CN103309058B - 压电陶瓷型可调谐波长滤波器非线性修正方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电陶瓷型可调谐波长滤波器非线性修正方法及系统，包括：光源、压电陶瓷型可调谐波长滤波器、分光器和反馈控制电路，反馈控制电路包括光学格栅生成器、光电采集模块和数据处理及控制模块；光电采集模块将通过光学格栅生成器的光信号转换为模拟电信号，再转换为数字信号并上传给数据处理及控制模块；数据处理及控制模块根据光学格栅生成器的已知光波间距实时调整数字信号，并生成反馈控制信号；驱动模块，用于为滤波器提供锯齿波电压，并根据反馈控制信号调节锯齿波电压，实现滤波器的非线性修正，使滤波器输出等间距的脉冲序列。本发明利用光学反馈的方法，结合电路及控制技术克服器件的非线性输出特性，实现高精度波长输出。

Description

压电陶瓷型可调谐波长滤波器非线性修正方法及系统

技术领域

本发明涉及压电陶瓷型可调谐波长滤波器，尤其涉及一种压电陶瓷型可调谐波长滤波器非线性修正方法及系统。

背景技术

可调谐波长滤波器是光纤传感领域中的核心器件。压电陶瓷型可调谐波长滤波器由于具有响应速度快、不发热、推力大、波长分辨率高等诸多优点，在光纤传感领域中有着广泛的应用，例如可以用于光纤光栅传感器波长解调器件。压电陶瓷型可调谐波长滤波器利用法布里—珀罗结构，通过压电陶瓷改变两个反射镜之间的距离实现可变的波长输出。但如图1所示，由于压电陶瓷的“电压—位移”曲线为迟滞非线性，致使滤波器输出波长也不是线性分布，严重影响光纤光栅波长解调精度。

在未使用修正的光纤光栅仪表里，由于存在波长的非线性分布，造成在驱动电压的高低端解调误差较大，也造成了在驱动电压的上升沿和下降沿的波长不可重复性，这样的结果直接导致光纤光栅仪表无法解调出光栅的真实波长，对于光纤光栅在应力、压力等高精度场合的应用产生了制约。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中滤波器输出波长为非线性分布，严重影响光纤光栅波长解调精度的缺陷，提供一种压电陶瓷的电压-位移非线性修正，使得装有压电陶瓷型可调谐波长滤波器输出为线性的一种压电陶瓷型可调谐波长滤波器非线性修正方法及系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种压电陶瓷型可调谐波长滤波器非线性修正系统，包括：

光源；

滤波器，该滤波器为压电陶瓷型可调谐波长滤波器；

分光器，用于将所述光源通过所述滤波器的光分为两条隔离光路，一条光路用于直接输出，另一条光路用于进入反馈控制电路进行反馈控制；

所述反馈控制电路包括光学格栅生成器、光电采集模块和数据处理及控制模块；

所述光学格栅生成器用于产生光波间距相等的多个透射峰，其可通过与透射峰波长重合的光；

所述光电采集模块用于将通过所述光学格栅生成器的光信号转换为模拟电信号，再将模拟电信号转换为数字信号并上传给所述数据处理及控制模块；

所述数据处理及控制模块根据所述光学格栅生成器的已知光波间距实时调整所述数字信号，并生成反馈控制信号；

驱动模块，用于为所述滤波器提供锯齿波电压，并根据所述反馈控制信号调节锯齿波电压，以实现所述滤波器的非线性修正，使所述滤波器输出等间距的脉冲序列。

本发明所述的系统中，所述分光器所分出的两条隔离光路中，其中90%的光用于直接输出，10%的光用于进入反馈控制电路。

本发明所述的系统中，所述数据处理及控制模块具体用于：将所述光电采集模块上传的数字信号进行存储，存储宽度为一个扫描周期，该宽度覆盖了所有的标准脉冲数据；获取一个扫描周期的所有标准脉冲峰值点，计算峰值点在时域上的差值序列，根据该差值序列计算修正值，并调节所述驱动模块的输出，直到标准脉冲序列的峰值点的差值小于预设值。

本发明所述的系统中，所述光电采集模块包括光电转换电路和模数转换电路。

本发明所述的系统中，所述数据处理及控制模块采用FPGA实现。

本发明所述的系统中，所述光源为半导体超辐射发光二极管。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：

提供一种压电陶瓷型可调谐波长滤波器非线性修正方法，其基于权利要求1所述的系统，其特征在于，包括以下步骤：

分光器将通过所述滤波器的光分为两条隔离光路，一条光路用于直接输出，另一条光路用于进入反馈控制电路进行反馈控制；

将进入所述反馈控制电路的光通过光学格栅生成器得到透射光信号；

将透射光信号转换为模拟电信号，再将模拟电信号转换为数字信号；

将数字信号存储，存储宽度为一个扫描周期，该存储宽度覆盖了所有的标准脉冲数据；

获取一个扫描周期的所有标准脉冲峰值点，计算峰值点在时域上的差值序列；

根据该差值序列计算修正值，并调节所述驱动模块的输出，直到标准脉冲序列的峰值点的差值小于预设值。

本发明所述的方法中，步骤获取一个扫描周期的所有标准脉冲峰值点具体包括：

寻找标准脉冲数据中的最大值，并设置第一预置点，所有标准脉冲数据减去第一预置点的值；

设置第二预置点，当标准脉冲数据减去第一预置点后的值大于第二预置点的值时，表明有峰值存在，扩展该峰值左右多个点为窗口，采用曲线拟合的方法寻找到该窗口的最大值点并记录；以此方法寻找到一个扫描周期的所有标准脉冲峰值点。

本发明所述的方法中，步骤根据该差值序列计算修正值，并调节所述驱动模块的输出具体包括：

计算标准脉冲峰值点在时域上的差值；

将获得的差值序列进行曲线拟合；

将拟合获得的曲线序列乘以预设比例系数后，再减去驱动模块中数模转换电路中D/A寄存器的值，然后再次送入D/A寄存器执行数模转换，其中所述驱动模块为滤波器提供锯齿波电压；

当标准脉冲峰值点在时域上的差值小于设定值时，停止反馈控制电路的反馈控制。

本发明产生的有益效果是：本发明的压电陶瓷型可调谐波长滤波器非线性修正系统，包括通过反馈控制电路生成反馈控制信号调节滤波器输入的锯齿波电压，以实现滤波器的非线性修正，使滤波器输出等间距的脉冲序列。本发明利用光学反馈的方法，结合电路及控制技术克服器件的非线性输出特性，实现高精度波长输出。

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是现有技术中压电陶瓷的“电压-位移”曲线；

图 2是本发明实施例压电陶瓷型可调谐波长滤波器非线性修正系统的结构示意图；

图3是本发明实施例压电陶瓷型可调谐波长滤波器非线性修正方法的流程图一；

图4是本发明实施例压电陶瓷型可调谐波长滤波器非线性修正方法的流程图二；

图5是本发明实施例压电陶瓷型可调谐波长滤波器非线性修正前后标准脉冲序列在时域（X轴）的对比图。

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。

本发明实施例压电陶瓷型可调谐波长滤波器非线性修正系统可实现对压电陶瓷的电压-位移非线性修正，使得压电陶瓷型可调谐波长滤波器输出的标准脉冲等距；另外，本发明使用实时反馈控制，可以矫正压电陶瓷型可调谐波长滤波器在运行过程中的出现的误动作。

如图2所示，本发明实施例压电陶瓷型可调谐波长滤波器非线性修正系统包括：

光源1，为系统提供光能量，为宽光谱光源，其输出光谱范围应可以覆盖滤波器2的波长调谐范围；光源1可选半导体超辐射发光二极管。

滤波器2，该滤波器为压电陶瓷型可调谐波长滤波器；

分光器3，用于将输出光路和反馈光路隔离，其具体将光源1通过滤波器2的光分为两条隔离光路，一条光路用于直接输出，另一条光路用于进入反馈控制电路4进行反馈控制；本发明的一个实施例中，分光器3可采用1×2-90/10光分路器，分光器3所分出的两条隔离光路中，其中90%的光用于直接输出，10%的光用于进入反馈控制电路4。

反馈控制电路4包括光学格栅生成器41、光电采集模块42和数据处理及控制模块43；

光学格栅生成器41为透射型光学器件，可产生光波间隔相等的多个透射峰、且波长已知的光信号，光源进入光学格栅生成器4后，与透射峰波长重合的光可以通过，其他则不通过，通过该光学格栅生成器41的透射光信号为一组多峰值、非等间距的光信号；系统可根据已知间距的多个峰值信号进行对比分析后执行控制操作；可选用光学标准具作为光学格栅生成器，标准具具有波长等间隔，稳定性好等优点。

光电采集模块42用于将光信号转换为模拟电信号，再将模拟电信号转换为数字信号并上传给数据处理及控制模块43；该光电采集模块42包含光电转换电路和模数转换电路，后者将光电转换电路的模拟信号转换为数字信号并上传至数据处理及控制模块43；其中光电转换电路由同轴探测器、对数放大器构成；模数转换电路采用高速A/D。

数据处理及控制模块43根据光学格栅生成器41的已知光波间距实时调整数字信号，并生成反馈控制信号；数据处理及控制模块43可采用FPGA实现。

驱动模块5，用于为滤波器2提供锯齿波电压，并根据反馈控制信号调节锯齿波电压，以实现滤波器的非线性修正，使滤波器输出等间距的脉冲序列。驱动模块5由数模转换电路、电压放大器构成。

在本发明的一个实施例中，数据处理及控制模块43具体用于：将光电采集模块42上传的数字信号进行存储，存储宽度为一个扫描周期，该宽度覆盖了所有的标准脉冲数据；获取一个扫描周期的所有标准脉冲峰值点，计算峰值点在时域上的差值序列，根据该差值序列计算修正值，并调节驱动模块的输出，直到标准脉冲序列的峰值点的差值小于预设值。

本发明的一个实施例中，如图4所示，系统工作流程为：启动时，驱动模块5先产生一锯齿波电压（本实施例以三角波电压为例）驱动压电陶瓷型可调谐波长滤波器2使其处于正常运行状态；数据处理及控制模块43获得光电采集模块42的数据后，首先存入存储器，存储宽度为一个扫描周期，该宽度覆盖了所有的标准脉冲数据。获得完整的标准脉冲数据后，处理器寻找标准脉冲数据中的最大值，并设置最大值的1/2（3dB）为第一预置点；所有数据减去第一预置点；设置最大值的1/4为第二预置点，当信号大于第二预置点时，判断有峰值存在，并扩展峰值左右各开100点为窗口，采用曲线拟合的方法寻找到该窗口的最大值点并记录；以此方法寻找到一个扫描周期的所有标准脉冲峰值点。计算峰值点在时域（X轴）上的差值，即峰值两两做差获得差值序列；若差值大于预设值，则将获得的差值序列进行曲线拟合；将拟合获得曲线序列乘以比例系数（预先设置）后减去驱动模块5中数模转换电路中的D/A寄存器的值，将相减值送入D/A寄存器获得新数模转换值，执行数模转换，以修正滤波器的电压。上述反馈控制过程不间断地进行，当标准脉冲峰值的差小于设定值时，停止对压电陶瓷型可调谐波长滤波器中F-P腔的反馈控制。如图5所示，修正前，峰值点在时域（X轴）上的差值是不相等的，修正后峰值点在时域（X轴）上的差值近似相等。

本发明实施例压电陶瓷型可调谐波长滤波器非线性修正方法，其基于上述实施例的系统，如图3所示，包括以下步骤：

S301、分光器将通过滤波器的光分为两条隔离光路，一条光路用于直接输出，另一条光路用于进入反馈控制电路进行反馈控制；

S302、将进入反馈控制电路的光通过光学格栅生成器得到透射光信号，透射光信号为一组多峰值、非等间距的光信号；

S303、将光信号转换为模拟电信号，再将模拟电信号转换为数字信号；

S304、将数字信号存储，存储宽度为一个扫描周期，该存储宽度覆盖了所有的标准脉冲数据；

S305、获取一个扫描周期的所有标准脉冲峰值点，计算峰值点在时域上的差值序列；

S306、根据该差值序列计算修正值，并调节驱动模块的输出，直到标准脉冲序列的峰值点的差值小于预设值。

本发明的一个实施例中，步骤S305中“获取一个扫描周期的所有标准脉冲峰值点”具体包括：

寻找标准脉冲数据中的最大值，并设置第一预置点，所有标准脉冲数据减去第一预置点的值；

设置第二预置点，当标准脉冲数据减去第一预置点后的值大于第二预置点的值时，表明有峰值存在，扩展该峰值左右多个点为窗口，采用曲线拟合的方法寻找到该窗口的最大值点并记录；以此方法寻找到一个扫描周期的所有标准脉冲峰值点。

本发明的一个实施例中，步骤S306中“根据该差值序列计算修正值，并调节驱动模块的输出”具体包括：

计算标准脉冲峰值点在时域上的差值；

将获得的差值序列进行曲线拟合；

将拟合获得的曲线序列乘以预设比例系数后，再减去驱动模块中数模转换电路中D/A寄存器的值，然后再次送入D/A寄存器执行数模转换，其中驱动模块为滤波器提供锯齿波电压；

当标准脉冲峰值的差小于设定值时，停止反馈控制电路的反馈控制。即修正后标准脉冲峰值的差值近似相等，从而完成压电陶瓷型可调谐波长滤波器非线性修正。

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 (9)

1.一种压电陶瓷型可调谐波长滤波器非线性修正系统，其特征在于，包括：

光源；

滤波器，该滤波器为压电陶瓷型可调谐波长滤波器；

分光器，用于将所述光源通过所述滤波器的光分为两条隔离光路，一条光路用于直接输出，另一条光路用于进入反馈控制电路进行反馈控制；

所述反馈控制电路包括光学格栅生成器、光电采集模块和数据处理及控制模块；

所述光学格栅生成器用于产生光波间距相等的多个透射峰，其可通过与透射峰波长重合的光；

所述光电采集模块用于将通过所述光学格栅生成器的光信号转换为模拟电信号，再将模拟电信号转换为数字信号并上传给所述数据处理及控制模块；

所述数据处理及控制模块根据所述光学格栅生成器的已知光波间距实时调整所述数字信号，并生成反馈控制信号；

驱动模块，用于为所述滤波器提供锯齿波电压，并根据所述反馈控制信号调节锯齿波电压，以实现所述滤波器的非线性修正，使所述滤波器输出等间距的脉冲序列。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述分光器所分出的两条隔离光路中，其中90%的光用于直接输出，10%的光用于进入反馈控制电路。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据处理及控制模块具体用于：将所述光电采集模块上传的数字信号进行存储，存储宽度为一个扫描周期，该宽度覆盖了所有的标准脉冲数据；获取一个扫描周期的所有标准脉冲峰值点，计算峰值点在时域上的差值序列，根据该差值序列计算修正值，并调节所述驱动模块的输出，直到标准脉冲序列的峰值点的差值小于预设值。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光电采集模块包括光电转换电路和模数转换电路。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据处理及控制模块采用FPGA实现。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光源为半导体超辐射发光二极管。

7.一种压电陶瓷型可调谐波长滤波器非线性修正方法，其基于权利要求1所述的系统，其特征在于，包括以下步骤：

分光器将通过所述滤波器的光分为两条隔离光路，一条光路用于直接输出，另一条光路用于进入反馈控制电路进行反馈控制；

将进入所述反馈控制电路的光通过光学格栅生成器得到透射光信号；

将透射光信号转换为模拟电信号，再将模拟电信号转换为数字信号；

将数字信号存储，存储宽度为一个扫描周期，该存储宽度覆盖了所有的标准脉冲数据；

获取一个扫描周期的所有标准脉冲峰值点，计算峰值点在时域上的差值序列；

根据该差值序列计算修正值，并调节所述驱动模块的输出，直到标准脉冲序列的峰值点的差值小于预设值。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤获取一个扫描周期的所有标准脉冲峰值点具体包括：

寻找标准脉冲数据中的最大值，并设置第一预置点，所有标准脉冲数据减去第一预置点的值；

设置第二预置点，当标准脉冲数据减去第一预置点后的值大于第二预置点的值时，表明有峰值存在，扩展该峰值左右多个点为窗口，采用曲线拟合的方法寻找到该窗口的最大值点并记录；以此方法寻找到一个扫描周期的所有标准脉冲峰值点。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤根据该差值序列计算修正值，并调节所述驱动模块的输出具体包括：

计算标准脉冲峰值点在时域上的差值；

将获得的差值序列进行曲线拟合；

将拟合获得的曲线序列乘以预设比例系数后，再减去驱动模块中数模转换电路中D/A寄存器的值，然后再次送入D/A寄存器执行数模转换，其中所述驱动模块为滤波器提供锯齿波电压；

当标准脉冲峰值点在时域上的差值小于设定值时，停止反馈控制电路的反馈控制。