CN108180930B - 长距离阵列式光纤光栅传感解调方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种长距离阵列式光纤光栅传感解调方法及装置，装置包括扫频光源、光脉冲调制模块、光栅阵列、数据采集模块和数据处理模块，其中光脉冲调制模块接收扫频光源产生的电同步脉冲作为触发信号，并产生一定脉宽的电脉冲，该电脉冲被分为两路，一路产生一定脉宽的光脉冲，进入光栅阵列；另一路作为同步电脉冲控制数据同步采集；光栅阵列，将接收的光反射给光电转换模块；光电转换模块将光栅阵列反射回来的光信号转换为模拟电信号，将模拟电信号送入数据采集模块进行采集；数据采集模块将光电转换模块输出的模拟信号进行A/D转换后，根据光脉冲调制模块提供的同步电脉冲进行同步采样；数据处理模块，将采集到的数据进行处理和解调。
Description
技术领域
本发明涉及光纤光栅传感领域，尤其涉及一种阵列式长距离阵列式光纤光栅传感解调方法。
背景技术
光传感技术可分为两大类，以温度传感为例，一类是分布式光纤传感技术，采用的是拉曼散射的原理，该类技术探测距离长，单通道可达公里级；光缆铺设简单，无任何熔接点。但由于散射光较弱，需要长时间的能量累积，因此探测周期长，一般在10s以上；另外由于激光器的制作工艺限制，激光器的光脉冲宽度极限值在10ns左右，对应的空间分辨率为0.5m，想要再提高该指标非常困难且成本会非常高昂。另一类是光纤光栅传感技术，采用的是布拉格光栅反射原理，其探测周期短，一般在1s以内；但由于光源扫描带宽的限制，一般为50nm带宽，每个传感器波长间隔至少2nm，因此，每通道的传感器数量被限制在25个左右，探测距离和空间分辨率互相钳制，一般每隔10m安装一个传感器，探测距离250m，空间分辨率为10m。这两类光传感技术各有优劣，只能根据应用场景来规避自身的缺陷，研制一种集两类传感技术优势于一身的新型传感技术已迫在眉睫。
阵列光栅技术即是这样一种集分布式光纤和光纤光栅优势于一身的新型传感技术，它采用国际先进的光栅在线制备技术，在光纤拉丝过程中进行光栅刻写，刻写间距可达厘米级。由于是光栅反射原理，无需能量累加，因此探测周期可在1s以内。阵列光栅技术采用的是OTDR原理，因此可以突破光源扫描带宽的限制，通过对相同波长光栅的复用，单通道的测量距离可达10km。该技术可在任何应用场合替代分布式光纤或光纤光栅传感技术，是一种无明显技术缺陷的新型传感技术。
发明内容
本发明针对传统分布式光纤和光纤光栅温度传感技术的缺陷，提出了一种阵列式长距离阵列式光纤光栅传感解调方法，在集成了两种传统温度传感方法优势的同时，互补了各自的缺陷。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
提供一种长距离阵列式光纤光栅传感解调方法，包括以下步骤：
将一个扫描周期内采集的阵列光纤光栅传感数据分为一组，将所有组的采样点组成一个i·j矩阵，该矩阵的行代表波长步进，列代表采样点，i为波长步进总个数，j为所有采样点个数；
光栅定位：将矩阵中的每一列进行数据进行累加，累加后形成一个{n1、n2、n3……nj}光强数组，对该数组进行寻峰，峰值处即为反射光强最大的位置，认为此处有光栅存在，其余位置则认为无光栅存在，经寻峰后，获得所有m个光栅的空间位置信息{nFBG1、nFBG2、nFBG3……nFBGm}；
光谱拼接：将第{nFBG1、nFBG2、nFBG3……nFBGm}列的数据分别进行拼接，得到m个{λFBGm-1、λFBGm-2、λFBGm-3……λFBGm-i}数组，对m个数组分别进行寻峰，解调得到m个光栅的实时波长。
本发明还提供了一种长距离阵列式光纤光栅传感解调系统，包括：
矩阵模块，用于将一个扫描周期内采集的阵列光纤光栅传感数据分为一组，将所有组的采样点组成一个i·j矩阵，该矩阵的行代表波长步进，列代表采样点，i为波长步进总个数，j为所有采样点个数；
光栅定位模块，用于将矩阵中的每一列进行数据进行累加，累加后形成一个{n1、n2、n3……nj}光强数组，对该数组进行寻峰，峰值处即为反射光强最大的位置，认为此处有光栅存在，其余位置则认为无光栅存在，经寻峰后，获得所有m个光栅的空间位置信息{nFBG1、nFBG2、nFBG3……nFBGm}；
光谱拼接模块，用于将第{nFBG1、nFBG2、nFBG3……nFBGm}列的数据分别进行拼接，得到m个{λFBGm-1、λFBGm-2、λFBGm-3……λFBGm-i}数组，对m个数组分别进行寻峰，解调得到m个光栅的实时波长。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其具有可被处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行如权利要求1的长距离阵列式光纤光栅传感解调方法的步骤。
本发明还提供了一种长距离阵列式光纤光栅传感解调装置，包括：
扫频光源；
光脉冲调制模块，与扫频光源连接，接收扫频光源产生的电同步脉冲作为触发信号，并产生一定脉宽的电脉冲，该电脉冲被分为两路，一路产生一定脉宽的光脉冲，进入光栅阵列；另一路作为同步电脉冲控制数据采集模块进行数据同步采集；
光栅阵列，将接收的光反射给光电转换模块；
光电转换模块，将光栅阵列反射回来的光信号转换为模拟电信号，将模拟电信号送入数据采集模块进行采集；
数据采集模块，将光电转换模块输出的模拟信号进行A/D转换后，根据光脉冲调制模块提供的同步电脉冲进行同步采样；
数据处理模块，将采集到的数据进行处理和解调，具体按照权利要求1的解调方法进行解调。
接上述技术方案，光纤阵列的间距为0.5m。
接上述技术方案，扫频光源的光谱带宽为6nm，波长扫描步进为10pm。
接上述技术方案，所述光脉冲调制模块产生10ns脉宽的电脉冲。
接上述技术方案，所述数据采集模块包括A/D采样芯片和FPGA控制芯片。
接上述技术方案，扫频光源为电流可调谐激光器。
本发明产生的有益效果是：本发明采用阵列光栅技术，结合了波分复用(WDM)和光时域反射(OTDR)技术,克服了传统光纤光栅解调方法探测距离短、空间分辨率低等缺陷，将光纤光栅类解调仪表的单通道探测距离提高到了公里级别，空间分辨率提高到了分米级别，是结合了分布式光纤和光纤光栅传感技术优势的最新传感技术。
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是本发明提供的系统框图。
图2是本发明提供的光脉冲调制模块的工作原理图。
图3是本发明提供的0.5m间距光栅阵列示意图。
图4是本发明提供的数据处理模块的原理图。
图5是本发明提供的程序流程图。
图6是本发明实施例的长距离阵列式光纤光栅传感解调系统机构示意图。
图1中包括扫频光源1，光脉冲调制模块2，光栅阵列3，光电转换模块4，数据采集模块5，数据处理模块6。
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。
本发明在集成了两种传统温度传感方法优势的同时，互补了各自的缺陷。温度测量周期可达1s，空间分辨率达0.5m，单通道探测距离达10km。
如图1所示，本发明实施例的长距离阵列式光纤光栅传感解调装置包括扫频光源、光脉冲调制模块、光栅阵列、光电转换模块、数据采集模块和数据处理模块。
扫频光源1为系统提供原始扫频光信号，光谱带宽一般为6nm，其波长扫描步进为10pm，即完成一次全范围扫描需要600次步进，每进行一次步进，会产生一个电同步脉冲表明波长切换已经完成并处于稳定状态，每个波长的光稳定时间为10us。
光脉冲调制模块2为系统提供纳秒级的脉冲光信号，该模块接收扫频光源1产生的电同步脉冲作为触发信号，并通过DDS芯片产生10ns脉宽的电脉冲，该电脉冲被分为两路，一路控制SOA光环形放大器的开关进行斩光，产生10ns脉宽的光脉冲；另一路进入数据采集模块5控制采集卡进行数据同步采集。其模块工作流程如图2所示。
光栅阵列3是采用光纤拉丝在线光栅刻写技术，在光纤拉丝过程中同时进行光栅刻写的全新技术，所有光栅波长均相同，本发明实施例中光栅刻写间隔优选为0.5m(最小可为0.1m)，可在1km光缆上刻写2000个光栅，如图3所示。本发明的一个较佳实施例中，每0.5米刻蚀一个光栅，将光纤光栅传感的空间分辨率提高了一个量级。
光电转换模块4将光栅阵列反射回来的信号进行转换，并将模拟电信号送入数据采集模块进行采集。
数据采集模块5中包含一个A/D采样芯片和一个FPGA控制芯片，A/D芯片将光电转换模块4输出的模拟信号进行A/D转换后，根据光脉冲调制模块2提供的同步电脉冲进行同步采样，光脉宽为10ns(100M)，根据奈奎斯特采样定理，要求采样率不应低于200M，采样深度不低于2万个采样点(光在光纤中传输10km的数据)。
数据处理模块6将数据采集模块5采集到的数据进行处理和解调，将一个扫描周期内的所有采集数据分为一组，本发明的一个实施例中，600次步进采集到600组数据，每组2万个采样点；这些数据可组成一个600×20000的矩阵，该矩阵的行代表600个波长步进(波长信息)，列代表20000个采样点(空间信息)，解调过程分为两步：①光栅定位，有光栅处累加后有光强信号，无光栅处累加后无光强信号。将矩阵中的每一列进行数据进行累加，累加后形成一个{n1、n2、n3……n20000}光强数组，对该数组进行寻峰，峰值处即为反射光强最大的位置，认为此处有光栅存在，其余位置则认为无光栅存在，经过该步骤后，可获得所有m个光栅的空间位置信息{nFBG1、nFBG2、nFBG3……nFBGm}。②光谱拼接，将第{nFBG1、nFBG2、nFBG3……nFBGm}列的数据分别进行拼接，得到m个{λFBGm-1、λFBGm-2、λFBGm-3……λFBGm-600}数组，对m个数组分别进行寻峰，即可解调得到m个光栅的实时波长。本发明实施例中分别取出nFBG1、nFBG2、nFBG3……nFBGm处的600个数据进行拼接分别得到m个光栅的光谱。如图4所示。
该系统工作流程如图5所示。扫频光源1产生6nm带宽的连续扫频光，每10pm一个步进，共600个步进。光脉冲调制模块2将连续扫频光调制为10ns脉宽的激光，激光经0.5m间距的光栅阵列3反射后被光电转换模块4转换为模拟信号，数据采集模块5将模拟信号进行A/D转换和固定长度(10km共20000个采样点)的数据采样，然后将采样所得数据传输给数据处理模块6，模块6将600个步进的采样数据组成一个600×20000的矩阵，该矩阵的行代表600个波长步进(波长信息)，列代表20000个采样点(空间信息)。首先将矩阵各行进行叠加后寻峰，确定m个光栅的空间位置{nFBG1、nFBG2、nFBG3……nFBGm}，然后将矩阵中第{nFBG1、nFBG2、nFBG3……nFBGm}列的数据分别进行拼接，得到m个{λFBGm-1、λFBGm-2、λFBGm-3……λFBGm-600}数组，对m个数组分别进行寻峰，即可解调得到m个光栅的实时波长{λFBG1、λFBG2、λFBG3……λFBGm}。
本发明的光栅反射信号远强于拉曼散射信号，无需能量的累积时间，测量周期可达1s，提高了测量的实时性，且突破了传统光纤光栅解调方法受到光源扫描范围限制的瓶颈，实现了相同波长光栅的空间复用，大大提高了探测距离，单通道可达10km。
本实施例中选用电流可调谐激光器作为扫频激光器。选用半导体环形腔激光器SOA作为光脉冲调制器。光电采集模块中光电转换电路由同轴探测器、对数放大器构成；数据采集模块由高速A/D采集芯片和FPGA芯片构成，数据处理模块采用工控机X86系统实现。
扫频光源1为系统提供带宽为6nm、步进为10pm的连续扫频光，每完成一个扫描步进会相应地发出一个同步电脉冲。光脉冲调制模块2接收扫频光源1发出的同步脉冲，并通过DDS芯片将同步脉冲的脉宽调制为10ns，该10ns脉宽的电脉冲被分为两路，一路控制SOA进行斩光，将连续扫频光调制成为10ns脉宽的激光，另一路输出到数据采集模块5控制采集卡进行采样。10ns脉宽的激光经过0.5m间距的光栅阵列反射，根据光时域反射原理，按照光栅的空间排列顺序先后到达光电转换模块4，将光脉冲信号转换为模拟电信号。数据采集模块5首先通过A/D芯片将模拟电信号转换为数字信号，然后通过光脉冲调制模块2提供的同步脉冲，以200M的采样率对数字信号进行采样，每通道采集10km的A/D数据，数据量如下式所示：
其中N为数据量，L为光缆长度10km，C为光在光纤中的传播速度2.0×108m/s，f为采样率200M，带入上式后计算得出N＝20000。
采样完成后，将数据传输给数据处理模块6进行波长解调，因为每次扫描由600次步进组成，因此每通道总的数据量为N×600＝12M。将这些数据组成一个600×20000的矩阵，其中矩阵的行代表600个波长步进，矩阵的列代表空间位置上的20000个采样点，如下所示。
将该矩阵中600行数据进行累加，则可得到一个新的1×20000矩阵：
[n1 n2…n20000]
其中：
nm＝λ1-m+λ2-m+…+λ600-m m∈[1,20000]
由于只有在存在光栅的位置，其采样点累加后才会有较强的信号，而无光栅存在的位置，其采样点累加后信号基本为噪声信号，对累加后的矩阵进行寻峰，即可获得有光栅存在的位置信息：
[nFBG1 nFBG2…nFBGm]
根据光栅位置信息，将600×20000矩阵中对应位置的m列数据取出，可拼接成m个1×600数组，如下所示：
这m个数组分别代表了m个光栅在频域中的信息，其波长步进为10pm，对m个数组分别进行寻峰，即可获得m个光栅的实时波长值：
如图6所示，本发明实施例的长距离阵列式光纤光栅传感解调系统包括：
矩阵模块，用于将一个扫描周期内采集的阵列光纤光栅传感数据分为一组，将所有组的采样点组成一个i·j矩阵，该矩阵的行代表波长步进，列代表采样点，i为波长步进总个数，j为所有采样点个数；
光栅定位模块，用于将矩阵中的每一列进行数据进行累加，累加后形成一个{n1、n2、n3……nj}光强数组，对该数组进行寻峰，峰值处即为反射光强最大的位置，认为此处有光栅存在，其余位置则认为无光栅存在，经寻峰后，获得所有m个光栅的空间位置信息{nFBG1、nFBG2、nFBG3……nFBGm}；
光谱拼接模块，用于将第{nFBG1、nFBG2、nFBG3……nFBGm}列的数据分别进行拼接，得到m个{λFBGm-1、λFBGm-2、λFBGm-3……λFBGm-i}数组，对m个数组分别进行寻峰，解调得到m个光栅的实时波长。
本发明实施例的计算机可读存储介质，其具有可被处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行上述实施例长距离阵列式光纤光栅传感解调方法的步骤。
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 (9)
1.一种长距离阵列式光纤光栅传感解调方法，其特征在于，包括以下步骤：
将一个扫描周期内采集的阵列光纤光栅传感数据分为一组，将所有组的采样点组成一个i·j矩阵，该矩阵的行代表波长步进，列代表采样点，i为波长步进总个数，j为所有采样点个数；
光栅定位：将矩阵中的每一列数据进行累加，累加后形成一个{ n1、n2、n3……nj}光强数组，对该数组进行寻峰，峰值处即为反射光强最大的位置，认为此处有光栅存在，其余位置则认为无光栅存在，经寻峰后，获得所有m个光栅的空间位置信息{nFBG1、nFBG2、nFBG3……nFBGm}；
光谱拼接：将第{nFBG1、nFBG2、nFBG3……nFBGm}列的数据分别进行拼接，得到m个{λFBGm-1、λFBGm-2、λFBGm-3……λFBGm-i}数组，对m个数组分别进行寻峰，解调得到m个光栅的实时波长。
2.一种长距离阵列式光纤光栅传感解调系统，其特征在于，包括：
矩阵模块，用于将一个扫描周期内采集的阵列光纤光栅传感数据分为一组，将所有组的采样点组成一个i·j矩阵，该矩阵的行代表波长步进，列代表采样点，i为波长步进总个数，j为所有采样点个数；
光栅定位模块，用于将矩阵中的每一列数据进行累加，累加后形成一个{ n1、n2、n3……nj}光强数组，对该数组进行寻峰，峰值处即为反射光强最大的位置，认为此处有光栅存在，其余位置则认为无光栅存在，经寻峰后，获得所有m个光栅的空间位置信息{nFBG1、nFBG2、nFBG3……nFBGm}；
光谱拼接模块，用于将第{nFBG1、nFBG2、nFBG3……nFBGm}列的数据分别进行拼接，得到m个{λFBGm-1、λFBGm-2、λFBGm-3……λFBGm-i}数组，对m个数组分别进行寻峰，解调得到m个光栅的实时波长。
3.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其具有可被处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行如权利要求1的长距离阵列式光纤光栅传感解调方法的步骤。
4.一种长距离阵列式光纤光栅传感解调装置，其特征在于，包括：
扫频光源；
光脉冲调制模块，与扫频光源连接，接收扫频光源产生的电同步脉冲作为触发信号，并产生一定脉宽的电脉冲，该电脉冲被分为两路，一路产生一定脉宽的光脉冲，进入光栅阵列；另一路作为同步电脉冲控制数据采集模块进行数据同步采集；
光栅阵列，将接收的光反射给光电转换模块；
光电转换模块，将光栅阵列反射回来的光信号转换为模拟电信号，将模拟电信号送入数据采集模块进行采集；
数据采集模块，将光电转换模块输出的模拟电信号进行A/D转换后，根据光脉冲调制模块提供的同步电脉冲进行同步采样；
数据处理模块，将采集到的数据进行处理和解调，具体按照权利要求1的解调方法进行解调。
5.根据权利要求4所述的长距离阵列式光纤光栅传感解调装置，其特征在于，光栅阵列的间距为0.5m。
6.根据权利要求4所述的长距离阵列式光纤光栅传感解调装置，其特征在于，扫频光源的光谱带宽为6nm，波长扫描步进为10pm。
7.根据权利要求4所述的长距离阵列式光纤光栅传感解调装置，其特征在于，所述光脉冲调制模块产生10ns脉宽的电脉冲。
8.根据权利要求4所述的长距离阵列式光纤光栅传感解调装置，其特征在于，所述数据采集模块包括A/D采样芯片和FPGA控制芯片。
9.根据权利要求4所述的长距离阵列式光纤光栅传感解调装置，其特征在于，扫频光源为电流可调谐激光器。
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