基于掃頻光源的全同弱反射光柵傳感網(wǎng)絡(luò)解調(diào)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光纖光柵解調(diào)技術(shù)領(lǐng)域，具體指一種基于掃頻光源的全同弱反射光柵 傳感網(wǎng)絡(luò)解調(diào)系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖光柵具有抗電磁干擾、電絕緣性好、耐腐蝕、體積小、重量輕、傳輸損耗小、可 實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布式測量、測量范圍廣等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于民用工程、航空、船舶、電力、石 油、建筑物結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測等領(lǐng)域。目前基于掃頻激光器的高速光纖 光柵解調(diào)系統(tǒng)都是針對(duì)高反射率（強(qiáng)反射）的光纖光柵，但強(qiáng)反射光柵存在制作成本高、單 根光纖復(fù)用容量有限等缺點(diǎn)。例如在工程上常用的多點(diǎn)分布式測量需要多個(gè)光柵測試點(diǎn)， 一般會(huì)在一根光纖上串聯(lián)多個(gè)光柵，因?yàn)閺?qiáng)反射光柵的高反射率，每個(gè)光柵的反射波長必 須不同且要保持一定的波長間隔，這樣的要求提高了光纖光柵的制作成本；而且受到光源 帶寬的限制，可復(fù)用光柵的數(shù)量有限。隨著光纖光柵制作工藝的提高，低反射率（弱反射） 光柵的出現(xiàn)可以解決此問題。因?yàn)榫哂休^低的反射率，全同波長弱反射光柵每個(gè)都可以反 射相同波長的光，這樣可以不受掃頻光波長范圍的限制，提高了光柵容量，而且全同弱反射 光柵可在線刻寫，制作方便、成本低，在很多方面要優(yōu)于強(qiáng)反射光柵。
[0003] 目前常采用光時(shí)域反射（OTDR)及光頻率反射（OFDR)進(jìn)行弱反射光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的 解調(diào)。光時(shí)域反射（Optical Time Domain Reflectometry, 0TDR)，一般是采用波長線性掃 描的脈沖激光器作為光源，根據(jù)光纖光柵反射回來的時(shí)間序列實(shí)現(xiàn)傳感器的定位，通過檢 測不同波長的反射光強(qiáng)得到FBG譜的包絡(luò)，然后采用擬合方法得到FBG中心波長。OTDR方 案可實(shí)現(xiàn)大容量弱反射光纖光柵復(fù)用，但對(duì)高速電路的設(shè)計(jì)和解調(diào)算法具有很高的要求。 光頻率反射（Optical Frequency Domain Reflectometry, 0FDR)，一般采用線性可調(diào)諧光 源進(jìn)行線性頻率掃描，通過各個(gè)時(shí)延不同的光柵反射光與調(diào)制光源信號(hào)進(jìn)行相乘產(chǎn)生拍頻 現(xiàn)象，利用拍頻的差異實(shí)現(xiàn)光柵復(fù)用，然后通過快速傅里葉變化（FFT)得到距離域信息，然 后使用帶通濾波器濾波，最后利用反傅里葉變換（IFFT)結(jié)合希爾伯特變化獲取不同位置 的光纖光柵反射波長信息。OFDR方案可實(shí)現(xiàn)大容量弱反射光柵復(fù)用，具有空間分辨率高等 優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)光源要求高，波長解調(diào)過程復(fù)雜、不適用與長距離光纖光柵解調(diào)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足而提出一種基于掃頻光源的全同弱反 射光柵傳感網(wǎng)絡(luò)解調(diào)系統(tǒng)及方法，本發(fā)明是基于對(duì)寬帶掃頻光源的波長掃描速度進(jìn)行調(diào) 節(jié)，首先利用高速波長掃描速度下，不同位置的光柵反射光信號(hào)的時(shí)間延遲，實(shí)現(xiàn)全同弱反 射光柵的波長區(qū)分；再通過切換波長掃描速度消除距離延遲，實(shí)現(xiàn)全同弱反射光柵波長的 解調(diào)。當(dāng)光纖光柵之間出現(xiàn)波長信號(hào)混疊情況時(shí)，通過大范圍調(diào)節(jié)掃頻激光器波長掃描速 度消除波長信號(hào)混疊現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)波長區(qū)分。
[0005] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是一種基于掃頻光源的全同弱反射光柵傳感網(wǎng) 絡(luò)解調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：
[0006] 掃頻光源模塊，用于輸出波長掃描速率可調(diào)的掃頻光；
[0007] 檢測模塊，包括按間隔距離AL串接有η個(gè)全同波長弱反射率光纖光柵的單根光 纖；所述掃頻光經(jīng)過所述η個(gè)光纖光柵產(chǎn)生反射光信號(hào)；
[0008] 參考模塊，包括梳狀濾波器；
[0009] 信號(hào)采集模塊，用于采集檢測模塊中反射光信號(hào)，以及采集參考模塊中的梳狀濾 波器透射光信號(hào)的中心波長計(jì)數(shù)值和對(duì)應(yīng)中心波長；
[0010] 信號(hào)處理模塊，用于處理信號(hào)采集模塊采集的信號(hào)，完成全同弱反射光纖光柵傳 感網(wǎng)絡(luò)解調(diào)。
[0011] 此外，本發(fā)明還通過上述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全同弱反射光柵傳感網(wǎng)絡(luò)解調(diào)方法，該方法包 括：
[0012] S100、將高于2Χ 105nm/s的波長掃描速率的掃頻光通過所述η個(gè)光纖光柵，位于 不同位置的光纖光柵反射光信號(hào)產(chǎn)生時(shí)間延遲，實(shí)現(xiàn)全同弱反射光柵的波長區(qū)分；
[0013] S200、采集弱光柵反射信號(hào)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)下式檢測是否發(fā)生波長信號(hào)混 疊現(xiàn)象：
[0015] 凡_,為采集信號(hào)波峰個(gè)數(shù)，N 為檢測通道布置光柵個(gè)數(shù)；
[0016] S300、通過調(diào)節(jié)波長掃描速度，對(duì)已區(qū)分的全同弱光柵進(jìn)行波長解調(diào)，消除時(shí)間延 遲，得到真實(shí)波長值。
[0017] 本發(fā)明的解調(diào)方法可以實(shí)現(xiàn)全同弱反射光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的波長解調(diào)，能夠適用于長 距離、分布式、大容量光纖光柵的應(yīng)用。解調(diào)方法簡單，通過切換寬帶掃頻光源掃描速度可 以完成同波長光纖光柵的位置解調(diào)、光纖光柵真實(shí)波長解調(diào)、消除波形混疊的問題，方法具 有很好地適應(yīng)性。同時(shí)本發(fā)明根據(jù)解調(diào)方法，設(shè)計(jì)了基于可調(diào)節(jié)掃描速度的寬帶掃頻光 源解調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)包括寬帶掃頻光源模塊、檢測模塊、參考模塊、信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模 塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。同時(shí)系統(tǒng)采用的寬帶掃頻光具有光強(qiáng)穩(wěn)定、調(diào)制方法簡單等優(yōu)點(diǎn)，這些 優(yōu)點(diǎn)使解調(diào)系統(tǒng)不受外界環(huán)境影響，解調(diào)精度高，同時(shí)成本適中。
【附圖說明】
[0018] 圖1為基于掃頻光源的全同弱反射光柵傳感網(wǎng)絡(luò)解調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
[0019] 圖2為本發(fā)明解調(diào)方法流程圖。
[0020] 圖3為光纖光柵布置與實(shí)現(xiàn)光纖光柵波長區(qū)分的原理示意圖。
[0021] 圖4為波長信號(hào)混疊現(xiàn)象與解決方法的示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明。
[0023] 本發(fā)明提出了一種基于掃頻光源的全同弱反射光柵傳感網(wǎng)絡(luò)解調(diào)系統(tǒng)，該解調(diào)系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括5個(gè)部分：寬帶掃頻光源模塊、檢測模塊、參考模塊、信號(hào)采集模塊 和信號(hào)處理模塊，其中，
[0024] 寬帶掃頻光源模塊包括掃頻激光器，掃頻激光器的輸入連接有使能控制單元、波 長掃描驅(qū)動(dòng)單元和恒溫控制單元，波長掃描驅(qū)動(dòng)單元連接有信號(hào)發(fā)生電路，恒溫控制單元 連接有數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。掃頻激光器的輸出端連接有光分路器。
[0025] 檢測模塊包括按間隔距離△ L串接有η個(gè)同波長弱反射率光纖光柵的單根光纖。
[0026] 參考模塊包括梳狀濾波器；
[0027] 信號(hào)采集模塊，包括放大器、增益控制電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元。
[0028] 信號(hào)處理模塊，包括嵌入式控制模塊和上位機(jī)。
[0029] 寬帶掃頻光源模塊中掃頻激光器在使能控制的作用下，只在前半周期輸出掃頻 光，掃頻光的波長值與激光器掃描驅(qū)動(dòng)的電壓值 對(duì)應(yīng)，電壓信號(hào)的幅值和頻率決定了 掃頻激光器的波長掃描速率。
[0030] 掃頻光進(jìn)入檢測模塊（多個(gè)全同弱反射光纖光柵組成的傳感網(wǎng)絡(luò)）和參考模塊 (梳狀濾波器），經(jīng)過檢測模塊中的各個(gè)光柵反射光信號(hào)以峰值計(jì)數(shù)值的形式被信號(hào)采集 模塊采集，峰值計(jì)數(shù)值表示FBG反射峰值信號(hào)在一個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓周期中的相對(duì)時(shí)間位置，參 考模塊中的梳狀濾波器透射光信號(hào)的中心波長計(jì)數(shù)值和對(duì)應(yīng)中心波長被信號(hào)采集模塊采 集用于波長解調(diào)。嵌入式模塊將數(shù)據(jù)打包壓縮后傳給上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算法處理， 并和嵌入式控制模塊相互配合調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)的頻率，以實(shí)現(xiàn)波長掃描速度的調(diào)節(jié)，完 成全同弱反射光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)解調(diào)。
[0031] 通過該解調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全同弱反射光柵傳感網(wǎng)絡(luò)解調(diào)的方法流程如圖2所示，具體 包括以下步驟：
[0032] S100、本發(fā)明首先利用高于2Χ 105nm/s的波長掃描速率和光纖光柵距離延遲實(shí)現(xiàn) 全同弱光纖光柵區(qū)分。具體說明如下：
[0033] 由于光的傳播速度約為3*10sm/s，而光纜介質(zhì)的光折射率約為1. 5,所以光在光纖 傳播速度約為2*108m/s，通過布置光纖光柵的間隔距離產(chǎn)生的時(shí)間延遲。當(dāng)高速掃頻光通 過時(shí)，光柵間光傳輸延遲轉(zhuǎn)換為光柵反射光信號(hào)時(shí)間延遲，實(shí)現(xiàn)光柵反射光信號(hào)在時(shí)間上 的分離。
[0034] 如圖3a所示，波長為λ。的全同弱反射光柵（FBGl、FBG2、FBG3)在一段光纜上等 距離放置，每個(gè)全同弱光柵之間光纜距離為A L。
[0035] 掃頻激光器在光源使能控制器驅(qū)動(dòng)下輸出波長隨時(shí)間連續(xù)變化的掃頻光，解調(diào)系 統(tǒng)通過系統(tǒng)時(shí)鐘計(jì)數(shù)，將掃頻光的波長值λ轉(zhuǎn)換為計(jì)數(shù)值Ν，滿足λ =f (N)，波長掃描速 度為Vs (Vs= f (N)/t)。掃頻光進(jìn)入刻有全同弱光柵的光纜中，每個(gè)弱光柵反射的光信號(hào)被 解調(diào)系統(tǒng)接收的時(shí)間分別為L、t2、t 3, t2、t3對(duì)應(yīng)的相對(duì)時(shí)間位置即計(jì)數(shù)值為N p N2、N3, 同波長光纖光柵的反射信號(hào)在時(shí)間上被區(qū)分開，如圖3b、c所不。
[0036] 由距離Δ L產(chǎn)生的延遲時(shí)間Δ t ( Δ t = I^t1= 13_t2)計(jì)算式如下：
[0038] c代表光在真空中傳播速度，η代表光纜介質(zhì)的光折射率。
[0039] 兩個(gè)弱光柵反射光計(jì)數(shù)值差值Λ Ν( Δ N = N2-N1= N 3-Ν2)與波長掃描速度和延遲 時(shí)間的關(guān)系式如下：
[0040] f (AN