃描激光器波長的實時校準，以保證波長重復精度。激光器波長的掃 描通過在濾波器上施加周期性高壓鋸齒波實現(xiàn)，其原理是由FPGA(26)產(chǎn)生與數(shù)字相位同 步信號存在確定關系的原始鋸齒，經(jīng)過D/A轉換器(27)和濾波器驅動模塊(28)放大成高 壓鋸齒信號，從而驅動濾波器透射波長的改變。在每一個光纖光柵解調(diào)通道，用一只光纖耦 合器可將探測光耦合到傳感光柵，同時將反射光耦合到光電探測器(PD)(22)。各探測器輸 出的信號由數(shù)據(jù)采集與處理模塊來處理，具體過程是多路光信號通過并行的多路AD轉換 器模塊(23)同時量化，把得到的數(shù)字量輸入FPGA進行處理及峰值檢測，處理得到的數(shù)據(jù)通 過PCI接口傳輸?shù)角度胧接嬎銠C，進行進一步的解算、存儲和顯示，測量結果可以通過多種 接口 (串口、USB和以太網(wǎng)口 )輸出。
本發(fā)明一種多通道光纖光柵解調(diào)儀的優(yōu)點是 (1)采用窄線寬光纖激光器掃描技術，可保證信號具有較高的信噪比，而且一次掃 描能實現(xiàn)多通道的解調(diào)，可大大減小光開關等器件的使用，進而明顯提高傳感系統(tǒng)的可靠 性； (2)采用微機械結構濾波器和全數(shù)字式解調(diào)方案，能實現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)響應和處理 速度，從而實現(xiàn)傳感系統(tǒng)的實時傳感； (3)本系統(tǒng)采用動態(tài)的波長實時校準技術，可實現(xiàn)可調(diào)諧微機械濾波器透射波長 和光纖光柵傳感網(wǎng)絡波長信息的精確讀?。?(4)本系統(tǒng)使用了增益匹配放大器及采用對數(shù)放大的AD轉換器處理模塊，保證了 光源峰值的平坦度，避免了由于閾值設置不當，導致檢測不到某些光纖光柵反射峰的問題。


圖1是本發(fā)明所采用窄線寬掃描式光纖激光器裝置的原理結構框圖；
圖2是本發(fā)明所采用的增益匹配光纖放大器裝置的原理結構框圖；
圖3是本發(fā)明所采用的基于掃描式激光器的光纖光柵解調(diào)裝置結構框圖；
圖4是現(xiàn)有的基于FP窄帶濾波器的光纖光柵解調(diào)設備原理結構框圖
圖中1、第一泵浦源2、第一波分復用器3、第一摻鉺光纖 4、第一光隔離器 5、光纖環(huán)行器6、第二摻鉺光纖7、可調(diào)諧微機械結構濾波器8、光纖反射器 9、第二 光隔離器10、第一光纖耦合器11、第二泵浦源12第三隔離器 13第二波分復用器 14第三摻鉺光纖15第四光纖隔離器16增益匹配濾波器17、掃描式光纖激光器18、 增益匹配光纖放大器19、第二光纖耦合器20、PLC分束器21、光纖耦合器陣列22、光 纖光柵陣列23、標準具24、光電探測器陣列25、A/D轉換器模塊26、 FPGA 27、D/A轉 換器 28、 FP濾波器電壓驅動電路 29、PCI接口 30、嵌入式計算機 31、顯示與輸出接 口 32、寬譜ASE光源 33、光纖耦合器34、光纖光柵陣列 35、標準參考光纖光柵36、FP濾波器37、光電探測器38、模擬信號處理電路。
具體實施例方式
下面將結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。 本發(fā)明是一種基于掃描激光器的光纖光柵解調(diào)裝置，由第一泵浦源、第一波分復用器、第一摻鉺光纖、第一光隔離器、第一光纖環(huán)形器、第二摻鉺光纖、可調(diào)諧FP濾波器、第二光纖環(huán)形器、第二光纖隔離器、第一光纖耦合器、第二泵浦源，第三光纖隔離器、第二波分復用器、第三摻鉺光纖、第四光纖隔離器、增益匹配濾波器、第二光纖耦合器、PLC分束器、光纖耦合器陣列、標準具、光電探測器，A/D轉換器、FPGA、D/A轉換器、微機械結構濾波器電壓驅動、PCI接口、嵌入式計算機、輸出接口組成。在本發(fā)明中，根據(jù)信號不同，整個解調(diào)儀可以分為光路部分和電路部分，光路部分通過光纖熔接，而電路部分通過電信號聯(lián)接。
參見圖l，在本發(fā)明所述掃描式光纖激光器中，第一泵浦源1與第一波分復用器2的980nm輸入端通過光纖相熔接，第一波分復用器2的980nm輸出端與第一摻鉺光纖3 —端通過光纖熔接，第一摻鉺光纖3另一端與第一光隔離器4輸入端通過光纖熔接，第一光隔離器4輸出端與光纖環(huán)行器5輸入端口 A通過光纖熔接；第一光纖環(huán)形器5輸出端口 B與第二摻鉺光纖6 —端通過光纖熔接，第二摻鉺光纖6的另一端與微機械結構濾波器7輸入端通過光纖熔接，微機械結構濾波器7的輸出端與光纖反射器8的輸入端口通過光纖熔接，光纖反射器的輸出端口與微機械結構濾波器端口通過光纖熔接，微機械結構濾波器7的輸出再通過第二摻鉺光纖6與光纖環(huán)形器5的B端口通過光纖熔接；第一光纖環(huán)形器5輸出端口 C與第二隔離器9的輸入端通過光纖熔接，第二隔離器9的輸出端與第一光纖耦合器10的輸入端通過光纖熔接，第一光纖耦合器的輸出端A與第一波分復用器2的1550信號輸入端通過光纖熔接。 在光傳輸過程中，經(jīng)過第一波分復用器2，第一 980nm泵浦源1輸出光耦合進第一摻鉺光纖3，對其進行抽運，在第一摻鉺光纖3中形成粒子數(shù)反轉，并出現(xiàn)ASE，輻射光經(jīng)過光纖環(huán)行器5、第二摻鉺光纖6、可調(diào)諧微機械結構濾波器7、光纖反射器8、微機械結構濾波器7、第二摻鉺光纖6、光纖環(huán)行器5濾波，濾波后的輻射光通過第二隔離器9、第一光纖耦合器10， 一輸出端提供激光輸出，另一輸出端提供反饋，再經(jīng)第一波分復用器2耦合進第一摻鉺光纖3，完成一次循環(huán)；每一次循環(huán)過程中光波的能量均得到放大，當增益大于環(huán)路中的傳輸損耗時，從第一光纖耦合器的C端會輸出窄線寬，波長可調(diào)的激光。同時，隨著泵浦功率的逐漸增加，噪聲會隨之下降，自發(fā)輻射會受到一定程度的抑制。 參見圖2，在本發(fā)明所述增益匹配光纖放大器中，第二泵浦源11與第二波分復用器13的980輸入端A通過光纖相熔接，第二波分復用器13的980nm輸出端C與第三摻鉺光纖14 一端通過光纖熔接；第二波分復用器13的信號輸入端B與第三隔離器12輸出端通過光纖熔接，第三個隔離器12輸入端與第一光纖耦合器10的輸出端通過光纖熔接；第三摻鉺光纖14另一端與第四光纖隔離器15通過光纖熔接，第四光纖隔離器15的輸出端與增益匹配濾波器16的輸入端通過光纖熔接。增益匹配濾波器16的輸出端作為輸出。
在光傳輸過程中，第二 980nm泵浦源11輸出光經(jīng)過第二波分復用器13耦合進第三摻鉺光纖14，對其進行抽運，在第三摻鉺14光纖中形成粒子數(shù)反轉，并出現(xiàn)ASE ;掃描激光器17輸出光作為信號光先經(jīng)過第三光纖隔離器12，再經(jīng)第二波分復用器13耦合進第三摻鉺光纖14，由于摻鉺光纖的ASE被放大，被放大后信號通過第四光纖隔離器15，噪聲信號被抑制掉，然后通過增益平坦濾波器16保證輸出峰值的平坦度。 參見圖3，掃描光纖激光器17的第一耦合器10輸出端B與增益匹配光纖放大器18的第三光纖隔離器12輸入端熔接，增益匹配放大器18中的增益匹配濾波器輸出端與第二光纖耦合器19輸入端熔接，第二光纖耦合器19的輸出端A與PLC分束器20輸入端，分束器20的輸出端與第三光纖耦合器陣列21的A端熔接，第三光纖耦合器陣列21的C端與光纖光柵陣列22熔接，第三光纖耦合器陣列21的B端與光電探測器24的輸入端熔接；第二光纖耦合器19的輸出端B與標準具23的輸入端熔接，標準具23的輸出端與光電探測器24的輸入端熔接；A/D轉換器25與光電探測器24采用模擬信號連接，F(xiàn)PGA 26與D/A轉換器27、PCI接口 29采用數(shù)字信號連接；D/A轉換器27與FP濾波器驅動電路28采用模擬信號連接；PCI接口 29與嵌入式計算機30采用數(shù)字信號連接，嵌入式計算機30與輸出端口31采用電信號連接。 在傳輸過程中，掃描激光器17輸出光通過第二光纖耦合器12，其中，一部分通過標準具23作為校準光，另一部分經(jīng)PLC分束器20分為多份，通過光纖耦合器陣列21之后進入到光纖光柵陣列22，光柵陣列的反射光通過耦合器進入到光電探測器24，同校準光路并行進入到并行的多路A/D轉換器25中，轉化后的數(shù)字信號傳輸?shù)紽PGA26中，進行峰值檢測處理，處理后的數(shù)據(jù)通過PCI接口 22傳輸給嵌入式計算機做后續(xù)的處理計算、存儲及顯示，最后通過RS232，USB串口等輸出接口 31將數(shù)據(jù)輸出。
實施例1 根據(jù)圖3所示進行各器件的連接，采用頻率為200Hz的相位信號作為可調(diào)諧濾波器驅動電壓初始值，通過12位的DA轉換器，經(jīng)過PA84運算放大器放大后成為鋸齒波電壓驅動信號，將此驅動電壓作用于可調(diào)諧微機械結構濾波器上，則得到頻率為200Hz，波長間隔約為10pm的掃描激光輸出，掃描激光信號通過增益匹配光纖放大器放大后，使用5 : 95的耦合器將掃描激光分為兩份，其中一份作用于FP標準具，作為實時校準信號；另一份通過IX 12分束器作用于12路光纖光柵傳感序列。每一路光纖光柵序列由20個光纖光柵傳感器組成。12路光纖光柵傳感序列及一路校準信號經(jīng)過13個PD探測，進過AD轉換器處理模塊對數(shù)放大后，經(jīng)過FPGA進行高速數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和峰值檢測，再經(jīng)過嵌入式計算機進行進一步解算后輸出光纖光柵傳感序列攜帶的溫度或應力信息。
權利要求
一種多通道光纖光柵解調(diào)儀，其特征在于包括由可調(diào)諧、帶溫控的微機械結構濾波器構成的掃描式光纖激光器(17)，可為所述多通道光纖光柵解調(diào)儀提供一個高功率、窄線寬、波長可調(diào)諧的光源；由增益平坦濾波器構成的增益匹配光纖放大器(18)，實現(xiàn)掃描式光纖激光器(17)功率的放大，并保證多通道光纖光柵解調(diào)儀光源波長峰值的平坦度；第二光纖耦合器(19)將增益匹配光纖放大器(18)輸出光分為兩份，一份通過FP標準具(23)，實現(xiàn)掃描式光纖激光器的實時校準；PLC分束器(20)、光纖耦合器陣列(21)將光源輸出掃描激光耦合進串并結構分布的光纖光柵傳感器陣列(22)，并將光纖光柵傳感器陣列的波長信息反饋給所述多通道光纖光柵解調(diào)儀；基于FPGA的數(shù)據(jù)采集與控制模塊，主要由AD轉化器處理模塊(25)，F(xiàn)PGA(26)，DA轉化器(27)，PCI接口(29)構成，實現(xiàn)多路信號的高速采集與處理及峰值檢測，同時提供對可調(diào)諧微機械結構濾波器驅動電壓的控制；嵌入式計算機(30)，對基于FPGA的數(shù)據(jù)采集與控制模塊處理得到的數(shù)據(jù)進行進一步解算、存儲和顯示。
2. 根據(jù)權利要求1所述的多通道光纖光柵解調(diào)儀，其特征在于所述掃描式光纖激光 器包括第一泵浦源(1)、第一波分復用器(2)、第一摻鉺光纖(3)、第一隔離器(4)、光纖環(huán)行 器(5)、第二摻鉺光纖(6)、微機械結構濾波器(7)、光纖反射器(8)、第二隔離器(9)、第一光 纖耦合器(10);第一光纖環(huán)形器(5)、第二摻鉺光纖(6)、微機械結構濾波器(7)、光纖反射 器(8)構成了一個利用飽和吸收效應壓窄線寬，利用濾波原理選擇頻率，并且利用鋸齒波 電壓驅動濾波器實現(xiàn)波長可調(diào)的裝置，具有線寬窄、調(diào)諧精度高等特點；所述微機械結構濾 波器(7)帶有溫控，可對諧振腔中的透射波長進行選擇，并且保證掃描激光器輸出波長的 重復性。
3. 根據(jù)權利要求1所述的多通道光纖光柵解調(diào)儀，其特征在于所述增益匹配光纖放 大器包括第二泵浦源(11)、第三隔離器(12)、第二波分復用器(13)、第三摻鉺光纖(14)、第 四隔離器(15)、增益匹配濾波器(16);通過選擇相互匹配的第三摻鉺光纖(14)和增益匹配 濾波器(16)實現(xiàn)掃描激光器輸出波長平坦度的控制。
4. 根據(jù)權利要求1所述的多通道光纖光柵解調(diào)儀，其特征在于所述基于FPGA的數(shù) 據(jù)采集與控制模塊，由AD轉化器處理模塊(25)， FPGA(26)， DA轉換器(27)，濾波器電壓 驅動電路(28)、 PCI接口 (29)組成，提高了多通道的準分布式測量的測量速度和精度；由 FPGA(26)，DA轉換器(27)，濾波器電壓驅動電路(28)為微機械結構濾波器(7)提供一個和 數(shù)字相位同步信號存在對應關系的鋸齒波電壓信號，實現(xiàn)掃描式光纖激光器的周期性連續(xù) 掃描；AD轉換器處理模塊(25)采用了對數(shù)放大處理，使得檢測到的光柵反射峰的相對變化 量減小，避免了由于閾值設置不當，導致檢測不到某些光纖光柵反射峰的問題。
5. 根據(jù)權利要求l所述的多通道光纖光柵解調(diào)儀，其特征在于所述FP標準具(23)為 帶波長標記的熱穩(wěn)定標準具，可以實現(xiàn)對掃描光纖激光器波長的實時校準，從而消除了由 于溫度，應變等溫度變化導致的激光器波長漂移引起的誤差，從而提高了光纖光柵解調(diào)儀 的測量精度。
6. 根據(jù)權利要求1所述的多通道光纖光柵解調(diào)儀，其特征在于利用掃描式光纖激光器作為光源，功率較大，信噪比較高，掃描激光器工作一個周期可實現(xiàn)串并結構分布的多通道光纖光柵傳感器陣列(22)的同步測量，大大減小光開關等器件的使用，且通道數(shù)可以擴展。
7. —種根據(jù)權利要求1所述多通道光纖光柵解調(diào)儀的工作方法，其特征在于所述全數(shù)字式解調(diào)方案的步驟為首先，采集校準光路透射及光纖光柵傳感器陣列反射波長數(shù)據(jù)，作為微機械結構濾波器與鋸齒波電壓對應的數(shù)字相位同步信號的函數(shù)；其次，確定校準光路被標記波長對應的數(shù)字相位同步信號，從而確定校準光路其他已知波長對應的數(shù)字相位同步信號；再次，根據(jù)校準光路已知的波長峰值與數(shù)字相位同步信號的對應關系，確定光纖光柵傳感陣列波長峰值與數(shù)字相位同步信號的對應關系；最后，根據(jù)波長與數(shù)字相位同步信號對應關系確定光纖光柵傳感器陣列波長變化信息。
8. —種根據(jù)權利要求1所述多通道光纖光柵解調(diào)儀的校準方法，其特征在于所述實時校準方法，主要包括以下步驟首先，F(xiàn)P標準具(23)接收掃描激光器(17)經(jīng)增益匹配放大器(18)放大后發(fā)出的周期性信號；其次，F(xiàn)PGA(26)采集標準具(23)透射峰和光纖光柵傳感陣列(22)反射峰的相關數(shù)據(jù)，將其作為數(shù)字相位同步信號的函數(shù)記錄下來；再次，確定標準具(23)已知波長對應的數(shù)字相位同步信號；最后根據(jù)已知的對應關系及光纖光柵傳感陣列(22)反射峰對應的數(shù)字相位同步信號確定其反射峰波長。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多通道光纖光柵解調(diào)儀，該解調(diào)儀采用掃描式光纖激光器作為光源，所述掃描式激光器基于帶溫控的微機械結構濾波器，屬于精確校準的窄線寬、高相干光源。校準通過帶波長標記的熱穩(wěn)定FP標準具實現(xiàn)。增益匹配光纖放大器對激光器輸出進行功率放大，并實現(xiàn)掃描激光譜的功率平坦度。光纖光柵反射信號通過光電探測器和AD轉換器處理模塊后進入數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。所述數(shù)據(jù)采集與處理及峰值檢測系統(tǒng)采用基于FPGA的全數(shù)字式方案實現(xiàn)，同時利用數(shù)字頻率直接合成模塊的同步信號得到微機械結構濾波器的控制電壓。所述掃描式光纖激光器，標準具和FPGA通過其他設備相結合實現(xiàn)多通道、高精度、穩(wěn)定性高、重復性好、串并結構的光柵傳感網(wǎng)絡信號的檢測。
文檔編號G02F2/00GK101718942SQ20091024120
公開日2010年6月2日 申請日期2009年11月25日 優(yōu)先權日2009年11月25日
發(fā)明者張萍萍, 楊明偉, 楊遠洪, 陳淑英, 馬游春 申請人:北京航空航天大學