CN102788604A - 基于硬件寻峰的高速光纤光栅解调系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于硬件寻峰的高速光纤光栅解调系统，其中，光栅传感器和光电转换模块之间连接高速扫频光输出及光通路模块，光电转换模块连接信号调理模块，信号调理模块连接硬件微分模块，硬件微分模块连接信号采集处理模块，信号采集处理模块的第一控制信号输出端连接信号调理模块，信号采集处理模块的第二控制信号输出端连接光学器件驱动模块，信号采集处理模块的第三控制信号输出端连接硬件微分模块，信号采集处理模块连接上位机，光学器件驱动模块驱动高速扫频光输出及光通路模块输出高速扫频光信号。本发明实现了脉冲信号峰值的硬件寻峰，从而提高了电路的稳定性，并有效地提高了解调精度，排除了光强变化对波长解调的干扰。

Description

基于硬件寻峰的高速光纤光栅解调系统

技术领域

本发明涉及光纤光栅解调技术领域，具体涉及一种基于硬件寻峰的高速光纤光栅解调系统。

技术背景

随着光纤传感技术的发展,光纤光栅传感器以其抗电磁干扰、耐腐蚀、高绝缘性、便于分布式测量等优点，在土木工程、石油化工、航空航天、医疗、船舶工业等领域取得了广泛应用，成为传感领域内发展较快的技术之一。FBG（Fiber Bragg Grating，光纤布喇格光栅）可以封装成各种传感器，用于温度、应变和压力等物理量的检测。然而随着技术的不断进步，以及安全监测的需要，提出了利用FBG检测振动信息的要求，这就要求光纤光栅解调系统能够高速率、宽范围、高分辨率的测量FBG反射波长的变化量。现有的高速光纤光栅的解调系统如图1所示，包括多路光栅传感器、高速扫频光输出及光通路模块、光电转换模块、AD采样模块、软件寻峰控制模块、电源模块和上位机。

光纤光栅根据传感信号的不同，反射回特定波长的光，经过光电转换部分转换为脉冲信号，脉冲峰值对应反射光波长。而现有的信号解调的方案大都是采用AD采样然后软件寻峰方案。而软件寻峰方法存在许多问题，现在国内AD采样芯片的极限速度在200M左右，由于光栅反射脉冲宽度仅有200pm到300pm，经光电转换后，经DA采样的点数仅为200点左右，而利用200采样点对脉冲峰值进行分析会引入很大误差。DA采样法的另一问题是采样窗口过小，当光强变化较大时，会给峰值采样带来很大的问题，而采用对数电路等方法处理信号又会使脉冲封顶变得不明显。

高速光纤光栅传感系统主要应用于旋转设备等高速振动场合传感量的检测，高速光纤光栅解调的难点在于速度快、数据量大、以及时常伴有大范围光强变化。而这些是上述传统解调方案所无法解决的。峰值检测部分是高速光纤光栅光栅解调的关键，在提高检测精度、检测速度的同时，必须降低噪声，排除转换波形不规则及光强变化等带来的干扰。

而光纤光栅解调技术为光纤传感推广应用的关键技术。高速光纤光栅传感系统主要应用于旋转设备等高速振动场合传感量的检测，高速光纤光栅解调的难点在于速度快、数据量大、以及时常伴有大范围光强变化。而这些是传统解调方案所无法解决的。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术问题，提供一种基于硬件寻峰的高速光纤光栅解调系统，该系统能提高电路的稳定性，并有效地提高了解调精度，排除了光强变化对波长解调的干扰。

为实现此目的，本发明所设计的基于硬件寻峰的高速光纤光栅解调系统，包括光栅传感器、高速扫频光输出及光通路模块、光电转换模块、上位机，其中，光栅传感器通过高速扫频光输出及光通路模块与光电转换模块连接，其特征在于：它还包括光学器件驱动模块、信号采集处理模块、硬件微分模块以及信号调理模块，其中，所述光电转换模块的信号输出端通过所述信号调理模块连接所述硬件微分模块的信号输入端，所述硬件微分模块的信号输出端连接所述信号采集处理模块的信号采集端，所述信号采集处理模块的第一控制信号输出端连接所述信号调理模块的调理增益倍数控制端，所述信号采集处理模块的第二控制信号输出端连接所述光学器件驱动模块的扫频光源频率及偏置控制端，所述信号采集处理模块的第三控制信号输出端连接所述硬件微分模块的比较电压控制端，所述信号采集处理模块还通过局域网连接所述上位机，所述光学器件驱动模块驱动高速扫频光输出及光通路模块输出高速扫频光信号。

所述光电转换模块包括光信号转电流信号单元和电流信号转电压信号单元，所述信号调理模块包括差动放大器、可编程增益放大器和低通滤波器，所述硬件微分模块包括类微分电路和高速比较器，其中，光信号转电流信号单元、电流信号转电压信号单元、差动放大器、可编程增益放大器、低通滤波器、类微分电路以及高速比较器依序连接，所述光信号转电流信号单元的信号输入端接收高速扫频光输出及光通路模块中光通路内的光信号，高速比较器输出方波信号给信号采集处理模块，所述高速比较器的比较电压控制端连接信号采集处理模块的第三控制信号输出端，所述可编程增益放大器的调理增益倍数控制端连接信号采集处理模块的第一控制信号输出端。

所述类微分电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1以及运算放大器A，所述低通滤波器的信号输出端通过电容C1连接运算放大器A的同相输入端，运算放大器A的同相输入端还通过电阻R1接地GND，所述运算放大器A的反相输入端通过电阻R2接地，所述运算放大器A的输出端连接高速比较器的信号输入端，所述运算放大器A反相输入端还通过电阻R3连接运算放大器A的输出端。

所述高速扫频光输出及光通路模块包括第一光隔离器、第二光隔离器、连接在第一光隔离器和第二光隔离器之间的光源、与第二光隔离器输出端连接的第一光耦合器、连接在第一光耦合器和第一光隔离器之间的法布里珀罗滤波器，第一光耦合器还连接有第二光耦合器，所述第二光耦合器连接有第三光耦合器，第三光耦合器连接有第四光耦合器和第五光耦合器，第四光耦合器连接光信号转电流信号单元和一个光栅传感器，第五光耦合器连接光信号转电流信号单元和另一个光栅传感器。

所述第二光耦合器还连接有第六光耦合器，所述第六光耦合器连接有梳状滤波器和透射光栅，所述梳状滤波器和透射光栅均连接光信号转电流信号单元。

所述光学器件驱动模块包括光源驱动及恒温单元和法布里珀罗滤波器驱动模块，其中，所述光源驱动及恒温单元的信号输出端连接光源，法布里珀罗滤波器驱动模块的信号输出端连接法布里珀罗滤波器，所述法布里珀罗滤波器驱动模块的信号输入端连接信号采集处理模块的第二控制信号输出端。

所述信号采集处理模块为FPGA（Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）。

所述法布里珀罗滤波器驱动模块通过输出三角波驱动法布里珀罗滤波器。

本发明通过设计信号调理模块、硬件微分模块、信号采集处理模块和光学器件驱动模块，实现了脉冲信号峰值的硬件寻峰，从而提高了电路的稳定性，并有效地提高了解调精度，排除了光强变化对波长解调的干扰。特别是设计的类微分电路，进一步保证了脉冲信号峰值寻峰的准确性。

附图说明

图1为现有高速光纤光栅的解调系统的结构框图；

图2为本发明的结构框图；

图3为本发明中高速扫频光输出及光通路模块的结构框图；

图4为本发明中光学器件驱动模块的结构框图；

图5为本发明中光电转换模块、信号调理模块和硬件微分模块的结构框图；

图6为本发明中类微分电路的电路图；

图7为本发明中光信号转换后的脉冲波形图；

图8为本发明中信号调理后的波形图；

图9为本发明中类微分电路输出波形图。

其中，1—光栅传感器、2—高速扫频光输出及光通路模块、2.1—光源、2.2—第一光隔离器、2.3—第二光隔离器、2.4—第一光耦合器、2.5—法布里珀罗滤波器、2.6—第二光耦合器、2.7—第三光耦合器、2.8—第四光耦合器、2.9—第五光耦合器、2.10—第六光耦合器、2.11—梳状滤波器、2.12—透射光栅、3—光电转换模块、3.1—光信号转电流信号单元、3.2—电流信号转电压信号单元、4—上位机、5—信号调理模块、5.1—差动放大器、5.2—可编程增益放大器、5.3—低通滤波器、6—光学器件驱动模块、6.1—光源驱动及恒温单元、6.2—法布里珀罗滤波器驱动模块、7—信号采集处理模块、8—硬件微分模块、8.1—类微分电路、8.2—高速比较器。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图2所示的基于硬件寻峰的高速光纤光栅解调系统，包括光栅传感器1、高速扫频光输出及光通路模块2、光电转换模块3、上位机4，其中，光栅传感器1通过高速扫频光输出及光通路模块2与光电转换模块3连接，它还包括光学器件驱动模块6、信号采集处理模块7、硬件微分模块8以及信号调理模块5，其中，光电转换模块3的信号输出端通过信号调理模块5连接硬件微分模块8的信号输入端，硬件微分模块8的信号输出端连接信号采集处理模块7的信号采集端，信号采集处理模块7的第一控制信号输出端连接信号调理模块5的调理增益倍数控制端，信号采集处理模块7的第二控制信号输出端连接光学器件驱动模块6的扫频光源频率及偏置控制端（该控制端即后续提到的法布里珀罗滤波器驱动模块6.2），信号采集处理模块7的第三控制信号输出端连接硬件微分模块8的比较电压控制端，信号采集处理模块7还通过局域网连接上位机4，光学器件驱动模块6驱动高速扫频光输出及光通路模块2输出高速扫频光信号。

上述技术方案中，如图5所示，光电转换模块3包括光信号转电流信号单元3.1和电流信号转电压信号单元3.2，信号调理模块5包括差动放大器5.1、可编程增益放大器5.2和低通滤波器5.3，硬件微分模块8包括类微分电路8.1和高速比较器8.2，其中，光信号转电流信号单元3.1、电流信号转电压信号单元3.2、差动放大器5.1、可编程增益放大器5.2、低通滤波器5.3、类微分电路8.1以及高速比较器8.2依序连接，光信号转电流信号单元3.1的信号输入端接收高速扫频光输出及光通路模块2中光通路内的光信号，高速比较器8.2输出方波信号给信号采集处理模块7，高速比较器8.2的比较电压控制端连接信号采集处理模块7的第三控制信号输出端，可编程增益放大器5.2的调理增益倍数控制端连接信号采集处理模块7的第一控制信号输出端。

上述技术方案中，如图6所示，所述类微分电路8.1包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1以及运算放大器A，低通滤波器5.3的信号输出端通过电容C1连接运算放大器A的同相输入端，运算放大器A的同相输入端还通过电阻R1接地GND，所述运算放大器A的反相输入端通过电阻R2接地，所述运算放大器A的输出端连接高速比较器8.2的信号输入端，所述运算放大器A反相输入端还通过电阻R3连接运算放大器A的输出端。

上述技术方案中，如图3所示，所述高速扫频光输出及光通路模块2包括第一光隔离器2.2、第二光隔离器2.3、连接在第一光隔离器2.2和第二光隔离器2.3之间的光源2.1、与第二光隔离器2.3输出端连接的第一光耦合器2.4、连接在第一光耦合器2.4和第一光隔离器2.2之间的法布里珀罗滤波器2.5，所述第一光耦合器2.4还连接有第二光耦合器2.6，第二光耦合器2.6连接有第三光耦合器2.7，第三光耦合器2.7连接有第四光耦合器2.8和第五光耦合器2.9，第四光耦合器2.8连接光信号转电流信号单元3.1和一个光栅传感器1，第五光耦合器2.9连接光信号转电流信号单元3.1和另一个光栅传感器1。

上述技术方案中，第二光耦合器2.6还连接有第六光耦合器2.10，第六光耦合器2.10连接有梳状滤波器2.11和透射光栅2.12，梳状滤波器2.11和透射光栅2.12均连接光信号转电流信号单元3.1。该结构作为高速扫频光输出的矫正和基准。

上述技术方案中，如图4所示，光学器件驱动模块6包括光源驱动及恒温单元6.1和法布里珀罗滤波器驱动模块6.2，其中，所述光源驱动及恒温单元6.1的信号输出端连接光源2.1，法布里珀罗滤波器驱动模块6.2的信号输出端连接法布里珀罗滤波器2.5，所述法布里珀罗滤波器驱动模块6.2的信号输入端连接信号采集处理模块7的第二控制信号输出端。

上述技术方案中，信号采集处理模块7为FPGA。同时配置NIOS II软核，运行uC/OS II系统，实现对外围AD、DA以及多路脉冲信号计数的控制，实现轻量级TCP/IP协议栈以及UART、USB等接口驱动。该基于SOPC技术的系统平台，极大的精简了最小系统的硬件设计，同时提高了系统可靠性，降低了功耗与成本。以FPGA为核心的系统，主要扩展了JTAG、USB、LAN、UART接口，扩展了SDRAM、FLASH等资源、扩展了AD、DA、脉冲计数等外部接口，形成了高度专用的最小系统。通过在FPGA芯片内配置NIOS II软核，运行uC/OS II系统，控制DA输出改进三角波驱动法布里珀罗滤波器2.5，同时控制另外的DA输出相应电压控制光电转换部分的信号增益以及比较电压，对光电转换之后的脉冲信号计数，从而实现硬件寻峰，然后将峰值数据打包通过TCP/IP协议发送至远端的PC机。USB接口和UART接口主要用于辅助系统设置（如IP地址、其他相关设置参数等）。

上述技术方案中，法布里珀罗滤波器驱动模块6.2通过输出三角波驱动法布里珀罗滤波器2.5。

上述技术方案中，高速扫频光输出及光通路模块2、光电转换模块3、光学器件驱动模块6、信号采集处理模块7、硬件微分模块8和信号调理模块5均集成在嵌入式采集平台上。

上述技术方案中，嵌入式采集平台和上位机4由电源模块供电。

上述技术方案中，上位机4为PC机。

本发明的工作过程为：嵌入式采集平台控制光源2.1发出宽带光后，经过由三角波驱动的法布里珀罗滤波器2.5的滤波后变为高速扫频光。高速扫频光经过光耦合器送入到光栅传感器1，光电转换模块3中的光电二极管接收光栅传感器1的反射光信号，利用光电转换模块3将光信号转换为电信号，经过信号调理模块5和硬件微分模块8后将信号峰值转换为方波信号，信号采集处理模块7对方波信号进行采集标定，转换为光信号波长。嵌入式采集平台中的信号采集处理模块7通过局域网，将解调数据实时的传输至上位机，进行数据分析、处理与显示。采用嵌入式&PC机的架构，既充分利用了嵌入式平台的高效、体积小、功耗低、便携等优点，又充分展示了PC机平台强大处理功能以及其易用性、易开发性等优点。两者之间的采用局域网互联方式，通用性强，而且其物理层易于修改从而能适应不同的工业场合，实现高效远距离组网监控系统。

下面结合波形介绍本发明的信号处理过程：首先对输入光信号采用光电二极管转换成电路信号，通过运算放大器将电电流信号转变为电压信号，如图7所示，其中脉冲峰值对应光栅波长值。

信号调理模块5，主要对信号的幅值噪声进行调整。首先差动放大器5.1将单端电压信号转换成差分信号并为每一路信号制造一个单独的接地端以消除其他几路信号对该路信号信噪比的影响，再将信号通过可编程增益放大器5.2进行可编程放大，其放大倍数由信号采集处理模块7输出的一路DA电压精确控制，以方便用户对放大倍数的控制。寻峰电路要求信号噪声尽可能低，所以在放大之后将使用双二阶低通滤波器对信号进行滤波，以降低信号的噪声，为下一步硬件寻峰处理做准备。图8为经过信号调理后的波形。

最后，通过类微分电路8.1实现硬件寻峰，类微分电路8.1会将信号的峰值点转变成零值点，然后信号通过一个电压由另一路DA精确可调的高速比较器8.2，得到与光学信号波长峰值时间相关的脉冲信号，脉冲下降沿对应波长的峰值信息。信号采集处理模块7将对已调理的脉冲信号的下降沿进行计数，测量起始时间到脉冲信号下降沿的时间间隔，采用特殊插值方法还原传感器波长偏移。

由上述给出的具体类微分电路8.1推得以下公式：

$C\frac{d(V_I-V_0)}{\mathrm{dt}}=\frac{V_0{R}_2}{R_1(R_2+R_3)}$                  （公式1）

其中V_I为输入电压，V₀为输出电压，C为电容C1容值，R₁、R₂、R₃为对应电阻值。令得微分方程：

$\frac{d{V}_I}{\mathrm{dt}}=\frac{d{V}_0}{\mathrm{dt}}+\frac{V_0}{R_{W}C}$                     （公式2）

解微分方程得：

$V_0=e^{-\frac{t}{R_{1}C}}\∫e^{\frac{t}{R_{1}C}}\frac{d{V}_I}{\mathrm{dt}}\mathrm{dt}$                    （公式3）

由V₀的表达式可以看出，输出波形的零点由输入脉冲的顶点以及CR_W的值决定，而当CR_W确定时，输出波形零点仅由输入脉冲顶点确定，即仅由光纤光栅的中心波长确定。我们知道光纤传感的最大干扰，来自光强变化引入的干扰。而光强变化将导致输入脉冲V_I幅值等比例变化，由V₀的表达式我们可以看出当V_I等比例变化时V₀零点保持不变，而当由于传感量变化使输入波形相位发生变化时，V₀的零点会跟踪V_I顶点的变化。通过过零比较电路，就实现了对光纤光栅波长的跟踪检测。

类微分电路8.1有效地排除了光强变化对光栅波长检测的干扰，准确的提取出了输入脉冲所含有的光纤光栅波长信息。相对于普通微分电路由于提高了输入阻抗，使电路更为稳定，有效防止了普通微分电路容易产生自激的缺点。类微分电路的输出波形如图9所示。

上述硬件微分模块8采用类微分方法有效地提取光纤光栅的波长信息，并加入了信号调理和滤波单元，使电路噪声更小，更加精确稳定。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种基于硬件寻峰的高速光纤光栅解调系统，包括光栅传感器（1）、高速扫频光输出及光通路模块（2）、光电转换模块（3）、上位机（4），其中，光栅传感器（1）通过高速扫频光输出及光通路模块（2）与光电转换模块（3）连接，其特征在于：它还包括光学器件驱动模块（6）、信号采集处理模块（7）、硬件微分模块（8）以及信号调理模块（5），其中，所述光电转换模块（3）的信号输出端通过所述信号调理模块（5）连接所述硬件微分模块（8）的信号输入端，所述硬件微分模块（8）的信号输出端连接所述信号采集处理模块（7）的信号采集端，所述信号采集处理模块（7）的第一控制信号输出端连接所述信号调理模块（5）的调理增益倍数控制端，所述信号采集处理模块（7）的第二控制信号输出端连接所述光学器件驱动模块（6）的扫频光源频率及偏置控制端，所述信号采集处理模块（7）的第三控制信号输出端连接所述硬件微分模块（8）的比较电压控制端，所述信号采集处理模块（7）还通过局域网连接所述上位机(4)，所述光学器件驱动模块（6）驱动高速扫频光输出及光通路模块（2）输出高速扫频光信号。

2.根据权利要求1所述的基于硬件寻峰的高速光纤光栅解调系统，其特征在于：所述光电转换模块（3）包括光信号转电流信号单元（3.1）和电流信号转电压信号单元（3.2），所述信号调理模块（5）包括差动放大器（5.1）、可编程增益放大器（5.2）和低通滤波器（5.3），所述硬件微分模块（8）包括类微分电路（8.1）和高速比较器（8.2），其中，所述光信号转电流信号单元（3.1）、电流信号转电压信号单元（3.2）、差动放大器（5.1）、可编程增益放大器（5.2）、低通滤波器（5.3）、类微分电路（8.1）以及高速比较器（8.2）依序连接，所述光信号转电流信号单元（3.1）的信号输入端接收高速扫频光输出及光通路模块（2）中光通路内的光信号，高速比较器（8.2）输出方波信号给信号采集处理模块（7），所述高速比较器（8.2）的比较电压控制端连接信号采集处理模块（7）的第三控制信号输出端，所述可编程增益放大器（5.2）的调理增益倍数控制端连接信号采集处理模块（7）的第一控制信号输出端。

3.根据权利要求2所述的基于硬件寻峰的高速光纤光栅解调系统，其特征在于：所述类微分电路（8.1）包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1以及运算放大器A，所述低通滤波器（5.3）的信号输出端通过电容C1连接运算放大器A的同相输入端，运算放大器A的同相输入端还通过电阻R1接地GND，所述运算放大器A的反相输入端通过电阻R2接地，所述运算放大器A的输出端连接高速比较器（8.2）的信号输入端，所述运算放大器A反相输入端还通过电阻R3连接运算放大器A的输出端。

4.根据权利要求2所述的基于硬件寻峰的高速光纤光栅解调系统，其特征在于：所述高速扫频光输出及光通路模块（2）包括第一光隔离器（2.2）、第二光隔离器（2.3）、连接在第一光隔离器（2.2）和第二光隔离器（2.3）之间的光源（2.1）、与第二光隔离器（2.3）输出端连接的第一光耦合器（2.4）、连接在第一光耦合器（2.4）和第一光隔离器（2.2）之间的法布里珀罗滤波器（2.5），所述第一光耦合器（2.4）还连接有第二光耦合器（2.6），所述第二光耦合器（2.6）连接有第三光耦合器（2.7），所述第三光耦合器（2.7）连接有第四光耦合器（2.8）和第五光耦合器（2.9），所述第四光耦合器（2.8）连接光信号转电流信号单元（3.1）和一个光栅传感器（1），所述第五光耦合器（2.9）连接光信号转电流信号单元（3.1）和另一个光栅传感器（1）。

5.根据权利要求4所述的基于硬件寻峰的高速光纤光栅解调系统，其特征在于：所述第二光耦合器（2.6）还连接有第六光耦合器（2.10），所述第六光耦合器（2.10）连接有梳状滤波器（2.11）和透射光栅（2.12），所述梳状滤波器（2.11）和透射光栅（2.12）均连接光信号转电流信号单元（3.1）。

6.根据权利要求1所述的基于硬件寻峰的高速光纤光栅解调系统，其特征在于：所述光学器件驱动模块（6）包括光源驱动及恒温单元（6.1）和法布里珀罗滤波器驱动模块（6.2），其中，所述光源驱动及恒温单元（6.1）的信号输出端连接光源（2.1），法布里珀罗滤波器驱动模块（6.2）的信号输出端连接法布里珀罗滤波器（2.5），所述法布里珀罗滤波器驱动模块（6.2）的信号输入端连接信号采集处理模块（7）的第二控制信号输出端。

7.根据权利要求6所述的基于硬件寻峰的高速光纤光栅解调系统，其特征在于：所述信号采集处理模块（7）为FPGA。

8.根据权利要求6所述的基于硬件寻峰的高速光纤光栅解调系统，其特征在于：所述法布里珀罗滤波器驱动模块（6.2）通过输出三角波驱动法布里珀罗滤波器（2.5）。

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