CN105973283A - 一种多通道光纤布拉格光栅解调系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多通道光纤布拉格光栅解调系统，属于光纤光栅传感检测技术领域。该系统包括宽谱光源、环行器、光开关、Bayspec解调模块、工控机和布拉格光栅传感阵列；宽谱光源的光路上设有环行器，环行器的前方设有光开关，光开关控制两个布拉格光栅传感阵列的通断；模拟信号作用于布拉格光栅传感阵列上，环行器与Bayspec解调模块相连，Bayspec解调模块通过数据线与工控机相连；本发明能够实现对应变引起的弹性形变和弹光效应，温度引起的热膨胀效应和热光效应，以及磁场引起的Faraday效应的传感检测，采样率高，解调信号频率带宽大，电路设计简单、低成本、开发周期短。
Description
技术领域
本发明涉及一种多通道光纤布拉格光栅解调系统，属于光纤光栅传感检测技术领域。
背景技术
根据光纤光栅的波矢方向、空间分布及周期大小，光纤光栅可分为四种基本类型，光纤布拉格光栅(FBG:Fiber Bragg Grating)、闪耀光纤光栅、啁啾光纤光栅和长周期光纤光栅。光纤布拉格光栅的折射率呈固定的周期性调制分布，及调制深度与光栅周期均为常数，光栅波矢方向与光纤轴线方向一致。当光经过光纤布拉格光栅时，对满足布拉格相位匹配条件的光产生很强的反射；对不满足布拉格条件的光，由于相位不匹配，只有很微弱的部分被反射回来。
目前常用的光纤光栅解调技术主要有光谱仪检测法、非平衡Mach-Zehnder干涉仪法、匹配光栅法、可调谐光纤Fabry-Perot滤波法以及体光栅法等。体光栅可以将不同波长的光分开，同一角度入射的不同波长的光经过体光栅后输出时，出射角不一样，在出射端安装光电转换阵列，就可以分别测量不同波长的光强。采用Bayspec体光栅解调模块，使得解调系统结构简单、集成度高、开发周期缩短。与传统的滤波器法相比，解调分辨率基本一致，但体光栅法解调系统采样率更高，解调信号频率带宽更大，采样分辨率更高；省去了高速AD电路、滤波器控制电路、光电转换电路等，开发难度降低、减少成本、开发周期缩短。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种多通道光纤布拉格光栅解调系统，能够实现对应变引起的弹性形变和弹光效应，温度引起的热膨胀效应和热光效应，以及磁场引起的Faraday效应的传感检测，采样率高，解调信号频率带宽大，电路设计简单、低成本、开发周期短。
一种多通道光纤布拉格光栅解调系统，该系统包括宽谱光源、环行器、光开关、Bayspec解调模块、工控机和布拉格光栅传感阵列；
所述宽谱光源的光路上设有环行器，环行器的前方设有光开关，光开关控制两个布拉格光栅传感阵列的通断；模拟信号作用于布拉格光栅传感阵列上，环行器与Bayspec解调模块相连，Bayspec解调模块通过数据线与工控机相连；
宽谱光源发出的宽谱光，通过环行器由第一端口传到第二端口，经过光开关切换到布拉格光栅传感阵列，温度或压力等模拟信号变化时由布拉格光栅阵列反射的窄带光沿光开光返回，由环行器的第二端口传至第三端口，最后由Bayspec解调模块接收，所述Bayspec解调模块将传感阵列返回的光信号转换成电信号并采集，完成波长解调，最终将波长解调结果以及光电转换的原始数据上传至工控机解调和显示。
进一步地，所述Bayspec解调模块包括第一透镜、体光栅、第二透镜、CCD阵列和DSP处理器，由光纤输入的光经过第一透镜转为平行光，保证不同波长的光到达体光栅的入射角一致，经过体光栅分光后，不同波长的出射角不一样，由第二透镜将相同波长的光聚焦到CCD阵列的同一接收点，然后由CCD阵列转换为电信号输出给DSP采集电路。
进一步地，所述体光栅工作波长覆盖1525～1605nm，波长分辨率±1pm，采样率不低于5kHz。
有益效果：
1、与传统的滤波器法解调系统相比，本发明的解调系统解调分辨率与其基本一致，均为±1pm，但采样率更高，可达5kHz，解调信号频率带宽更大，采样分辨率更高。
2、本发明省去了高速AD电路、滤波器控制电路、光电转换电路等，降低开发难度、减少成本、缩短开发周期。
附图说明
图1为本发明多通道光纤布拉格光栅解调系统组成原理示意图；
图2为本发明多通道光纤布拉格光栅解调系统软件结构示意图。
其中，1-宽谱光源、2-环行器、3-光开关、4-Bayspec解调模块、5-工控机、6-布拉格光栅传感阵列、7-模拟信号、8-光纤、9-透镜、10-体光栅、11-CCD阵列、12-DSP处理器、13-数据线、14-第二透镜。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如附图1所示，本发明提供了一种多通道光纤布拉格光栅解调系统，该系统包括宽谱光源1、环行器2、光开关3、Bayspec解调模块4、工控机5以及布拉格光栅传感阵列6共六部分组成。
由宽谱光源1发出的宽谱光，通过环行器由第一端口传到第二端口，经过光开关3切换到布拉格光栅传感阵列6，温度或压力等模拟信号7变化时由布拉格光栅阵列6反射的窄带光(3dB带宽小于0.3nm)，沿光开光3返回，由环行器2的第二端口传至第三端口，最后由Bayspec解调模块4接收，经过光纤8传输、透镜9、体光栅10分光后经CCD阵列11光电转换由DSP处理器12通过数字通信13上传至上位机5解调和显示。
Bayspec解调模块4内部由第一透镜9、体光栅10、第二透镜14、CCD阵列11、DSP处理器12等组成，由光纤8输入的光经过第一透镜9转为平行光，保证不同波长的光到达体光栅10的入射角一致，经过体光栅10分光后，不同波长的出射角不一样，由第二透镜9将相同波长的光聚焦到CCD阵列11的同一接收点，然后由CCD阵列11转换为电信号输出给DSP采集电路12。
宽带光源1为系统提供大带宽、平坦稳定的宽谱光。带宽要求40nm或者80nm；在40nm带宽的情况下，假设每通道20传感器，每个传感器损耗1dB，环行器损耗1.4dB(1->2，2->3各0.7dB)，光开关损耗2dB(往返各1dB)，光路总损耗为20×1dB+1.4dB+2dB＝23.4dB，故光源功率谱密度应不低于-31.6dBm/nm，总功率不低于-15.6dBm；在80nm带宽的情况下，假设每通道40传感器，每个传感器损耗1dB，其余器件衰减与40nm带宽情况一致，故光路总衰减为40×1dB+1.4dB+2dB＝43.4dB，光源功率谱密度应不低于-11.6dBm/nm，总功率不低于7.4dBm。
环行器2简化光路，降低插入损耗。由宽谱光源输出的光经过环行器第一端口，只能通过第二端口输出至光开关组件到达传感阵列，由传感阵列返回的光经过第二端口输入，只能经由第三端口输出至Basypec波长解调模块4。插入损耗一般要求低于1dB，工作波长范围覆盖1525～1605nm。
高速光开关模块3实现系统时分复用，增加传感阵列规模，对于解调系统来说不是必需模块。若采用1×4高速光开关模块，单光源系统解调阵列规模可达160测点；若1×8高速光开关模块，单光源系统解调阵列规模可达320测点。高速光开关需配有专用驱动控制电路，由Bayspec模块4控制同步。插入损耗要求低于1dB，工作波长范围覆盖1525～1605nm，开关切换时间低于1ms。
Bayspec波长解调模块4是系统核心器件，其功能是将传感阵列6返回的光信号转换成电信号并采集，完成波长解调，最终将波长解调结果以及光电转换的原始数据上传至上位机系统5。波长解调模块的原理是使用体光栅将不同波长的光分开，入射到光电传感器阵列，将阵列位置与光信号波长一一对应，实现高精度数字光谱仪的功能。工作波长覆盖1525～1605nm，波长分辨率±1pm，采样率不低于5kHz。
工控机5接收Bayspec模块的上传数据，并显示已被解调的前端传感阵列6的压力、温度等物理信息7，同时通过Bayspec模块4控制高速光开关3实现对不同传感阵列的切换。对于静态解调系统，采用P42.0G以上的CPU、256MB以上内存配置电脑即可；对于高速解调系统，由于采样率为5kHz，单次采集解调时间需控制在0.2ms以内。
传感阵列6由温度/压力光栅传感器串联而成，传感器波长范围在1525～1605nm以内，同一路阵列传感器之间波长差应控制在2nm以上。
解调系统软件结构如图2所示，主要包括数据采集、分峰、寻峰、信息转换、数据显示存储等模块。
软件初始化时完成变量赋初值；读取配置文件；初始界面显示；对于多通道情况，设置定时器时间间隔；通过Bayspec模块控制光开关，切换光通道；打开Bayspec模块，控制模块采集一次数据上传至上位机；将采集到的光谱数据中光纤光栅的反射峰提取出来，供寻峰算法使用；将寻峰结果值与传感器一一对应；根据传感器种类及参数信息，将寻峰结果中心波长转换到待测物理量——温度或应变等。
对于静态模式，系统规模受限于光开关，假设采用1x4光开关，单光源系统规模可达160测点(每一路40测点，共4路)；采用1x8光开光时，单光源系统规模可达320测点；采用1x16光开关时，单光源系统规模可达640测点。为了增加系统规模，还可以采用多光开关级联模式，例如一个1x2光开关和两个1x16光开关可实现1x32路光开关效果，但此时需要考虑光开关带来的光路衰减，一般光开关单程衰减为1dB，往返衰减为2dB，故每增加一级光开关，光路衰减增加2dB；对于高速模式，系统规模受限于系统处理速度，由于必须在0.2ms内完成所有数据处理，所以高速模式下采用单路40测点以内的规模。
虽然1525～1605nm波长范围内激光在光纤中传输损耗很低，最低值为0.2dB/km@1550nm，但由于采用40测点后光路总衰减较大，为了不增加光源负担，传感器阵列长度最好不超过1km——若遇到特殊情况，需要增加阵列长度，可适当牺牲阵列规模，例如采用20测点，光路衰减有20dB余量，可采用10km以上的阵列规模。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种多通道光纤布拉格光栅解调系统，其特征在于，该系统包括宽谱光源、环行器、光开关、Bayspec解调模块、工控机和布拉格光栅传感阵列；
所述宽谱光源的光路上设有环行器，环行器的前方设有光开关，光开关控制两个布拉格光栅传感阵列的通断；模拟信号作用于布拉格光栅传感阵列上，环行器与Bayspec解调模块相连，Bayspec解调模块通过数据线与工控机相连；
宽谱光源发出的宽谱光，通过环行器由第一端口传到第二端口，经过光开关切换到布拉格光栅传感阵列，温度或压力等模拟信号变化时由布拉格光栅阵列反射的窄带光沿光开光返回，由环行器的第二端口传至第三端口，最后由Bayspec解调模块接收，所述Bayspec解调模块将传感阵列返回的光信号转换成电信号并采集，完成波长解调，最终将波长解调结果以及光电转换的原始数据上传至工控机解调和显示。
2.如权利要求1所述的一种多通道光纤布拉格光栅解调系统，其特征在于，所述Bayspec解调模块包括第一透镜、体光栅、第二透镜、CCD阵列和DSP处理器，由光纤输入的光经过第一透镜转为平行光，保证不同波长的光到达体光栅的入射角一致，经过体光栅分光后，不同波长的出射角不一样，由第二透镜将相同波长的光聚焦到CCD阵列的同一接收点，然后由CCD阵列转换为电信号输出给DSP采集电路。
3.如权利要求2所述的一种多通道光纤布拉格光栅解调系统，其特征在于，所述体光栅工作波长覆盖1525～1605nm，波长分辨率±1pm，采样率不低于5kHz。
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