CN105278206B - 压电陶瓷型可调谐波长滤波器的双边沿交叉解调及非线性修正方法 - Google Patents
压电陶瓷型可调谐波长滤波器的双边沿交叉解调及非线性修正方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种压电陶瓷型可调谐波长滤波器的双边沿交叉解调及非线性修正方法，包括以下步骤：宽谱光源的光通过压电陶瓷型可调谐波长滤波器进入分光器，分光器将光分为两路，第一路经光学栅格生成器后被采集，为标准光谱，第二路直接被采集，为待测光谱；将采集到的数据进行分组交叉解调并修正。通过修正后的解调结果可以消除压电陶瓷迟滞效应的影响并提高了解调频率。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感领域件领域，尤其涉及一种压电陶瓷型可调谐波长滤波器的双边沿交叉解调及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，其种类繁多，例如电流调谐型，电压调谐型，压电陶瓷型等。其中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，且电压由低—高(上升沿)和由高—低(下降沿)时的迟滞效应表现并不一致且不对称，因此在上升沿和下降沿中引入的非线性失真很难消除。
在传统的压电陶瓷型可调谐波长滤波器中，由于这种双边沿迟滞效应表现的差异性，一般会放弃电压上升沿或下降沿的数据，采取单边沿解调方式，这样的结果直接导致光纤光栅仪表在解调速度上受到了压电陶瓷固有频率的制约，且迟滞效应引入的非线性失真也影响了仪表的解调精度，严重地限制了压电陶瓷型光纤光栅解调仪表在震动测量、声音测量、应力测量等高速、高精度测量领域的发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中压电陶瓷的双边沿迟滞效应很难消除的缺陷，提供一种可对压电陶瓷的迟滞效应进行有效修正的快速高精度的双边沿交叉解调及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的双边沿交叉解调及非线性修正方法，包括以下步骤：
宽谱光源的光通过压电陶瓷型可调谐波长滤波器进入分光器，分光器将光分为两路，第一路经光学栅格生成器后被采集，为标准光谱，第二路直接被采集，为待测光谱；
将采集的两路光信号数据分为两组，一组是数据采集模块在驱动三角波上升沿期间采集到的数据Du，包括标准光谱数据Du-s和待测光谱数据Du-m；另一组为驱动三角波下降沿期间采集到的数据Dd，同样分为标准光谱数据Dd-s和待测光谱数据Dd-m；
将预先存储的绝对参考值Ds赋值给上升沿的标准光谱数据Du-s，绝对参考值Ds为能通过光学栅格生成器且经精确测量的波长值，然后将下降沿的标准光谱数据Dd-s作为待测数据进行解调，解调结果为D′d-s；
将D′d-s与绝对参考值Ds进行对比并逐峰作差获得上升沿修正数组Du-c，利用Du-c对Du-s进行修正得到新的上升沿标准参考值D′u-s，其中Du-c、Du-s、D′u-s应满足下式：
D′u-s＝Du-s-Du-c (1)
再利用修正后的上升沿标准波长参考值D′u-s对下降沿的待测光谱数据Dd-m进行解调；
同理可利用上升沿的标准波长数据来修正下降沿的标准波长参考值，最后利用修正后的下降沿标准波长参考值D′d-s对上升沿的待测光谱数据Du-m进行解调。
本发明还提供了一种压电陶瓷型可调谐波长滤波器的双边沿交叉解调及非线性修正系统，包括：
光源；
压电陶瓷型可调谐波长滤波器，对光源发出的宽谱光进行可调谐滤波；
分光器，将经压电陶瓷型可调谐波长滤波器的光分为两路；
光学栅格生成器，对分光器输出的一路光进行过滤，只输出与透射峰波长重合的光；
光电转换模块，与分光器、光学栅格生成器连接，将光学栅格生成器输出的光信号以及分光器输出的另一路光信号转换为电信号；
数据采集模块，与光电转换模块连接，将光电转换模块输出的电信号进行A/D转换后再进行双边沿采集，并将上升沿期间采集的数据Du和下降沿期间采集的数据Dd分开保存；上升沿期间采集到的数据Du包括光学栅格生成器输出的标准光谱数据Du-s和分光器直接输出的待测光谱数据Du-m；下降沿期间采集到的数据Dd同样分为光学栅格生成器输出的标准光谱数据Dd-s和分光器直接输出的待测光谱数据Dd-m；
数据处理及修正模块，与数据采集模块连接，用于将预先存储的绝对参考值Ds赋值给上升沿的标准光谱数据Du-s，绝对参考值Ds为能通过光学栅格生成器且经精确测量的波长值，然后将下降沿的标准光谱数据Dd-s作为待测数据进行解调，解调结果为D′d-s；
该数据处理及修正模块还用于将D′d-s与绝对参考值Ds进行对比并逐峰作差获得上升沿修正数组Du-c，利用Du-c对Du-s进行修正得到新的上升沿标准参考值D′u-s，其中Du-c、Du-s、D′u-s应满足下式：
D′u-s＝Du-s-Du-c (1)
再利用修正后的上升沿标准波长参考值D′u-s对下降沿的待测光谱数据Dd-m进行解调；
同理利用上升沿的标准波长数据来修正下降沿的标准波长参考值，最后利用修正后的下降沿标准波长参考值D′d-s对上升沿的待测光谱数据Du-m进行解调。
本发明所述的系统中，所述数据采集模块包含A/D芯片和FPGA芯片，A/D芯片将光电转换模块输出的模拟信号进行A/D转换，FPGA芯片对A/D转换后的信号进行双边沿采集，并将上升沿采集的数据Du和下降沿采集的数据Dd分开保存。
本发明所述的系统中，所述光学栅格生成器为透射型光学器件。
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。
本发明所述的系统中，该系统还包括三角波驱动电路，与所述压电陶瓷型可调谐波长滤波器连接，该三角波驱动电路产生驱动三角波，控制所述压电陶瓷型可调谐波长滤波器对光谱进行波长选择。
本发明所述的系统中，该系统还包括三角波-方波转换电路，该转换电路产生与控制压电陶瓷型可调谐波长滤波器的驱动三角波频率相同的方波信号，控制所述数据采集模块中的FPGA芯片进行数据采集。
本发明产生的有益效果是：本发明利用上升沿和下降沿的交叉校正与解调，有效消除了压电陶瓷型光纤光栅解调仪表中由于压电陶瓷的迟滞效应带来的解调误差，使该类型光纤光栅解调仪表可以适用于应力、压力等高精度应用场合。本发明使用双边沿解调方式，将解调速度提高了一倍，使该类型仪表可以适用于震动、声音等高频率应用场合。
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是压电陶瓷的电压-位移曲线图；
图2是本发明实施例压电陶瓷型可调谐波长滤波器的双边沿交叉解调及非线性修正系统的结构示意图；
图3是本发明实施例双边沿交叉修正与解调的流程图；
图4是本发明实施例的上升沿波长修正示意图；
图5是本发明实施例下降沿波长修正示意图。
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。
如图2所示，本发明实施例，压电陶瓷型可调谐波长滤波器的双边沿交叉解调及非线性修正系统，其特征在于，包括光源1、压电陶瓷型可调谐波长滤波器2、分光器7、光学栅格生成器3、光电转换模块4、数据采集模块5以及数据处理及修正模块6。
光源1为整个系统提供光能量，为宽光谱光源，其输出光谱范围应可以覆盖压电陶瓷型可调谐波长滤波器2的波长调谐范围；本实施例中选用半导体超辐射发光二极管作为光源。压电陶瓷型可调谐波长滤波器2对光源1发出的宽谱光进行可调谐滤波。
分光器7将经压电陶瓷型可调谐波长滤波器2的光分为两路，第一路经光学栅格生成器3后被采集，为标准光谱，第二路不经过光学栅格生成器3，直接输出，为待测光谱；
光学栅格生成器3为透射型光学器件，宽谱光进入光学栅格生成器3后，与透射峰波长重合的光可以通过，其他则不通过。该光学栅格生成器3用于产生波长固定、间隔基本一致的多个透射峰，这些波长值可以通过光谱仪精确测量，系统可将已知波长的多个峰值信号作为参考，并对待测光谱进行解调。
光源1发出的光谱通过压电陶瓷型可调谐波长滤波器2后变成时域上的扫频光，之后经过光学栅格生成器3输出时域上的标准波长光谱。
光电转换模块4，与分光器7、光学栅格生成器3连接，光电转换模块4将光学栅格生成器3输出的光信号以及分光器7输出的另一路光信号转换为电信号，该电信号为模拟信号。
数据采集模块5，与光电转换模块4连接，将光电转换模块4输出的模拟信号进行A/D转换后再进行双边沿采集，并将上升沿期间采集的数据Du和下降沿期间采集的数据Dd分开保存；上升沿期间采集到的数据Du包括光学栅格生成器输出的标准光谱数据Du-s和分光器7直接输出的待测光谱数据Du-m；下降沿期间采集到的数据Dd同样分为光学栅格生成器3输出的标准光谱数据Dd-s和分光器7直接输出的待测光谱数据Dd-m。
数据处理及修正模块6，与数据采集模块5连接，数据处理及修正模块6将数据采集模块5采集到的数据进行分组交叉解调并修正，修正后的解调结果可以消除压电陶瓷迟滞效应的影响并将解调频率提高到单边沿解调方法的2倍。
数据处理及修正模块6具体用于将预先存储的绝对参考值Ds赋值给上升沿的标准光谱数据Du-s，绝对参考值Ds为能通过光学栅格生成器3且经精确测量的波长值(光学栅格生成器3的光谱波长值可以通过光谱仪精确测得)。如图4所示，然后将下降沿的标准光谱数据Dd-s作为待测数据进行解调，解调结果为D′d-s。
该数据处理及修正模块6还用于将D′d-s与绝对参考值Ds进行对比并逐峰作差获得上升沿修正数组Du-c，利用Du-c对Du-s进行修正得到新的上升沿标准参考值D′u-s，其中Du-c、Du-s、D′u-s应满足下式：
D′u-s＝Du-s-Du-c (1)
再利用修正后的上升沿标准波长参考值D′u-s对下降沿的待测光谱数据Dd-m进行解调；
同理，如图5所示，利用上升沿的标准波长数据来修正下降沿的标准波长参考值，最后利用修正后的下降沿标准波长参考值D′d-s对上升沿的待测光谱数据Du-m进行解调。
数据采集模块5包含A/D芯片和FPGA芯片。本发明的一个实施例中，该系统还包括三角波-方波转换电路(图中未示出)。数据采集模块5与该三角波-方波转换电路连接，在方波控制下进行数据采集。该三角波-方波转换电路产生与控制压电陶瓷型可调谐波长滤波器的驱动三角波频率相同的方波，控制FPGA芯片进行数据采集，三角波的频率决定了系统的工作频率即解调速度的快慢。A/D芯片将光电转换模块4输出的模拟信号进行A/D转换，FPGA芯片在驱动三角波的驱动下对A/D转换后的信号进行双边沿采集，并将上升沿采集的数据Du和下降沿采集的数据Dd分开保存。
该系统还包括三角波驱动电路(图中未示出)，该三角波驱动电路与压电陶瓷型可调谐波长滤波器2连接，该三角波驱动电路产生驱动三角波，控制压电陶瓷型可调谐波长滤波器2对光谱进行波长选择，根据三角波的不同电压值，压电陶瓷型可调谐波长滤波器2输出的光谱波长也不同，且波长与电压值在不考虑时滞效应时呈线性关系。三角波驱动电路所产生的驱动三角波的峰-峰值决定了压电陶瓷型可调谐波长滤波器2输出的波长带宽，峰-峰越大，输出的波长带宽越宽，一般系统的工作波长带宽为50nm，对应的三角波峰-峰为24V左右。
本发明的一个实施例中，可选用光学标准具作为光学栅格生成器，标准具具有波长稳定性好等优点。光电转换模块4可由同轴探测器、对数放大器构成；数据采集模块5由高速A/D芯片和FPGA芯片构成。数据处理及修正模块6采用ARM9处理器实现。
该系统工作流程图如图3所示。系统工作流程为：宽谱光源1通过压电陶瓷型可调谐波长滤波器2进入光学栅格生成器3，光学栅格生成器3的波长由光谱仪精确测量，且将测量值作为原始的绝对参考值Ds存储在数据处理芯片中。数据处理芯片将采集到的数据分为两组，一组是驱动三角波上升沿期间采集到的数据Du，可分为标准光谱数据Du-s和待测光谱数据Du-m；另一组为驱动三角波下降沿期间采集到的数据Dd，同样可分为标准光谱数据Dd-s和待测光谱数据Dd-m。
首先将绝对参考值Ds赋值给上升沿的标准光谱数据Du-s，然后将下降沿的标准光谱数据Dd-s作为待测数据进行解调，解调结果为D′d-s。将D′d-s与绝对参考值Ds进行对比并逐峰作差获得上升沿修正数组Du-c，利用Du-c对Du-s进行修正得到新的上升沿标准参考值D′u-s，其中Du-c、Du-s、D′u-s应满足下式：
D′u-s＝Du-s-Du-c (1)
由于该修正过程是利用下降沿的标准波长数据来修正上升沿的标准波长参考值，因此称其为交叉修正，最后利用修正后的上升沿标准波长参考值D′u-s对下降沿的待测光谱数据Dd-m进行解调，称其为交叉解调。该方法中以上升沿的标准波长数据为参考，将下降沿的标准波长数据修正为光谱仪测量的绝对标准波长参考值，因此在以同样的上升沿标准波长数据为参考时，下降沿的待测数据将会被同样修正为绝对数据，完美地消除了压电陶瓷迟滞效应带来的非线性失真。
同理可利用上升沿的标准波长数据来修正下降沿的标准波长参考值，最后利用修正后的下降沿标准波长参考值D′d-s对上升沿的待测光谱数据Du-m进行解调。该方法不仅消除了迟滞效应带来的非线性失真，使解调结果更加精确，并且将解调速度提升到单边沿检测方式的两倍，提高了速度和精度。
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 (7)
1.一种压电陶瓷型可调谐波长滤波器的双边沿交叉解调及非线性修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
宽谱光源的光通过压电陶瓷型可调谐波长滤波器进入分光器，分光器将光分为两路，第一路经光学栅格生成器后被采集，为标准光谱，第二路直接被采集，为待测光谱；
将采集的两路光信号数据分为两组，一组是数据采集模块在驱动三角波上升沿期间采集到的数据Du，包括标准光谱数据Du-s和待测光谱数据Du-m；另一组为驱动三角波下降沿期间采集到的数据Dd，同样分为标准光谱数据Dd-s和待测光谱数据Dd-m；
将预先存储的绝对参考值Ds赋值给上升沿的标准光谱数据Du-s，绝对参考值Ds为能通过光学栅格生成器且经精确测量的波长值，然后将下降沿的标准光谱数据Dd-s作为待测数据进行解调，解调结果为D′d-s；
将D′d-s与绝对参考值Ds进行对比并逐峰作差获得上升沿修正数组Du-c，利用Du-c对Du-s进行修正得到新的上升沿标准参考值D′u-s，其中Du-c、Du-s、D′u-s应满足下式：
D′u-s＝Du-s-Du-c (1)
再利用修正后的上升沿标准波长参考值D′u-s对下降沿的待测光谱数据Dd-m进行解调；
同理利用上升沿的标准波长数据来修正下降沿的标准波长参考值，最后利用修正后的下降沿标准波长参考值D′d-s对上升沿的待测光谱数据Du-m进行解调。
2.一种压电陶瓷型可调谐波长滤波器的双边沿交叉解调及非线性修正系统，其特征在于，包括：
光源；
压电陶瓷型可调谐波长滤波器，对光源发出的宽谱光进行可调谐滤波；
分光器，将经压电陶瓷型可调谐波长滤波器的光分为两路；
光学栅格生成器，对分光器输出的一路光进行过滤，只输出与透射峰波长重合的光；
光电转换模块，与分光器、光学栅格生成器连接，将光学栅格生成器输出的光信号以及分光器输出的另一路光信号转换为电信号；
数据采集模块，与光电转换模块连接，将光电转换模块输出的电信号进行A/D转换后再进行双边沿采集，并将上升沿期间采集的数据Du和下降沿期间采集的数据Dd分开保存；上升沿期间采集到的数据Du包括光学栅格生成器输出的标准光谱数据Du-s和分光器直接输出的待测光谱数据Du-m；下降沿期间采集到的数据Dd同样分为光学栅格生成器输出的标准光谱数据Dd-s和分光器直接输出的待测光谱数据Dd-m；
数据处理及修正模块，与数据采集模块连接，用于将预先存储的绝对参考值Ds赋值给上升沿的标准光谱数据Du-s，绝对参考值Ds为能通过光学栅格生成器且经精确测量的波长值，然后将下降沿的标准光谱数据Dd-s作为待测数据进行解调，解调结果为D′d-s；
该数据处理及修正模块还用于将D′d-s与绝对参考值Ds进行对比并逐峰作差获得上升沿修正数组Du-c，利用Du-c对Du-s进行修正得到新的上升沿标准参考值D′u-s，其中Du-c、Du-s、D′u-s应满足下式：
D′u-s＝Du-s-Du-c (1)
再利用修正后的上升沿标准波长参考值D′u-s对下降沿的待测光谱数据Dd-m进行解调；
同理利用上升沿的标准波长数据来修正下降沿的标准波长参考值，最后利用修正后的下降沿标准波长参考值D′d-s对上升沿的待测光谱数据Du-m进行解调。
3.根据权利要求2所述的压电陶瓷型可调谐波长滤波器的双边沿交叉解调及非线性修正系统，其特征在于，所述数据采集模块包含A/D芯片和FPGA芯片，A/D芯片将光电转换模块输出的模拟信号进行A/D转换，FPGA芯片对A/D转换后的信号进行双边沿采集，并将上升沿采集的数据Du和下降沿采集的数据Dd分开保存。
4.根据权利要求2所述的压电陶瓷型可调谐波长滤波器的双边沿交叉解调及非线性修正系统，其特征在于，所述光学栅格生成器为透射型光学器件。
5.根据权利要求2所述的压电陶瓷型可调谐波长滤波器的双边沿交叉解调及非线性修正系统，其特征在于，所述光源为半导体超辐射发光二极管。
6.根据权利要求2所述的压电陶瓷型可调谐波长滤波器的双边沿交叉解调及非线性修正系统，其特征在于，该系统还包括三角波驱动电路，与所述压电陶瓷型可调谐波长滤波器连接，该三角波驱动电路产生驱动三角波，控制所述压电陶瓷型可调谐波长滤波器对光谱进行波长选择。
7.根据权利要求6所述的压电陶瓷型可调谐波长滤波器的双边沿交叉解调及非线性修正系统，其特征在于，该系统还包括三角波-方波转换电路，该转换电路产生与控制压电陶瓷型可调谐波长滤波器的驱动三角波频率相同的方波信号，控制所述数据采集模块中的FPGA芯片进行数据采集。
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