CN106643837B - 基于非相干频域反射的布拉格光纤光栅阵列解调装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于非相干频域反射的布拉格光纤光栅阵列解调装置，包括DFB频率调制驱动器、温度控制器、DFB激光器、第一光分路器、光环形器、布拉格光纤光栅阵列、第一光电探测器、乘法器、低通滤波器、第一路数据采集卡、第二个光分路器、第二个光电探测器、第二路数据采集卡、光谱仪和信号处理模块；本发明通过乘法器进行频谱搬移，降低信号频率，降低了系统的采样率和数据处理的复杂程度。另外，本发明通过DFB激光器驱动实现对输出光直接进行调制，通过控制DFB激光器的温度实现波长扫描。显著降低了系统的复杂程度和成本。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感解调技术领域，具体地指一种基于非相干频域反射的布拉格光纤光栅阵列解调装置与方法。
背景技术
光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、动态测量范围宽、体积小、易于复用等优点，因此得到了广泛的研究。利用它的稳定性和易构成传感网络，可应用于大型民用工程建筑、航空航天、医学、易燃易爆的石油化工业以及高压高辐射的电力工业、核工业中。在许多复杂的应用场合，经常需要进行多点分布式的测量。以前的测量技术中，通常采用波分复用技术，在一根光纤上面串联多个中心波长具有一定间隔的强反射光栅。由于强反射光栅具有制作成本高，而且受到光源带宽的限制，可复用的容量也有限，在具体工程应用中具有一定的局限性。随着光纤光栅制作技术的不断提高，全同弱反射率光栅的出现解决了此问题。因为具有较低的反射率，全同弱反射光栅每个都可以反射相同波长的光，提高了光栅容量，同样也大大降低了对光源带宽的要求。而且全同弱反射光栅具有可在线刻写，制作方便、成本低等优点，在工程应用方面要优于强反射光栅。
目前对弱反射光栅传感网络的解调主要采用光时域反射技术(OTDR)和光频域反射技术(OFDR)。光时域反射一般采用宽带光源作为光源，经过滤波器滤波后输出一个窄带光，通过高速脉冲驱动控制SOA开关产生高速脉冲光，根据光栅反射回来的时间实现传感器的定位，调节滤波器的中心波长，检测不同中心波长下各个传感器的反射光强得到FBG的光谱，采用高斯拟合得到FBG的中心波长。基于OTDR的解调技术能够实现大容量布拉格光纤光栅复用，但是为减小系统的空间分辨率，需要减小脉冲宽度，对解调系统电路的带宽、采样率和数据传输、算法提出了很高的要求。光频率反射一般采用窄线宽线性扫描光源进行波长扫描，各个时延不同的光栅反射光与光源输出光产生拍频，由于光栅位置不同，拍频得到的信号频率不同，通过傅里叶变化得到反映光栅距离信息的频谱，使用数字带通滤波器分离各个光栅拍频信号的时域信号，最后利用反傅里叶变换(IFFT)结合希尔伯特变化还原光栅的反射光谱信息。OFDR方案可实现大容量弱反射光栅复用，具有空间分辨率高等优点，但是对光源线宽要求高，波长解调过程复杂、不适用与长距离光纤光栅解调。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种基于非相干频域反射的布拉格光纤光栅阵列解调装置与方法，该装置和方法相比于基于光时域反射的光纤光栅解调技术，明显降低了解调系统的采样率、数据处理、光路和电路的复杂程度。
为实现此目的，本发明所设计的基于非相干频域反射的布拉格光纤光栅阵列解调装置，其特征在于：它包括DFB频率调制驱动器、温度控制器、DFB(Distributed FeedbackLaser，分布式反馈激光器)激光器、第一光分路器、光环形器、布拉格光纤光栅阵列、第一光电探测器、乘法器、低通滤波器、第一路数据采集卡、第二光分路器、第二光电探测器、第二路数据采集卡、光谱仪和信号处理模块；
其中，DFB激光器的频率调制驱动信号输入端连接DFB频率调制驱动器的DFB频率调制驱动信号输出端，DFB激光器的工作温度控制信号输入端连接温度控制器的信号输出端，DFB激光器的输出端连接第一光分路器的光输入端，第一光分路器的第一路光输出端连接光环形器的第一接口，光环形器的第二接口连接布拉格光纤光栅阵列的光通信接口；光环形器的第三接口连接第一光电探测器的光信号输入端，第一光电探测器的电信号输出端连接乘法器的一个输入端，乘法器的第二个输入端连接DFB频率调制驱动器的DFB频率调制驱动信号输出端，乘法器的信号输出端连接低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端连接第一路数据采集卡的输入端，第一路信号采集卡的输出端连接信号处理模块的第一路信号输入端；
第一光分路器的第二路光输出端连接第二光分路器的光输入端，第二光分路器的第一路光输出端连接第二光电探测器的光信号输入端，第二光电探测器的电信号输出端连接第二路数据采集卡的采集信号输入端，第二路数据采集卡的信号输出端连接信号处理模块的第二个输入端，第二光分路器的第二路光输出端连接光谱仪的光输入端，光谱仪用于对DFB激光器输出光波长进行校准。
一种利用上述装置进行布拉格光纤光栅阵列解调的方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：DFB频率调制驱动器和温度控制器对DFB激光器进行频率调制和温度控制，使DFB激光器输出用于对布拉格光纤光栅中心波长进行扫描的频率调制光；
步骤2：DFB激光器输出的频率调制光通过第一光分路器分成两路；
步骤3：第一光分路器输出的一路窄带输出光通过光环形器进入作为传感载体的布拉格光纤光栅阵列中；布拉格光纤光栅阵列反射的窄带光信号经过光环形器后输入第一光电探测器，第一光电探测器将反射的窄带光信号转换为对应的电信号(光栅波长探测电信号，即光栅的反射光强信号)输入到乘法器的第一个输入端与DFB频率调制驱动输出的DFB频率调制驱动信号进行混频，乘法器的输出的混频信号进入低通滤波器，低通滤波器滤除所述混频信号中的高频信号得到反映布拉格光纤光栅阵列中各个光栅位置信息的低频信号；第一路数据采集卡采集到反映布拉格光纤光栅阵列中各个光栅位置信息的低频信号，并将反映布拉格光纤光栅阵列中各个光栅位置信息的低频信号输出到信号处理模块，从而获取布拉格光纤光栅阵列中各个光栅的位置信息；
第一光分路器输出的另一路窄带输出光作为参考光信号，输送给第二光分路器，第二光分路器将参考光信号分为两路，一路参考光信号输入第二光电探测器，第二光电探测器将参考光信号转换为对应的参考光的电信号(光强信息)传输给第二路数据采集卡；另一路参考光信号输入光谱仪，光谱仪对DFB激光器输出光波长进行校准，第二路数据采集卡将参考光的电信号输送给信号处理模块；
步骤4：通过温度控制器调节DFB激光器的工作温度，从而改变DFB激光器输出光的中心波长，实现波长扫描，通过解调系统中信号处理模块的现有解调算法，利用反映布拉格光纤光栅阵列中各个光栅位置信息的低频信号计算出DFB激光器输出的各个波长下布拉格光纤光栅阵列中每个光纤光栅的光强，信号处理模块利用各个波长下布拉格光纤光栅阵列中每个光栅的光强拟合出布拉格光纤光栅阵列各个光纤光栅的光谱信息。
本发明的有益效果：
1、本发明通过乘法器进行频谱搬移，降低信号频率，大大降低了系统的采样率和数据处理的复杂程度。
2、本发明通过DFB激光器驱动实现对输出光直接进行调制，通过控制DFB激光器的温度实现波长扫描，显著降低了系统的复杂程度和成本。
3、本发明中光栅的距离和位置信息均在频域内完成(系统数据处理采用快速傅里叶变换)，提高了整个系统的信噪比。
本发明能够实现长距离、分布式、大容量全同布拉格光纤光栅传感网络的波长解调。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明中信号频率变化图；
其中，a为发射信号与回波信号频率图，b为差频信号频率变化图；
图3为不同温度下系统解调的光纤光栅的光谱图；
其中，1—DFB频率调制驱动器、2—温度控制器、3—DFB激光器、4—第一光分路器、5—光环形器、6—布拉格光纤光栅阵列、7—第一光电探测器、8—乘法器、9—低通滤波器、10—第一路数据采集卡、11—第二光分路器、12—第二光电探测器、13—第二路数据采集卡、14—光谱仪、15—信号处理模块。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
如图1所示的基于非相干频域反射的布拉格光纤光栅阵列解调装置，它包括DFB频率调制驱动器1、温度控制器2、DFB激光器3、第一光分路器4、光环形器5、布拉格光纤光栅阵列6、第一光电探测器7、乘法器8、低通滤波器9、第一路数据采集卡10、第二光分路器11、第二光电探测器12、第二路数据采集卡13、光谱仪14和信号处理模块15；
其中，DFB激光器3的频率调制驱动信号输入端连接DFB频率调制驱动器1的DFB频率调制驱动信号输出端，DFB激光器3的工作温度控制信号输入端连接温度控制器2的信号输出端，DFB激光器3的输出端连接第一光分路器4的光输入端，第一光分路器4的第一路光输出端连接光环形器5的第一接口，光环形器5的第二接口连接布拉格光纤光栅阵列6的光通信接口；光环形器5的第三接口连接第一光电探测器7的光信号输入端，第一光电探测器7的电信号输出端连接乘法器8的一个输入端，乘法器8的第二个输入端连接DFB频率调制驱动1的DFB频率调制驱动信号输出端，乘法器8的信号输出端连接低通滤波器9的输入端，低通滤波器9的输出端连接第一路数据采集卡10的输入端，第一路信号采集卡10的输出端连接信号处理模块15的第一路信号输入端；
第一光分路器4的第二路光输出端连接第二光分路器11的光输入端，第二光分路器11的第一路光输出端连接第二光电探测器12的光信号输入端，第二光电探测器12的电信号输出端连接第二路数据采集卡13的采集信号输入端，第二路数据采集卡13的信号输出端连接信号处理模块15的第二个输入端，第二光分路器11的第二路光输出端连接光谱仪14的光输入端，光谱仪14用于对DFB激光器3输出光波长进行校准。
上述技术方案中，所述乘法器8、低通滤波器9和信号处理模块15组成解调系统，所述乘法器8的两个输入端输入的信号为DFB频率调制驱动信号和第一光电探测器7转换得到的光栅波长探测电信号；
所述乘法器8用于将光栅波长探测电信号和DFB频率调制驱动信号相乘得到混频信号；低通滤波器9用于滤除所述混频信号中的高频信号得到反映布拉格光纤光栅阵列6中各个光栅位置信息的低频信号；信号处理模块15用于计算出DFB激光器3输出的各个波长下布拉格光纤光栅阵列6中每个光纤光栅的光强，并利用各个波长下布拉格光纤光栅阵列6中每个光栅的光强拟合出布拉格光纤光栅阵列6各个光纤光栅的光谱信息。
上述技术方案中，所述布拉格光纤光栅阵列6的光反射率范围为0.1～1％。该反射率为弱反射率，能够大大提高解调系统的复用容量。布拉格光纤光栅阵列6包括n个串联的间距为ΔL，且中心波长相同的弱反射光纤光栅，频率调制光进入n个光纤光栅传感网络，产生反射光。
上述技术方案中，光谱仪13用于DFB激光器3输出光波长校准，参考通道，用于修正DFB激光器在不同温度下输出光强的非线性。
上述技术方案中，所述布拉格光纤光栅阵列6的中心波长随所受温度、应力这些外界参量改变而变化，通过测量布拉格光纤光栅阵列6中各个布拉格光纤光栅的中心波长变化，来获取外界参量的变化值。
上述技术方案中，所述DFB激光器3输出激光的波长扫描范围为5nm～10nm。具体的输出激光波长通过温度控制器2进行调制。
上述技术方案中，所述DFB频率调制驱动器1为压控振荡模块(VCO，voltage-controlled oscillator)或直接数字式频率合成器(DDS，Direct Digital Synthesizer)。压控振荡模块或直接数字式频率合成器用于产生频率调制信号驱动DFB激光器3。
上述技术方案中，DFB频率调制驱动器1、温度控制器2和DFB激光器3构成波长扫描频率调制光源模块，该模块用于产生中心波长可变的频率调制光。图2(a)为DFB激光器3的驱动信号，该信号由压控振荡模块产生，是一个线性频率调制波，驱动信号的频率为：fT(t)＝f0+Bt/T，0≤t＜T，其中f0为信号的初始频率，B为频率扫描宽度，T为频率扫描周期，t表示在一个扫频周期内的时间变量。
图2(b)为发射信号的频率和光栅反射光经过光电探测器后信号频率之间的关系。从图中可以看出两个信号频率存在一定的频率差，经过乘法器12.1混频和低通滤波器12.2后得到信号为：
信号频率为：
Δf＝BΔt/T＝2nBl/Tc
由上式可知，信号频率Δf的大小仅由光栅的位置l决定，因此可以通过测量信号的频率来对每个光栅位置进行分离。
上述技术方案中，第二光分路器9、第二光电探测器10、第二路数据采集卡11和光谱仪13构成参考通道，参考通道主要用于校准DFB激光器3的输出波长和光强的非线性，进一步提高解调精度。
一种利用上述装置进行布拉格光纤光栅阵列解调的方法，它包括如下步骤：
步骤1：DFB频率调制驱动器1和温度控制器2对DFB激光器3进行频率调制和温度控制，使DFB激光器3输出用于对布拉格光纤光栅中心波长进行扫描的频率调制光；
步骤2：DFB激光器3输出的频率调制光通过第一光分路器4分成两路；
步骤3：第一光分路器4输出的一路窄带输出光通过光环形器5进入作为传感载体的布拉格光纤光栅阵列6中；布拉格光纤光栅阵列6反射的窄带光信号经过光环形器5后输入第一光电探测器7，第一光电探测器7将反射的窄带光信号转换为对应的电信号输入到乘法器8的第一个输入端与DFB频率调制驱动器1输出的DFB频率调制驱动信号进行混频，乘法器8的输出的混频信号进入低通滤波器9，低通滤波器9滤除所述混频信号中的高频信号(本实施例中为4MHz～200MHz)得到反映布拉格光纤光栅阵列6中各个光栅位置信息的低频信号(本实施例中为100Hz～100KHz)；第一路数据采集卡10采集到反映布拉格光纤光栅阵列6中各个光栅位置信息的低频信号，并将反映布拉格光纤光栅阵列6中各个光栅位置信息的低频信号输出到信号处理模块15，从而获取布拉格光纤光栅阵列6中各个光栅的位置信息；
第一光分路器4输出的另一路窄带输出光作为参考光信号，输送给第二光分路器11，第二光分路器11将参考光信号分为两路，一路参考光信号输入第二光电探测器12，第二光电探测器12将参考光信号转换为对应的参考光的电信号传输给第二路数据采集卡13；另一路参考光信号输入光谱仪14，光谱仪14对DFB激光器3输出光波长进行校准，第二路数据采集卡13将参考光的电信号输送给信号处理模块15；
步骤4：通过温度控制器2调节DFB激光器3的工作温度，从而改变DFB激光器3输出光的中心波长，实现波长扫描，通过解调系统中信号处理模块15的现有解调算法，利用反映布拉格光纤光栅阵列6中各个光栅位置信息的低频信号计算出DFB激光器3输出的各个波长下布拉格光纤光栅阵列6中每个光纤光栅的光强，信号处理模块15利用各个波长下布拉格光纤光栅阵列6中每个光栅的光强拟合出布拉格光纤光栅阵列6各个光纤光栅的光谱信息。
上述技术方案中，信号处理模块15通过布拉格光纤光栅阵列6各个光纤光栅的光谱信息得到布拉格光纤光栅阵列6各个光纤光栅的中心波长。
上述技术方案的步骤4中，对反映布拉格光纤光栅阵列6中各个光栅位置信息的低频信号进行快速傅里叶变换，得到信号的频谱，并根据l＝ΔfTc/2nB计算出光栅位置的距离，其中，Δf为傅里叶变换后信号的频率，T为调频周期，c为光速，n为光纤折射率，B为扫频宽度。
上述技术方案中，所述的布拉格光纤光栅阵列6应用在准分布式的光纤传感测量，当频率调制光入射到达反射光纤光栅时，与光纤光栅的中心波长一致的光被光纤光栅反射回来。由于不同位置的光纤光栅反射回来的时间差不相同，经过光电探测器和乘法器与参考信号进行混频后，得到的信号的频率不同，从而实现对各个光栅的位置分离。通过控制DFB激光器3的工作温度实现输出光波长扫描，得到各个光纤光栅的光谱，分析中心波长的变化情况，就可以实现布拉格光纤光栅阵列6中每个光栅的传感功能。
图3为控制DFB激光器3的温度进行波长扫描，各个波长下各个光栅的反射光强不同，当DFB激光器3输出波长接近光纤光栅的中心波长时，光纤光栅的反射光最强，当DFB激光器3的输出波长偏离光纤光栅的中心波长时，光纤光栅的反射光变弱，通过扫描得到光纤光栅的光谱图，通过高斯拟合得到光栅的中心波长。当温度、应力等外界参数发生变化时，光纤光栅的中心波长发生偏移，根据光纤光栅中心波长和外界参量之间的关系，实现对外界参量的测量。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (8)
1.一种基于非相干频域反射的布拉格光纤光栅阵列解调装置，其特征在于：它包括DFB频率调制驱动器(1)、温度控制器(2)、DFB激光器(3)、第一光分路器(4)、光环形器(5)、布拉格光纤光栅阵列(6)、第一光电探测器(7)、乘法器(8)、低通滤波器(9)、第一路数据采集卡(10)、第二光分路器(11)、第二光电探测器(12)、第二路数据采集卡(13)、光谱仪(14)和信号处理模块(15)；
其中，DFB激光器(3)的频率调制驱动信号输入端连接DFB频率调制驱动器(1)的DFB频率调制驱动信号输出端，DFB激光器(3)的工作温度控制信号输入端连接温度控制器(2)的信号输出端，DFB激光器(3)的输出端连接第一光分路器(4)的光输入端，第一光分路器(4)的第一路光输出端连接光环形器(5)的第一接口，光环形器(5)的第二接口连接布拉格光纤光栅阵列(6)的光通信接口；光环形器(5)的第三接口连接第一光电探测器(7)的光信号输入端，第一光电探测器(7)的电信号输出端连接乘法器(8)的一个输入端，乘法器(8)的第二个输入端连接DFB频率调制驱动器(1)的DFB频率调制驱动信号输出端，乘法器(8)的信号输出端连接低通滤波器(9)的输入端，低通滤波器(9)的输出端连接第一路数据采集卡(10)的输入端，第一路信号采集卡(10)的输出端连接信号处理模块(15)的第一路信号输入端；
第一光分路器(4)的第二路光输出端连接第二光分路器(11)的光输入端，第二光分路器(11)的第一路光输出端连接第二光电探测器(12)的光信号输入端，第二光电探测器(12)的电信号输出端连接第二路数据采集卡(13)的采集信号输入端，第二路数据采集卡(13)的信号输出端连接信号处理模块(15)的第二个输入端，第二光分路器(11)的第二路光输出端连接光谱仪(14)的光输入端，光谱仪(14)用于对DFB激光器(3)输出光波长进行校准。
2.根据权利要求1所述的基于非相干频域反射的布拉格光纤光栅阵列解调装置，其特征在于：所述乘法器(8)、低通滤波器(9)和信号处理模块(15)组成解调系统，所述乘法器(8)的两个输入端输入的信号为DFB频率调制驱动信号和第一光电探测器(7)转换得到的光栅波长探测电信号；
所述乘法器(8)用于将光栅波长探测电信号和DFB频率调制驱动信号相乘得到混频信号；低通滤波器(9)用于滤除所述混频信号中的高频信号得到反映布拉格光纤光栅阵列(6)中各个光栅位置信息的低频信号；信号处理模块(15)用于计算出DFB激光器(3)输出的各个波长下布拉格光纤光栅阵列(6)中每个光纤光栅的光强，并利用各个波长下布拉格光纤光栅阵列(6)中每个光栅的光强拟合出布拉格光纤光栅阵列(6)各个光纤光栅的光谱信息。
3.根据权利要求1所述的基于非相干频域反射的布拉格光纤光栅阵列解调装置，其特征在于：所述布拉格光纤光栅阵列(6)的光反射率范围为0.1～1％。
4.根据权利要求1所述的基于非相干频域反射的布拉格光纤光栅阵列解调装置，其特征在于：所述布拉格光纤光栅阵列(6)的中心波长随所受温度、应力这些外界参量改变而变化，通过测量布拉格光纤光栅阵列(6)中各个布拉格光纤光栅的中心波长变化，来获取外界参量的变化值。
5.根据权利要求1所述的基于非相干频域反射的布拉格光纤光栅阵列解调装置，其特征在于：所述DFB激光器(3)输出激光的波长扫描范围为5nm～10nm。
6.根据权利要求1所述的基于非相干频域反射的布拉格光纤光栅阵列解调装置，其特征在于：所述DFB频率调制驱动器(1)为压控振荡模块或直接数字式频率合成器。
7.一种利用权利要求1所述装置进行布拉格光纤光栅阵列解调的方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：DFB频率调制驱动器(1)和温度控制器(2)对DFB激光器(3)进行频率调制和温度控制，使DFB激光器(3)输出用于对布拉格光纤光栅中心波长进行扫描的频率调制光；
步骤2：DFB激光器(3)输出的频率调制光通过第一光分路器(4)分成两路；
步骤3：第一光分路器(4)输出的一路窄带输出光通过光环形器(5)进入作为传感载体的布拉格光纤光栅阵列(6)中；布拉格光纤光栅阵列(6)反射的窄带光信号经过光环形器(5)后输入第一光电探测器(7)，第一光电探测器(7)将反射的窄带光信号转换为对应的电信号输入到乘法器(8)的第一个输入端与DFB频率调制驱动器(1)输出的DFB频率调制驱动信号进行混频，乘法器(8)的输出的混频信号进入低通滤波器(9)，低通滤波器(9)滤除所述混频信号中的高频信号得到反映布拉格光纤光栅阵列(6)中各个光栅位置信息的低频信号；第一路数据采集卡(10)采集到反映布拉格光纤光栅阵列(6)中各个光栅位置信息的低频信号，并将反映布拉格光纤光栅阵列(6)中各个光栅位置信息的低频信号输出到信号处理模块(15)，从而获取布拉格光纤光栅阵列(6)中各个光栅的位置信息；
第一光分路器(4)输出的另一路窄带输出光作为参考光信号，输送给第二光分路器(11)，第二光分路器(11)将参考光信号分为两路，一路参考光信号输入第二光电探测器(12)，第二光电探测器(12)将参考光信号转换为对应的参考光的电信号传输给第二路数据采集卡(13)；另一路参考光信号输入光谱仪(14)，光谱仪(14)对DFB激光器(3)输出光波长进行校准，第二路数据采集卡(13)将参考光的电信号输送给信号处理模块(15)；
步骤4：通过温度控制器(2)调节DFB激光器(3)的工作温度，从而改变DFB激光器(3)输出光的中心波长，实现波长扫描，通过解调系统中信号处理模块(15)的现有解调算法，利用反映布拉格光纤光栅阵列(6)中各个光栅位置信息的低频信号计算出DFB激光器(3)输出的各个波长下布拉格光纤光栅阵列(6)中每个光纤光栅的光强，信号处理模块(15)利用各个波长下布拉格光纤光栅阵列(6)中每个光栅的光强拟合出布拉格光纤光栅阵列(6)各个光纤光栅的光谱信息。
8.根据权利要求7所述的布拉格光纤光栅阵列解调的 方法，其特征在于：信号处理模块(15)通过布拉格光纤光栅阵列(6)各个光纤光栅的光谱信息得到布拉格光纤光栅阵列(6)各个光纤光栅的中心波长。
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