CN107270950B - 一种嵌入式段式扫描光纤光栅传感解调系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种嵌入式段式扫描光纤光栅传感解调系统，包括波长可调激光器、光纤分路器、光纤耦合器、光纤光栅传感器、光电探测器、调理‑放大‑采样电路和嵌入式控制器，嵌入式控制器的控制端口连接波长可调激光器，波长可调激光器输出的激光经过光纤分路器分路后，各光束分别由对应的光纤耦合器输出到对应的光纤光栅传感器，由光纤光栅传感器反射的激光依次经对应的光纤耦合器和光电探测器进入调理‑放大‑采样电路，然后返回到嵌入式控制器。与现有技术相比，本发明不仅扫描效率高，功效高，而且系统精度和稳定性好，系统实现简单，性价比极高。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤光栅解调系统，尤其是涉及一种嵌入式段式扫描光纤光栅传感解调系统及方法。
背景技术
光纤光栅传感器与传统的电传感器相比有着更高的可靠性、电磁兼容性、抗干扰能力、耐腐蚀等特征，有着广阔的应用前景。
光纤光栅传感器的工作原理是：随着外界温度、应力或密度等物理量的变化，光纤光栅传感器反射的波长将发生偏移，通过光纤光栅传感器解调系统对光纤光栅传感器反射的波长的偏移量进行解调运算，就可以计算出外界的温度、应力或密度等微小变化，其中解调的关键就是要有效地测量其波长偏移量。
随着近年来可调谐半导体激光技术的发展，高性能波长可调激光器组件已经开始应用于实验室、密集波分复用系统等光通信和实验测量领域，波长可调激光器可指定特定功率和特定波长范围内的任意波长的输出，且具有良好的数字控制接口，如RS232接口、USART、USB等，通过这些接口，按照已知的协议就可对激光器的输出波长进行精确的控制。
目前，常用的光纤光栅解调的方法有滤波解调、干涉解调、可调谐光源解调等，针对每一种分类方法，在具体的实现中又可采用不同的技术进行处理。经过一段时间的检索和研究发现，在已申请的专利中，将指定波长范围内的连续可调谐半导体激光作为核心器件，实现光纤光栅传感解调的系统目前还比较少见，由于系统实现所采用的核心器件不同，最终反映到具体的实现中，差异通常都很大。如申请号201610556709.9虽然引入了可调谐激光器作为光源，只是用来实现“可调谐激光器输出线性扫描光源”；申请号201510411841.6所采用的可调谐光源装置，除了提供扫描光源外，还需要在每次光源输出的同时，向采样装置提供采样触发信号，这种调谐光源所输出的光源显然是间歇脉冲式且非连续性的，而且由于系统存在着光、电传输延迟，在光源输出的同时触发采样，显然存在问题，为此，为解决该类问题，专利201310507078.8引入了参考光栅，来“消除滞后和漂移对波长解调的影响”，申请号201510411841.6采用的是同步输出-输入采样，由于系统参量的变化和不同光栅之间的空间分布的不均衡，实际工作中精确的同步很难做到，采样到的反射光波频率只能是近似值，误差比较大，且所采用的可调谐激光光源设有起始波长、终止波上和步进，在此范围内进行全光谱扫描，然后再根据传感器数量进行分区划分计算，这样的处理方式，一方面需要大量的内存用于保存全光谱内每个步进的采样结果，另一方面，在每个扫描周期结束后，再分段提取数据，分段计算偏移结果，最后批量输出计算结果，系统延时大，实时性不高；由于系统实现方法复杂，说明文件在[0070]段就明确说明，“上位机”为“PC控制”的系统，因为PC系统有着丰富的内存和计算资源，但是基于PC的系统与采用嵌入式的系统方案在经济性和实用性上均无法同嵌入式系统方案相比，适用的范围、场合也不尽相同，且系统集成度差，性价比差。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种嵌入式段式扫描光纤光栅传感解调系统及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种嵌入式段式扫描光纤光栅传感解调系统，包括波长可调激光器、光纤分路器、光纤耦合器、光纤光栅传感器、光电探测器、调理-放大-采样电路和嵌入式控制器，所述的嵌入式控制器的控制端口连接波长可调激光器，波长可调激光器输出的激光经过光纤分路器分路后，各光束分别由对应的光纤耦合器输出到对应的光纤光栅传感器，由光纤光栅传感器反射的激光依次经对应的光纤耦合器和光电探测器进入调理-放大-采样电路，然后返回到嵌入式控制器。
所述的光纤光栅传感器为光纤布拉格光栅传感器。
所述的光电探测器为PIN光电探测器和APD光电探测器中的一种。
所述的嵌入式控制器的控制端口为SPI、USART、UART、CAN、USB、RS232、RS485、RS422、以太网端口中的一种。
所述的嵌入式控制器为ARM、DSP、MIPS、FPGA、CPLD和x86 SOC其中的一种或几种组合。
所述的光纤分路器输出端连接多个分路，其中一个分路连有一个用于误差修正的参考光纤光栅传感器，采用参考光纤光栅传感器对波长可调激光器可能存在的输入输出变化进行修正，其余的分路上均串联了多个光纤光栅传感器，每个分路串联一个光纤耦合器和一个光电探测器。
所述的系统中，各光纤光栅传感器的初始中心波长互不相同，且中心波长偏移后的波长范围互不重叠。
一种采用所述的嵌入式段式扫描光纤光栅传感解调系统获取环境参数的方法，包括自动标定、段式扫描和数据处理，
其中，所述的自动标定采用全波段自动扫描，包括：嵌入式控制器在全工作波段内按照标定扫描步长ΔS以增量的方式控制波长可调激光器特定功率和特定波长的输出，对光纤光栅传感器进行扫描，对扫描到的每个光纤光栅传感器记录三个标定参数：嵌入式控制器设置的波长可调激光器的标定输出数值、嵌入式控制器获取的反射光谱的标定最大功率以及嵌入式控制器从输出波长可调激光器的控制信号到获取反射光谱的标定最大功率之间的标定延时ΔTi；
嵌入式控制器对每一个光纤光栅传感器的标定参数按先后顺序增加索引Index:1～N并分组存储，每个索引对应一个特定光栅的三个标定参数：标定输出数值，标定最大功率和标定延时ΔTi；
所述的段式扫描包括：嵌入式控制器根据标定阶段记录的索引及标定参数，设置对应的扫描段，每个索引对应一个扫描段，各扫描段的嵌入式控制器输出数值的起点为标定输出数值-ΔD，终点为标定输出数值+ΔD，使扫描段的波长范围为预估的中心波长偏移范围，在每个扫描段内以步长ΔS进行扫描，获取各扫描段内的反射光谱的最大功率Pimax及对应的波长可调激光器的输出数值Di；
段式扫描具体为：每个扫描段中，嵌入式控制系统以每一个步长Δs从反射光谱中获取ΔTi内的最大采样值Pimax，延时大于1.5倍以上的ΔTi后自动进入下一个增量步长的扫描，每个扫描段只记录一个最大值Pimax、一个最大值时的控制输出数值Di和两个最近连续的采样值Pin-1、Pin，其中Pin为当前△Tin连续时间内的峰值，即对应每个光栅扫描段，n为段内第n次扫描，Pin-1为上一个△Tin-1连续时间内的峰值，将Pin-1、Pin与Pimax进行比较，如果当前采样值Pin以增量的方式等于大于Pimax值，即Pimax＜Pin-1≤Pin，则更新此段最大值Pimax为Pin，并继续下一步进扫描，如果出现连续的两个和两个以上减量值(即Pimax＞Pin-1＞Pin)，则停止该段的扫描，然后转入扫描结果处理和进行下个光栅所属段的扫描，如果输出数值达到标定输出数值+ΔD，则直接进入下一个扫描段的扫描。
所述的数据处理具体为：每个扫描周期前利用参考光纤光栅传感器计算输出数值Di和输出波长之间的修正值，在每个段扫描结束后，将当前扫描段的反射光谱的最大功率Pimax及对应的输出数值Di，与对应的标定阶段的反射光谱的标定最大功率及对应的标定输出数值进行比较运算，再根据修正值进行修正，得到对应光纤光栅传感器的中心波长偏移量，从而获取相关的环境参数。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)系统在初始标定阶段通过扫描的方式自动学习获知系统所连接的光栅的数量，并记录相关的参数，不需对光栅进行繁琐的人为的测试与标定。
2)在系统中自动扫描学习，解决了光栅等器件参数因系统相关性问题而造成的误差和偏移等问题。
3))光栅的初始波长并不直接参与系统的计算，系统不仅处理方法先进，对调理-放大-采样电路性能要求也很低，系统实现简单，性价比极高。
4)工作阶段，系统只对已知标定的光栅的有效波段进行段式扫描，相对全工作波段的扫描的方法，忽略了大量存在的无效波段，系统扫描频率高，这对当前业界常见的普遍存在着的扫描频率不高的情况，无疑非常好的解决方法，而且精度也高，功效、效率也显著高很多。
5)系统每次扫描时仅记录有限的几个数值，每个扫描段结束即可计算输出结果，实时性很高，而且每个段扫描结束计算结果输出后，计算资源便可以释放，对系统的资源需求不高，这对嵌入式系统的应用来说非常重要。
6)系统集成度高，光栅密度高。
附图说明
图1为本实施例的嵌入式段式扫描光纤光栅传感解调系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种嵌入式段式扫描光纤光栅传感解调系统及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
如图1所示，一种嵌入式段式扫描光纤光栅传感解调系统，包括波长可调激光器1、光纤分路器2、至少一个光纤耦合器3、至少一个光纤光栅传感器4、至少一个光电探测器5、调理-放大-采样电路6和嵌入式控制器7。
波长可调激光器1通过控制端口接收嵌入式控制器7根据协议发送的控制指令数据，然后输出特定波长和功率的光束，光纤分路器2接收波长可调激光器1输出的激光束，然后将该激光束分成多束输出给光纤耦合器3，光纤耦合器3接收光纤分路器2输出的光束，然后输出到光纤光栅传感器4，同时将接收到的光纤光栅传感器4的反射的特定波长的光束，输出到光电探测器5，嵌入式控制器7对经过调理-放大处理好的信息通过采样电路进行采样，然后对采样信号进行处理，同时通过控制端口对波长可调激光器1的输出进行控制，该嵌入式控制器7也承担系统数据的预算和处理，并向外输出处理结果。
波长可调激光器1的波长和功率输出与控制数据存在确定的关系，嵌入式控制器7根据协议通过控制端口控制波长可调激光器1以特定的输出功率输出特定的波长，其中控制端口为SPI、USART、UART、CAN、USB、RS232、RS485、RS422、以太网等其中的一种，该波长可调激光器1可在指定波长范围内实现连续可调。
波长可调激光器1在经过长时间继续的工作后系统的参量会发生不同程度的漂移，造成输入和输出之间的微小的变化，系统通过内置的光纤光栅传感器FBG-0对其中的变化进行周期性监测、计量，其计量结果用于对最终的结果进行修正。
光纤光栅传感器4为光纤布拉格光栅传感器，每个串联在相同一根光纤上和不同光纤上的不同光栅其初始中心波长均不同；同时，每个光栅可指定不同的偏移范围，对应不同的量程，也可根据系统的量程范围，指定统一的偏移范围，但不同光栅初始中心波长加上偏移范围不能有重叠部分。
光电探测器5为PIN光电探测器和APD光电探测器中的一种。
嵌入式控制器7的控制端口为SPI、USART、UART、CAN、USB、RS232、RS485、RS422、以太网端口中的一种。
嵌入式控制器7为ARM、DSP、MIPS、FPGA、CPLD和x86 SOC其中的一种或几种组合，同时负责采样、波长可调激光器的输出控制、采样信息处理、系统逻辑处理，并按输出格式化的处理结果。
光纤分路器2输出端连接的各分路中，串联了多个光纤光栅传感器4。
系统中，各光纤光栅传感器4的初始中心波长互不相同，且中心波长偏移后的值范围互不重叠。
一种根据嵌入式段式扫描光纤光栅传感解调系统获取环境参数的方法，包括标定阶段、工作阶段和数据处理阶段，
其中，标定阶段采用全波段扫描，具体包括：嵌入式控制器7根据各光纤光栅传感器4的初始中心波长，在全工作波段内控制波长可调激光器1依次输出对应波长或功率的激光，对光纤光栅传感器4进行扫描并获取反射光谱，记录每一次扫描相关的三个参数：嵌入式控制器7设置的波长可调激光器1的标定输出数值、嵌入式控制器7采样获取的反射光谱的标定最大功率以及嵌入式控制器7从输出波长可调激光器1的控制信号到获取反射光谱的标定最大功率之间的延时△Ti；
工作阶段采用段式扫描，具体包括：嵌入式控制器7根据标定阶段记录的各标定输出数值，设置对应的扫描段，各扫描段波长可调激光器1的输出数值范围以对应标定输出数值为中点，即输出数值的起点为标定输出数值-ΔD，终点为标定输出数值+ΔD，该标定输出数值为原始标定输出数值加上参考光栅计算后的修订值，即标定对应的中心波长+参考光栅计算后对波长的修订值，该扫描段的中心波长偏移范围可在此基础上进一步修订，以允许部分重叠，提高光栅的存在密度，但需要保留相应数量的区分度，然后进行采样，获取各扫描段的反射光谱的最大功率Pimax及对应的输出数值Di；
数据处理阶段具体包括：将各扫描段的反射光谱的最大功率Pimax及对应的输出数值Di，与对应的标定阶段的反射光谱的标定最大功率及对应的标定输出数值进行比较运算，得到对应光纤光栅传感器4的中心波长偏移量，从而获取相关的环境参数。
具体实施时，系统自动标定方法实现过程为：
将光纤光栅传感器置于用于标定的环境条件下中，嵌入式控制器7根据协议，在全工作波段内按照一定的步长△s以增量的方式控制波长可调激光器特定功率和特定波长的输出，对光纤光栅传感器4进行扫描，获取并记录每一个扫描光栅相关的三个标定参数：嵌入式控制器7对波长可调激光器的标定输出数值、嵌入式控制器7采样获取的反射光谱的标定最大功率、以及嵌入式控制器7从输出波长可调激光器1的控制信号到获取反射光谱的最大功率标定延时△Ti；
嵌入式控制器7对扫描获取的每一个光栅的参数按先后顺序，增加索引I:1～N，分组存在系统的存储器中，作为系统初始参数，参与正常工作时的系统计算。
段式扫描方法实现过程为：
每个索引对应一个特定光栅的一组标定信息，同时，每个索引对应一个扫描段；
扫描段的起点为标定输出数值-△D，终点为标定输出数值+△D，每一个步进嵌入式控制系统从反射光谱中获取延时△Ti采样值Pin，每段扫描时系统只记录一个最大值Pimax、一个最大值时的输出数值Din和两个最近连续的采样值Pin-1、Pin；
将Pin-1、Pin与Pimax进行比较，如果采样值以增量的方式接近或大于Pimax值，则更新此段最大值Pimax，继续下一步进扫描，如果出现连续的两个减量值，则停止该段的扫描，然后转入扫描结果处理和进行下个光栅所属于的段的扫描。
系统数据处理方法为：
以每个扫描段为单位，将扫描获取的Pimax、对应的输出数值Di和系统标定的标准值进行比较运算；
根据波长和功率输出与控制数据之间的关系计算出偏移量，该偏移量即对应波长在工作环境中的偏移量。
Claims (7)
1.一种嵌入式段式扫描光纤光栅传感解调系统，其特征在于，包括波长可调激光器(1)、光纤分路器(2)、光纤耦合器(3)、光纤光栅传感器(4)、光电探测器(5)、调理-放大-采样电路(6)和嵌入式控制器(7)，所述的嵌入式控制器(7)的控制端口连接波长可调激光器(1)，波长可调激光器(1)输出的激光经过光纤分路器(2)分路后，各光束分别由对应的光纤耦合器(3)输出到对应的光纤光栅传感器(4)，由光纤光栅传感器(4)反射的激光依次经对应的光纤耦合器(3)和光电探测器(5)进入调理-放大-采样电路(6)，然后返回到嵌入式控制器(7)，所述的光纤分路器(2)输出端连接多个分路，其中一个分路连有一个用于误差修正的参考光纤光栅传感器(40)，其余的分路上均串联了多个光纤光栅传感器(4)，每个分路串联一个光纤耦合器(3)和一个光电探测器(5)，
采用所述的嵌入式段式扫描光纤光栅传感解调系统获取环境参数的步骤，包括自动标定、段式扫描和数据处理，
其中，所述的自动标定采用全波段自动扫描，包括：嵌入式控制器(7)在全工作波段内按照标定扫描步长ΔS以增量的方式控制波长可调激光器(1)特定功率和特定波长的输出，对光纤光栅传感器(4)进行扫描，对扫描到的每个光纤光栅传感器(4)记录三个标定参数：嵌入式控制器(7)设置的波长可调激光器(1)的标定输出数值、嵌入式控制器(7)获取的反射光谱的标定最大功率以及嵌入式控制器(7)从输出波长可调激光器(1)的控制信号到获取反射光谱的标定最大功率之间的标定延时ΔTi；
嵌入式控制器(7)对每一个光纤光栅传感器(4)的标定参数按先后顺序增加索引并分组存储，每个索引对应一个特定光栅的三个标定参数；
所述的段式扫描包括：嵌入式控制器(7)根据标定阶段记录的索引及标定参数，设置对应的扫描段，每个索引对应一个扫描段，各扫描段的嵌入式控制器(7)输出数值的起点为标定输出数值-ΔD，终点为标定输出数值+ΔD，使扫描段的波长范围为预估的中心波长偏移范围，在每个扫描段内以步长ΔS进行扫描，获取各扫描段内的反射光谱的最大功率Pimax及对应的波长可调激光器(1)的输出数值Di；
所述的数据处理包括：根据自动标定和段式扫描获得的数据进行比较，得到对应光纤光栅传感器(4)的中心波长偏移量，从而获取相关的环境参数。
2.根据权利要求1所述的一种嵌入式段式扫描光纤光栅传感解调系统，其特征在于，所述的光纤光栅传感器(4)为光纤布拉格光栅传感器。
3.根据权利要求1所述的一种嵌入式段式扫描光纤光栅传感解调系统，其特征在于，所述的光电探测器(5)为PIN光电探测器和APD光电探测器中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种嵌入式段式扫描光纤光栅传感解调系统，其特征在于，所述的嵌入式控制器(7)的控制端口为SPI、USART、UART、CAN、USB、RS232、RS485、RS422、以太网端口中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种嵌入式段式扫描光纤光栅传感解调系统，其特征在于，所述的嵌入式控制器(7)为ARM、DSP、MIPS、FPGA、CPLD和x86 SOC其中的一种或几种组合。
6.根据权利要求1所述的一种嵌入式段式扫描光纤光栅传感解调系统，其特征在于，所述的系统中，各光纤光栅传感器(4)的初始中心波长互不相同，且中心波长偏移后的波长范围互不重叠。
7.根据权利要求1所述的一种嵌入式段式扫描光纤光栅传感解调系统，其特征在于，所述的数据处理具体为：每个扫描周期前利用参考光纤光栅传感器(40)计算输出数值Di和输出波长之间的修正值，在每个段扫描结束后，将当前扫描段的反射光谱的最大功率Pimax及对应的输出数值Di，与对应的标定阶段的反射光谱的标定最大功率及对应的标定输出数值进行比较运算，再根据修正值进行修正，得到对应光纤光栅传感器(4)的中心波长偏移量，从而获取相关的环境参数。
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