CN102928003A - 一种具有实时参考的光纤光栅解调系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有实时参考的光纤光栅解调系统，由光路部分、电路部分、上位机和软件程序组成，在基于Fabry-Perot可调谐滤波解调法的原始解调系统基础上，通过耦合器和隔离器并联一路具有精密Fabry-Perot腔的参考光路，通过参考光路的测量值可实时校准测量光路的测得结果，以提高解调的精度，两路光电信号由底层硬件电路采集、编码后传输到上位机，在上位机上采用高斯拟合算法提取峰值位置，利用参考光路的标准值对测量光路实时参考，该方法有效的解决了Fabry-Perot可调谐滤波器的时漂、温漂和迟滞等原理性误差所导致解调精度劣化问题，为光纤光栅解调系统的构建提供了一种新的探索方向。

Description

一种具有实时参考的光纤光栅解调系统

技术领域

本发明属于光纤光栅传感领域，涉及一种光纤光栅传感的波长解调系统，具体涉及一种具有实时参考的光纤光栅解调系统。

背景技术

随着光纤光栅制备技术的成熟，光纤光栅开始逐渐运用于传感领域。相对于传统的电气传感器，光纤光栅具有波长编码、绝对参考、抗电磁干扰能力强、化学性质稳定、体积小、重量轻、制作方便、易规模化低成本生产、易于复用等诸多特点。它在大型结构件的重要物理量（如：应变、温度、压力、加速度等）的准分布式测量和大型民用工程的结构健康监测方面都具有显著的优势。因此，近年来光纤光栅传感器一直备受包括测试测量、故障检测、结构健康监测等诸多领域的学者和工程技术人员的关注。

光纤光栅传感器采用的是波长编码，它将被测量的改变反映为输出光谱的布拉格波长（中心波长）的漂移。因此，对各个波长段的光强进行测量然后据此确定各个布拉格波长是实现光纤光栅精确测量的必不可少的环节，这就是光纤光栅的解调。光纤光栅解调系统是光纤光栅传感系统中的一个关键设备，当前光纤光栅解调系统常采用基于Fabry-Perot可调谐滤波器的解调方法。其原理如下：宽带光源经光纤光栅的作用后，会反射回具有特定中心波长的全光谱信号。随后该全光谱信号会经过Fabry-Perot可调谐滤波器，它会将透过波长以外的光滤除以输出某一特定波长段的光强值，若再对滤波器进行调谐即可分时输出各个波长段的光强值，对这些光强进行分析即可得到中心波长。

在原始的光纤光栅解调系统中，可调谐Fabry-Perot滤波器两端的压电晶体存在迟滞蠕动与非线性等误差。迟滞现象导致压电晶体在驱动电压下降到初始值时伸缩长度不能回到初始的长度上，这样导致在每个驱动周期中在相同的电压下压电晶体的伸缩量不同、滤波波长不同。而压电晶体的两端电压与伸缩长度之间的关系式非线性的导致了布拉格波长的相对位置与实际波长之间的关系的非线性。这些现象会导致整个系统出现时间漂移和温度漂移，从而使解调精度发生劣化。

发明内容

为了克服以上现有技术的不足，本发明公开了一种具有实时参考的光纤光栅解调系统，该系统在基于Fabry-Perot可调谐滤波器的解调方法构造的测量光路旁并联了一参考光路，通过参考光路的测量值可实时校准测量光路的测得结果，以提高解调的精度。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

包括光路环节、电路环节以及上位机，所述光路环节包括Fabry-Perot可调谐滤波器，Fabry-Perot可调谐滤波器的输出端设置有第一耦合器，第一耦合器将Fabry-Perot可调谐滤波器输出的光源分为两路，一路光源输入光纤光栅，另一路光源通过光纤隔离器后输入标准具，标准具为固定腔长的Fabry-Perot腔，电路环节包括信号采集环节，信号采集环节包括两路采集通道，一路采集通道设置于光纤光栅的反射光路或透射光路上，另一路采集通道设置于标准具的输出端，信号采集环节与上位机相连。

所述光路环节还包括宽带光源，宽带光源设置于Fabry-Perot可调谐滤波器的输入端。

所述光路环节还包括第二耦合器，第二耦合器设置于第一耦合器的输出端与光纤光栅之间。

所述电路环节还包括锯齿波发生环节，锯齿波发生环节与Fabry-Perot可调谐滤波器相连。

所述信号采集环节还包括多路选择器、A/D转换器以及DSP处理器，DSP处理器与上位机相连，A/D转换器分别与多路选择器以及DSP处理器相连，每路采集通道包括依次连接的光电管、放大调理电路以及采样保持器，采样保持器与多路选择器相连。

所述上位机中设置有软件程序，软件程序包括两路并行的信号处理流程，一路信号处理流程对由标准具输出的信号采用高斯拟合法确定布拉格波长出现时的驱动电压，然后利用多项式拟合得到驱动电压与透过波长的实时函数关系；另一路信号处理流程对由光纤光栅反射的信号采用高斯拟合法确定布拉格波长出现时的驱动电压，然后利用得到的实时函数关系对光纤光栅进行实时的解调。

针对原始的光纤光栅解调系统的缺陷或不足，即存在由Fabry-Perot可调谐滤波器两端的压电晶体的迟滞和蠕动导致的性能漂移，故而解调精度发生劣化，本发明提出一种具有实时参考的光纤光栅解调系统，它利用内部具有长周期的稳定的Fabry-Perot腔作为标准具，采用多项式拟合的方式得到整个系统驱动电压与透过波长之间的实时的函数关系，通过这个函数关系可以对测量光路的结果进行实时的解调，最终克服了时漂与温漂所导致的精度劣化问题。

本发明将实时参考技术引入基于Fabry-Perot可调谐滤波器的光纤光栅解调系统中，解决了现有解调系统的时漂、温漂与非线性等问题。

本发明与现有光纤光栅解调系统相比具有以下特点：

1、在大范围上实现高精度测量

通过并联一高精度的固定腔长Fabry-Perot腔作为参考，由于高精度的固定腔长Fabry-Perot腔可产生高精度、密集、宽范围的参考峰值，利用它可在大范围上剔除测量光路中由于Fabey-Perot可调谐滤波器所导致的测量误差而得到较高的精度。

2、系统稳定性高

本发明中对一光纤光栅进行多次解调，实验显示解调结果具有很好的重复性与稳定性。

3、结构简单，成本适中

本发明中测量系统结构简单，较原始的光纤光栅解调系统，它对Fabry-Perot可调谐滤波器的各项性能指标如线性度、重复性等要求不高从而控制了系统设备的成本。

附图说明

图1是本发明所述具有实时参考的光纤光栅解调系统的示意图；

图2是图1所述系统的光电采集电路内部结构图（信号采集环节）；

图3是图1所述系统的整体工作流程图；

图4是参考光路与测量光路的信号处理流程图；

图中：1为宽带光源；2为Fabry-Perot可调谐滤波器；3-1为第一耦合器；3-2为第二耦合器；4为光纤光栅；5为光纤隔离器；6为固定腔长的Fabry-Perot腔；7为锯齿波发生器；8为双通道的光电信号采集电路；9为上位机；10为光电管；11为放大调理电路；12为采样保持器；13为多路选择器；14为A/D转换器；15为DSP处理器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1-图4，本发明包括光路环节、电路环节以及上位机9和软件程序，所述光路环节包括Fabry-Perot可调谐滤波器2，Fabry-Perot可调谐滤波器的输出端设置有第一耦合器3-1，第一耦合器将Fabry-Perot可调谐滤波器输出的光源分为两路，一路光源输入光纤光栅4，形成测量光路，另一路光源通过光纤隔离器5后输入标准具，形成参考光路，标准具为固定腔长的Fabry-Perot腔6，光纤隔离器用于隔离固定腔长的Fabry-Perot腔产生的反射光，它使Fabery-Perot腔产生的反射光不会透过耦合器反向混入光纤光栅的测量光路，从而使参考光路与测量光路独立以便于后续的信号分析处理。电路环节包括信号采集环节，信号采集环节包括两路采集通道，一路采集通道设置于光纤光栅的反射光路上，另一路采集通道设置于标准具的输出端，信号采集环节与上位机相连；两路采集通道分别采集测量光路与参考光路的光电信号，上位机可用于波形显示、记录和数据分析；软件程序中通过参考光路对测量光路进行实时解调以得到布拉格波长的位置，软件程序主要基于LABVIEW编写。

所述光路环节还包括宽带光源1，宽带光源设置于Fabry-Perot可调谐滤波器2的输入端，并与Fabry-Perot可调谐滤波器2构成一可调谐窄带光源。

所述光路环节还包括第二耦合器3-2，第二耦合器设置于第一耦合器3-1的输出端与光纤光栅4之间，由第一耦合器输出的一路光源通过第二耦合器后输入光纤光栅，经光纤光栅反射后再次通过第二耦合器，然后由第二耦合器输出，形成完整的测量光路。

所述的Fabry-Perot可调谐滤波器的结构主要是一个腔长可调节的Fabry-Perot腔，它的腔长由D/A转换器输出电压控制，且一般会长于解调仪测量波长的动态范围（几十纳米到上百纳米）。这个要求是为了保证当D/A转换器为Fabry-Perot可调谐滤波器设定一个腔长时，整个测量范围内输出只出现一个透过峰，不会出现多个级次的透过峰。

所述的标准具其结构实际上是一个固定腔长的Fabry-Perot腔，它的腔长一般会远小于解调仪测量波长的动态范围。若解调仪测量波长的动态范围是标准具腔长的N倍，标准具在整个动态范围内即会产生N个级次的反射峰。

所述电路环节还包括锯齿波发生环节，锯齿波发生环节与Fabry-Perot可调谐滤波器2相连。

所述信号采集环节还包括多路选择器13、A/D转换器14以及DSP处理器15，DSP处理器与上位机9相连，A/D转换器分别与多路选择器以及DSP处理器相连，每路采集通道包括依次连接的光电管10、放大调理电路11以及采样保持器12，采样保持器与多路选择器相连。

所述上位机9中设置有软件程序，软件程序包括两路并行的信号处理流程，可同时处理并行采集到的参考光路数据和测量光路数据；一路信号处理流程对由标准具输出的信号（参考光路数据）采用高斯拟合法确定布拉格波长出现时的驱动电压，然后利用多项式拟合得到驱动电压与透过波长的实时函数关系；另一路信号处理流程对由光纤光栅反射的信号（测量光路数据）采用高斯拟合法确定布拉格波长出现时的驱动电压，然后利用得到的实时函数关系对光纤光栅进行实时的解调。

参阅图1，图1是本发明所述具有实时参考的光纤光栅解调系统的示意图。

如图1所示，具有实时参考的光纤光栅解调系统连接如下：宽带光源1发出的光首先射入Fabry-Perot可调谐滤波器2，从而产生一个可调谐的窄带激光。这个窄带激光经过第一耦合器3-1分为两路，一路经第二耦合器3-2射入被测的光纤光栅，另一路经光纤隔离器5射入用于实时参考的高精度固定腔长的Fabry-Perot腔6中。随后由双通道的光电信号采集电路8同时对以上两路光信号进行采集，双通道的光电信号采集电路8对采集到的数字信号进行编码后向上位机9传输，上位机9主要负责最终的人机交互与分析处理。此外，Fabry-Perot可调谐滤波器2由锯齿波发生器7进行调谐。

参阅图2，图2是本发明所述具有实时参考的光纤光栅解调系统的光电采集电路内部结构图。

如图2所示：具有实时参考的光纤光栅解调系统为适应两路光信号的输入，光电采集电路上需要有两路同样的采集通道，一路采集高精度固定腔长的Fabry-Perot腔6输出的光强，另一路采集光纤光栅4由耦合器反射出的光强。光电采集电路组成包括：光电管10、放大调理电路11、采样保持器12、多路选择器13、A/D转换器14、DSP处理器15。

参阅图3，图3是本发明所述具有实时参考的光纤光栅解调系统的整体工作流程图。

如图3所示：系统工作时，首先在上位机中设置串口传输的波特率、数据格式等参数并启动上位机程序等待接收数据；接着启动底层硬件系统并更新驱动Fabry-Perot可调谐滤波器的扫描电压；与此同时光路环节更新透过波长并向底层硬件传送光信号；接着底层硬件系统采集该时刻光强并将此时的光强值传输至上位机；最终上位机对光强值的数字信号进行分析、处理、显示、存贮。

参阅图4，图4是本发明所述具有实时参考的光纤光栅解调系统的信号处理流程图。

如图4所示：本系统信号处理流程并行地处理测量光路与参考光路两路的输入数据。

参考通道（光路）的数据处理：数据处理程序得到一段采集的数据后，由阈值判断可截取出采集数据中的峰值片段，这段峰值片段就是光纤光栅的布拉格波长周围的波峰。对这些峰值片段运行峰值检测算法（比如高斯拟合），可得到标准具的一系列实际透过波长出现时对应的硬件电路的输出电压，该电压用于控制Fabry-Perot可调谐滤波器，与实际透过波长有一个函数关系。

测量通道（光路）的数据处理：数据处理程序得到一段采集的数据后，由阈值判断可截取出采集数据中的峰值片段，这段峰值片段就是光纤光栅的布拉格波长周围的波峰。对这些峰值片段运行峰值检测算法（比如高斯拟合），可得到光纤光栅的布拉格波长出现时对应的硬件电路的输出电压。为得到实际的波长，系统需要有一个波长和驱动电压的函数关系。而由前面参考光路的采集数据，系统可以通过数据拟合得到实际波长和驱动电压之间的函数关系，将光纤光栅的布拉格波长出现时对应的硬件电路的输出电压代入该函数便可以得到测量通道反射的布拉格波长的实际值。

当硬件电路为Fabery-Perot可调谐滤波器设定一个电压后，根据Fabery-Perot可调谐滤波器的特性函数W=F(V)，Fabery-Perot可调谐滤波器会输出一个特定波长的光波。

其中：

W——Fabery-Perot可调谐滤波器输出波长；

V——Fabery-Perot可调谐滤波器输入电压。

上述由Fabery-Perot可调谐滤波器输出的光波分为两路，其中一路输入参考光路,即标准具中，然后硬件电路采集此时标准具输出的光强值。前述的设定电压是一个随时间变化的锯齿波，在一个周期内电压线性递增，Fabery-Perot可调谐滤波器的输出波长也随之从长波段向短波段移动，从而随电压或时间的变化可得到不同波长下的不同光强，这样即可得到一个电压和光强的函数关系：P1=G1(V)。

其中：

P1——硬件系统采集到的标准具输出的光强值；

V——硬件输出的电压值。对上述函数求极值（峰值检测算法），可得到一系列V11、V12…V1n。同时标准具的布拉格波长是已知的，即这一系列电压值对应的波长W1、W2…Wn已知。通过这两组对应的值系统可拟合出实时Fabery-Perot可调谐滤波器的特性函数W=F(V)。

上述由Fabery-Perot可调谐滤波器输出的光波的另一路输入测量光路即光纤光栅中，然后硬件电路采集此时光纤光栅反射/透射光的光强值。同样，Fabery-Perot可调谐滤波器的设定电压随时间变化，Fabery-Perot可调谐滤波器的输出波长也随之从长波段向短波段移动，从而随电压或时间的变化可得到不同波长下的不同光强，这样即可得到一个电压和光强的函数关系：P2=G2(V)。

其中：

P2——硬件系统采集到的光纤光栅输出的光强值；

V——硬件输出的电压值。

对上述函数极值（峰值检测算法），可得到一系列V21、V22…V2m，将这一系列值代入从参考光路中得到的实时Fabery-Perot可调谐滤波器的特性函数W=F(V)中即可得到一些列的W21、W22…W2m，这些值就是光纤光栅的布拉格波长。

Fabery-Perot可调谐滤波器的驱动电压和输出波长之间的关系是变化的，有一定的时漂温漂。而传统的解调方法将得到布拉格波长出现时对应的硬件输出电压时直接代入一个固定的函数，这样就带来了误差。而本系统中，硬件电路输出一个电压值后，Fabery-Perot可调谐滤波器会输出一个特定波长的光波，该光波分光后同时输入参考光路与测量光路。在参考光路中，通过标准具可以得到该光波的实际波长，再联系已知的驱动电压，可得到驱动电压和实际波长之间的函数关系。在测量光路中将布拉格波长出现时的电压代入这个实时的关系就可以得到实际的波长，而避免了采用固定的函数带来的误差。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (6)

1.一种具有实时参考的光纤光栅解调系统，其特征在于：包括光路环节、电路环节以及上位机（9），所述光路环节包括Fabry-Perot可调谐滤波器（2），Fabry-Perot可调谐滤波器的输出端设置有第一耦合器（3-1），第一耦合器将Fabry-Perot可调谐滤波器输出的光源分为两路，一路光源输入光纤光栅（4），另一路光源通过光纤隔离器（5）后输入标准具，标准具为固定腔长的Fabry-Perot腔，电路环节包括信号采集环节，信号采集环节包括两路采集通道，一路采集通道设置于光纤光栅的反射光路或透射光路上，另一路采集通道设置于标准具的输出端，信号采集环节与上位机相连。

2.根据权利要求1所述一种具有实时参考的光纤光栅解调系统，其特征在于：所述光路环节还包括宽带光源（1），宽带光源设置于Fabry-Perot可调谐滤波器的输入端。

3.根据权利要求1所述一种具有实时参考的光纤光栅解调系统，其特征在于：所述光路环节还包括第二耦合器（3-2），第二耦合器设置于第一耦合器（3-1）的输出端与光纤光栅（4）之间。

4.根据权利要求1所述一种具有实时参考的光纤光栅解调系统，其特征在于：所述电路环节还包括锯齿波发生环节，锯齿波发生环节与Fabry-Perot可调谐滤波器（2）相连。

5.根据权利要求1所述一种具有实时参考的光纤光栅解调系统，其特征在于：所述信号采集环节还包括多路选择器（13）、A/D转换器（14）以及DSP处理器（15），DSP处理器（15）与上位机（9）相连，A/D转换器分别与多路选择器以及DSP处理器相连，每路采集通道包括依次连接的光电管（10）、放大调理电路（11）以及采样保持器（12），采样保持器与多路选择器相连。

6.根据权利要求1所述一种具有实时参考的光纤光栅解调系统，其特征在于：所述上位机（9）中设置有软件程序，软件程序包括两路并行的信号处理流程，一路信号处理流程对由标准具输出的信号采用高斯拟合法确定布拉格波长出现时的驱动电压，然后利用多项式拟合得到驱动电压与透过波长的实时函数关系；另一路信号处理流程对由光纤光栅反射的信号采用高斯拟合法确定布拉格波长出现时的驱动电压，然后利用得到的实时函数关系对光纤光栅进行实时的解调。

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