CN105318898A - 基于扫频光源的全同弱反射光栅传感网络解调系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于扫频光源的全同弱反射光栅传感网络解调系统及方法，该系统包括：扫频光源模块；检测模块，包括按间隔距离ΔL串接有n个光纤光栅的单根光纤；参考模块；信号采集模块和信号处理模块。本发明方法将较高波长扫描速率的扫频光通过所述n个全同波长弱反射率光纤光栅，位于不同位置的光纤光栅反射光信号产生时间延迟，实现全同弱反射光栅的波长区分；然后通过调节波长扫描速度，对已区分的全同弱光栅进行波长解调，消除时间延迟，得到真实波长值，还能通过切换波长扫描速度解决全同弱反射光纤光栅波长信号混叠问题。本发明能够实现长距离、分布式、大容量全同弱反射光纤光栅传感网络的波长解调。

Description

基于扫频光源的全同弱反射光栅传感网络解调系统及方法

技术领域

本发明涉及光纤光栅解调技术领域，具体指一种基于扫频光源的全同弱反射光栅传感网络解调系统及方法。

背景技术

光纤光栅具有抗电磁干扰、电绝缘性好、耐腐蚀、体积小、重量轻、传输损耗小、可实现多点分布式测量、测量范围广等特点，被广泛地应用于民用工程、航空、船舶、电力、石油、建筑物结构健康监测、复杂机械系统动态监测等领域。目前基于扫频激光器的高速光纤光栅解调系统都是针对高反射率(强反射)的光纤光栅，但强反射光栅存在制作成本高、单根光纤复用容量有限等缺点。例如在工程上常用的多点分布式测量需要多个光栅测试点，一般会在一根光纤上串联多个光栅，因为强反射光栅的高反射率，每个光栅的反射波长必须不同且要保持一定的波长间隔，这样的要求提高了光纤光栅的制作成本；而且受到光源带宽的限制，可复用光栅的数量有限。随着光纤光栅制作工艺的提高，低反射率(弱反射)光栅的出现可以解决此问题。因为具有较低的反射率，全同波长弱反射光栅每个都可以反射相同波长的光，这样可以不受扫频光波长范围的限制，提高了光栅容量，而且全同弱反射光栅可在线刻写，制作方便、成本低，在很多方面要优于强反射光栅。

目前常采用光时域反射(OTDR)及光频率反射(OFDR)进行弱反射光栅传感网络的解调。光时域反射(OpticalTimeDomainReflectometry,OTDR)，一般是采用波长线性扫描的脉冲激光器作为光源，根据光纤光栅反射回来的时间序列实现传感器的定位，通过检测不同波长的反射光强得到FBG谱的包络，然后采用拟合方法得到FBG中心波长。OTDR方案可实现大容量弱反射光纤光栅复用，但对高速电路的设计和解调算法具有很高的要求。光频率反射(OpticalFrequencyDomainReflectometry,OFDR)，一般采用线性可调谐光源进行线性频率扫描，通过各个时延不同的光栅反射光与调制光源信号进行相乘产生拍频现象，利用拍频的差异实现光栅复用，然后通过快速傅里叶变化(FFT)得到距离域信息，然后使用带通滤波器滤波，最后利用反傅里叶变换(IFFT)结合希尔伯特变化获取不同位置的光纤光栅反射波长信息。OFDR方案可实现大容量弱反射光栅复用，具有空间分辨率高等优点，但是对光源要求高，波长解调过程复杂、不适用与长距离光纤光栅解调。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的不足而提出一种基于扫频光源的全同弱反射光栅传感网络解调系统及方法，本发明是基于对宽带扫频光源的波长扫描速度进行调节，首先利用高速波长扫描速度下，不同位置的光栅反射光信号的时间延迟，实现全同弱反射光栅的波长区分；再通过切换波长扫描速度消除距离延迟，实现全同弱反射光栅波长的解调。当光纤光栅之间出现波长信号混叠情况时，通过大范围调节扫频激光器波长扫描速度消除波长信号混叠现象实现波长区分。

实现本发明目的采用的技术方案是一种基于扫频光源的全同弱反射光栅传感网络解调系统，该系统包括：

扫频光源模块，用于输出波长扫描速率可调的扫频光；

检测模块，包括按间隔距离ΔL串接有n个全同波长弱反射率光纤光栅的单根光纤；所述扫频光经过所述n个光纤光栅产生反射光信号；

参考模块，包括梳状滤波器；

信号采集模块，用于采集检测模块中反射光信号，以及采集参考模块中的梳状滤波器透射光信号的中心波长计数值和对应中心波长；

信号处理模块，用于处理信号采集模块采集的信号，完成全同弱反射光纤光栅传感网络解调。

此外，本发明还通过上述系统实现全同弱反射光栅传感网络解调方法，该方法包括：

S100、将高于2×10⁵nm/s的波长扫描速率的扫频光通过所述n个光纤光栅，位于不同位置的光纤光栅反射光信号产生时间延迟，实现全同弱反射光栅的波长区分；

S200、采集弱光栅反射信号，对数据进行处理，根据下式检测是否发生波长信号混叠现象：

N_count为采集信号波峰个数，N_set为检测通道布置光栅个数；

S300、通过调节波长扫描速度，对已区分的全同弱光栅进行波长解调，消除时间延迟，得到真实波长值。

本发明的解调方法可以实现全同弱反射光栅传感网络的波长解调，能够适用于长距离、分布式、大容量光纤光栅的应用。解调方法简单，通过切换宽带扫频光源扫描速度可以完成同波长光纤光栅的位置解调、光纤光栅真实波长解调、消除波形混叠的问题，方法具有很好地适应性。同时本发明根据解调方法，设计了基于可调节扫描速度的宽带扫频光源解调系统，系统包括宽带扫频光源模块、检测模块、参考模块、信号采集模块、信号处理模块，系统结构简单。同时系统采用的宽带扫频光具有光强稳定、调制方法简单等优点，这些优点使解调系统不受外界环境影响，解调精度高，同时成本适中。

附图说明

图1为基于扫频光源的全同弱反射光栅传感网络解调系统的结构框图。

图2为本发明解调方法流程图。

图3为光纤光栅布置与实现光纤光栅波长区分的原理示意图。

图4为波长信号混叠现象与解决方法的示意图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地详细说明。

本发明提出了一种基于扫频光源的全同弱反射光栅传感网络解调系统，该解调系统结构如图1所示，包括5个部分：宽带扫频光源模块、检测模块、参考模块、信号采集模块和信号处理模块，其中，

宽带扫频光源模块包括扫频激光器，扫频激光器的输入连接有使能控制单元、波长扫描驱动单元和恒温控制单元，波长扫描驱动单元连接有信号发生电路，恒温控制单元连接有数模转换电路。扫频激光器的输出端连接有光分路器。

检测模块包括按间隔距离ΔL串接有n个同波长弱反射率光纤光栅的单根光纤。

参考模块包括梳状滤波器；

信号采集模块，包括放大器、增益控制电路、模数转换单元。

信号处理模块，包括嵌入式控制模块和上位机。

宽带扫频光源模块中扫频激光器在使能控制的作用下，只在前半周期输出扫频光，扫频光的波长值与激光器扫描驱动的电压值一一对应，电压信号的幅值和频率决定了扫频激光器的波长扫描速率。

扫频光进入检测模块(多个全同弱反射光纤光栅组成的传感网络)和参考模块(梳状滤波器)，经过检测模块中的各个光栅反射光信号以峰值计数值的形式被信号采集模块采集，峰值计数值表示FBG反射峰值信号在一个驱动电压周期中的相对时间位置，参考模块中的梳状滤波器透射光信号的中心波长计数值和对应中心波长被信号采集模块采集用于波长解调。嵌入式模块将数据打包压缩后传给上位机，上位机对数据进行算法处理，并和嵌入式控制模块相互配合调节驱动电压信号的频率，以实现波长扫描速度的调节，完成全同弱反射光纤光栅传感网络解调。

通过该解调系统实现全同弱反射光栅传感网络解调的方法流程如图2所示，具体包括以下步骤：

S100、本发明首先利用高于2×10⁵nm/s的波长扫描速率和光纤光栅距离延迟实现全同弱光纤光栅区分。具体说明如下：

由于光的传播速度约为3*10⁸m/s，而光缆介质的光折射率约为1.5，所以光在光纤传播速度约为2*10⁸m/s，通过布置光纤光栅的间隔距离产生的时间延迟。当高速扫频光通过时，光栅间光传输延迟转换为光栅反射光信号时间延迟，实现光栅反射光信号在时间上的分离。

如图3a所示，波长为λ₀的全同弱反射光栅(FBG1、FBG2、FBG3)在一段光缆上等距离放置，每个全同弱光栅之间光缆距离为ΔL。

扫频激光器在光源使能控制器驱动下输出波长随时间连续变化的扫频光，解调系统通过系统时钟计数，将扫频光的波长值λ转换为计数值N，满足λ＝f(N)，波长扫描速度为V_s(V_s＝f(N)/t)。扫频光进入刻有全同弱光栅的光缆中，每个弱光栅反射的光信号被解调系统接收的时间分别为t₁、t₂、t₃，t₁、t₂、t₃对应的相对时间位置即计数值为N₁、N₂、N₃，同波长光纤光栅的反射信号在时间上被区分开，如图3b、c所示。

由距离ΔL产生的延迟时间Δt(Δt＝t₂-t₁＝t₃-t₂)计算式如下：

$\mathrm{\Δ}t=\frac{2\mathrm{\Δ}L\×n}{c}$

c代表光在真空中传播速度，n代表光缆介质的光折射率。

两个弱光栅反射光计数值差值ΔN(ΔN＝N₂-N₁＝N₃-N₂)与波长扫描速度和延迟时间的关系式如下：

f(ΔN)＝V_s×Δt

由长距离产生的光传输延迟与波长扫描速度的共同作用下，全同弱反射光栅的反射光在波长扫描中实现区分。

通过本发明的解调系统中证明，当两个全同弱光栅波长间隔100pm时，弱光栅的反射波形被区分开，光缆距离的增加会导致延迟时间增加，弱光栅的反射波形区分越明显。2×10⁵nm/s的波长扫描速率，50m的光缆距离大概会产生0.5μs的延迟时间。

本发明首先利用上述原理使多个全同弱光栅的反射信号产生时间延迟，实现全同弱光栅时间区分，再通过调节波长扫描速度和解调算法对已区分的全同弱光栅进行波长解调，消除时间延迟，得到真实波长值。

对于单个弱光栅，在无光传输延迟作用下，获得弱光栅反射信号相对时间位置即峰值计数值N_real；在光传输延迟作用下，扫描速度V_s不变，光延迟时间Δt，获得弱光栅反射信号峰值计数值N_delay。由全同弱光栅区分原理推导N_real和N_delay关系式如下：

f(N_delay)＝f(N_real)+V_s×Δt

S200、判断光栅反射信号是否出现混叠现象。

当波长扫描速率V_s-h保持高速不变时，因为温度或应变原因导致的光栅本身波长发生变化从而导致计数值发生变化，有可能出现光栅信号混叠现象。在FBG1和FBG2计数值区分值为ΔN_H的基础上，如果FBG1发生波长变化，且其计数值改变值ΔN_FBG1近似等于ΔN_H，如图4b所示，则FBG1的反射信号与FBG2的反射信号出现混叠。

在反射信号混叠的影响下，无法通过区分反射信号的波形对光栅进行区分，也无法获取正确的峰值计数值。所以，本发明通过调节波长扫描速度到低速(几百Hz)的方法来解决波长信号混叠问题，具体操作如下：

首先，按下面关系式判断检测通道在高速波长扫描速率下是否发生反射信号混叠现象。

N_count为采集信号波峰个数，N_set为检测通道布置光栅个数。

S300、根据步骤S200的判断结果，通过切换波长扫描速率的方式消除光传输延迟，实现全同弱光栅真实波长解调，具体操作如下：

S301、当没有发生波长信号混叠情况时，选取两个不同且不低于2×10⁵nm/s的波长扫描速度V_s1-H、V_s2-H，在信号采集模块下对检测模块和参考模块输出数据进行采集分别得到光纤光栅在各扫描速度下的波长值在信号处理模块下解调出光纤光栅真实波长值解调步骤如下：

(1)解调系统切换波长扫描速度记录数据

通过改变扫频光源模块的波长扫描驱动中电压信号的幅值和频率，得到相应的波长扫描速度，选取两个同时可区分波长弱反射光纤光栅的高速波长扫描速度V_s1-H、V_s2-H，高速扫描下计数值与时间的对应关系如图4a所示，在信号采集模块中采集到两个扫描速率下全同弱反射光栅的反射信号数据，在信号处理模块中对数据进行降噪平均处理后通过算法计算获得各波的峰值计数值(n表示光栅编号)。

(2)解调真实波长值

在波长扫描速度V_s1-H、V_s2-H下信号采集模块得到参考模块中梳状滤波器的各梳状中心波长计数值各计数值对应的中心波长值 将(1)中获得的峰值计数值与进行对比，检测出与相邻的两个梳状中心波长计数值和对应的中心波长值如下：

$\left\{\begin{array}{c}{N}_{s1-L}^{sz}\left({\mathrm{\λ}}_{s1-L}^{sz}\right),N_{s1-R}^{sz}\left({\mathrm{\λ}}_{s1-R}^{sz}\right)\\ N_{s2-L}^{sz}\left({\mathrm{\λ}}_{s2-L}^{sz}\right),N_{s2-R}^{sz}\left({\mathrm{\λ}}_{s2-R}^{sz}\right)\end{array}\right.$

在波长扫描速度V_s1-H、V_s2-H下，由采集的峰值计数值和波长值λ与计数值N的对应关系λ＝f(N)，光纤光栅延迟波长值通过下式计算：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_{s1}^n={\mathrm{\λ}}_{s1-L}^{sz}+\frac{\left({\mathrm{\λ}}_{s1-R}^{sz}-{\mathrm{\λ}}_{s1-L}^{sz}\right)\×\left(N_{s1}^n-N_{s1-L}^{sz}\right)}{N_{s1-R}^{sz}-N_{s1-L}^{sz}}\\ {\mathrm{\λ}}_{s2}^n={\mathrm{\λ}}_{s2-L}^{sz}+\frac{\left({\mathrm{\λ}}_{s2-R}^{sz}-{\mathrm{\λ}}_{s2-L}^{sz}\right)\×\left(N_{s2}^n-N_{s2-L}^{sz}\right)}{N_{s2-R}^{sz}-N_{s2-L}^{sz}}\end{array}\right.$

上式中得到的光纤光栅延迟波长值与光纤光栅真实波长值对应关系如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_{real}^n={\mathrm{\λ}}_{s1}^n-V_{s1-H}\×\mathrm{\Δ}t\\ {\mathrm{\λ}}_{real}^n={\mathrm{\λ}}_{s2}^n-V_{s2-H}\×\mathrm{\Δ}t\end{array}\right.$

所以光纤光栅的真实波长值可通过下式计算：

${\mathrm{\λ}}_{real}^n={\mathrm{\λ}}_{s1}^n-\frac{({\mathrm{\λ}}_{s1}^n-{\mathrm{\λ}}_{s2}^n)\×V_{s1-H}}{V_{s1-H}-V_{s2-H}}$

将选取的波长扫描速率V_s1-H、V_s2-H和延迟后弱光栅波长值代入到上式中，即可消除光延迟效应，解调出弱光栅真实波长值

S302、当发生反射信号混叠现象时，在高速波长扫描速度下的光栅计数值区分值ΔN_H与光纤光栅自身波长改变导致计数值改变值ΔN_FBG1近似相等，将波长扫描速度调至低于4×10³nm/s的低速扫描速率，在低速下FBG1和FBG2计数值区分值ΔN_L远小于FBG1计数值改变值ΔN_FBG1，如图4d所示，从而实现了光栅区分。

当出现反射信号混叠现象时，通过切换波长扫描速度，选取两个不同且不高于4×10³nm/s的低速波长扫描速度V_s1-L、V_s2-L，再利用步骤S301中的解调算法消除光传输延迟，实现弱光纤光栅真实波长解调。

Claims (3)

1.一种基于扫频光源的全同弱反射光栅传感网络解调系统，其特征在于，包括：

扫频光源模块，用于输出波长扫描速率可调的扫频光；

检测模块，包括按间隔距离ΔL串接有n个全同波长弱反射率光纤光栅的单根光纤；所述扫频光经过所述n个光纤光栅产生反射光信号；

参考模块，包括梳状滤波器；

信号采集模块，用于采集检测模块中反射光信号，以及采集参考模块中的梳状滤波器透射光信号的中心波长计数值和对应中心波长；

信号处理模块，用于处理信号采集模块采集的信号，完成全同弱反射光纤光栅传感网络解调。

2.一种通过权利要求1所述系统实现全同弱反射光栅传感网络解调方法，其特征在于，包括：

S100、将高于2×10⁵nm/s的波长扫描速率的扫频光通过所述n个光纤光栅，位于不同位置的光纤光栅反射光信号产生时间延迟，实现全同弱反射光栅的波长区分；

S200、采集弱光栅反射信号，对数据进行处理，根据下式检测是否发生波长信号混叠现象：

N_count为采集信号波峰个数，N_set为检测通道布置光栅个数；

S300、通过调节波长扫描速度，对已区分的全同弱光栅进行波长解调，消除时间延迟，得到真实波长值。

3.根据权利要求2所述实现全同弱反射光栅传感网络解调方法，其特征在于，所述步骤S300中包括：

S301、当没有发生波长信号混叠情况时，选取两个高速波长扫描速度V_s1-H、V_s2-H，在信号采集模块下对检测模块和参考模块输出数据进行采集分别得到光纤光栅在各扫描速度下的波长值在信号处理模块下解调出光纤光栅真实波长值解调步骤如下：

(1)解调系统切换波长扫描速度记录数据

通过改变扫频光源模块的波长扫描驱动中电压信号的幅值和频率，得到相应的波长扫描速度，选取两个同时可区分波长弱反射光纤光栅的高速(高于2×10⁵nm/s)波长扫描速度V_s1-H、V_s2-H，在信号采集模块中采集到两个扫描速率下全同弱反射光栅的反射信号数据，在信号处理模块中对数据进行降噪平均处理后通过算法计算获得各波的峰值计数值(n表示光栅编号)。

(2)解调真实波长值

在波长扫描速度V_s1-H、V_s2-H下信号采集模块得到参考模块中梳状滤波器的各梳状中心波长计数值各计数值对应的中心波长值 将(1)中获得的峰值计数值与进行对比，检测出与相邻的两个梳状中心波长计数值和对应的中心波长值如下：

$\left\{\begin{array}{c}{N}_{s1-L}^{sz}\left({\mathrm{\λ}}_{s1-L}^{sz}\right),N_{s1-R}^{sz}\left({\mathrm{\λ}}_{s1-R}^{sz}\right)\\ N_{s2-L}^{sz}\left({\mathrm{\λ}}_{s2-L}^{sz}\right),N_{s2-R}^{sz}\left({\mathrm{\λ}}_{s2-R}^{sz}\right)\end{array}\right.$

在波长扫描速度V_s1、V_s2下，由采集的峰值计数值和波长值λ与计数值N的对应关系λ＝f(N)，光纤光栅延迟波长值通过下式计算：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_{s1}^n={\mathrm{\λ}}_{s1-L}^{sz}+\frac{({\mathrm{\λ}}_{s1-R}^{sz}-{\mathrm{\λ}}_{s1-L}^{sz})\×(N_{s1}^n-N_{s1-L}^{sz})}{N_{s1-R}^{sz}-N_{s1-L}^{sz}}\\ {\mathrm{\λ}}_{s2}^n={\mathrm{\λ}}_{s2-L}^{sz}+\frac{({\mathrm{\λ}}_{s2-R}^{sz}-{\mathrm{\λ}}_{s2-L}^{sz})\×(N_{s2}^n-N_{s2-L}^{sz})}{N_{s2-R}^{sz}-N_{s2-L}^{sz}}\end{array}\right.$

上式中得到的光纤光栅延迟波长值与光纤光栅真实波长值对应关系如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_{real}^n={\mathrm{\λ}}_{s1}^n-V_{s1-H}\×\mathrm{\Δ}t\\ {\mathrm{\λ}}_{real}^n={\mathrm{\λ}}_{s2}^n-V_{s2-H}\×\mathrm{\Δ}t\end{array}\right.$

所以光纤光栅的真实波长值可通过下式计算：

${\mathrm{\λ}}_{real}^n={\mathrm{\λ}}_{s1}^n-\frac{({\mathrm{\λ}}_{s1}^n-{\mathrm{\λ}}_{s2}^n)\×V_{s1}}{V_{s1-H}-V_{s2-H}}$

将选取的波长扫描速率V_s1-H、V_s2-H和延迟后弱光栅波长值代入到上式中，即可消除光延迟效应，解调出弱光栅真实波长值

S302、当出现反射信号混叠现象时，通过切换波长扫描速度，选取两个低速波长扫描速度，再利用步骤S301中的解调算法消除光传输延迟，实现全同弱光纤光栅真实波长解调。