CN105973284A - 一种多通道高精度光纤光栅传感器解调装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多通道高精度光纤光栅传感器解调装置，采用光开关、分束器和合束器相结合的方式，在不增加甚至减少光电探测器、信号放大和AD采集通道数量的前提下，增加了光纤光栅传感器通道数量，实现了大容量多通道高精度光纤光栅解调；通过TEC温控模块对可调谐滤波器和标准具进行温度控制，降低了温度对可调谐滤波器输出波长非线性影响和温度对标准具梳状谱线偏移的影响，提高了光纤光栅解调装置的解调精度。
Description
技术领域
本发明属于光纤光栅传感技术领域，具体涉及一种多通道高精度光纤光栅传感器解调装置,可用于各种机遇光纤光栅的应变、温度和加速度等光纤光栅传感器的解调，可应用于航天、航空、石化、土木等场合。
背景技术
光纤光栅传感系统具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强和耐腐蚀能力强等优点，并且基于光纤光栅传感的应变传感器测量结果不会随时间漂移，易于制作以及埋入或置于航天器、飞机等关键结构内部或表面，实现应变、温度和加速度等多种物理量的测量。相比传感器电传感器系统，该技术在强电磁干扰、热真空或辐照等严酷环境下更具有优势。
尽管现有的光纤光栅传感系统在常温条件下能够多通道高精度的解调出光纤光栅传感器的波长，但当工作温度快速变化时会影响光学器件的性能，进而影响波长解调精度。因此传感系统中需要根据应用需求对关键的光学器件进行温度控制，保证解调系统的解调精度。一种可行的办法是采用TEC温控系统对可调谐滤波器和标准具分别进行温度控制，解决温度快速变化引起可调谐滤波器输出波长非线性和温度引起标准具输出波长偏移的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种多通道高精度光纤光栅传感解调装置，采用TEC温控技术，保证可调谐滤波器能够在不同温度环境下线性输出波长以及标准具工作在恒温环境下输出准确的疏状谱线，光纤光栅解调装置能够准确的解调出光纤光栅传感器的波长，实现航天器、飞机等关键结构的应变、温度和加速度等状态信息的多通道高精度测量。
一种光纤光栅传感器解调装置，包括可调谐光源、并行探测模块以及数据处理控制模块；
其中，所述可调谐光源包括泵浦激光器、第一光纤耦合器、第一波分复用器、第一掺铒光纤、TEC温控模块、可调谐滤波器、第二波分复用器、第二掺铒光纤以及滤波器；
所述并行探测模块包括耦合器、1×N光开关、1×M分束器、标准具、TEC温控模块、光纤环形器以及N×1合束器；
所述泵浦激光器输出波长为980nm的激光，输出光功率为200mW～400mW；
所述第一光纤耦合器把泵浦激光器输出的激光均分成两束光；
所述第一波分复用器将第一光纤耦合器输出的其中一束光耦合进入第一掺铒光纤；
所述第一掺铒光纤将耦合进入的980nm激光进行展宽，输出波长为1525nm～1565nm的宽带光；
所述可调谐滤波器从所述宽带光中滤出窄带光信号，使输出激光为波长范围在1525nm～1565nm内连续变化的单一波长的窄带光，且输出窄带光的3dB带宽在100pm～220pm之间；
第二波分复用器接收从第一光纤耦合器输出的980nm激光以及从可调谐滤波器输出的窄带光，并将两束光耦合进入第二掺铒光纤；
所述第二掺铒光纤将980nm激光作为泵源光，对输入的窄带光进行功率放大，提高输出光功率；
所述第二增益平坦滤波器对从第二掺铒光纤输出的激光的光功率的平坦度进行处理，使得输出光功率在20mW～40mW之间；
所述滤波器将从第二增益平坦滤波器输出的激光中的980nm激光滤除；
所述第二光纤耦合器将从所述滤波器输出的激光分成两束：一束光送入标准具，另一束光送入1×N光开关；
所述标准具对从第二光纤耦合器各时刻输出的窄带光的波长进行识别；
所述1×N光开关将从第二光纤耦合器输出的另一束窄带光分成N束，并分别送入与1×N光开关的N个通道一一对应的1×M分束器中；
N个所述1×M分束器的每个输出通道接一个光纤环形器；
每个光纤环形器的端口1接1×M分束器，端口2接传感器阵列，端口3接N×1合束器；光纤环形器将从1×M分束器接收的窄带光送至光栅传感器阵列，并接收从光栅传感器阵列反射的光信号，通过端口3输出至N×1合束器；
所述N×1合束器的N个合束通道与1×N光开关的N个分束通道一一对应，其中，N×1合束器的一个通道只接收N个1×M分束器中编号相同通道的反射光，N×1合束器的不同通道接收N个1×M分束器中编号不同通道的反射光；N×1合束器对接收的光合束后，送入数据处理控制模块；
所述数据处理控制模块控制1×N光开关中各通道的开启或关闭，且同时只开启一个光开关；数据处理控制模块对从标准具出射的窄带光进行光电探测、信号放大和AD采样，记录接收到的各波长窄带光的时刻，形成波长-时刻曲线；同时对从合束器各通道输出的反射光分别进行光电探测、信号放大和AD采样，并记录接收到反射光的时刻，根据所述波长-时刻曲线，找到反射光时刻对应的波长，即为光栅传感器的中心波长，并计算出光栅传感器对应的被测对象的应变、温度和加速度信息，实现传感器的解调。
进一步的，所述可调谐光源模块中还包括第一光隔离器，设置于第一参铒光纤输出端与第一增益平坦滤波器的输入端之间，防止从泵浦激光器输出的光反射回泵浦激光器。
进一步的，所述可调谐光源模块中还包括TEC温控模块，用于采集所述可调谐滤波器的温度，并控制可调谐滤波器的温度缓慢变为常温，变温速度≤0.5℃/(10分钟)。
进一步的，所述可调谐光源模块中还包括第二光隔离器，设置于第二参铒光纤输出端与所述滤波器的输入端之间，防止从泵浦激光器输出的光反射回泵浦激光器。
进一步的，所述并行探测模块还包括TEC温控模块，用于采集标准具的温度，并控制标准具的温度在20秒内变为常温。
较佳的，所述N的取值为2、4、8、16或32。
较佳的，所述M值选取2、4、8或16。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明采用光开关、分束器和合束器相结合的方式，在不增加甚至减少光电探测器、信号放大和AD采集通道数量的前提下，增加了光纤光栅传感器通道数量，实现了大容量多通道高精度光纤光栅解调。
(2)通过TEC温控模块对可调谐滤波器和标准具进行温度控制，降低了温度对可调谐滤波器输出波长非线性影响和温度对标准具梳状谱线偏移的影响，提高了光纤光栅解调装置的解调精度。
附图说明
图1为本发明的多通道高精度光纤光栅传感解调装置的结构框图。
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。
本发明的多通道高精度光纤光栅传感解调装置，如图1所示，包括大功率可调谐光源、并行探测模块、数据处理控制模块。其中：大功率可调谐光源包括泵浦激光器、耦合器、TEC温控模块、两个掺铒光纤、两个波分复用器、光隔离器、可调谐滤波器、增益平坦滤波器以及滤波器；输出波长1525nm～1565nm，输出功率20mW～40mW；并行探测模块包括耦合器、1×N光开关、1×M分束器、标准具、TEC温控模块、光纤环形器、N×1合束器，实现光路的分束和合束作用；数据处理控制模块包括信号放大和高速AD采样模块、数据处理模块和控制模块。
泵浦激光器：输出波长为980nm左右的激光，输出光功率200mW～400mW；
光纤耦合器1：把980nm的激光分成50:50两束光；
波分复用器1：把光耦合进入掺铒光纤1；
掺铒光纤1：把980nm光波长展宽，输出波长为1525～1565nm宽带光；
光隔离器1：防止从泵浦激光器输出的光反射回泵浦激光器，减少对泵浦激光器的损伤；
增益平坦滤波器1：降低1525～1540nm部分光功率，提高可调谐光源的平坦度，有利于数据处理模块信号处理；
可调谐滤波器：从第一增益平坦滤波器输出的激光中滤出窄带光信号，通过对其驱动电压的调节，输出波长范围在1525nm～1565nm连续变化的单一波长的窄带光，可调谐滤波器输出光的3dB带宽在100pm～220pm之间；
TEC温控模块+热敏电阻1：采集可调谐滤波器的温度，并控制可调谐滤波器的温度缓慢变为常温，变温速度≤0.5℃/10分钟。目的是由于快速变温引起可调谐滤波器输出波长的变化非线性，通过标准具输出的谱线无法线性的准确解调出光波长。
波分复用器2：把窄带光和980nm光耦合进入掺铒光纤2；
掺铒光纤2：对输入的窄带光进行功率放大，提高输出光功率；
增益平坦滤波器2：提高输出光功率的平坦度，输出光功率在20mW～40mW的可调谐激光；
光隔离器2：防止从泵浦激光器输出的光反射回泵浦激光器，减少对泵浦激光器的损伤；
滤波器：滤除980nm的泵浦光，输出波长为1525nm～1565nm；
光纤耦合器2：将可调谐光源输入的激光分成两束；一束光一次通过标准具、滤波器、光电探测器、信号放大和高速AD采样模块进入数据处理和控制模块进行波长校正处理，另一束光依次通过1×N光开关、1×M分束器、光纤环形器后传输给传感器阵列然后把相应波长的激光反射回来再次进入光纤环形器，然后经过N×1合束器合束后，进入光电探测器、信号放大和高速AD采样模块、数据处理和控制模块解调出传感器的中心波长，计算出对应的应变、温度和加速度信息；
TEC温控模块+热敏电阻2：采集标准具的温度，并控制标准具快速变为常温，变温时间≤20秒；由于温度会引起标准具输出的谱线产生偏移，解调出的波长信息产生较大偏差。
标准具：输出等光频间隔的梳状谱线，光频间隔为25GHz、50GHz或100GHz；标准具允许通过特定波长的光信号，由于可调谐光源每一时刻输出的光都是单一波长的，因此标准具固定光频间隔允许光信号通过，产生了就像梳子一样的谱线，并且去掉一个梳子齿作为mark点，这样就会计算得到每一个梳子齿的波长，如此，就可以得到窄带光在各个时刻的波长信息。
1×N光开关：将从第二光纤耦合器输出的另一束光分成N束，并分别送入与1×N光开关的N个通道一一对应的1×M分束器中；通过控制其驱动，实现光在N路的相应切换，N值选取2、4、8、16或32。
1×M分束器的每个输出通道接一个光纤环形器；
每个光纤环形器的端口1接1×M分束器，端口2接传感器阵列，端口3接N×1合束器；光纤环形器将从1×M分束器接收的窄带光送至光栅传感器阵列，并接收从光栅传感器阵列反射的光信号，通过端口3输出至N×1合束器；
所述N×1合束器的N个合束通道与1×N光开关的N各分束通道一一对应，其中，N×1合束器的一个通道只接收N个1×M分束器中编号相同通道的反射光，N×1合束器的不同通道接收N个1×M分束器中编号不同通道的反射光；N×1合束器对接收的光合束后，送入数据处理控制模块；
光电探测器：对输入的光信号进行光电转换，转换成电压信号；
信号放大和高速AD采样模块：对输入的电压信号进行幅值放大，并同AD将模拟信号进行模数转换，变成数字信号；
数据处理控制模块控制1×N光开关中各通道的开启或关闭，且同时只开启一个光开关；对从标准具出射的窄带光进行光电探测、信号放大和AD采样，记录接收到各波长窄带光的时刻，形成波长-时刻曲线；同时对从合束器各通道输出的反射光分别进行光电探测、信号放大和AD采样，并记录接收到反射光的时刻，根据所述波长-时刻曲线，找到反射光时刻对应的波长，即为传感器的中心波长，并计算出传感器对应的被测对象的应变、温度和加速度信息，实现传感器的解调。
控制模块：采集热敏电阻的温度信息，对TEC温控模块进行温度控制，并控制光开关切换。
本发明多通道高精度光纤光栅传感解调方法，采用上述的传感解调装置进行解调，包括以下步骤：
步骤一：泵浦激光器输出波长为980nm左右的激光，输出光功率200mW～400mW，经光纤耦合器1把泵浦光分成50:50两束光；一束泵浦光通过波分复用器1进入掺铒光纤1，掺铒光纤1对泵浦光波长进行展宽，输出波长在1525nm～1565nm的宽带光，经过光隔离器1进行传输方向隔离，再由增益平坦滤波器1降低1525～1534nm波长的峰值光功率，提高宽带光的平坦性，再由可调谐滤波器把宽带光变成窄带光信号，为了增加解调装置的解调精度采用TEC温控模块对其进行温度控制；另一束泵浦光和可调谐滤波器输出的窄带光通过波分复用器2耦合进入掺铒光纤2，对输入的窄带光进行功率放大，提高输出光功率，再由增益平坦滤波器2提高输出光功率的平坦度，输出光功率在20mW～40mW的可调谐激光，然后经光隔离器2隔离和滤波器滤波后输出波长为1525nm～1565nm的可调谐激光；
步骤二：可调谐光源输出的可调谐激光进入并行探测模块，首先经光纤耦合器2安照5：95分成两束光；一束光依次通过标准具、滤波器后，得到具有MARK标记点的梳状谱线，然后送入数据处理和控制模块，为了降低温度对标准具的影响，采用TEC温控模块对标准具进行常温控制；另一束光依次通过1×N光开关、1×M分束器后，由光纤环形器的1端口进入，2端口输出，然后传感器阵列把相应波长的激光反射回来由光纤环形器的2端口进入，然后由3端口输出进入N×1合束器，然后送入数据处理和控制模块，其中合束器合束通道数量由光开关决定，合束器数量由分束器通道数量决定；
步骤三：并行探测模块输出的光信号进入数据处理和控制模块，首先经光电探测器进行光电信号转换，转换成电压信号，再由信号放大和高速AD采样模块进行幅值放大模数转换，变成数字信号,最后由数据处理模块采用寻峰算法解调出传感器的中心波长，把时间信息代入标准具谱线拟合出的曲线求出波长信息，根据传感器的灵敏度，计算出应变、温度和加速度信息；数据处理和控制模块还需要通过热敏电阻采集可调谐滤波器和标准具的温度信息，根据温度信息控制TEC温控模块实现对可调谐滤波器的缓慢温度控制和标准具的快速温度控制，该模块还需要实现对光开关切换控制。
多通道高精度光纤光栅解调装置作为实用、创新型专利，应用在航天器、飞机关键结构的应变、温度和加速度信息采集和处理，实现了目标结构健康信息的实时监测，提高了关键结构的安全性，具有广泛的应用前景。
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 (7)
1.一种光纤光栅传感器解调装置，其特征在于，包括可调谐光源、并行探测模块以及数据处理控制模块；
其中，所述可调谐光源包括泵浦激光器、第一光纤耦合器、第一波分复用器、第一掺铒光纤、TEC温控模块、可调谐滤波器、第二波分复用器、第二掺铒光纤以及滤波器；
所述并行探测模块包括耦合器、1×N光开关、1×M分束器、标准具、TEC温控模块、光纤环形器以及N×1合束器；
所述泵浦激光器输出波长为980nm的激光，输出光功率为200mW～400mW；
所述第一光纤耦合器把泵浦激光器输出的激光均分成两束光；
所述第一波分复用器将第一光纤耦合器输出的其中一束光耦合进入第一掺铒光纤；
所述第一掺铒光纤将耦合进入的980nm激光进行展宽，输出波长为1525nm～1565nm的宽带光；
所述可调谐滤波器从所述宽带光中滤出窄带光信号，使输出激光为波长范围在1525nm～1565nm内连续变化的单一波长的窄带光，且输出窄带光的3dB带宽在100pm～220pm之间；
第二波分复用器接收从第一光纤耦合器输出的980nm激光以及从可调谐滤波器输出的窄带光，并将两束光耦合进入第二掺铒光纤；
所述第二掺铒光纤将980nm激光作为泵源光，对输入的窄带光进行功率放大，提高输出光功率；
所述第二增益平坦滤波器对从第二掺铒光纤输出的激光的光功率的平坦度进行处理，使得输出光功率在20mW～40mW之间；
所述滤波器将从第二增益平坦滤波器输出的激光中的980nm激光滤除；
所述第二光纤耦合器将从所述滤波器输出的激光分成两束：一束光送入标准具，另一束光送入1×N光开关；
所述标准具对从第二光纤耦合器各时刻输出的窄带光的波长进行识别；
所述1×N光开关将从第二光纤耦合器输出的另一束窄带光分成N束，并分别送入与1×N光开关的N个通道一一对应的1×M分束器中；
N个所述1×M分束器的每个输出通道接一个光纤环形器；
每个光纤环形器的端口1接1×M分束器，端口2接传感器阵列，端口3接N×1合束器；光纤环形器将从1×M分束器接收的窄带光送至光栅传感器阵列，并接收从光栅传感器阵列反射的光信号，通过端口3输出至N×1合束器；
所述N×1合束器的N个合束通道与1×N光开关的N个分束通道一一对应，其中，N×1合束器的一个通道只接收N个1×M分束器中编号相同通道的反射光，N×1合束器的不同通道接收N个1×M分束器中编号不同通道的反射光；N×1合束器对接收的光合束后，送入数据处理控制模块；
所述数据处理控制模块控制1×N光开关中各通道的开启或关闭，且同时只开启一个光开关；数据处理控制模块对从标准具出射的窄带光进行光电探测、信号放大和AD采样，记录接收到的各波长窄带光的时刻，形成波长-时刻曲线；同时对从合束器各通道输出的反射光分别进行光电探测、信号放大和AD采样，并记录接收到反射光的时刻，根据所述波长-时刻曲线，找到反射光时刻对应的波长，即为光栅传感器的中心波长，并计算出光栅传感器对应的被测对象的应变、温度和加速度信息，实现传感器的解调。
2.如权利要求1所述的一种光纤光栅传感器解调装置，其特征在于，所述可调谐光源模块中还包括第一光隔离器，设置于第一参铒光纤输出端与第一增益平坦滤波器的输入端之间，防止从泵浦激光器输出的光反射回泵浦激光器。
3.如权利要求1所述的一种光纤光栅传感器解调装置，其特征在于，所述可调谐光源模块中还包括TEC温控模块，用于采集所述可调谐滤波器的温度，并控制可调谐滤波器的温度缓慢变为常温，变温速度≤0.5℃/(10分钟)。
4.如权利要求1所述的一种光纤光栅传感器解调装置，其特征在于，所述可调谐光源模块中还包括第二光隔离器，设置于第二参铒光纤输出端与所述滤波器的输入端之间，防止从泵浦激光器输出的光反射回泵浦激光器。
5.如权利要求1所述的一种光纤光栅传感器解调装置，其特征在于，所述并行探测模块还包括TEC温控模块，用于采集标准具的温度，并控制标准具的温度在20秒内变为常温。
6.如权利要求1所述的一种光纤光栅传感器解调装置，其特征在于，所述N的取值为2、4、8、16或32。
7.如权利要求1所述的一种光纤光栅传感器解调装置，其特征在于，所述M值选取2、4、8或16。
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