CN103185604B - 具有测距功能的光纤光栅波长同步解调系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有测距功能的光纤光栅波长同步解调系统，其包括，在设定的波长范围内周期性扫描的可变频扫描激光仪、光学多波长基准源、扫描激光仪输出分路器组、多路第二光电探测器、多个同步采集器以及运算处理单元。由运算处理单元控制可变频扫描激光仪的扫描滤波器先后工作在两种不同的扫描周期，解调出两种不同扫描周期下各个光纤光栅的波长值，根据运算处理单元预先设定的程控信号源送出的两种扫描三角波周期和对应解调出的光纤光栅波长值的差异来计算出光纤传输的准确距离，并进而修正由该光纤传输距离引入的光纤光栅波长解调误差，实现光纤光栅传感器的准确空间定位和精确波长解调。且本发明的结构简单，成本低廉，应用范围较为广泛。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，特别涉及光纤传感信号解调装置技术领域，具体是指一种具有测距功能的光纤光栅波长同步解调系统。
背景技术
光纤布拉格光栅(FiberBraggGrating)传感技术是光纤传感中可靠性高、实用性强并可波分复用的传感技术。它是采用激光照射法，由中心波长为235nm～248nm的激光光斑经透镜和反射镜多次光路调节后，形成光强均匀分布的长方形激光光斑，然后借助相位掩模板，使激光光斑图形化，沿石英单模光纤轴向形成亮暗相间的等周期衍射条纹，最终导致被图形化光斑照射区域内光纤的折射率发生周期性改变(通过大量的工艺研究，光纤被光斑照射区域的长度通常控制在8mm-15mm)，照射完成后，单模光纤被照射加工过的区域就具备了布拉格反射特性-当满足布拉格条件的特定波长窄带光入射后，会被该区域反射后沿入射光路原路返回，而其他波长的光信号则被正常透射，通常将光纤的这段区域称为布拉格光栅(FiberBraggGrating)，简称光纤光栅(FBG)。FBG窄带反射谱的中心波长由光栅的等效折射率和折射率变化周期决定，物理量如应变、温度会通过弹光效应、热光效应改变光栅的等效折射率和折射率变化周期，从而使FBG反射谱的中心波长发生漂移，通过用光谱仪或光纤光栅波长解调装置检测FBG反射谱的中心波长变化，可实现对物理量信息的解调。这种技术只有光纤的栅区才对应变和温度敏感，光纤的其他部分对它物理量不敏感，因此，基于FBG波长编码特性，FBG和光纤本身是一体化的，光源强度及其他因素造成的光衰减都不会影响FBG测量精度，同时在一根光纤上可并接或串接多个具有不同中心波长的FBG传感器进行多点分布式传感测量。
目前，光纤光栅传感技术已经在国内外得到广泛应用，如桥梁、大坝、隧道、建筑等土木工程结构的温度和应力变形监测，滑坡、泥石流等地质灾害监测，开关柜、变压器、电缆、架空线等输变电设备在线测温，油罐、隧道等火灾自动报警，压力容器、起重机械等特种设备结构安全监测以及矿井结构安全监测等等。
在光纤光栅传感技术中，光纤光栅传感器技术和光纤光栅信号解调技术是最为关键的两项技术，尤其是光纤光栅信号解调技术，对光纤光栅传感系统可实现的最终测量精度、测量速度和系统容量影响巨大，且其技术复杂度高、所占成本比重较大，直接影响到光纤光栅传感技术的产业化和工程化应用。
光纤光栅信号解调技术中，常用的方法有干涉法、色散法及波长可调谐滤波法。
干涉法波长解调分辨率高，但易受外界环境影响，适合在实验室科研应用。
色散法波长解调原理简单，图1为色散法光纤光栅波长解调设备硬件原理示意图。其产品实现相对容易，波长解调分辨率和精度取决于CCD探测阵列的像素，在光通信领域已属于成熟技术，通常用于光纤信道的光功率和光波长性能监测分析(OPM)；在光纤传感领域，多通道扩展需要借助成本高昂的光开关，并且通道之间存在切换时延，一般用于对数据采集速率和多通道同步性要求不高的场合，如开关柜、电缆等电力设备在线温度监测、油罐火灾报警等。
波长可调谐滤波法波长解调所采用的可调法布里-珀罗滤波器通常是基于压电陶瓷或静电驱动，调谐频率最高可达到MHz量级，调谐范围可达到上百nm，而且通过与光放大器构建环形光学谐振腔，由光纤放大器产生的ASE宽带光被可调法布里-珀罗滤波器滤波后通过定向耦合器再次进入光放大器放大，这样形成光学谐振，抑制掉在滤波器以外的波长，同时在滤波器带宽内还通过竞争选模，输出比滤波器线宽更窄的窄线宽波长可调谐激光，可实现对光纤光栅反射谱的精细扫描，获取光纤光栅反射谱的最大峰值功率和中心波长值。基于波长可调谐滤波器的可调谐激光器硬件原理如图2所示。
图3所示为基于可调谐激光器的光纤光栅波长解调设备硬件原理。可调谐激光器工作在波长周期性扫描状态(例如1525nm到1565nm范围)，当它扫到某个光纤光栅波长时，则让该光纤光栅的反射光信号通过。图3中，通道1为光学多波长基准源通道，通道2为传感测量通道，各自的光谱信号如图4所示。
图4中，通道1为光学多波长基准源通道，通常采用梳齿滤波器产生多个等波长间隔且具有热稳定波长值的光谱透射峰作为波长测量校准信号；通道2为传感测量通道，通过与光纤光栅阵列连接，接收到一个或多个光纤光栅的反射光谱信号。
当可调谐激光器从1525nm到1565nm波长范围内开始扫描后，对通道1和通道2进行同步数据采集，就可以计算出通道2各个光纤光栅反射峰出现时刻相对于通道1某个波长基准源透射峰出现时刻的时间差，然后结合可调谐激光器的波长——时间扫描速度，计算得到通道2各个光纤光栅相对于通道1某个波长基准源的波长值偏移，由于通道1所有波长基准源对应的光谱透射峰的波长值是事先已精确测定的，所以就可以算出通道2所有光纤光栅的准确波长测量值。
之所以在通道1中设置光学多波长基准源，目的就是消除可调谐激光器内部压电陶瓷或静电驱动的非线性误差。
采用可调谐激光器构建的基于波长可调谐滤波法的波长解调设备具有很高的出纤光能量密度，因此可通过多路分光后实现测量通道平滑扩展，无需借助成本高昂的光开关，降低了系统的硬件成本，而且在需要高速、同步测量的振动、应变和压力测量应用场合具有显著的技术优势。
基于波长可调谐滤波法设计的波长解调设备中，被测光纤光栅的波长是通过计算传感测量通道中各个光纤光栅反射峰出现时刻相对于光学多波长基准源通道内某个波长基准源透射峰出现时刻的时间差来计算获得，因此，在实际工程现场，由于被测光纤光栅往往远离波长解调设备，而且与波长解调设备之间的光纤传输距离很难准确测量，因此，各个光纤光栅反射峰出现的时刻还包含了其不同光纤传输距离引入的时延误差，从而直接影响到波长解调设备对各个光纤光栅波长的测量精度，导致光纤传感系统引入物理量测量误差，出现波长计算“刻舟求剑”现象，造成光纤光栅传感监测系统出现误报、漏报等不可靠因素。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种能实现测距功能，基于测距功能消除光纤光栅信号解调中的误差，从而有效解决波长可调谐滤波法光纤光栅信号解调技术中，由于光纤传输距离所引入的光纤光栅波长测量误差问题，且结构简单，成本低廉，应用范围较为广泛的具有测距功能的光纤光栅波长同步解调系统。
为了实现上述的目的，本发明的具有测距功能的光纤光栅波长同步解调系统包括如下构成：
可变频扫描激光仪，具有扫描激光输出端、m路同步时钟输出端和数字变频控制端口；
光学多波长基准源，其输入端连接所述的可变频扫描激光仪的扫描激光输出端，用以提供多个以一定波长间隔分布的光谱信号；
扫描激光仪输出分路器组，具有1路输入端、n路输出端及n路返回端，所述的1路输入端连接所述的可变频扫描激光仪的扫描激光输出端，n路输出端分别连接n路传感通道；
n+1路第二光电探测器，其n+1路输入端分别连接所述的光学多波长基准源的输出端和扫描激光仪输出分路器组的n路返回端；
m个同步采集器，每个同步采集器均连接所述的可变频扫描激光仪的程控信号源的一路同步时钟输出端，每个同步采集器还连接n/m+1路的第二光电探测器输出端；
运算处理单元，分别连接所述的m个同步采集器的输出端和所述的可变频扫描激光仪的数字变频控制端口。
该具有测距功能的光纤光栅波长同步解调系统中，所述的可变频扫描激光仪包括：程控信号源、电压放大器和环形光纤谐振腔，所述的程控信号源的扫描三角波输出端通过所述的电压放大器连接所述的环形光纤谐振腔的输入端，所述的环形光纤谐振腔的输出端通过第一光电探测器连接所述的程控信号源的输入端，以使该可变频扫描激光仪形成一在设定的波长范围内周期性扫描的扫描激光仪，所述的程控信号源还具有m路同步时钟输出端和数字变频控制端口，所述的光纤谐振腔的输出端为可变频扫描激光仪的扫描激光输出端。
该具有测距功能的光纤光栅波长同步解调系统中，所述的环形光纤谐振腔包括顺序环形连接的扫描滤波器、第一光纤放大器、光带通滤波器、第一光纤分路器和第二光纤放大器，所述的扫描滤波器的输入端分别连接所述的电压放大器和第二光纤放大器的输出端，所述的第一光纤分路器的输出端为该环形光纤谐振腔的输出端，并分别连接所述的第一光电探测器、第二光纤放大器、光学多波长基准源和扫描激光仪输出分路器组的输入端。
该具有测距功能的光纤光栅波长同步解调系统中，所述的环形光纤谐振腔还包括第一光纤隔离器和第二光纤隔离器，所述的第一光纤隔离器的输入端连接所述的扫描滤波器的输出端，其输出端连接所述的第一光纤放大器的输入端，所述的第二光纤隔离器的输入端连接所述的第二光纤放大器的输出端，其输出端连接所述的扫描滤波器的输入端。
该具有测距功能的光纤光栅波长同步解调系统中，所述的光带通滤波器为带通范围λ1至λ2的光带通滤波器，所述的可变频扫描激光仪的周期性扫描的波长范围为λ1至λ2。可通过更换不同的光带通滤波器来实现不同波长扫描范围的可变频扫描激光仪。其中，λ1可为1520nm，λ2可为1600nm。
该具有测距功能的光纤光栅波长同步解调系统中，所述的扫描激光仪输出分路器组包括1个1×n分路器和n个1×2分路器，所述的1×n分路器的输入端连接所述的可变频扫描激光仪的扫描激光输出端，所述的1×n分路器的n路输出端分别连接所述的n个1×2分路器的输入端，所述的n个1×2分路器的n路输出端分别连接n路传感通道，该n个1×2分路器的n路的返回端分别连接n路第二光电探测器的输入端。
该具有测距功能的光纤光栅波长同步解调系统中，所述的光学多波长基准源包括一个第二光纤分路器以及与连接于所述的第二光纤分路器的多个相互串接的光纤光栅，所述的第二光纤分路器的入射端连接所述的可变频扫描激光仪的输出端，所述的第二光纤分路器的输出端连接1路所述的第二光电探测器。
该具有测距功能的光纤光栅波长同步解调系统中，所述的光学多波长基准源包括波长标准具和DWDM滤波器，所述的可变频扫描激光仪的输出端连接所述的波长标准具的输入端，所述的波长标准具的输出端连接所述的DWDM滤波器的输入端，所述的DWDM滤波器的输出端连接1路所述的第二光电探测器。
采用了该发明的具有测距功能的光纤光栅波长同步解调系统，其包括可变频扫描激光仪、光学多波长基准源、扫描激光仪输出分路器组、n+1路第二光电探测器、m个同步采集器以及运算处理单元。由运算处理单元通过数字变频控制接口，使可变频扫描激光仪的程控信号源控制扫描滤波器先后工作在两种不同的扫描周期，然后解调出两种不同扫描周期下现场安装的各个光纤光栅的波长值。这两种不同扫描周期下解调出的同一个光纤光栅波长值的差异就是由光纤光栅到光纤光栅解调系统之间的光纤传输距离所引起的，可以根据运算处理单元预先设定的程控信号源送出的两种扫描三角波周期和对应解调出的光纤光栅波长值的差异来计算出光纤传输的准确距离，并进而修正由该光纤传输距离引入的光纤光栅波长解调误差，实现工程现场安装的光纤光栅传感器的准确空间定位和精确波长解调。且本发明的具有测距功能的光纤光栅波长同步解调系统的结构简单，成本低廉，应用范围较为广泛。
附图说明
图1为色散法光纤光栅波长解调设备硬件原理示意图。
图2为基于波长可调谐滤波器的可调谐激光器硬件原理示意图。
图3为基于可调谐激光器的光纤光栅波长解调设备硬件原理示意图。
图4为波长可调谐滤波法光纤光栅波长测量原理示意图。
图5为本发明的具有测距功能的光纤光栅波长同步解调系统的结构示意图。
图6为本发明的一种实施方式中所采用的光学多波长基准源的结构示意图。
图7为本发明的另一种实施方式中所采用的光学多波长基准源的结构示意图。
图8为实际应用中采用本发明的具有测距功能的128通道同步100Hz光纤光栅波长解调系统的结构示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。
请参阅图5所示，为本发明的具有测距功能的光纤光栅波长同步解调系统的结构示意图。
在一种实施方式中，该具有测距功能的光纤光栅波长同步解调系统包括：可变频扫描激光仪、光学多波长基准源、扫描激光仪输出分路器组、n+1路第二光电探测器、m个同步采集器以及运算处理单元。
其中，可变频扫描激光仪包括：程控信号源、电压放大器和环形光纤谐振腔，所述的程控信号源的扫描三角波输出端通过所述的电压放大器连接所述的环形光纤谐振腔的输入端，所述的环形光纤谐振腔的输出端通过第一光电探测器连接所述的程控信号源的输入端，以使该可变频扫描激光仪形成一在设定的波长范围内周期性扫描的扫描激光仪，所述的程控信号源还具有m路同步时钟输出端和数字变频控制端口，所述的光纤谐振腔的输出端为可变频扫描激光仪的扫描激光输出端。
光学多波长基准源的输入端连接所述的可变频扫描激光仪的扫描激光输出端，用以提供多个以一定波长间隔分布的光谱信号。
扫描激光仪输出分路器组包括1个1×n分路器和n个1×2分路器，所述的1×n分路器的输入端连接所述的可变频扫描激光仪的扫描激光输出端，所述的1×n分路器的n路输出端分别连接所述的n个1×2分路器的输入端，所述的n个1×2分路器的n路输出端分别连接n路传感通道，该n个1×2分路器的n路的返回端分别连接n路第二光电探测器的输入端。
n+1路第二光电探测器，其n+1路输入端分别连接所述的光学多波长基准源的输出端和扫描激光仪输出分路器组的n路返回端；
m个同步采集器，每个同步采集器均连接所述的可变频扫描激光仪的程控信号源的一路同步时钟输出端，每个同步采集器还连接n/m+1路的第二光电探测器输出端；
运算处理单元，分别连接所述的m个同步采集器的输出端和所述的可变频扫描激光仪的数字变频控制端口。
在一种较优选的实施方式中，如图5所示，所述的环形光纤谐振腔包括顺序环形连接的扫描滤波器、第一光纤放大器、光带通滤波器、第一光纤分路器和第二光纤放大器，所述的扫描滤波器的输入端分别连接所述的电压放大器和第二光纤放大器的输出端，所述的第一光纤分路器的输出端为该环形光纤谐振腔的输出端，并分别连接所述的第一光电探测器、第二光纤放大器、光学多波长基准源和扫描激光仪输出分路器组的输入端。其中，所述的光带通滤波器为带通范围λ1至λ2的光带通滤波器，所述的可变频扫描激光仪的周期性扫描的波长范围为λ1至λ2。可通过更换不同的光带通滤波器来实现不同波长扫描范围的可变频扫描激光仪。更优选的情况下，λ1为1520nm，λ2为1600nm。
在一种进一步优选的实施方式中，如图5所示，所述的环形光纤谐振腔还包括第一光纤隔离器和第二光纤隔离器，所述的第一光纤隔离器的输入端连接所述的扫描滤波器的输出端，其输出端连接所述的第一光纤放大器的输入端，所述的第二光纤隔离器的输入端连接所述的第二光纤放大器的输出端，其输出端连接所述的扫描滤波器的输入端。
在一种更优选的实施方式中，如图6所示，所述的光学多波长基准源可以包括一个第二光纤分路器以及与连接于所述的第二光纤分路器的多个相互串接的光纤光栅，所述的第二光纤分路器的入射端连接所述的可变频扫描激光仪的输出端，所述的第二光纤分路器的输出端连接1路所述的第二光电探测器。其中，多个相互串联的光纤光栅具有温控或测温措施，用以消除温度的影响。
在另一种更优选的实施方式中，如图7所示，所述的光学多波长基准源也可以包括波长标准具(etalon)和DWDM滤波器(DWDMfilter，DenseWavelengthDivisionMultiplexingfilter密集型光波复用滤波器)，所述的可变频扫描激光仪的输出端连接所述的波长标准具的输入端，所述的波长标准具的输出端连接所述的DWDM滤波器的输入端，所述的DWDM滤波器的输出端连接1路所述的第二光电探测器。
在实际应用中，本发明的具有测距功能的光纤光栅波长同步解调系统基本原理为：程控信号源在运算处理单元的控制下，产生一个周期性的三角波扫描信号，经过电压放大器驱动后，控制扫描滤波器进入周期性波长扫描工作状态。由扫描滤波器和光纤放大器环腔产生的扫描激光经过光带通滤波器后，在光带通滤波器的起始波长和终止波长位置分别产生一个光谱上升沿和下降沿，可借助光电探测器转换为一个方波触发信号，返回到程控信号源，由此实现对扫描滤波器的闭环控制，使之在预先设定的波长范围内(例如1520nm～1600nm)周期性扫描；同时，程控信号源输出1路或多路同步时钟给同步采集器阵列，实现多个光纤传感通道之间的同步信号采集。
由扫描滤波器和光纤放大器环腔产生的扫描激光经过光纤分路器后的另外一路经过1个1×n光分路器和n个1×2光分路器后进入n路传感通道，实现对各个传感通道的信号激励；n路传感通道内各个光纤光栅反射回的光谱信号由n个1×2光分路器的另外一个端口返回到各自对应的光电探测器；
由扫描滤波器和光纤放大器环腔产生的扫描激光经过光纤分路器后的第三路信号经过光学多波长基准源后也进入其中一路光电探测器。
为实现n路传感信号与1路标准波长信号的同步采集，由程控信号源输出的M个同步时钟信号控制m个(n/m+1)路同步采集器同步工作，实现数据采集时间的精确对准。
由运算处理单元接收所有同步采集器的实时数据，实现对n路传感通道中所有光纤光栅的同步波长解调。
该具有测距功能的光纤光栅波长同步解调系统的个部分的作用如下：
1、运算处理单元通过数字变频控制接口对程控信号源输出的扫描三角波周期进行控制；
2、程控信号源输出的扫描三角波由电压放大器驱动后控制扫描滤波器进入周期性波长扫描工作状态；
3、扫描滤波器与光放大器形成了个环形腔，由光纤放大器产生的ASE宽带光被扫描滤波器滤波后通过光带通滤波器和光纤分路器后再次进入光放大器放大，这样形成光学谐振，抑制掉在滤波器透射带宽以外的波长，同时在滤波器带宽内还通过竞争选模，输出比滤波器线宽更窄的扫描激光，并借助光纤分路器实现多路输出；
4、光纤隔离器1和光纤隔离器2分别联接在扫描滤波器的输入输出端，以保证环形腔内激光的单向传输、谐振；
5、扫描激光在环形腔内经过光带通滤波器后，在光带通滤波器的起始波长和终止波长位置分别产生一个光谱上升沿和下降沿，经过光纤分路器的其中一个输出端进入光电探测器，转换为一个方波触发信号，返回到程控信号源，由此实现对扫描滤波器的闭环控制，使其在光带通滤波器决定的波长范围内周期性波长扫描；
6、经过光纤分路器其他两个端口输出的两路可变频扫描激光，其中一路进入光学多波长基准源的输入端，另外一路经过由1个1×n光分路器和n个1×2光分路器后输出到各个传感通道；
7、n个1×2光分路器的返回端与光学多波长基准源的输出端全部进入光电探测器，转换为易于后续电路采集的电压信号，也即1路光学多波长基准源信号和n路传感通道信号；
8、程控信号源为每个多路同步采集器各送出一路同步时钟，控制所有多路同步采集器工作在同步数据采集模式，实现对光电探测器输出的1路光学多波长基准源信号和n路传感通道信号的同步数据采集；
9、所有多路同步采集器的输出数据送到运算处理单元，实时解算出n路传感通道内各个光纤光栅的波长值，并进而计算出光纤光栅波长值所表征的实际被测物理量。
10、由运算处理单元通过数字变频控制接口对程控信号源输出的扫描三角波周期进行不同设定，使得光纤光栅波长解调系统内部的扫描滤波器先后工作在两种不同的扫描周期，由此获取在两种不同的扫描周期下，每个光纤光栅解算出的两个不同波长值，由于扫描滤波器的两种扫描周期是预先设定并且已知的而且扫描激光信号在光纤内部的传输速率是已知的，因此就可以计算出光纤传输的准确距离，并修正由该光纤传输距离引入的光纤光栅波长解调误差，最终实现对工程现场安装的光纤光栅传感器的准确空间定位和精确波长解调。
在实际实施应用中，本发明的系统可设计为如图8所示的具有测距功能的128通道同步100Hz光纤光栅波长解调系统。
其采用由扫描滤波器、光纤隔离器、光纤放大器、光纤分路器和带通范围为1520nm-1600nm的光带通滤波器构成可变频扫描激光器，该扫描激光器具有1520nm-1600nm确定的波长扫描范围，输出功率超过1mW，3dB线宽小于0.2dB，扫描周期由程控信号源决定。
可变频扫描激光器输出的可变频扫描激光经过光纤分路器分别进入光学多波长基准源及128个传感通道，由光学多波长基准源输出及各个传感通道返回的光信号经过129路独立的光电探测器转换为标准电压信号，对应送到8个18路同步采集器。
程控信号源具有8路同步时钟输出，每路同步时钟控制1个18路同步采集器启动或停止数据采集，由此实现对8个18路同步采集器的时钟同步控制，保证了128个传感通道的采样时间严格同步。
运算处理单元通过数字变频控制接口，先后使扫描激光器输出波长扫描周期为1s(对应频率为1Hz，波长扫描速率为160nm/s)和0.01s(对应频率为100Hz，波长扫描速率为16000nm/s)的三角波电压信号(占空比1∶1)。以折射率为1.5的单模石英光纤为例，光在光纤中的传播速率为200000km/s，因此，假设某光纤光栅距离光纤光栅波长解调系统的距离为10km，则在扫描激光器输出波长扫描周期为1s时，由于光传感信号来回20km引入的时延为0.0001s，对应的波长误差为160×0.0001＝0.016nm；在扫描激光器输出波长扫描周期为0.01s时，光传感信号来回20km引入的时延同样为0.0001s，对应的波长误差为16000×0.0001＝1.6nm。
可知：在1s和0.01s两种不同的扫描周期下，同一个光纤光栅波长解调值的差值为1.6-0.016＝1.584nm，因此，假定引起该波长解调差值的光纤传输距离为未知数L(单位为km)，则有如下公式：
(L÷200000km/s)×16000nm/s-(L÷200000km/s)×160nm/s＝1.584nm
由上式计算可得出，L＝20km，进而可计算出该传输距离在扫描激光器不同波长扫描周期下的波长解调误差，从而予以精确消除。
上述的具有测距功能的128通道同步100Hz光纤光栅波长解调系统可产生以下技术效果：
1、采用光带通滤波器检测光学谐振腔中扫描滤波器的波长扫描位置并反馈给程控信号源，实现对扫描滤波器的闭环控制，从而使扫描激光器的输出光波长在确定的范围内周期性扫描，解决了扫描滤波器受温度漂移和电压波动导致的波长扫描范围不确定问题(例如，扫描滤波器控制电压维持不变，在0-40℃温度变化范围内其波长扫描范围会发生超过5nm偏移，导致部分光纤光栅由于波长远离扫描滤波器的扫描范围而无法进行正常信号解调，导致部分光纤光栅传感器的测量值丢失)，提高了光纤光栅波长解调系统的工作可靠性，保证光纤光栅波长解调系统在-25℃-50℃工作温度范围内，波长解调范围及波长解调偏差均不超过±2pm。
2、程控信号源具有一路或多路同步时钟，用于指示扫描激光器的波长扫描起始时间和停止时间(该起始时间和停止时间直接对应于扫描激光器的起始波长工作位置和终止波长工作位置)，由此可为后端的多通道同步采集器阵列提供准确的触发控制信号，使扫描激光器输出的窄线宽、高能量密度、波长周期性扫描调谐激光信号经过多路分光后入射到多个传感通道并沿原路反射回的全部光信号能够被多个采集器同步接收，解决了多通道同步采集时由于时钟不同步引入的传感通道之间测量值偏差问题，解决了光纤光栅波长解调系统多通道扩展时由于多个采集器时钟不同步引起的通道之间测量偏差问题，使大容量(1-128路)、非开关切换、高速同步采集型(0-2KHz)光纤光栅波长解调系统具备了实用化、产品化基础。
3、程控信号源与运算处理单元之间具有数字变频控制接口，使扫描激光器在确定的波长范围内扫描时至少可以工作在两种以上扫描周期，由于不同扫描周期下，光纤光栅与波长解调系统之间的光信号传输时延是相同的但所引起的波长解调误差是不同的，所以，可以根据两种扫描周期下所解调出的光纤光栅波长值差异来反推出光纤光栅与波长解调系统之间的光信号传输时延值，进而计算出空间距离并获得消除传输距离误差后的光纤光栅实际波长值，消除传输距离对光纤光栅传感器测量值的影响，从根本原理上消除了波长可调谐滤波法中，由于光学多波长基准源集成在波长解调设备中而被测的光纤光栅安装远程现场导致的测量不确定性误差(以100Hz波长解调设备为例，当光纤光栅与波长解调设备相距40公里时，按照光纤折射率为1.5计算，光传感信号在光纤中的往返传输时延为80km÷200000km/s＝0.0004s，引入的波长解调误差达到6.4nm，如果该光纤光栅用于温度测量的话，将直接导致测温值误差接近640℃)。本专利提出的光纤光栅波长解调方法，对光纤光栅的空间测距分辨率可达到1m以下，0-100km范围内不同传输距离引起的光纤光栅波长解调误差小于1pm。
采用了该发明的具有测距功能的光纤光栅波长同步解调系统，其包括，可变频扫描激光仪、光学多波长基准源、扫描激光仪输出分路器组、n+1路第二光电探测器、m个同步采集器以及运算处理单元。由运算处理单元通过数字变频控制接口，使可变频扫描激光仪的程控信号源控制扫描滤波器先后工作在两种不同的扫描周期，然后解调出两种不同扫描周期下现场安装的各个光纤光栅的波长值。这两种不同扫描周期下解调出的同一个光纤光栅波长值的差异就是由光纤光栅到光纤光栅解调系统之间的光纤传输距离所引起的，可以根据运算处理单元预先设定的程控信号源送出的两种扫描三角波周期和对应解调出的光纤光栅波长值的差异来计算出光纤传输的准确距离，并进而修正由该光纤传输距离引入的光纤光栅波长解调误差，实现工程现场安装的光纤光栅传感器的准确空间定位和精确波长解调。且本发明的具有测距功能的光纤光栅波长同步解调系统的结构简单，成本低廉，应用范围较为广泛。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (8)
1.一种具有测距功能的光纤光栅波长同步解调系统，其特征在于，所述的系统包括：
可变频扫描激光仪，具有扫描激光输出端、m路同步时钟输出端和数字变频控制端口；
光学多波长基准源，其输入端连接所述的可变频扫描激光仪的扫描激光输出端，用以提供多个以一定波长间隔分布的光谱信号；
扫描激光仪输出分路器组，具有1路输入端、n路输出端及n路返回端，所述的1路输入端连接所述的可变频扫描激光仪的扫描激光输出端，n路输出端分别连接n路传感通道；
n+1路第二光电探测器，其n+1路输入端分别连接所述的光学多波长基准源的输出端和扫描激光仪输出分路器组的n路返回端；
m个同步采集器，每个同步采集器均连接所述的可变频扫描激光仪的程控信号源的一路同步时钟输出端，每个同步采集器还连接n/m+1路的第二光电探测器输出端；
运算处理单元，分别连接所述的m个同步采集器的输出端和所述的可变频扫描激光仪的数字变频控制端口。
2.根据权利要求1所述的具有测距功能的光纤光栅波长同步解调系统，其特征在于，所述的可变频扫描激光仪包括：程控信号源、电压放大器和环形光纤谐振腔，所述的程控信号源的扫描三角波输出端通过所述的电压放大器连接所述的环形光纤谐振腔的输入端，所述的环形光纤谐振腔的输出端通过第一光电探测器连接所述的程控信号源的输入端，以使该可变频扫描激光仪形成一在设定的波长范围内周期性扫描的扫描激光仪，所述的程控信号源还具有m路同步时钟输出端和数字变频控制端口，所述的光纤谐振腔的输出端为可变频扫描激光仪的扫描激光输出端。
3.根据权利要求2所述的具有测距功能的光纤光栅波长同步解调系统，其特征在于，所述的环形光纤谐振腔包括顺序环形连接的扫描滤波器、第一光纤放大器、光带通滤波器、第一光纤分路器和第二光纤放大器，所述的扫描滤波器的输入端分别连接所述的电压放大器和第二光纤放大器的输出端，所述的第一光纤分路器的输出端为该环形光纤谐振腔的输出端，并分别连接所述的第一光电探测器、第二光纤放大器、光学多波长基准源和扫描激光仪输出分路器组的输入端。
4.根据权利要求3所述的具有测距功能的光纤光栅波长同步解调系统，其特征在于，所述的环形光纤谐振腔还包括第一光纤隔离器和第二光纤隔离器，所述的第一光纤隔离器的输入端连接所述的扫描滤波器的输出端，其输出端连接所述的第一光纤放大器的输入端，所述的第二光纤隔离器的输入端连接所述的第二光纤放大器的输出端，其输出端连接所述的扫描滤波器的输入端。
5.根据权利要求3所述的具有测距功能的光纤光栅波长同步解调系统，其特征在于，所述的光带通滤波器为带通范围λ1至λ2的光带通滤波器，所述的可变频扫描激光仪的周期性扫描的波长范围为λ1至λ2，其中λ1为1520nm，λ2为1600nm。
6.根据权利要求1所述的具有测距功能的光纤光栅波长同步解调系统，其特征在于，所述的扫描激光仪输出分路器组包括1个1×n分路器和n个1×2分路器，所述的1×n分路器的输入端连接所述的可变频扫描激光仪的扫描激光输出端，所述的1×n分路器的n路输出端分别连接所述的n个1×2分路器的输入端，所述的n个1×2分路器的n路输出端分别连接n路传感通道，该n个1×2分路器的n路的返回端分别连接n路第二光电探测器的输入端。
7.根据权利要求1所述的具有测距功能的光纤光栅波长同步解调系统，其特征在于，所述的光学多波长基准源包括一个第二光纤分路器以及与连接于所述的第二光纤分路器的多个相互串接的光纤光栅，所述的第二光纤分路器的入射端连接所述的可变频扫描激光仪的输出端，所述的第二光纤分路器的输出端连接1路所述的第二光电探测器。
8.根据权利要求1所述的具有测距功能的光纤光栅波长同步解调系统，其特征在于，所述的光学多波长基准源包括波长标准具和DWDM滤波器，所述的可变频扫描激光仪的输出端连接所述的波长标准具的输入端，所述的波长标准具的输出端连接所述的DWDM滤波器的输入端，所述的DWDM滤波器的输出端连接1路所述的第二光电探测器。
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