CN104655162A - 一种高速同步光纤光栅分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速同步光纤光栅分析仪，包括通道功能单元和控制单元，通道功能单元包括多组并行同步的通道模块，通道模块包括大功率ASE光源、PLC光耦合器、光环行器、光纤光栅、多组衍射体光栅、多组探测器、多组读出电路模块、多组信号调理模块和多组AD转换电路模块，控制单元包括FPGA高速并行处理模块、DSP数字信号处理模块、千兆以太网接口和电源。本发明结构清晰，可扩展性强，利于平滑升级，可以为两通道、三通道或八通道等，能达到真正意义上同步采集分析，满足航空航天、高速公路监测等需求，能够容易做到高速测量，满足航空航天、高速公路监测等需求，具备实时FFT分析，便于实际应用集成分析。

Description

一种高速同步光纤光栅分析仪

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体是一种高速同步光纤光栅分析仪。

背景技术

随着社会科技经济不断发展，从基础设施到航空航天各领域的安全监测凸显重要。最近国家也提出构筑物联网世界，就是要将各区域、各领域、各设施、各部分需要监测的参数、状态形成一个有机的监控网络。物联网世界就是将具体的基础设施、工业、公共区域等及时状态等信息收集存储并网络化、数字化，是实现国家工业体系化、数字化、信息网络化的必然选择，也是日益重视安全的必然选择。

其中传感分析就是物联网重要的一环，光学传感相对于传统的电子传感具备先天优势，具有抗辐射、抗干扰、抗潮湿等诸多优点。光纤传感技术发展至今有几十年，日益成熟，光纤传感技术系统核心部分的是光纤传感分析仪，属于大脑部分，但国内外光纤传感分析仪大多监测速度慢，有的可以做到速率快，但不能同步，有的能同步，但速度慢。典型的美国MOI的滤波器原理光纤光栅分析仪，或者BaySpec都存在上述问题，因为技术难题和原理方式制约的原因，光纤传感分析仪很难做到既高速又同步，而高速同步正是航空航天、公路高速动态称重系统必须要具备的性能。基于现实市场、技术、安全等客观需求，亟需研制处高速多通道同步光纤光栅传感分析仪，用以解决高速监测领域监测系统的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可扩展性强、可实现高速同步的高速同步光纤光栅分析仪，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高速同步光纤光栅分析仪，包括通道功能单元和控制单元，所述通道功能单元包括多组并行同步的通道模块，所述通道模块包括大功率ASE光源、PLC光耦合器、光环行器、光纤光栅、多组衍射体光栅、多组探测器、多组读出电路模块、多组信号调理模块和多组AD转换电路模块，所述控制单元包括FPGA高速并行处理模块、DSP数字信号处理模块、千兆以太网接口和电源，所述衍射体光栅的输入端连接光环行器的输入端，衍射体光栅的输出端依次通过探测器、读出电路模块、信号调理模块和AD转换电路模块连接FPGA高速并行处理模块的输入端，所述大功率ASE光源的输出端依次通过PLC光耦合器和光环行器连接光纤光栅，所述FPGA高速并行处理模块的输入端还分别连接DSP数字信号处理模块的输出端、千兆以太网接口的输出端和电源的输出端，FPGA高速并行处理模块的输出端还分别连接读出电路模块的输入端、DSP数字信号处理模块的输入端和千兆以太网接口的输入端，所述电源的输出端还分别连接大功率ASE光源、PLC光耦合器、光环行器、光纤光栅、衍射体光栅、探测器、读出电路模块、信号调理模块、AD转换电路模块和DSP数字信号处理模块的输入端。

作为本发明进一步的方案：所述通道模块设有四组。

作为本发明进一步的方案：所述千兆以太网接口的输出端还连接有FFT分析模块。

作为本发明进一步的方案：所述探测器为密集线阵列CCD探测器或CMOS探测器。

作为本发明再进一步的方案：所述AD转换电路模块中AD芯片的型号为AD7621，FPGA高速并行处理模块的型号为EP2C70F484，DSP数字信号处理模块中数字算法处理芯片的型号为TMS320C6713。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明结构清晰，可扩展性强，利于平滑升级，可以为两通道、三通道或八通道等，能达到真正意义上同步采集分析，满足航空航天、高速公路监测等需求，能够容易做到高速测量，满足航空航天、高速公路监测等需求，具备实时FFT分析，便于实际应用集成分析。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中：1-衍射体光栅；2-探测器；3-读出电路模块；4-信号调理模块；5-AD转换电路模块；6-FPGA高速并行处理模块；7-DSP数字信号处理模块；8-千兆以太网接口；9-大功率ASE光源；10-PLC光耦合器；11-光环行器；15-光纤光栅；16-电源。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

请参阅图1，一种高速同步光纤光栅分析仪，包括通道功能单元和控制单元，所述通道功能单元包括四组并行同步的通道模块，所述通道模块包括大功率ASE光源9、PLC光耦合器10、光环行器11、光纤光栅15、四组衍射体光栅1、四组探测器2、四组读出电路模块3、四组信号调理模块4和四组AD转换电路模块5，所述控制单元包括FPGA高速并行处理模块6、DSP数字信号处理模块7、千兆以太网接口8和电源16，所述衍射体光栅1的输入端连接光环行器11的输入端，衍射体光栅1的输出端依次通过探测器2、读出电路模块3、信号调理模块4和AD转换电路模块5连接FPGA高速并行处理模块6的输入端，所述大功率ASE光源9的输出端依次通过PLC光耦合器10和光环行器11连接光纤光栅15，所述FPGA高速并行处理模块6的输入端还分别连接DSP数字信号处理模块7的输出端、千兆以太网接口8的输出端和电源16的输出端，FPGA高速并行处理模块6的输出端还分别连接读出电路模块3的输入端、DSP数字信号处理模块7的输入端和千兆以太网接口8的输入端，所述千兆以太网接口8的输出端还连接FFT分析模块17，所述电源16的输出端还分别连接大功率ASE光源9、PLC光耦合器10、光环行器11、光纤光栅15、衍射体光栅1、探测器2、读出电路模块3、信号调理模块4、AD转换电路模块5和DSP数字信号处理模块7的输入端。

所述衍射体光栅1为透射型衍射二维光栅；所述探测器2为密集线阵列CCD探测器或CMOS探测器，远红外波段线性度好，此波段响应度好、敏感，256像素和512像素皆可，探测器2的曝光时间快达微秒级别，且曝光时间可以调整；所述读出电路模块3可以5MHz的频率高速串行读出数据，方便FPGA高速并行处理模块6进行时序控制，读出的数据为数字信号或模拟信号；所述信号调理模块4对读出电路模块3读出的重要的光谱模拟信号进行信号调理、滤波和放大等信号处理；所述AD转换电路模块5中AD芯片的型号为AD7621，此AD芯片的信噪比好，采用16位分辨率，差分信号输入，噪声小，最高采样时钟的频率为6MHz，采样速率为3MBSP，具体应用中，采用串行接口，模拟输入范围设定为±2.5V，时钟及转换信号由FPGA高速并行处理模块6同步控制四个AD芯片，实现同步采样同步测量，同时谐调时序控制四个并行的探测器2，实现整个系统的同步测量；所述FPGA高速并行处理模块6的型号为EP2C70F484，性能高，有足够的内部RAM，能够满足四通道一次测量光谱数据的缓冲，并且采用乒乓数据缓存操作模式，FPGA高速并行处理模块6同时同步采用同一时钟对四个代表四通道的AD转换电路模块5和探测器2进行时序控制，晶振为50MHz，速度快，时钟频率可达600MHz以上，数据处理能力强大；所述DSP数字信号处理模块7中数字算法处理芯片的型号为TMS320C6713，采用高斯算法，主频高，浮点处理能力强，内部集成专门用于算法处理的乘法器，是实时实现复杂的数字信号算法处理的高端处理器芯片；所述FFT分析模块17是针对FPGA高速并行处理模块6需要的频域进行实时分析，实时分析光谱数据；所述大功率ASE光源9采用国内标准的C波段ASE光源，输出功率大，达17dBm，平坦度优于1.5dB，满足四通道的测量光功率预算；所述PLC光耦合器10采用标准的1*4耦合器，C+L波段，四路光耦合比较均匀；所述光环行器11采用C+L波段三端口光环形器，隔离度>50dB，损耗<0.2dB；所述电源16设有各种各样基准电压和供电电压，分别为1.2V、1.5V、3.3V、4.096V、5V等，其中基准电压1.2V和4.096V要求稳定，精度在0.1%以内，噪声在10uvp以内。

所述高速同步光纤光栅分析仪在实施时，首先准备好大功率ASE光源9、光环形器11、PLC光耦合器10和光纤光栅15，并按照图1所示连接方式进行连接，准备并调试好电源16，调试所需的各种电压，并确保各种电压的稳定性和功耗满足条件，将四组通道模块分别调试好，四组由衍射体光栅1、探测器2、读出电路模块3、信号调理模块4和AD转换电路模块5组成的并行四通道模块按照功能、性能调试好，再连接在控制单元上，实现高速同步控制四组通道模块，FPGA高速并行处理模块6将四通道大量数据缓冲起来，给DSP数字信号处理模块7一个中断信号，DSP数字信号处理模块7接收到来自FPGA高速并行处理模块6的中断请求，便开启读取数据，由数据总线和FPGA高速并行处理模块6通信，快速读取四个通道缓冲在FPGA高速并行处理模块6内部RAM里的实时光谱数据，DSP数字信号处理模块7读取完毕，开始高斯算法处理，将处理后的结果经由千兆以太网接口8发送到上位机上，FFT分析模块17进行快速傅立叶变化分析，实时给出应用结果，比如高速公路超载车辆超重情况、航空航天飞行器机翼结构振动情况。FFT分析模块17也可以通过协议请求DSP数字信号处理模块7上传原始光谱数据，此时数据量巨大，千兆以太网接口8能充分发挥大数据流量的优势，通过上述调试实施，能够满足高速又同步的各种环节，探测、信号调理、AD转换、数据处理和通信接口都能满足大数据量的同步传输和分析。

本发明结构清晰，可扩展性强，利于平滑升级，可以为两通道、三通道或八通道等，能达到真正意义上同步采集分析，满足航空航天、高速公路监测等需求，能够容易做到高速测量，满足航空航天、高速公路监测等需求，具备实时FFT分析，便于实际应用集成分析。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (5)

1.一种高速同步光纤光栅分析仪，包括通道功能单元和控制单元，其特征在于，所述通道功能单元包括多组并行同步的通道模块，所述通道模块包括大功率ASE光源（9）、PLC光耦合器（10）、光环行器（11）、光纤光栅（15）、多组衍射体光栅（1）、多组探测器（2）、多组读出电路模块（3）、多组信号调理模块（4）和多组AD转换电路模块（5），所述控制单元包括FPGA高速并行处理模块（6）、DSP数字信号处理模块（7）、千兆以太网接口（8）和电源（16），所述衍射体光栅（1）的输入端连接光环行器（11）的输入端，衍射体光栅（1）的输出端依次通过探测器（2）、读出电路模块（3）、信号调理模块（4）和AD转换电路模块（5）连接FPGA高速并行处理模块（6）的输入端，所述大功率ASE光源（9）的输出端依次通过PLC光耦合器（10）和光环行器（11）连接光纤光栅（15），所述FPGA高速并行处理模块（6）的输入端还分别连接DSP数字信号处理模块（7）的输出端、千兆以太网接口（8）的输出端和电源（16）的输出端，FPGA高速并行处理模块（6）的输出端还分别连接读出电路模块（3）的输入端、DSP数字信号处理模块（7）的输入端和千兆以太网接口（8）的输入端，所述电源（16）的输出端还分别连接大功率ASE光源（9）、PLC光耦合器（10）、光环行器（11）、光纤光栅（15）、衍射体光栅（1）、探测器（2）、读出电路模块（3）、信号调理模块（4）、AD转换电路模块（5）和DSP数字信号处理模块（7）的输入端。

2.根据权利要求1所述的高速同步光纤光栅分析仪，其特征在于，所述通道模块设有四组。

3.根据权利要求1所述的高速同步光纤光栅分析仪，其特征在于，所述千兆以太网接口（8）的输出端还连接有FFT分析模块（17）。

4.根据权利要求1所述的高速同步光纤光栅分析仪，其特征在于，所述探测器（2）为密集线阵列CCD探测器或CMOS探测器。

5.根据权利要求1所述的高速同步光纤光栅分析仪，其特征在于，所述AD转换电路模块（5）中AD芯片的型号为AD7621，FPGA高速并行处理模块（6）的型号为EP2C70F484，DSP数字信号处理模块（7）中数字算法处理芯片的型号为TMS320C6713。