CN102193267B - 一种用于光纤光栅波长边峰处理的解调系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于光纤光栅波长边峰处理的解调系统，该解调系统包括有：扫描光源连接有一环行器；环行器连接光纤光栅；光电转换及信号放大处理模块连接至环行器上以接收光纤光栅反射回来的光信号，光电转换及信号放大处理模块分别连接至微分过零检测模块和比较模块；微分过零检测模块和比较模块分别连接至数据处理模块；数据处理模块连接至可调基准模块；可调基准模块连接至比较模块为比较模块提供比较的基准数值。本发明光纤光栅波长的解调系统解决了光纤光栅边峰的处理问题和数据运算量过大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，特别涉及到一种在光纤探测中基于扫描光源对光纤光栅信号进行波长边峰处理的解调系统。
背景技术
光纤光栅传感器受外部温度或力的作用，会引起光栅区域有效折射率的变化或光栅周期的变化，从而改变光纤光栅的反射波长。光纤光栅传感系统通过对反射波长的检测来实现对各种物理量的测量。光纤光栅解调技术是光纤光栅传感系统中非常关键的技术，测量光纤光栅的反射波长特性，并将其特性参数解调成所测物理量的值。
目前，光纤光栅解调技术主要有：(1)采用宽带光源和可调谐光纤F-P滤波器对传感光栅的反射谱进行滤波扫描，该解调技术存在高精度的可调谐法布里珀罗腔价格较高；(2)采用色散元件和CCD阵列相结合的光谱成像技术进行波长分析，该解调技术只能实现单通道测量，且分辨率不高；(3)采用匹配光栅滤波法对传感光纤光栅进行波长解调，该解调法结构简单、成本低但精度不高。(4)采用边缘滤波法对光纤光栅进行波长解调，该解调技术要求解调滤波器的边沿要非常陡，线性好，要求系统各个部件参数稳定，精度不高。其中，可调谐光纤F-P滤波法解调技术在光纤光栅传感领域应用广泛。
上述基于可光纤F-P调谐滤波器技术的解调方法中，主要原理是采用AD转换采集数据，数据的量大，尤其是扫描频率达1KHz或以上时，数据处理的量很大，对AD采集的速度和整个数据的传输要求高。从而导致对数据处理的设备以及程序设计要求很高，并且处理工作量大，处理效果不理想，并且效率低下。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提供一种用于光纤光栅波长边峰处理的解调系统。本发明光纤光栅波长边峰处理的解调系统需要解决光纤光栅边峰的处理问题，同时还要解决数据运算量过大的问题。
为了达到上述发明目的，本发明创造提供的技术方案如下：
一种用于光纤光栅波长边峰处理的解调系统，其特征在于，该解调系统包括有：
扫描光源，连接至环行器，为整个解调系统提供扫描光源；
环行器，分别连接至光纤光栅和光电转换及信号处理模块，用于光信号的耦合、分配；
光电转换及信号放大处理模块，连接至环行器，用于接收光纤光栅反射回来的光信号，并对接收到的光信号进行光电转换及信号放大处理，将放大处理后的数据分两路输出：一路与微分过零检测模块连接，另一路与比较模块连接；
微分过零检测模块，分别连接至光电转换及信号放大处理模块和数据处理模块，用于接收来自光电转换及信号放大处理模块输出的一路数据，并对接收到的数据进行微分过零检测处理，将处理结果输出给数据处理模块；
比较模块，分别连接至光电转换及信号放大处理模块、数据处理模块和可调基准模块，用于接收来自光电转换及信号放大处理模块输出的另一路数据，并将接收到的数据与可调基准模块输出的比较基准数值进行比较，比较结果输出给数据处理模块；
数据处理模块，该数据处理模块分别连接至微分过零检测模块、比较模块和可调基准模块，数据处理模块中处理得到光纤光栅中反射的波长结果，数据处理模块连接至可调基准模块；
可调基准模块，连接至比较模块和数据处理模块，用于接收数据处理模块输出的调节指令，调节可调基准模块输出给比较模块的基准数值，为比较模块提供比较基准数值，在比较模块内对边峰进行筛选，得到不同数目的波长，直至筛选出有效的光纤光栅波长。
在本发明的解调系统中，所述的扫描光源或为扫描激光源、或为宽带光源经可调谐滤波器滤波后产生的扫描光源。
在本发明的解调系统中，所述的数据处理模块为MCU、CPU、FPGA、DSP或CPLD。
在本发明的解调系统中，测量光纤光栅的通道不限于单一通道，为2通道及以上。改进的解调系统中扫描光源的输出端连接一分路器，该分路器输出至少两束扫描光信号，每束扫描光信号分别至一环行器形成的通道，该通道中还包括有光纤光栅、光电转换及信号处理模块、微分过零检测模块、比较模块和可调基准模块，多个通道中数据处理共用一个数据处理模块。
基于上述技术方案，本发明用于光纤光栅波长边峰处理的解调系统与现有技术的方法及系统相比具有如下技术优点：
1.本发明提出了在光纤光栅中心波长解调过程中对于光栅波形峰值检测和边峰的处理硬件新的解决方案，实现了对光栅中心波长的有效筛选，解决了后端数据处理量大的弊端。
2.本发明的解调系统无需快速的AD采集和运算复杂的数据处理，仅仅通过硬件就过滤了大量的无效信号，使得采集的数据真实有效，并且这些真实数据的处理量小，处理过程也相对简单。
附图说明
图1本发明用于光纤光栅波长边峰处理的解调系统的结构连接示意图。
图2是本发明的解调系统中光电转换及信号放大后得到光纤光栅带边峰的示意图。
图3为图2的微分图。
图4为带边峰光纤光栅信号经微分过零检测后得到的脉冲输出示意图。
图5为经比较模块后输出一种没有过滤边峰的脉冲示意图。
图6为比较模块经调节比较基准后输出过滤边峰信息的脉冲示意图。
图7是实施例2中解调系统的结构连接示意图。
具体实施方式
下面我们结合附图和具体的实施例来对本发明用于光纤光栅波长边峰处理的解调系统做进一步详细阐述，以求更为清楚明了地理解本发明的结构组成以及工作过程，但不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明用于光纤光栅波长边峰处理的解调系统包括有如下结构：扫描光源1、光纤光栅3、环行器2、光电转换及信号放大处理模块4、微分过零检测模块5、比较模块6、数据处理模块8和可调基准模块7。其中，该扫描光源1的输出端连接一环行器2，在环行器2上接有光纤光栅3，该光纤光栅3向反方向反射回光信号，该反射光通过环行器2与光电转换及信号放大处理模块4连接，该光电转换及信号放大处理模块4上设有两个输出端口，两个输出端口分别连接至微分过零检测模块5和比较模块6上，微分过零检测模块5和比较模块6均输出处理结果至数据处理模块8中处理，比较模块6还连接有可调基准模块7，数据处理模块8连接至可调基准模块7。
在上述的结构连接当中，各个结构组成内光电及数字信号的输送关系如下：扫描光源，该扫描光源所输出的光源至一环行器，在环行器上接有光纤光栅，该光纤光栅向反方向反射回光信号，这里的环行器也可以是一个分路器，它们起到的作用相同，都是将光纤光栅反射的光从另一端口输出。
光电转换及信号放大处理模块，该光电转换及信号放大处理模块连接至环行器上以接收反射光，对反射光进行光电转换并进行数据的放大处理，放大得到的是扫描光谱的模拟信号，上述放大后的数据分两路输出。
微分过零检测模块，该微分过零检测模块连接光电转换及信号处理模块以接收一路放大后的数据，该数据中包含有光栅谱峰和边峰位置信息的脉冲信号，微分过零模块就是对数据进行微分过零处理，处理结果输入至数据处理模块。
比较模块，该比较模块连接于光电转换信号处理模块以接收一路放大后的数据，接收的数据与比较模块内接收的初始数值进行比较，比较结果输入至数据处理模块，所述的初始数值由可调基准模块提供给比较模块。
数据处理模块，该数据处理模块分别连接至微分过零模块和比较模块，数据处理模块中处理得到光纤光栅中反馈光谱的波长结果，数据处理模块连接至可调基准模块。这里的数据处理模块为MCU、CPU、FPGA、DSP或CPLD。其中，MCU(Micro Control Unit)中文名称为微控制单元，CPU(Central Processing Unit)中文名称为中央处理器，FPGA(Field-Programmable Gate Array)中文名称为可编程门阵列，DSP(Digital Signal Processing，简称)中文名称为数字信号处理器，CPLD(Complex Programmable Logic Device)中文名称为复杂可编程逻辑器件。
可调基准模块，该可调基准模块一端连接比较模块以提供初始数值，另一端连接数据处理模块以接收调节数值的指令，调节由可调基准模块所提供给比较模块的基准值，在比较模块内对边峰进行筛选，得到不同数目的波长，直至筛选有效的光纤光栅波长。
在本发明中，由扫描光源1发出窄带波长扫描的光源，该光源可以为宽带光源经可调谐滤波器后产生的扫描窄带光源，或者直接为一台扫描激光器，通过环行器2后入射到光纤光栅3，光纤光栅将入射的扫描光沿原路反射回环行器2后进入到光电转换及信号放大处理模块4，得到的信号见图2所示，图2是本发明的解调系统中光电转换及信号放大处理后得到光纤光栅带边峰的示意图。该图中除了光纤光栅原有的中心波长λ0外，还带有边峰λ’0。
上述图2中的信号分为两路：一路信号送入到微分过零检测模块5。若微分过零检测模块中接收信号为f(t)，则微分过零检测模块5对该接收信号进行微分，得到微分信号其中，A是一个和电路结构有关的常数。然后，在微分过零检测模块5中将所得到的微分信号和一个固定电平相比较，从而将扫描得到的光栅光谱信号转变为包含光纤光栅峰和边峰位置信息的脉冲信号，该脉冲如图4所示，得到的脉冲信号被输送入到数据处理模块8。
图2中另一路信号送入到比较模块6，通过可调基准模块7调节不同的比较基准，可以输出形状如图5或图6的信号。然后将结果也送入到数据处理模块8中，其中，图5中的信号中包含了边峰的信息，而图6中是过滤了边峰信号。
在数据处理模块8中，对光电转换信号及信号放大处理模块4一路经微分过零检测模块5后得到波形图4，另一路经比较模块6后得到图5波形，将图5波形和图4波形进行逻辑运算中的逻辑与运算，得到了含有边峰信息的脉冲序图，数据处理对得到的脉冲时序图进行时序分析即可获得了峰波长值并输出结果。
同时，根据从数据处理模块8中所得到的波长的数目，通过数据处理模块8来调节可调基准模块7的基准值，从而使比较模块6的输出波形如图6所示，同样和图4波形进行逻辑运算中的逻辑与运算，得到了过滤了边峰的脉冲时序，达到对边峰的筛选，在数据处理模块8中得到的有效的光纤光栅波长，也就是本发明的解调系统的解调结果。
实施例2
对于2通道处理，参见图7，其中9为分路器，将扫描光源1出来的光分为2路，一路送到环行器21的通道，该通道中还包括有光纤光栅31、光电转换及信号放大处理模块41、微分过零检测模块51、比较模块61、数据处理模块8和可调基准模块71；另一路送到环行器22的通道，该通道中还包括有光纤光栅32、光电转换及信号放大处理模块42、微分过零检测模块52、比较模块62、数据处理模块8和可调基准模块72，除图1中的扫描光源1和数据处理模块8是共用部分外，其余功能相同通道不同的用下标来区别，下标相同的表示同一通道。如果多于两通道，同样可将分路器9分为多路，其他不再重述。
本发明的一种光纤光栅波长解调系统基于微分过零检测技术，属光纤传感测量技术。它提出了在光纤光栅中心波长解调过程中对于光栅波形峰值检测和边峰的处理硬件新的解决方案，实现了对光栅中心波长的有效筛选，解决了后续环节数据处理量大的弊端。
Claims (5)
1.一种用于光纤光栅波长边峰处理的解调系统，其特征在于，该解调系统包括有：
扫描光源，该扫描光源输出接有一环行器，在环行器上接有光纤光栅；
环行器，分别连接至光纤光栅和光电转换及信号处理模块以耦合、分配光信号；
光电转换及信号放大处理模块，连接至环行器，用于接收光纤光栅反射回来的光信号，并对接收到的光信号进行光电转换及信号放大处理，将放大处理后的数据分两路输出：一路与微分过零检测模块连接，另一路与比较模块连接；
微分过零检测模块，分别连接至光电转换及信号放大处理模块和数据处理模块，用于接收来自光电转换及信号放大处理模块输出的一路数据，并对接收到的数据进行微分过零检测处理，将处理结果输出给数据处理模块；
比较模块，分别连接至光电转换及信号放大处理模块、数据处理模块和可调基准模块，用于接收来自光电转换及信号放大处理模块输出的另一路数据，并将接收到的数据与可调基准模块输出的比较基准数值进行比较，比较结果输出给数据处理模块；
数据处理模块，该数据处理模块分别连接至微分过零检测模块、比较模块和可调基准模块，数据处理模块中处理得到光纤光栅中反射的波长结果，数据处理模块连接至可调基准模块；
可调基准模块，连接至比较模块和数据处理模块，并接收数据处理模块输出的调节指令，调节可调基准模块输出给比较模块的基准数值，为比较模块提供比较基准数值，在比较模块内对边峰进行筛选，得到不同数目的波长，直至筛选出有效的光纤光栅波长。
2.根据权利要求1所述的一种用于光纤光栅波长边峰处理的解调系统，其特征在于，所述的扫描光源或为扫描激光源、或为宽带光源经可调谐滤波器滤波后产生的扫描光源。
3.根据权利要求1所述的一种用于光纤光栅波长边峰处理的解调系统，其特征在于，所述的数据处理模块为微控制单元、中央处理器、可编程门阵列、数字信号处理器或复杂可编程逻辑器件。
4.根据权利要求1所述的一种用于光纤光栅波长边峰处理的解调系统，其特征在于，测量光纤光栅的通道为2通道或多通道。
5.根据权利要求4所述的一种用于光纤光栅波长边峰处理的解调系统，其特征在于，所述扫描光源的输出端连接一分路器，该分路器输出至少两束扫描光信号，每束扫描光信号分别送至一环行器形成的通道，该通道中还包括有光纤光栅、光电转换及信号处理模块、微分过零检测模块、比较模块和可调基准模块，多个通道中数据处理共用一个数据处理模块。
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