CN100580383C - 嵌入式多通道高速光纤光栅传感器解调系统 - Google Patents

Abstract

一种嵌入式多通道高速光纤光栅传感器解调系统，由宽带荧光源、三端环形器、1*N光开关、N个光纤布拉格光栅传感探头、2*1耦合器、高精度FP干涉仪、光电检测模块、温度控制模块、锯齿波发生器、信号采集与处理模块和计算机组成，其中N为≥2的正整数。本发明具有波长分辨精度高、控制检测方便、多通道采集和解调速度快等优点。

Description

嵌入式多通道高速光纤光栅传感器解调系统

技术领域

本发明涉及光纤通信和光纤传感，特别是一种嵌入式多通道高速光纤光栅传感器解调系统，是一种用于光纤光栅波长测量和工程应用的高速多通道光纤光栅波长信号解调设备。

背景技术

光纤光栅传感是基于外部物理环境改变对光纤光栅的作用，导致其光栅区折射率和光栅间距变化，从而引起反射波长的改变作为传感原理的，其解调的本质就是通过检测光栅波长的位移情况，获得待测外界物理量的变化状况。

光纤光栅传感器以其传感探头小、抗电磁干扰能力强、精度高、易于组建传感网络进行分布式测量，已被应用于桥梁、隧道等建筑结构的应变变形、温度预警等安全监测中。

现有的通用的解调方法为1、边缘滤波器法，2、匹配光栅法，3、非平衡M-Z干涉法，4、可调谐滤波器法。其中可调谐F-P滤波器法具有较高的波长分辨率和较大的工作范围，可用于对高速动态信号的解调，并易于进行数据处理，工程上大多采用此方法。

目前，已出现的解调系统和方法，在应用上多限于大型土木工程结构的安全监测等方面，即对动态信号的监测限于低速动态信号，即解调速度不高(一般低于200Hz)，其次精度比较低(一般在3pm左右)、稳定性和重复性差、体积也比较大、携带不方便，也不能满足多个监测领域的需求。由于多通道光纤光栅解调能够检测出更多监测点的物理环境，在应用中获得更大需求。现在国内大多数的解调方案都是采用可调谐F-P滤波器法，但是它们大多采用了一个通道对应着一个FP干涉仪的解调方式，多通道解调在实际中都使用多个FP干涉仪，同时由于信号处理的性能局限，即基本上使用单片机等MCU微程序控制器，大多都采用多个信号采集和处理模块，进行分时处理。而高速FBG传感器进口成本很高，约为5万美金左右。

发明内容

本发明的目的在于提供一种嵌入式多通道高速光纤光栅传感器解调系统，该系统具有较高解调速度、多通道解调、解调范围宽、分辨率高的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种嵌入式多通道高速光纤光栅传感器解调系统，其特点是：它由宽带荧光源、三端环形器、1*N光开关、光纤布拉格光栅(fibber bragg gratting，以下简称为FBG)传感探头、斜面光纤头、2*1耦合器、高精度FP干涉仪、光电检测模块、温度控制模块、锯齿波发生器、信号采集与处理模块和计算机组成，上述各元部件的连接关系如下：

所述的宽带荧光源的输出端通过光纤接所述的2*1耦合器第一输入端，该2*1耦合器的输出端连接所述的高精度FP干涉仪；所述的宽带荧光源的输出端经过光纤连接所述的三端环形器的第一端口，该三端环形器的第二端口经过所述的1*N光开关与N个所述的FBG光纤光栅传感头连接，该N个FBG传感头的每一个FBG传感头均具有斜面光纤头，所述的三端环形器的第三端口再与所述的2*1耦合器另一输入端连接；所述的温度控制模块与所述的高精度FP干涉仪相连，精确控制所述的高精度FP干涉仪的工作温度；所述的锯齿波发生器的输出端连接所述的高精度FP干涉仪，为其提供驱动高压，使所述的高精度FP干涉仪稳定输出波长变化的光信号；所述的高精度FP干涉仪输出带有波长信息的光信号经过所述的光电检测模块检测转变成电信号后传输到所述的信号采集与处理模块进行数据处理，该信号采集与处理模块与所述的计算机和锯齿波发生器建立通讯连接，该信号采集与处理模块与所述的1*N光开关相连，并对所述的1*N光开关进行控制。

所述的信号采集与处理模块是由现场可编程门阵列和数字信号处理器相结合构成的，所述的现场可编程门阵列通过模数转换器采集从所述的光电检测模块检测出来的光波长信息数据，变成数字数据并存贮到随机存取存储器中；所述的数字信号处理器从所述的随机存取存储器中读取数字数据，作傅立叶变换，通过RS-232串行通信接口把处理后的数据发送给计算机，为其提供波长的数字信息，所述的现场可编程门阵列还通过高速数模转换器与所述锯齿波发生器相连，所述的现场可编程门阵列还直接与所述的1*N光开关相连。

所述的计算机具有VC++6.0光纤光栅解调的软件，对所述的信号采集与处理模块经RS-232串行通信口传输的数据进行高斯拟合，利用人性化的界面方便显示出解调。

所述的宽带荧光源是高平坦度频谱的掺铒荧光源。

所述的多通道解调是经过所述的三端环形器、1*N光开关和信号采集与处理模块实现的。

所述的锯齿波发生器(10)是由芯片NE555构成的。

所有模块集成在一工控机的机箱内。

所述的宽带光源通过所述的三端环形器，传播到所述的FBG光纤光栅传感探头，所述的FBG光纤光栅传感探头经过被测量(FBG光纤光栅传感探头所处的外界温度变化或所受到的应变力)的物理作用后，反射光波长发生偏移，再经过所述的三端环形器与宽带荧光源发射光进入所述的2*1耦合器进行耦合，通过所述的可调谐高精度FP干涉仪输出，由所述的光电探测模块探测后，经过所述的信号采集与处理模块处理后输出所测波长位移量和其对应的被测量值到计算机中，由专门编写的解调软件进一步处理后，显示出来。

本发明的有益效果是：

通过采用现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称为FPGA)和数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称为DSP)双微处理器，对光开关、锯齿波发生器进行调节控制，所以本发明可实现高速、多通道、高精度的光纤光栅波长解调。

附图说明

图1是本发明嵌入式多通道高速光纤光栅解调系统的连接结构原理图：

图中：1-宽带荧光源  2-三端环形器  3-1*N光开关  4-FBG光纤光栅传感探头  5-斜面光纤头  6-2*1耦合器  7-高精度FP干涉仪  8-光电检测模块  9-温度控制模块  10-锯齿波发生器  11-信号采集与处理模块12-计算机。

图2是本发明嵌入式多通道高速光纤光栅解调系统内所述的信号采集与处理模块的结构框图

图中：2-1-高速DAC，2-2-高速ADC，2-3-FPGA，2-4-随即存储器RAM，2-5-DSP，2-6-RS-232串行通信接口。

具体实施方式

为进一步说明本发明的上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明进行详细的描述，但不应以此限制本发明的保护范围。

参照图1，本发明嵌入式多通道高速光纤光栅传感器解调系统，由宽带荧光源1、三端环形器2、1*N光开关3、光纤布拉格光栅传感探头4、斜面光纤头5、2*1耦合器6、高精度FP干涉仪7、光电检测模块8、温度控制模块9、锯齿波发生器10、信号采集与处理模块11和计算机12组成，上述各元部件的连接关系如下：

所述的宽带荧光源1的输出端通过光纤接所述的2*1耦合器6第一输入端，该2*1耦合器6的输出端连接所述的高精度FP干涉仪7；所述的宽带荧光源1的输出端经过光纤连接所述的三端环形器2的第一端口，该三端环形器2的第二端口经过所述的1*N光开关3与N个所述的FBG光纤光栅传感头4连接，该N个FBG传感头4的每一个FBG传感头4均具有斜面光纤头5，所述的三端环形器2的第三端口再与所述的2*1耦合器6另一输入端连接；所述的温度控制模块9与所述的高精度FP干涉仪7相连，精确控制所述的高精度FP干涉仪7的工作温度；所述的锯齿波发生器10的输出端连接所述的高精度FP干涉仪7，为其提供驱动高压，使所述的高精度FP干涉仪7稳定输出波长变化的光信号；所述的高精度FP干涉仪7输出带有波长信息的光信号经过所述的光电检测模块8检测转变成电信号后传输到所述的信号采集与处理模块11进行数据处理，该信号采集与处理模块11与所述的计算机12和锯齿波发生器10建立通讯连接，该信号采集与处理模块11与所述的1*N光开关3相连，并对所述的1*N光开关3进行控制。

所述的信号采集与处理模块11，参见图2，是由现场可编程门阵列2-3和数字信号处理器2-5相结合构成的，所述的现场可编程门阵列2-3通过模数转换器2-2(Analog-to-Digital Converter，简称为ADC)，采样速率40M(sample rate)采集从所述的光电检测模块8检测出来的光波长信息数据，变成数字数据并存贮到随机存取存储器(2-4)(Random-Access Memory)中；所述的数字信号处理器(2-5)从所述的随机存取存储器2-4中读取数字数据，作傅立叶变换，通过RS-232串行通信接口2-6把处理后的数据发送给计算机12，为其提供波长的数字信息，所述的现场可编程门阵列2-3还通过高速数模转换器2-1(Digital-to-Analog Converter，简称为DAC)转换频率(update rate 10M)与所述锯齿波发生器10相连，所述的现场可编程门阵列2-3还直接与所述的1*N光开关3相连。

所述的计算机12具有VC++6.0光纤光栅解调的软件，对所述的信号采集与处理模块11经RS-232串行通信口传输的数据进行高斯拟合，利用人性化的界面方便显示出解调结果。

所述的宽带荧光源1是高平坦度频谱的掺铒荧光源。

所述的多通道解调是经过所述的三端环形器2、1*N光开关3和信号采集与处理模块11实现的。

所述的锯齿波发生器10是由芯片NE555构成的。

本发明嵌入式多通道高速光纤光栅传感器解调系统的所有模块集成在一工控机的机箱内。

本发明的工作过程：

宽带荧光源1输出的宽带荧光经过耦合光纤输入三端环形器2第一接口，该三端环形器2的第二接口经过1*N光开关3输出到FBG光纤光栅传感探头4，经过被测量的物理作用，其反射光波长发生改变，经过所述的三端环形器2由第三接口的反射光与宽带荧光源1的发射光在所述的2*1耦合器6内耦合后进入所述的高精度FP干涉仪7。高精度FP干涉仪7满足：

1、导通频带窄，通带在16pm～32pm之间；

2、扫描稳定度高，重复扫描误差小于8pm；

3、波长分辨率高，精细度达到4000；

4、扫描范围大，处于C波段内且大于40nm；

5、调谐频率高，为1KHz。

所述的锯齿波发生器10所产生的锯齿波形电压在40V～120V范围内变化，由高精度FP干涉仪7的特性可知，高精度FP干涉仪7输出的光波长对应在1527nm～1567nm之间变化。当反射光进入所述的高精度FP干涉仪7时，宽带荧光源1发射的光波长与其中某一FBG光纤光栅传感头4反射的中心波长相等时，反射光就会通过高精度FP干涉仪7进入到光电检测模块8中。锯齿波发生器10采用NE555定时器构成高精度、低失真锯齿波发生电路，频率1KHz～10KHz范围内可调。为使输出光波长精确，温度控制模块8内部由高精度集成运算放大器构成硬件PID电路和半导体制冷片的驱动器组成，通过半导体制冷片和热敏电阻相结合的方式来稳定高精度FP干涉仪7的工作温度。热敏电阻将高精度FP干涉仪7的温度反馈给温度控制模块8，温度控制模块8经过内部PID运算，将结果反馈给内部的半导体制冷片的驱动器，再由半导体制冷片的驱动器输出相应的驱动量给半导体制冷片使其制冷或加热，以稳定控制高精度FP干涉仪7的工作温度。半导体制冷片和热敏电阻均需要紧贴高精度FP干涉仪7，从而减小温控误差。热敏电阻采用10KΩ@25℃的负温度系数热敏电阻，整个温度控制模块最终达到温控精度为0.1℃。

光电检测模块8主要由光电二极管PIN构成，其把从FP干涉仪7解调出的光波长偏移量转换为电信号，利用前置放大器放大后再经过40M高速ADC转换为数字信号输入到信号采集与处理模块11。

在信号采集与处理模块11中，FPGA采集获得光波长位移量的数字信息，进行数据的初级处理，排除不合理的数据，接收从模数转换器ADC2-2得到的光电检测模块8检测出来的光波长信息。40M高速ADC2-2获得光电检测模块8的模拟电信号，然后将其转换成数字信号并不间断地传输到FPGA2-3，FPGA2-3经检测无误后，输入到RAM2-4中。RAM2-4将数据存贮成FIFO(先进先出First-in First-out)队列。FPGA给RAM发送16K字节数据后通知DSP读取RAM中的数据。然后DSP2-5利用其内部的模块对数据进行傅里叶变换，去掉光波长信息中的毛刺，获得较为平滑的类似高斯曲线的数据点集。处理完毕后DSP将这一组类似高斯曲线的数据点集通过RS232串口通信接口发送给计算机12，为其提供检测波长的数字信息。然后DSP处于等待状态，等待FPGA发送读取数据的通知。

光纤光栅反射峰功率谱密度曲线可用高斯函数近似表达为

$I\left(\mathrm{\λ}\right)=I_0\exp [-4\ln 2{\left(\frac{\mathrm{\λ}{-\mathrm{\λ}}_R}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_R}\right)}^2]$

式中，I₀为反射峰强度峰值，λ_R为此时对应的波长值，Δλ_R为反射谱3dB带宽。在计算机12内部的VC++6.0光纤光栅解调的软件中通过高斯拟合，即用高斯函数对数据点集进行函数逼近的拟合方法，求得反射峰中心波长λ_R，从而得到传感信息。我们按照使误差的平方和最小的原则拟合曲线。误差的平方和为：

$I\left({\mathrm{\λ}}_R\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[I_i-I({\mathrm{\λ}}_i;{\mathrm{\λ}}_R)].$ 首先给出参数λ_R一个初始值，然后逐步迭代

${{\mathrm{\λ}}_R}^{(k+1)}={{\mathrm{\λ}}_R}^{\left(k\right)}-\frac{\▿I\left({{\mathrm{\λ}}_R}^{\left(k\right)}\right)}{{\▿}^{2}I\left({{\mathrm{\λ}}_R}^{\left(k\right)}\right)}.$ 其中I_i为这组数据点集中的每个点的数值，λ_i为每个

点所对应的波长。拟合过程是在VC++6.0光纤光栅解调的软件中完成，然后由计算机12显示出来。

信号采集与处理模块11也通过一个速度达到10M的高速DAC2-1对锯齿波发生器10进行反馈和控制。正常情况下，可由锯齿波发生器10自行产生一个峰-峰值为40V～120V的锯齿波，对应的高精度FP干涉仪7输出的光波长对应在1527nm～1567nm之间变化。需要时，可由信号采集与处理模块11内的高速DAC2-1直接产生特定模拟电压进入所述的锯齿波发生器10，对应着FP干涉仪7进行特定波长的导通频带扫描。信号采集与处理模块11内部同时运行了FPGA和DSP两个微处理器，它们之间用一个共享的双口随机存取存储器RAM2-4，可以在FPGA存储数据的同时，DSP读取之前所存储的内容，实现传感信息的高速解调。

此外，信号采集与处理模块11也与1*N光开关3直接相连，在默认情况下，1*N光开关3自动实施逐个通道的依次扫描，在需要的时候可以直接控制所述的1*N光开关3的开启通道。所述的1*N光开关的切换时间小于10ms，也就是在1s内可以转换通道100次。

经实验表明，本发明的最终实现的嵌入式多通道高速光纤光栅解调系统性能为：单通道解调速度达到1KHz，解调精度为1pm(10^-12m)；多通道(＝8时)同时解调速度达到200Hz，解调精度为1pm(10^-12m)。

Claims (7)

1、一种嵌入式多通道高速光纤光栅传感器解调系统，其特征在于：它由宽带荧光源(1)、三端环形器(2)、1*N光开关(3)、N个光纤布拉格光栅传感探头(4)、2*1耦合器(6)、高精度FP干涉仪(7)、光电检测模块(8)、温度控制模块(9)、锯齿波发生器(10)、信号采集与处理模块(11)和计算机(12)组成，其中N为≥2的正整数，上述各元部件的连接关系如下：

所述的宽带荧光源(1)的一个输出端通过光纤接所述的2*1耦合器(6)第一输入端，该2*1耦合器(6)的输出端连接所述的高精度FP干涉仪(7)；所述的宽带荧光源(1)的另一个输出端经过光纤连接所述的三端环形器(2)的第一端口，该三端环形器(2)的第二端口经过所述的1*N光开关(3)与N个所述的FBG光纤光栅传感头(4)连接，该N个FBG传感头(4)的每一个FBG传感头(4)均具有斜面光纤头(5)，所述的三端环形器(2)的第三端口再与所述的2*1耦合器(6)另一输入端连接；所述的温度控制模块(9)与所述的高精度FP干涉仪(7)相连，精确控制所述的高精度FP干涉仪(7)的工作温度；所述的锯齿波发生器(10)的输出端连接所述的高精度FP干涉仪(7)，为其提供驱动高压，使所述的高精度FP干涉仪(7)稳定输出波长变化的光信号；所述的高精度FP干涉仪(7)输出带有波长信息的光信号经过所述的光电检测模块(8)检测转变成电信号后传输到所述的信号采集与处理模块(11)进行数据处理，该信号采集与处理模块(11)与所述的计算机(12)和锯齿波发生器(10)建立通讯连接，该信号采集与处理模块(11)与所述的1*N光开关(3)相连，并对所述的1*N光开关(3)进行控制。

2、根据权利要求1所述的嵌入式多通道高速光纤光栅传感器解调系统，其特征在于所述的信号采集与处理模块(11)是由现场可编程门阵列(2-3)和数字信号处理器(2-5)相结合构成的，所述的现场可编程门阵列(2-3)通过模数转换器(2-2)采集从所述的光电检测模块(8)检测出来的光波长信息数据，变成数字数据并存贮到随机存取存储器(2-4)中；所述的数字信号处理器(2-5)从所述的随机存取存储器(2-4)中读取数字数据，作傅立叶变换，通过RS-232串行通信接口(2-6)把处理后的数据发送给计算机(12)，为其提供波长的数字信息，所述的现场可编程门阵列(2-3)还通过高速数模转换器(2-1)与所述锯齿波发生器(10)相连，所述的现场可编程门阵列(2-3)还直接与所述的1*N光开关(3)相连。

3、根据权利要求1所述的嵌入式多通道高速光纤光栅传感器解调系统，其特征在于所述的计算机(12)具有VC++6.0光纤光栅解调的软件，对所述的信号采集与处理模块(11)经RS-232串行通信口传输的数据进行高斯拟合，利用人性化的界面方便显示出解调结果。

4、根据权利要求1所述的嵌入式多通道高速光纤光栅传感器解调系统，其特征在于所述的宽带荧光源(1)是高平坦度频谱的掺铒荧光源。

5、根据权利要求1所述的嵌入式多通道高速光纤光栅传感器解调系统，其特征在于所实现的多通道解调是经过所述的三端环形器(2)、1*N光开关(3)和信号采集与处理模块(11)实现的。

6、根据权利要求1所述的嵌入式多通道高速光纤光栅传感器解调系统，其特征在于所述的锯齿波发生器(10)是由芯片NE555构成的。

7、根据权利要求1至6任一项所述的嵌入式多通道高速光纤光栅传感器解调系统，其特征在于所有模块集成在一工控机的机箱内。

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