CN101625247B - 基于dsp的大量程高速光纤光栅传感解调装置与解调方法 - Google Patents

Abstract

基于DSP的大量程高速光纤光栅传感解调方法与解调装置，利用薄膜滤波技术实现信号解调。使用DSP专用处理电路对该信号进行高速实时的信号采集和处理。装置采用对数放大加差动放大的方法，获得两路信号的比值。后端使用DSP进行高速实时的信号采集和处理，将采样结果带入非线性拟合曲线获得应变值，在CPLD的控制下通过网口直接将结果传到计算机。也可由CPLD控制专用USB接口进行信号传输。本发明能进行实时动态和静态测量，测量速度快灵敏度高，并且具有实时性和高速性的优点。处理数据可以通过USB接口和网线，两种传输方式传入计算机，支持即插即用，可实现长距离传输，方便不同需求的用户使用。

Description

基于DSP的大量程高速光纤光栅传感解调装置与解调方法

【技术领域】：

本发明涉及可用于各种基于DSP的光纤光栅传感领域，尤其是大量程高速解调方法及解调装置。

【背景技术】：

光纤Bragg光栅(FBG)传感器是目前应用研究最多的光纤光栅传感器，在整个光纤光栅长度内，周期和折射率是均匀的，Bragg谐振波长λ_B满足：

λ_B＝2nΛ(1)

式中，Λ为光栅周期，n为纤芯有效折射率。外界待测量如应变的扰动会引起光纤光栅的折射率和光纤光栅周期的变化，进而使光纤光栅的Bragg反射波长漂移。通过测取波长的漂移量即可获知待测量的变化信息。

目前，光纤光栅解调设备多采用可调谐滤波器，解调速度较低，一般不大于200Hz，很难满足振动，地质监测等实时高速采样场合的要求。采用边缘滤波器的解调仅使用其线性解调部分，解调范围较窄。同时保证高解调速率和宽响应范围的光纤光栅解调系统尚未见有，已成为制约光纤光栅传感进一步发展的突出问题。

【发明内容】：

本发明的目的是克服上述方法中的不足，提供一种成本低廉，便携式，可以实现静态和动态测量，性能可靠的基于DSP的大量程高速光纤Bragg光栅传感解调方法及解调装置。

本发明提供的基于DSP的大量程高速光纤光栅传感解调装置，包括：

宽带光源：用于产生宽带光信号；

耦合器：用于将宽带光信号传入光纤光栅传感器，并将光纤光栅传感器的反射光传至薄膜滤波器；

光纤光栅传感器：用于接收经耦合器传入的宽带光信号，并将外界作用引起的光信号变化反射回耦合器；

薄膜滤波器：接收经耦合器传入的光纤光栅传感器的反射光信号，并将反射光信号分为透射光和反射光两部分，然后输入信号处理与传输系统；该信号处理与传输系统包括：

光电探测器：将信号光和参考光光强转换为低噪声电信号；

前置对数放大器：将电信号进行低噪声的对数放大；

差动放大器：将经过对数放大后的信号进行差动放大，提取两路信号比值，从而利用参考光消除外界不良干扰；

模/数转换器：将模拟信号转换成可供DSP和计算机处理的数字信号；

时钟电路和控制电路：控制整个系统的时序和芯片的具体工作；

信号处理部分：对数字信号进行高速的本地实时处理，将采样信号带入非线性拟合曲线获取应变数值；

以太网信号转换模块：转换数据格式，为装置提供高速以太网接口；

专用USB接口电路：转换数据格式，为装置提供可进行高速大数据量传输的USB接口；

计算机处理界面：保证计算机系统实时对外界信号检测，并对危险信号进行报警处理。

其他模块：电源模块，为系统提供电源支持。

本发明提供的基于DSP的大量程高速光纤光栅传感的解调方法的解调过程如下：

宽带光源的光通过耦合器到达待测光纤Bragg光栅传感器，满足Bragg反射条件

λ_B＝2nΛ

的入射光波被强烈反射，即反射光成为携带外界信号的窄带光谱λ_B

对于应变ε_Z引起的Bragg波长变化可写为：

Δλ_B＝K_ελ_Bε_Z                    (2)

其中K_ε为光纤光栅应变灵敏度系数，ε_Z为轴向应变

对于温度ΔT引起的Bragg波长变化可表示为

Δλ_B＝(α+ξ)·ΔT·λ_B＝K_T·ΔT·λ_B          (2’)

其中K_T为光纤光栅的温度灵敏度系数，ΔT为温度变化，α为光纤的热膨胀系数，ξ为光纤材料的热光系数。

反射谱经过薄膜滤波器CWDM，分为透射光和反射光两部分。其中透射端光强随入射波长变化很大，可以作为测量信号。反射端的光强随入射波长变化很小，可以作为参考信号。参考信号的引入消除了由于光源和光纤连接器所带来的光强波动对测量结果的影响。两路信号经差分放大后的电压与光纤Bragg光栅反射波长偏移量之间的关系为：

$\mathrm{\Δ}{V}^{\′}=10\lg \frac{P_1}{P_2}=A{({\mathrm{\λ}}_B-{\mathrm{\λ}}_0)}^2+B({\mathrm{\λ}}_B-{\mathrm{\λ}}_0)+C=K_P\left({\mathrm{\λ}}_B\right)---\left(3\right)$

式中，P1为测量信号的光功率、P2为参考信号的光功率。本系统中A取0.485，B取2.305，C为偏置部分，取为0，λ₀为薄膜滤波器中心波长。即输出电压信号随光纤光栅的反射光谱的变化而变化，引入函数K_P(λ)表示这种变化并非以往的线性，将CWDM的光谱响应范围由线性扩展到非线性范围，从而增加系统的测量范围，提高了系统的测量精度。

通过预先标定的电压变化与待测物理量数学模型(式2和式2’)之间的关系，解调系统可以直接得到待测物理量的信息。

输出电压信号最后经过滤波处理和A/D变换输入DSP。数字信号处理器对由于温度或应变引起的电压变化进行高速的数据采集、实时处理，根据外界信号与反射波长变化函数(式2和式2’)以及CWDM的非线性特性(式3)，直接得出外界环境与电压信号之间的关系

ΔV′＝G(x)＝K_P[(K_x·Δx+1)·λ_B]            (4)

式中，x为轴向应变量ε_Z或温度变化量ΔT。

将电压信号转换成直接反应外界待测量的值。处理完毕的信号，可以通过网线传入计算机，也可通过USB接口传入计算机，方便不同需求的用户使用。

本发明的优点和积极效果：

●提出一套完整的高速光纤Bragg光栅解调方法，采用CWDM的非线性部分进行解调。解调范围宽，能进行动态和静态测量，灵敏度高，采样速率不低于5kHz。

●采用差动方案检测信号，抗干扰能力强，精度高。

●充分利用DSP的高速数据处理能力，直接建立电压信号与外界待测量之间的关系，实现了对外界环境(温度压力等)高速实时监测。

●提供了两种传输模式：可通过网线和USB接口对信号进行传输，网线传输距离远，传输带宽宽。USB接口传输支持热插拔，传输速率快，抗干扰性强。。一般计算机均有USB接口和网线接口，所以非常方便用户的使用。

【附图说明】：

图1是本发明解调装置结构示意图；

图2是光纤光栅的入射、反射和透射光谱；图2(1)入射光谱，图2(2)反射光谱，图2(3)透射光谱，图2(4)反射光谱的波长移动；

图3是光纤光栅传感原理：图中2为3dB耦合器；

图4是对数差动放大电压与差动Bragg光栅反射波长理论关系曲线与实际测量值的比较；

图5是信号处理与解调控制系统总体示意图，即图1中所示的光信号检测解调、数据采集与数据处理及接口设备三部分的具体实现框图；

图6是信号处理与解调控制系统中所用前置对数放大电路；

图7是信号处理与解调控制系统中所用差动放大和滤波电路；

图8是信号处理与解调控制系统中模/数转换电路；

图9是信号处理与解调控制系统中CPLD时序控制电路；

图10是信号处理与解调控制系统中DSP处理电路；

图11是以太网数据信号转换电路；

图12是信号处理与调谐控制系统中USB接口电路

图13是系统信号变化图解；

图14是解调系统检测波长与光功率计检测波长之间的关系。

图中，1光源，2耦合器，3光纤Bragg光栅传感器，4薄膜滤波器，5(图5中的6、7)为低噪声光电探测器，8、9为前置对数放大器，10为差动放大器，11为低通滤波电路，12为模/数转换器，13为时钟电路和控制电路，14为信号处理部分，15为以太网信号转换模块，16为专用USB接口电路，17为计算机应用程序界面。

【具体实施方式】：

实施例1：解调装置及系统实现方式

如图1所示，光源1发出的宽带光通过耦合器2到达光纤Bragg光栅传感器3，反射光经过耦合器2到达薄膜滤波器4，薄膜滤波器的两端输出光功率经一对光电探测器5(图5中的6、7)转化为电信号进行信号处理。

信号处理与传输系统结构如图5所示：

6、7为一对低噪声光电探测器(与图1中的5对应)，8、9为前置对数放大器AD8304(电路图如图6)，10为差动放大器AD620(电路图如图7)，11为低通滤波电路(电路图如图7)，12为模/数转换器AD7663(电路如图8)，13为时钟电路和控制电路EPM7128ST100(如图9)，14为信号处理部分(如图10)，15为以太网信号转换模块，16为专用USB接口电路(见图11)，17为计算机应用程序界面。

光强信号经高响应度的PIN型光电探测器转化为电信号后，进入信号处理系统：

两路电压信号经AD8304被对数放大后，通过AD620差分放大输出一路电压信号，从而消除了光源波动对解调系统的影响，最后经过放大滤波处理输出到数据采集与传输电路。光信号检测与解调电路实际上是将光纤Bragg光栅反射波长随外界应力发生的漂移量之间的关系，转化为光功率与反射波长的关系，并最终转换成了差分电压值与光纤光栅反射波长漂移量之间的关系。经AD620输出的电压值与反射波长的关系为：

$\mathrm{\Δ}{V}^{\′}=10\lg \frac{P_1}{P_2}=A{({\mathrm{\λ}}_B-{\mathrm{\λ}}_0)}^2+B({\mathrm{\λ}}_B-{\mathrm{\λ}}_0)+C=K_P\left({\mathrm{\λ}}_B\right)$

系统采用AD7663对电压信号进行A/D变换。AD7663是一款低温漂，高转换效率，十六位精度模数转换器，可采用两种参考电平，本模块与系统整体性能匹配，将参考电压设为3V，从而芯片的检测电压灵敏度达0.1mV。为提高数据精度和系统的稳定性，采用低温漂，高抗噪声性能的稳压模块AD780为AD7663提供精准的3V参考电压。

利用TMS320对十六位电压信号进行采集，并通过测量电压与外界信号之间已建立的数学模型，直接得出外界待测信息。DSP同时实现将数据进行格式转换，以便于网络接口模块的传输。

专用USB接口传输采用CY7C68013控制芯片。利用自动块传输模式，在Slave FIFO方式下，每接收512字节，自动打包，向上位机发送一帧数据。USB接口的FIFO有独特的“量子”特性，根据USB分组大小，外部可以一次提交多达4096个字节的数据，而不是每次一个字节，保证瞬时传输(提交)数据。芯片提供多重可变缓冲区，使得外部逻辑接口与USB之间不必再相互等待。FIFO量子特性及可编程设置多缓冲特性为满足USB2.0所需带宽提供了保障。并且差动信号传输模式，大大降低了外部信号干扰和误码率。

实施例2：解调方法与实现

上述解调装置的解调过程如下：

宽带光谱照射到Bragg光纤光栅传感器上，其中满足Bragg方程(式1)的部分被强烈反射。光谱经过薄膜滤波器(器件4)，进行变换，将经过调制的携带外界信息的窄带波，变为两路光功率随波长变化的信号光。其中参考光的引入消除了由于光源和光纤连接器所带来的光强波动对测量结果的影响。两路光信号经PIN光电探测器转换为电信号，经对数差动放大(差动放大结果见式3)，由带有精密稳压模块的A/D转换电路变为数字信号。DSP对数字信号进行高速的本地实时处理，根据已经标定的电压-应变关系，直接将采样信号带入非线性拟合曲线获得应变数值。处理结果经网络接口芯片传入计算机，或者由CPLD控制USB芯片在从FIFO模式下进行半满数据传输。

本发明解调方法中：

1、充分利用CWDM的光功率-波长变换特性，利用该滤波器的线性和非线性部分对窄带光波进行波长解调，将波长信号转化为便于探测的功率信号，大大增加了系统的量程和应用范围。

2、利用DSP数据处理模块对电压数字信号进行高速处理，根据事先标定将电压信号直接转化为外界信息，处理速度快。同时DSP将数据进行格式变化，以便进行以太网接口传输。

实施例3：应用举例

本发明解调装置和方法可应用于光纤光栅应力和温度传感。将Bragg光纤光栅植入待测系统。系统的温度或应力变化，或导致光纤光栅折射率变化。如图1所示，宽带光谱源1发出连续波长光谱，照射到Bragg光纤光栅传感器上，根据Bragg公式(式1)，光栅反射波长会发生变化，且反射波长携带温度或应力信息。薄膜滤波器(器件4)用于对反射光进行波长解调。器件将窄带波分成透射和反射两路光，其中参考光的引入消除了由于光源和光纤连接器所带来的光强波动对测量结果的影响。光功率信号经光电变换，对数和差动放大后，进行模/数变换，DSP对数字信号进行实时处理，根据事先标定的电压-应变关系，直接将采样信号带入非线性拟合曲线获得应变数值。应变信息直接通过USB或以太网接口传入计算机处理。外界信息通过如图13的路径被实现调制、解调、检测。

实验系统中，采用中心波长1541.9nm薄膜滤波器，对功率为4uW的光进行解调，解调系统检测波长与标准光功率计检测波长的结果如图14，对于1539.6nm-1542.5nm范围内最大偏差仅为3pm，完全可以实现精确的波长解调，满足测量要求。

Claims (2)

1.一种基于DSP的大量程高速光纤光栅传感解调方法，其特征是提供一种新的数学模型和解调方法，即利用薄膜滤波器的线性和非线性部分进行信号解调，并利用DSP对非线性结果进行高速分析处理；这种新装置与以往的相比，扩大了装置的量程，提高了系统的精度，提高了薄膜滤波器的解调带宽和系统的处理速度；具体实现的方法为：

第一、将光源发出的宽带光通过耦合器传到光纤光栅传感器；

第二、经光纤光栅传感器的反射光谱满足：

λ_B＝2n_effΛ

式中，Λ为光纤光栅周期，n_eff为纤芯的有效折射率；外界待测量的应变的扰动会引起光纤光栅的有效折射率n_eff和光纤光栅周期Λ的变化，进而使光纤光栅的Bragg反射波长λ_B发生漂移；通过薄膜滤波器解调波长的漂移量，即可获得应变或温度的变化值；该反射光入射到薄膜滤波器时，薄膜滤波器对信号光波进行解调，将其分为强度不同的透射光和反射光两部分；其中透射端光强随入射波长变化很大，作为测量信号；反射端光强随入射波长变化很小，作为参考信号；参考信号的引入消除了由于光源和光纤连接器所带来的光强波动对测量结果的影响；

第三、使用高响应度的PIN光电探测器将薄膜滤波器输出的两路光强信号转换为电信号；再用专用的对数放大电路、差动放大电路取代普通方法中的除法器，对已转换的电信号进行对数差动放大，差动电压满足：

式中，P₁为测量信号的光功率，P₂为参考信号的光功率；

差动电压模拟信号由带有精密稳压模块的A/D转换电路变为数字信号输入DSP；

第四、用DSP核心处理电路对非线性数字信号进行高速的实时处理，对非线性部分采样信号进行拟合和校正，最终获得应变或温度的值；

第五、处理结果经过网络接口芯片传入计算机，或者由CPLD控制USB芯片工作于从FIFO模式下进行半满数据传输，进入计算机。

2.一种实现权利要求1所述方法的大量程高速光纤光栅传感解调装置，其特征在于采用了高速高精度的数据处理装置，实现对采样信号的实时处理，提高光纤光栅传感系统的测量量程和测量精度及灵敏度；该装置包括：

宽带光源：用于产生宽带信号；

耦合器：用于将宽带光信号传入光纤光栅传感器，并将光纤光栅传感器的发射光传至薄膜滤波器；

光纤光栅传感器：用于接收耦合器传入的宽带光信号，并将外界作用引起的光信号变化反射回耦合器；

薄膜滤波器：接收耦合器传入的光纤光栅传感器的反射信号，并将反射光信号分 为透射光和反射光两部分，然后输入信号处理与传输系统；

该信号处理与传输系统包括：

PIN光电探测器：高精度PIN光电探测器将信号光与参考光光强转换为低噪声的电信号；

前置对数放大器：将电信号进行低噪声的对数放大；

差动放大器：将经过对数放大后的信号进行差动放大，提取两路信号的比值，从而用参考光消除外界不良干扰；

模数转换器：将模拟信号转换成可供DSP和计算机处理的数字信号；

时钟电路和控制电路：控制整个系统的时序和芯片的具体工作；

DSP信号处理部分：对非线性数字信号进行高速本地实时处理，对采样信号进行非线性拟合和校正，获得应变或温度的数值；

以太网信号转换模块：转换数据格式，为装置提供高速以太网接口；

专用USB接口电路：转换数据格式，为装置提供可进行高速大数据量传输的USB接口；

计算机处理界面：保证计算机系统实时对外界信号的检测，并对危险信号进行报警处理。 

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