CN102944255A - 数字化光纤光栅解调仪表及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字化光纤光栅解调仪表及方法，其中解调仪表包括扫频激光器、1×N分路器、光纤光栅传感器阵列、光电转换模块和数字化采样和信号处理模块，其中：扫频激光器用于按时间轴数据输出扫频激光；1×N分路器用于将扫频激光等分传送至N个光纤光栅传感器阵列；光纤光栅传感器阵列用于感知待测参量的变化，其将反射光路经1×N分路器输送到光电转换模块；光电转换模块用于将光信号转换为电信号，并发送至数字化采样和信号处理模块；数字化采样和信号处理模块用于将光电转换模块送来的模拟电信号进行数字采样和滤波，根据滤波后的信号解调出波长数据并对外发送。本发明可实现波长的数字化解调，提高了解调的精度和速度。

Description

数字化光纤光栅解调仪表及方法

技术领域

本发明涉及光纤传感器技术领域，尤其涉及一种数字化光纤光栅解调仪表。

背景技术

随着光纤光栅解调技术的进步，光纤光栅解调仪的应用范围和可靠性在不断提高。但是任何技术发展的终点往往是被更新的技术替代。基于F-P解调技术的光纤光栅解调仪，普遍采用模拟比较的传统解调方法，速度慢、精度低且可供分析的样本数少。对比模拟比较法，采用数字化实现的光纤光栅解调仪表具有明显的优势。

多通道光纤光栅解调仪普遍采用F-P腔作为核心光器件，其解调原理采用时域分析方法，利用F-P在不同电压下通过的波长不同而获得扫频输出，同时利用标准具（梳状滤波器）获得时域上定波长脉冲。在假定光纤光栅与仪表之间无时延情况下，将光纤光栅的反射脉冲和标准具的标准脉冲进行时域比对，曲线拟合获得波长值。目前通行采用模拟比较法进行波长解调，其特点是开发周期短，上手容易，但是由于模拟比较电路存在调试困难，现场应用难度高，造成在工程中应用情况不佳。

随着光纤光栅传感技术在电力、桥梁、隧道、消防、铁路等多个行业的应用，市场对高测量精度、高速度、高可靠性的解调仪表有巨大需求。数字化仪表的核心是数字采样、数字处理，目前的仪表很难达到要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中对采用模拟比较法进行波长解调无法满足实际应用中对精度和速度需求的缺陷，提供一种高精度、高速的数字化光纤光栅解调仪表。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种数字化光纤光栅解调仪表，包括扫频激光器、1×N分路器、光纤光栅传感器阵列、光电转换模块和数字化采样和信号处理模块，其中：

扫频激光器，其输出端连接1×N分路器，用于按时间轴数据输出扫频激光；

1×N分路器，与扫频激光器的输出端连接，用于将扫频激光等分传送至N个光纤光栅传感器阵列，N为自然数；

光纤光栅传感器阵列，与1×N分路器和光电转换模块连接，用于感知待测参量的变化，其反射光路经1×N分路器输送到光电转换模块；

光电转换模块，与1×N分路器相连，用于将从所述1×N分路器接收的光信号转换为电信号，并发送至数字化采样和信号处理模块；

数字化采样和信号处理模块，与光电转换模块连接，用于将光电转换模块送来的模拟电信号进行数字采样和滤波，以及根据滤波后的信号解调出波长数据并对外发送。

本发明所述的数字化光纤光栅解调仪表中，所述数字化采样和信号处理模块包括模数转换器、FPGA、处理器和通讯接口，其中，模数转换器用于将光电转换模块送来的模拟电信号进行数字采样，再发送给FPGA进行数字滤波，采用最小二项式迭代法则计算出峰值位置，并换算为波长数据，发送给处理器，处理器再将波长数据通过通信接口对外发送。

本发明所述的数字化光纤光栅解调仪表中，所述光电转换模块包括N个光电探测器和N个对数放大器，每个光电探测器均与一个对数放大器连接。

本发明所述的数字化光纤光栅解调仪表中，所述光电探测器为同轴探测器。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：

提供一种数字化光纤光栅解调方法，其特征在于，包括以下步骤：

扫频激光器的输出波长根据时间顺序进行激射；

扫频激光器的输出光经过分路器传送给不同的光纤光栅传感器阵列；

将光纤光栅传感器阵列反射的光信号进行实时采样并转换为数字信号；

对数字信号进行滤波，得到干净的峰值脉冲序列；

对峰值脉冲序列采用最小二项式迭代法则计算出峰值位置并换算为波长数据；

将波长数据通过通信接口向外发送。

本发明产生的有益效果是：本发明通过数字化的解调方法对光纤光栅传感器阵列反射的光信号进行实时采样并转换为数字信号，滤波后采用最小二项式迭代法则计算出峰值位置并换算为波长数据，最后通过通信接口将波长数据对外发送，从而实现波长的数字化解调，提高了解调的精度和速度，可满足实际应用中所要求的精度和速度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例数字化光纤光栅解调仪表的结构示意图；

图2是本发明实施例光电转换模块的结构示意图；

图3是本发明实施例数字化采样和信号处理模块的结构示意图；

图4是本发明实施例数字化光纤光栅解调方法的流程图；

图5是本发明实施例数字化光纤光栅解调方法中有偏置和减去偏置后的脉冲序列对比示意图；

图6是本发明实施例数字化光纤光栅解调方法中峰值算法的流程图；

图7是本发明实施例数字化光纤光栅解调方法中标准脉冲与光纤光栅脉冲的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例数字化光纤光栅解调仪表包括扫频激光器1、1×N分路器2、光纤光栅传感器阵列3、光电转换模块4和数字化采样和信号处理模块5，其中：

扫频激光器1，其输出端连接1×N分路器2，用于按时间轴数据输出扫频激光；本发明采用扫频激光器1作为数字化光纤光栅解调仪表的光源，本实施例中，扫频激光器1输出波长与时间成一定线性关系。扫频激光器1波长输出时也会输出标准脉冲信号，标准脉冲在时域上严格等距，理解为扫频光波长在频域上的等距。扫频激光器1输出的标准脉冲提供给数字化采样和信号处理模块5做解调用。

1×N分路器2，与扫频激光器的输出端连接，用于将扫频激光等分传送至N个光纤光栅传感器阵列，N为自然数；

光纤光栅传感器阵列3，与1×N分路器2和光电转换模块4连接，用于感知待测参量的变化，其反射光路经1×N分路器输送到光电转换模块4；每组光纤光栅传感器阵列由不同特征波长的M个光纤光栅连接组成。可以探测的光纤光栅数目≤M，其中M、N均为自然数。

光电转换模块4，与1×N分路器2相连，光电转换模块4与1×N分路器2之间形成N个通道，1×N分路器2将光信号通过通道输送给光电转换模块4，光电转换模块4再将通道内的光信号转换为电信号，并发送至数字化采样和信号处理模块5；

数字化采样和信号处理模块5，与光电转换模块4连接，用于将光电转换模块4送来的模拟电信号进行数字采样和滤波，以及根据滤波后的信号解调出波长数据向服务器发送。服务器接收到波长数据后，根据工程需要，将波长数据转换为相应的应力、温度、振动等信号。

在本发明的一个实施例中，如图2所示，光电转换模块4包括N个光电探测器6和N个对数放大器7，每个光电探测器6均与一个对数放大器7连接，光电探测器6与1×N分路器2连接。本发明实施例中光电探测器6为同轴探测器。光纤光栅传感器阵列3的反射光经1×N分路器2反馈到光电探测器6转换为电流信号，再由对数放大器7进行电流电压转换和放大；经过光电转换模块4放大的模拟信号送至数字化采样和信号处理模块5进行波长解调。

在本发明的一个实施例中，如图3所示，数字化采样和信号处理模块5包括多个模数转换器8、FPGA9、处理器10和通讯接口11，其中，模数转换器8用于将光电转换模块4送来的模拟电信号进行数字采样，再发送给FPGA9进行数字滤波，采用最小二项式迭代法则计算出峰值位置，并换算为波长数据，发送给处理器10，处理器10再将接收的波长数据通过通信接口11对外发送。由于采用了先进的数字化方案和FPGA处理，实现了高速高精度解调。

FPGA9实现的数字滤波采用FIR滤波器设计，设计为带通滤波器，只允许脉冲峰值通过；采用最小二项式迭代法以逐次逼近法则寻找脉冲峰值；使用脉冲峰值与扫频激光器1输出的标准脉冲进行时域对比换算为波长数据。FPGA9解调出的波长数据由处理器10通过通信接口11对外发送。

本发明实施例数字化光纤光栅解调方法，基于上述实施例的数字化光纤光栅解调仪表，包括以下步骤：

S1、扫频激光器的输出波长根据时间顺序进行激射；

S2、扫频激光器的输出光经过分路器传送给不同的光纤光栅传感器阵列；

S3、光纤光栅传感器阵列反射的光信号通过光电转换模块和模数转换器进行实时采样并转换为数字信号；

S4、FPGA对数字信号进行滤波，得到干净的峰值脉冲序列。

数字滤波方法如下：

设有采样数组N点，将序号为1、2、3、4、5……19、20、21点的数据进行累加后除21作为数组N点的第1点，将序号为2、3、4、5、6……19、20、21、22点的数据进行累加后除21作为数组N点的第2点，依次类推。获得新数组数据为21点平滑数据，其小峰信号被淹没，大峰信号依然存在但波形前移了21个位置，在计算时需要往后延迟21个采样周期作为补偿。

S5、FPGA对峰值脉冲序列采用最小二项式迭代法则计算出峰值位置并将得到的峰值与扫频激光器输出的标准脉冲进行时域比对换算出波长数据；

采用最小二项式迭代法计算峰值的算法具体为：

设有二项式y=ax²+bx+c，此二项式所绘波形接近光纤光栅特征谱；此二项式在一个周期范围内有且仅有一个峰值点。

将经过滤波的峰值脉冲序列减去一个偏置，此偏置值为前一次峰值脉冲序列的最大峰值的1/4，如图5所示，图中,横坐标为采样点数，纵坐标为电压值，用D表示。其中X1为第一个峰起点的横坐标值，X2为第一个峰终点的横坐标值，X3为第二峰起点的横坐标值，X4为第二峰终点的横坐标值。

则减去偏置后，DX1=DX2=DX3=DX4=DX5=DX6=……，DXn表示横坐标Xn对应的纵坐标数据。

若Ki为第i个峰的采样点数，K1、K2、K3…Ki有如下关系：

K1=X2–X1

K2=X3-X2

K3=X4-X3

    ............

Ki=Xi+1–Xi

减去偏置后光纤光栅峰值脉冲为类半波型曲线，依据二项式原则，此曲线在半波内有且仅有一个峰值，峰值算法如图6所示：

用Di(n)表示第i个峰的第n个采样点的电压值，若有Di(n+1)>Di(n)，表示当前值不是最大值，则把当前值取值为Di(n+1),此比较随着n的增加依次推进。当出现Di(n+2)<Di(n+1)，预判断为峰值出现下降，再做外围判断，如果Di(n+1)>Di(n+3)且Di(n+1)>Di(n-1),则表示Di(n+1)处于峰值位置。图中，i表示第几个峰，n表示序号，且0<n+3<Ki。

最大值位置即是光纤光栅反射波的峰值位置，利用F-P腔驱动的线性关系计算出波长值，如图7所示：

以脉冲的最大值对应反射峰的中心波长，由线性关系假设可以得出：

$\frac{t-t_i}{\mathrm{\&lambda;}-{\mathrm{\&lambda;}}_i}=\frac{t-t_{i+1}}{\mathrm{\&lambda;}{-\mathrm{\&lambda;}}_{i+1}}$

将上式整理得到：

$\mathrm{\&lambda;}=\frac{(t-t_i){\mathrm{\&lambda;}}_{i+1}-(t-t_{i+1}){\mathrm{\&lambda;}}_i}{t_{i+1}-t_i}$

λ为解出的波长值。

S6、处理器将波长数据通过通信接口向外发送。

本发明实施例使用对数放大器实现光电转换，极大提高了动态范围；使用模数转换器实现信号的处理，简化了硬件电路设计，方便设备升级维护；使用FPGA作为数字信号处理和波长解调，运算速度快，解调精度高。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种数字化光纤光栅解调仪表，其特征在于，包括扫频激光器、1×N分路器、光纤光栅传感器阵列、光电转换模块和数字化采样和信号处理模块，其中：

扫频激光器，其输出端连接1×N分路器，用于按时间轴数据输出扫频激光；

1×N分路器，与扫频激光器的输出端连接，用于将扫频激光等分传送至N个光纤光栅传感器阵列，N为自然数；

光纤光栅传感器阵列，与1×N分路器和光电转换模块连接，用于感知待测参量的变化，其反射光路经1×N分路器输送到光电转换模块；

光电转换模块，与1×N分路器相连，用于将从所述1×N分路器接收的光信号转换为电信号，并发送至数字化采样和信号处理模块；

数字化采样和信号处理模块，与光电转换模块连接，用于将光电转换模块送来的模拟电信号进行数字采样和滤波，以及根据滤波后的信号解调出波长数据并对外发送。

2.根据权利要求1所述的数字化光纤光栅解调仪表，其特征在于，所述数字化采样和信号处理模块包括模数转换器、FPGA、处理器和通讯接口，其中，模数转换器用于将光电转换模块送来的模拟电信号进行数字采样，再发送给FPGA进行数字滤波，采用最小二项式迭代法则计算出峰值位置，并换算为波长数据，发送给处理器，处理器再将波长数据通过通信接口对外发送。

3.根据权利要求2所述的数字化光纤光栅解调仪表，其特征在于，所述光电转换模块包括N个光电探测器和N个对数放大器，每个光电探测器均与一个对数放大器连接。

4.根据权利要求3所述的数字化光纤光栅解调仪表，其特征在于，所述光电探测器为同轴探测器。

5.一种数字化光纤光栅解调方法，其特征在于，包括以下步骤：

扫频激光器的输出波长根据时间顺序进行激射；

扫频激光器的输出光经过分路器传送给不同的光纤光栅传感器阵列；

将光纤光栅传感器阵列反射的光信号进行实时采样并转换为数字信号；

对数字信号进行滤波，得到干净的峰值脉冲序列；

对峰值脉冲序列采用最小二项式迭代法则计算出峰值位置并换算为波长数据；

将波长数据通过通信接口向外发送。

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