CN103439009B - 基于全息衍射空间成像的高精度光纤光栅传感器阵列解调系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全息衍射空间成像的高分辨率与高精度光纤光栅传感解调系统，用于实现高精度监测多个光纤光栅传感器波长变化。包括：宽带光源、耦合器、光开关、光纤光栅阵列、全息衍射空间成像单元、CCD光电探测单元、数据采集单元、针对成像光电信号的自适应数模混合滤波单元、数模混合噪声抵消与处理单元、数据迭代拟合与相关性分析处理单元以及电脑显示与数据处理存储单元，所述光纤光栅阵列由两个以上的光纤光栅串联而成；所述全息衍射空间成像单元由光束整形、全息衍射晶体、空间成像物镜三个子单元依次连接构成。本发明可实现光纤光栅传感器波长的高精度与高分辨率探测，稳定性和重复性好，系统结构简单，成本低，性价比高。

Description

基于全息衍射空间成像的高精度光纤光栅传感器阵列解调系统

技术领域

本发明涉及一种以全息衍射空间成像为基础的高分辨率与高精度分布式光纤光栅传感器阵列解调技术，用于实现高精度监测多个光纤光栅传感器波长变化。

背景技术

随着光纤光栅传感技术在结构健康监测(SHM)等工程中的应用，由于结构应变较小，越来越需要具有高分辨率、高精度灵敏度高的光纤光栅传感解调系统。目前用于光纤光栅解调的技术主要包括扫描滤波法，干涉仪法等等。但研究及工程实际表明，目前这些技术方法的传感系统分辨率与精度有限，而实际工程有时需要更高测量分辨率与精度，例如在一些大型工程结构如大跨桥梁、隧道等的长期健康监测，由于应变变化较小，往往要求传感解调系统具有更高分辨率与精度，以准确测量结构损坏程度，这对结构的长期健康监测具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种利用全息衍射空间成像技术，结合数模混合滤波与噪声抵消技术，最后通过高收敛性迭代拟合算法，实现对光纤光栅波长信号的高分辨率与高精度解调的光纤光栅传感器阵列解调系统，具有测量距离长，检测速度快，稳定性与可靠性好。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于全息衍射空间成像的高分辨率与高精度光纤光栅传感解调系统，

其特征在于：包括宽带光源、耦合器、光开关、光纤光栅阵列、全息衍射空间成像单元、CCD光电探测单元、数据采集单元、针对成像光电信号的自适应数模混合滤波单元、数模混合噪声抵消与处理单元、数据迭代拟合与相关性分析处理单元、电脑显示与数据处理存储单元；所述耦合器包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，所述的光开关包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，所述的第一输出端为多个并输出端口，所述的第二输入端为多个并输入端口；所述光纤光栅阵列由两个以上的光纤光栅串联而成；所述全息衍射空间成像单元由光束整形、全息衍射晶体、空间成像物镜三个子单元依次连接构成；

所述宽带光源的输出端连接耦合器的第一输入端，耦合器的第一输出端连接所述光开关的第一输入端，所述光开关的第二输出端连接所述耦合器的第二输入端；所述的光纤光栅阵列连接在所述光开关的每个并输出端口和并输入端口上；耦合器第二输出端口连接所述全息衍射空间成像单元的输入端，全息衍射空间成像单元的输出端连接所述CCD光电探测单元的输入端，所述CCD光电探测单元的输出端依次串联所述数据采集单元、针对成像光电信号的自适应数模混合滤波单元、数模混合噪声抵消与处理单元、数据迭代拟合与相关性分析处理单元、电脑显示与数据处理存储单元。

本发明是一种以全息衍射空间成像为基础的高分辨率与高精度分布式光纤光栅传感器阵列解调技术，宽带光源发出宽带光，进入耦合器的第一输入端口，然后通过耦合器输出端口进入一具有多个并输出端口的光开关，然后由光开关某一输出端口进入光纤光栅传感器阵列并被反射，反射的脉冲光由光开关原路返回，通过耦合器第二输出端口，进入全息衍射空间成像单元，然后进入CCD光电探测器。数据采集卡采集光电探测器的输出信号，依次经过针对成像光电信号的自适应数模混合滤波单元、数模混合噪声抵消与处理单元，以及数据迭代拟合与相关性分析处理单元，最后在电脑显示上显示、分析与存储检测结果，以观测光纤光栅传感器的脉冲反射信号的变化。

本发明针对系统成像光电信号与噪声信号特点，设计相应数模混合噪声抵消与处理单元，通过相关性分析主通道的像光电信号与噪声信号之和，以及参考通道的参考噪声-即自适应滤波器的噪声信号经时延和衰减后的信号，当主通道混合信号与参考噪声信号不相关时，自适应滤波器将调整自动调整优化参数。通过循环迭代使得噪声得到最大程度的抵消，而输出信号达到成像光电信号最佳估计，且均方值为最小。

自适应数模混合滤波单元采用模拟和数字混合电路，通过迭代算法控制调节滤波器的权系数，模拟延迟由多个集成电路并行构成横向滤波器, 通过乘法型模数转换器实现滤波器权系数与延迟的抽样信号的相乘，通过积分器和抽样保持电路实现模拟延迟输出的加权和。通过主控单元控制, 滤波器的权系数存储在数字移位寄存器，并根据异或门输出端上梯度估计值，以某一固定+2μ或-2μ进行迭代后实时更新存储。

本发明通过设计针对成像光电信号的自适应数模混合滤波单元、以及与之相匹配的数模混合噪声抵消与处理单元，高收敛性数据迭代拟合与相关性分析处理单元，通过软硬件结合的噪声与信号处理的方式，实现对光纤光栅波长高分辨率与高精度解析。光栅反射光信号进入全息衍射空间成像模块后首先经过光束整形准直子单元，然后依次通过全息衍射晶体及空间成像物镜单元，使得不同波长的光栅信号成像于CCD光电探测器的不同像元点上，以实现对波长的解调。由于传感器阵列光波长变化会导致各光波长经全息空间衍射成像后在CCD探测器像素点发生变化，因此通过采用高密集度像素阵元的CCD探测器，结合光电探测单元的噪声分析与处理，可以灵敏精确测得传感器波长变化，因而与现有技术相比，本发明具有的优点：

1. 实现高分辨率与高精度光纤光栅传感器波长监测，其波长分辨率和精度可分别达到0.1pm和0.2pm；

2. 可高速监测几十个到上百个光纤光栅波长变化；

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明光纤光栅阵列的结构示意图。

图3是本发明全息衍射空间成像单元的结构示意图。

图4是数模混合噪声抵消与处理单元的原理框图。

图5是自适应数模混合滤波单元的原理框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，宽带光源1发出宽带光，进入耦合器2的第一输入端口，然后通过耦合器输出端口进入一具有多个并输出端口的光开关3，然后由光开关某一输出端口进入光纤光栅传感器阵列4并被反射，反射的脉冲光由光开关原路返回，通过耦合器2第二输入端口，进入全息衍射空间成像单元5，然后进入CCD光电探测器6。数据采集卡7采集光电探测器的输出信号，依次经过针对成像光电信号的自适应数模混合滤波单元8、噪声抵消与处理单元9，以及高收敛性迭代拟合算法单元10，最后经电脑显示、分析与存储11，观测光纤光栅传感器反射光波长的变化。

光纤光栅阵列4由多个光纤光栅串联组成如图2所示，光纤光栅13可通过相位掩模板或激光逐点刻写制作而成，因此光纤光栅的反射波长可由相位掩模板的栅距或逐点写入的步进距离决定。

全息衍射空间成像单元5由光束整形12、全息衍射晶体13、空间成像物镜14三个子单元依次连接构成，如图3所示。

宽带光源1发出宽带传感光进入耦合器2第一输入端口，由耦合器2的输出端口经过光开关3进入光纤光栅传感器阵列4后被各光栅反射。反射光原路返回依次通过光开关3及耦合器2，经耦合器2的第二输入端口进入全息衍射空间成像模块5，然后进入光电探测器6。数据采集卡7采集并放大CCD光电探测器6不同像元点的输出电信号，根据输出光电信号及噪声特点，依次经过特殊设计的针对成像光电信号的自适应数模混合滤波单元8、数模混合噪声抵消与处理单元9，以及高收敛性迭代拟合算法单元10，对弱光电信号进行处理与分析，实现对光纤光栅传感器阵列4的高分辨率与高精度解析，最后电脑显示、分析与存储检测结果11，以观测光纤光栅传感器的反射信号的变化。其中衍射空间成像模块5由光束整形12、全息衍射晶体13、空间成像物镜14三个子单元依次连接构成。光栅反射光信号进入全息衍射空间成像模块5后首先经过光束整形子单元12，然后依次通过全息衍射晶体13及空间成像子单元14，使得不同波长的光栅信号成像于CCD光电探测器6的不同像元点上，以实现对波长的解调。

Claims (1)

1.一种基于全息衍射空间成像的光纤光栅传感解调系统，其特征在于，包括：宽带光源、耦合器、光开关、光纤光栅阵列、全息衍射空间成像单元、CCD光电探测单元、数据采集单元、针对成像光电信号的自适应数模混合滤波单元、数模混合噪声抵消与处理单元、数据迭代拟合与相关性分析处理单元以及电脑显示与数据处理存储单元；

所述耦合器包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，所述的光开关包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，所述的第一输出端为多个并输出端口，所述的第二输入端为多个并输入端口；所述光纤光栅阵列由两个以上的光纤光栅串联而成；所述全息衍射空间成像单元由光束整形、全息衍射晶体、空间成像物镜三个子单元依次连接构成；

所述宽带光源的输出端连接耦合器的第一输入端，耦合器的第一输出端连接所述光开关的第一输入端，所述光开关的第二输出端连接所述耦合器的第二输入端；所述的光纤光栅阵列连接在所述光开关的每个并输出端口和并输入端口上；耦合器第二输出端口连接所述全息衍射空间成像单元的输入端，全息衍射空间成像单元的输出端连接所述CCD光电探测单元的输入端，所述CCD光电探测单元的输出端依次串联所述数据采集单元、针对成像光电信号的自适应数模混合滤波单元、数模混合噪声抵消与处理单元、数据迭代拟合与相关性分析处理单元、电脑显示与数据处理存储单元。