CN103868536A - 一种嵌入式光纤光栅解调设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌入式光纤光栅解调设备，包括宽带光源、光纤耦合器、温控光纤光栅、光开关、光纤连接头、光谱测量模块、温控装置、以及光路控制及信号处理电路。光纤耦合器对来自宽带光源的光功率进行分配。温控光纤光栅对来自光纤耦合器的光谱进行衍射处理，并将处理后的固定波长的光通过光纤耦合器反射给光纤耦合器。光谱测量模块对来自光纤耦合器的反射光谱进行光电信号转换，并将转换后的电信号传输给光路控制及信号处理电路，光路控制及信号处理电路对接收自光谱测量模块的电信号进行解调处理，并将处理结果传输给外部设备。在本发明的设备中，采用温控光纤光栅进行光谱测量模块温度漂移的校准，使解调精度具有长期稳定性。

Description

一种嵌入式光纤光栅解调设备

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，具体地，涉及一种嵌入式光纤光栅解调设备。

背景技术

光纤光栅传感器相对于现有的电类传感器，具有抗电磁干扰能力强，可靠性高、长期稳定性好、可多传感器复用等优势。光纤光栅传感器的这些独特优点使它近年来得到广泛的关注和研究，在航天航空、工程结构监测、电力、石油化工、海洋、核能、医学等多个领域都取得了重要的应用。

目前，光纤光栅传感器解调仪的解调技术方案主要有：（1）基于可调谐光纤F-P滤波器的解调技术方案；（2）基于衍射光栅和探测器阵列的解调技术方案。基于可调谐光纤F-P滤波器的光纤光栅传感器解调方案可以获得较高的测量精度，但是光纤F-P可调谐滤波器需要采用压电陶瓷驱动，存在驱动电压较高（36V）、有活动部件、体积和功耗较大的缺点。基于衍射光栅和探测器阵列的光纤光栅传感器解调仪为全固态，体积和功耗更小，但是，基于衍射光栅和探测器阵列的解调方案，测量精度较低。长期工作时测量结果存在漂移。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对上述现有技术的不足，提供一种嵌入式光纤光栅解调设备，以实现对光纤光栅传感器高稳定、高精度、高速的解调。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案包括：

一种嵌入式光纤光栅解调设备，包括：宽带光源、光纤耦合器、温控光纤光栅、光开关、光纤连接头、光谱测量模块、温控装置、以及光路控制及信号处理电路，其中，所述宽带光源为所述光纤光栅解调设备提供光源；所述光纤耦合器对来自所述宽带光源的光功率进行分配，分别传送给所述温控光纤光栅和光开关，所述温控光纤光栅对来自所述光纤耦合器的光谱进行衍射处理，并将处理后的固定波长的光通过所述光纤耦合器的C端口反射给所述光纤耦合器；所述光开关对来自所述光纤耦合器的光谱进行通道间的分时复用处理，并将处理后的光谱传输给所述光纤连接头，所述光纤连接头进一步将所述光谱传输给外部的带有测量光纤光栅的光缆，所述带有测量光纤光栅的光缆对光谱进行衍射处理，并将处理后的特定波长的光谱经由所述光纤连接头和所述光开关、并通过所述光纤耦合器的D端口反射给所述光纤耦合器；所述光纤耦合器将通过所述C端口和D端口传输回的反射光谱通过其B端口传输给所述光谱测量模块；所述光谱测量模块对来自所述光纤耦合器的反射光谱进行光电信号转换，并将转换后的电信号传输给所述光路控制及信号处理电路，所述光路控制及信号处理电路同时接收来自所述光谱测量模块的温度电信号，以便对所述光谱测量模块的光谱电信号进行温度补偿；所述光路控制及信号处理电路对接收自所述光谱测量模块的电信号进行解调处理，并将处理结果传输给外部设备；所述光路控制及信号处理电路根据采集自所述宽带光源的热敏电阻值对所述宽带光源的输出光功率和所述宽带光源自身的温度进行控制；并且所述光路控制及信号处理电路对所述光谱测量模块提供标准的参考电压及逻辑控制信号；所述光路控制及信号处理电路还对所述光开关光通道的切换进行控制；以及所述温控装置使所述温控光纤光栅保持恒定的温度。

优选地，所述光路控制及信号处理电路包括：FPGA芯片、DSP芯片、输入信号调理电路、模数转换电路、通信接口电路、FPGA配置芯片、程序存储器、光开关驱动电路、以及宽带光源驱动电路，其中，所述FPGA芯片为所述光谱测量模块提供逻辑控制信号，以便控制所述光谱测量模块的光电信号转换操作，所述光谱测量模块向所述FPGA芯片提供光谱电信号采集控制信号，以便FPGA芯片通过所述模数转换电路采集由所述光谱测量模块输出、并经所述输入信号调理电路调理的光谱电信号和温度电信号；所述FPGA芯片对所述光谱电信号和温度电信号进行转换处理，并将处理后的信号传送给所述DSP芯片进行解调运算及温补运算，所述DSP芯片将运算结果的电信号传送给所述FPGA芯片，并通过所述通信接口电路传输给外部设备；所述FPGA芯片为所述光开关驱动电路提供控制信号，以便所述光开关驱动电路为所述光开关提供驱动信号，从而实现光开关光通道的切换；所述FPGA配置芯片在所述光路控制及信号处理电路通电时将电路配置信息传输给所述FPGA芯片，以便所述FPGA芯片完成内部电路配置，并使所述FPGA芯片实现上述的与所述光谱测量模块、模数转换电路、光开关驱动电路、DSP芯片、以及通信接口电路之间的电路功能；所述程序存储器在所述光路控制及信号处理电路通电时将所述DSP芯片的运行程序传输给所述DSP芯片，以便所述DSP芯片实现上述的解调运算、温补运算、及运算结果发送控制功能；所述宽带光源驱动电路为所述宽带光源提供稳定的驱动电流和温控功能；所述电源电路为所述光路控制及信号处理电路中的各芯片及所述光谱测量模块提供电源。

优选地，所述温控装置包括：热敏电阻、温控电路和帕尔贴加热制冷片，其中，所述热敏电阻用于测量所述温控光纤光栅的温度，不同的测量温度对应于所述热敏电阻不同的阻值；所述温控电路将所述热敏电阻的阻值转变为电压值，并将该电压值与所述温控电路的设定控温电压值进行比较，比较所得的电压差值经所述温控电路处理之后得到合适的驱动电信号，所述温控电路输出的驱动电信号驱动所述帕尔贴加热制冷片，以调节所述温控光纤光栅的温度，使所述温控光纤光栅的温度稳定在设定温度值。

优选地，所述光纤耦合器为3dB光纤耦合器。

优选地，所述光谱测量模块包括衍射光栅和探测器阵列，可测量波长范围大于40nm的光谱。

与现有技术相比，根据本发明的嵌入式光纤光栅解调设备的有益技术效果包括：

(1)采用温控光纤光栅，进行光谱测量模块温度漂移的校准，使解调精度具有长期稳定性。

(2)采用DSP与FPGA相结合的电路硬件结构，提高了测量设备的响应速度。

(3)采用集成化光谱测量模块和嵌入式处理芯片DSP和FPGA，结构紧凑，有效缩小了解调设备体积。

附图说明

图1为根据本发明的嵌入式光纤光栅解调设备的结构示意图；

图2为根据本发明的光路控制及信号处理电路的原理框图；

图3为根据本发明的温控装置的原理框图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对根据本发明的嵌入式光纤光栅解调设备做进一步详细的说明。

本发明的工作原理是：由宽带光源发出的宽谱光经过光纤耦合器、光开关、光纤连接头，到达外部的带有测量光纤光栅的光缆。该外部的带有测量光纤光栅的光缆将衍射处理后的特定波长的光谱沿光路返回，经由光纤连接头和光开关反射给光纤耦合器，光纤耦合器将反射光谱传输给光谱测量模块，由光谱测量模块转换为电信号，电信号经光路控制及信号处理电路进行解调及补偿运算，并将处理结果传输给外部设备。

如图1所示，根据本发明的嵌入式光纤光栅解调设备包括：宽带光源、光纤耦合器、温控光纤光栅、光开关、光纤连接头、光谱测量模块、温控装置、以及光路控制及信号处理电路。

其中，宽带光源为光纤光栅解调设备提供宽谱光源。

光纤耦合器对来自宽带光源的光功率进行分配，分别传送给温控光纤光栅和光开关，温控光纤光栅对来自光纤耦合器的光谱进行衍射处理，并将处理后的固定波长的光通过光纤耦合器的C端口反射给光纤耦合器。

光开关对来自光纤耦合器的光谱进行通道间的分时复用处理（即，在不同时刻使不同的光通道与光纤耦合器的D端口相连通），并将处理后的光谱传输给光纤连接头，光纤连接头进一步将光谱传输给外部的带有测量光纤光栅的光缆，带有测量光纤光栅的光缆对光谱进行衍射处理，并将处理后的特定波长的光谱经由光纤连接头和光开关、并通过所述光纤耦合器的D端口反射给光纤耦合器。

光纤耦合器将通过C端口和D端口传输回的反射光谱通过B端口传输给光谱测量模块。光谱测量模块对来自光纤耦合器的反射光谱进行光电信号转换，并将转换后的电信号传输给光路控制及信号处理电路，光路控制及信号处理电路同时接收来自所述光谱测量模块的温度电信号，以便对所述光谱测量模块的光谱电信号进行温度补偿。光路控制及信号处理电路对接收自光谱测量模块的电信号进行解调处理，并将处理结果传输给外部设备。

光路控制及信号处理电路根据采集自宽带光源的热敏电阻值对宽带光源的输出光功率和宽带光源自身的温度进行控制；并且光路控制及信号处理电路对光谱测量模块提供标准的参考电压及逻辑控制信号。光路控制及信号处理电路对光开关光通道的切换进行控制。

温控装置使温控光纤光栅保持恒定的温度。

具体地，参考图2所示，光路控制及信号处理电路包括：FPGA芯片、DSP芯片、输入信号调理电路、模数转换电路、通信接口电路、FPGA配置芯片、程序存储器、光开关驱动电路、电源电路以及宽带光源驱动电路。

FPGA芯片为光谱测量模块提供逻辑控制信号，以便控制光谱测量模块的光电信号转换操作，光谱测量模块向FPGA芯片提供光谱电信号采集控制信号，以便FPGA芯片通过模数转换电路采集由光谱测量模块输出、并经输入信号调理电路调理的光谱电信号和温度电信号（即，光谱测量模块输出的模拟电信号经输入信号调理电路调理之后传送至模数转换电路，经模数转换电路转换为数字电信号之后再送入FPGA芯片）。FPGA芯片对光谱电信号和温度电信号进行转换处理，并将处理后的信号传送给DSP芯片进行解调运算及温补运算，DSP芯片将运算结果的电信号传送给FPGA芯片，并通过通信接口电路传输给外部设备。

FPGA芯片为光开关驱动电路提供控制信号，以便光开关驱动电路为光开关提供驱动信号，从而实现光开关光通道的切换。

FPGA配置芯片在光路控制及信号处理电路通电时将电路配置信息传输给FPGA芯片，以便FPGA芯片完成内部电路配置，并使FPGA芯片实现上述的与光谱测量模块、模数转换电路、光开关驱动电路、DSP芯片、以及通信接口电路之间的电路功能。

程序存储器在光路控制及信号处理电路通电时将DSP芯片的运行程序传输给DSP芯片，以便DSP芯片实现上述的解调运算、温补运算、及运算结果发送控制功能。

宽带光源驱动电路为宽带光源提供稳定的驱动电流和温控功能。

FPGA芯片用于为光谱测量模块提供逻辑控制信号、光开关通道切换的控制、对光谱电信号和温度电信号进行转换处理，并将处理后的信号传送给DSP芯片进行解调运算及温补运算，可采用Cyclone公司的EP2C8芯片。

DSP芯片用于解调运算、温补运算、及运算结果发送控制功能，可采用TI公司的TMS320VC5409芯片。

模数转换电路接收输入信号调理电路的光谱和温度模拟电信号，实现光谱测量模块输出光谱和温度模拟电信号的模数转换，可采用美国ADI公司的AD9269。

程序存储器在光路控制及信号处理电路通电时将DSP芯片的运行程序传输给DSP芯片，可采用SST公司的SST39VF160。

FPGA配置芯片在光路控制及信号处理电路通电时将电路配置信息传输给FPGA芯片，以便FPGA芯片完成内部电路配置，并使FPGA芯片实现上述的与光谱测量模块、模数转换电路、光开关驱动电路、DSP芯片、以及通信接口电路之间的电路功能，可采用Cyclone公司的EPCS16芯片。

光开关驱动电路为光开关提供驱动电信号，光开关驱动电路接收FPGA芯片的控制信号，此控制信号控制光开关驱动电路输出驱动电信号给光开关。

通信接口电路可以是串口、以太网口或其他形式的标准通信接口。

电源电路为光路控制及信号处理电路中的各芯片及光谱测量模块提供电源。

请参考图3所示，根据本发明的温控装置包括：热敏电阻、温控电路和帕尔贴加热制冷片。其中，热敏电阻用于测量温控光纤光栅的温度，不同的测量温度对应于热敏电阻不同的阻值。当收到热敏电阻传送的电阻值后，温控电路将热敏电阻的阻值转变为电压值，并将该电压值与温控电路的设定控温电压值进行比较，比较所得的电压差值经温控电路处理之后得到合适的驱动电信号，温控电路将该驱动电信号输出给帕尔贴加热制冷片，以便帕尔贴加热制冷片对温控光纤光栅的温度进行调节，从而使温控光纤光栅的温度稳定在设定温度值。

优选地，宽带光源的光谱波长大于40nm。如本领域技术人员能够理解的，宽带光源至少包括光电二极管、热敏电阻和温度控制器。宽带光源通过宽带光源驱动电路稳定驱动电流和宽带光源自身的温度，以保证光功率输出的稳定。

光纤耦合器为3dB光纤耦合器。

光开关为大于2通道的光开关，以实现不同光通道的切换。可选择primanex的产品RFMS10。

光谱测量模块包括衍射光栅和探测器阵列。光谱测量模块的作用是测量波长范围大于40nm的光谱，并将光谱信息转化为电信号输出。

温控光纤光栅的作用是利用其反射光谱进行光谱测量模块的波长校准，校正光谱测量模块的温度漂移。在温控装置的控制下，温控光纤光栅的中心波长精度达1pm。此外，温控光纤光栅的中心波长要避免与外部光缆带有的测量光纤光栅的中心波长的重合或接近，以免相互干扰。

根据本发明的嵌入式光纤光栅解调设备的工作流程如下：（1）给嵌入式光纤光栅解调设备通电，使得宽带光源发出宽谱光；同时，FPGA配置芯片将电路配置信息传输给光路控制及信号处理电路的FPGA芯片，以便FPGA芯片完成内部电路配置，并实现其与光谱测量模块、模数转换电路、光开关驱动电路、DSP芯片、以及通信接口电路之间的电路功能；程序存储器将DSP芯片的运行程序传输给DSP芯片，以便DSP芯片实现其解调运算、温补运算、及运算结果发送控制功能；同时，温控装置的热敏电阻测量温控光纤光栅的温度，并将与测量到的温度相对应的电阻值传送给温控电路，温控电路将阻值转变为电压值，并将该电压值与温控电路的设定控温电压值进行比较，比较所得的电压差值经温控电路处理之后得到合适的驱动电信号，温控电路将该驱动电信号输出给其内部的帕尔贴加热制冷片，以便帕尔贴加热制冷片对温控光纤光栅的温度进行调节，从而使温控光纤光栅的温度稳定在设定温度值；

（2）光纤耦合器接收来自宽带光源的宽谱光，对其中的光功率进行分配之后，分别传送给温控光纤光栅和光开关；

（3）温控光纤光栅对来自光纤耦合器的光谱进行衍射处理，并将处理后的固定波长的光反射给光纤耦合器；同时，光开关根据光开关驱动电路的驱动信号，对来自光纤耦合器的光谱进行通道间的分时复用处理，并将处理后的光谱传输给光纤连接头，光纤连接头进一步将光谱传输给外部的带有测量光纤光栅的光缆，该带有测量光纤光栅的光缆对光谱进行衍射处理，并将处理后的特定波长的光谱经由光纤连接头和光开关、并反射给光纤耦合器，光纤耦合器进一步将接收自温控光纤光栅和光开关的反射光谱传输给光谱测量模块；

（4）光谱测量模块根据光路控制及信号处理电路中的FPGA芯片的逻辑控制信号，对来自光纤耦合器的反射光谱进行光电信号转换，并在转换后向FPGA芯片提供光谱电信号采集控制信号，以便FPGA芯片通过模数转换电路采集由光谱测量模块输出、并经输入信号调理电路调理的光谱电信号和温度电信号，FPGA芯片对该光谱电信号和温度电信号进行转换处理，并将处理后的信号传送给DSP芯片进行解调运算及温补运算，由DSP芯片将运算结果的电信号传送给FPGA芯片，并通过通信接口电路传输给外部设备，解调结果用于校正光谱测量模块的温度漂移。

在此，需要说明的是，本说明书中未详细描述的内容，是本领域技术人员通过本说明书中的描述以及现有技术能够实现的，因此，不做赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非用来限制本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，可以对本发明做出若干的修改和替换，所有这些修改和替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种嵌入式光纤光栅解调设备，其特征在于，包括：宽带光源、光纤耦合器、温控光纤光栅、光开关、光纤连接头、光谱测量模块、温控装置、以及光路控制及信号处理电路，其中，

所述宽带光源为所述光纤光栅解调设备提供光源；

所述光纤耦合器对来自所述宽带光源的光功率进行分配，分别传送给所述温控光纤光栅和光开关，所述温控光纤光栅对来自所述光纤耦合器的光谱进行衍射处理，并将处理后的固定波长的光通过所述光纤耦合器的C端口反射给所述光纤耦合器；所述光开关对来自所述光纤耦合器的光谱进行通道间的分时复用处理，并将处理后的光谱传输给所述光纤连接头，所述光纤连接头进一步将所述光谱传输给外部的带有测量光纤光栅的光缆，所述带有测量光纤光栅的光缆对光谱进行衍射处理，并将处理后的特定波长的光谱经由所述光纤连接头和所述光开关、并通过所述光纤耦合器的D端口反射给所述光纤耦合器；所述光纤耦合器将通过所述C端口和D端口传输回的反射光谱通过其B端口传输给所述光谱测量模块；

所述光谱测量模块对来自所述光纤耦合器的反射光谱进行光电信号转换，并将转换后的电信号传输给所述光路控制及信号处理电路，所述光路控制及信号处理电路同时接收来自所述光谱测量模块的温度电信号，以便对所述光谱测量模块的光谱电信号进行温度补偿；所述光路控制及信号处理电路对接收自所述光谱测量模块的电信号进行解调处理，并将处理结果传输给外部设备；所述光路控制及信号处理电路根据采集自所述宽带光源的热敏电阻值对所述宽带光源的输出光功率和所述宽带光源自身的温度进行控制；并且所述光路控制及信号处理电路对所述光谱测量模块提供标准的参考电压及逻辑控制信号；所述光路控制及信号处理电路还对所述光开关光通道的切换进行控制；以及

所述温控装置使所述温控光纤光栅保持恒定的温度。

2.根据权利要求1所述的嵌入式光纤光栅解调设备，其特征在于，所述光路控制及信号处理电路包括：FPGA芯片、DSP芯片、输入信号调理电路、模数转换电路、通信接口电路、FPGA配置芯片、程序存储器、光开关驱动电路、电源电路以及宽带光源驱动电路，其中，

所述FPGA芯片为所述光谱测量模块提供逻辑控制信号，以便控制所述光谱测量模块的光电信号转换操作，所述光谱测量模块向所述FPGA芯片提供光谱电信号采集控制信号，以便FPGA芯片通过所述模数转换电路采集由所述光谱测量模块输出、并经所述输入信号调理电路调理的光谱电信号和温度电信号；所述FPGA芯片对所述光谱电信号和温度电信号进行转换处理，并将处理后的信号传送给所述DSP芯片进行解调运算及温补运算，所述DSP芯片将运算结果的电信号传送给所述FPGA芯片，并通过所述通信接口电路传输给外部设备；

所述FPGA芯片为所述光开关驱动电路提供控制信号，以便所述光开关驱动电路为所述光开关提供驱动信号，从而实现光开关光通道的切换；

所述FPGA配置芯片在所述光路控制及信号处理电路通电时将电路配置信息传输给所述FPGA芯片，以便所述FPGA芯片完成内部电路配置，并使所述FPGA芯片实现上述的与所述光谱测量模块、模数转换电路、光开关驱动电路、DSP芯片、以及通信接口电路之间的电路功能；

所述程序存储器在所述光路控制及信号处理电路通电时将所述DSP芯片的运行程序传输给所述DSP芯片，以便所述DSP芯片实现上述的解调运算、温补运算、及运算结果发送控制功能；

所述宽带光源驱动电路为所述宽带光源提供稳定的驱动电流和温控功能；以及

所述电源电路为所述光路控制及信号处理电路中的各芯片及所述光谱测量模块提供电源。

3.根据权利要求1所述的嵌入式光纤光栅解调设备，其特征在于，所述温控装置包括：热敏电阻、温控电路和帕尔贴加热制冷片，其中

所述热敏电阻用于测量所述温控光纤光栅的温度，不同的测量温度对应于所述热敏电阻不同的阻值；收到所述热敏电阻传送的电阻值后，所述温控电路将所述热敏电阻的阻值转变为电压值，并将该电压值与所述温控电路的设定控温电压值进行比较，比较所得的电压差值经所述温控电路处理之后得到合适的驱动电信号，所述温控电路将该驱动电信号输出给所述帕尔贴加热制冷片，以便帕尔贴加热制冷片对所述温控光纤光栅的温度进行调节，从而使所述温控光纤光栅的温度稳定在设定温度值。

4.根据权利要求1所述的嵌入式光纤光栅解调设备，其特征在于，所述光纤耦合器为3dB光纤耦合器。

5.根据权利要求1所述的嵌入式光纤光栅解调设备，其特征在于，所述光谱测量模块包括衍射光栅和探测器阵列，可测量波长范围大于40nm的光谱。

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