CN108303124B - 一种基于静态可调谐光源的光纤光栅解调系统及方法 - Google Patents

一种基于静态可调谐光源的光纤光栅解调系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光纤传感器解调技术领域，具体公开了一种基于静态可调谐光源的光纤光栅解调系统，其中，包括：驱动电路、静态可调谐光源、光纤耦合器阵列、光纤光栅传感器阵列、光电探测器、数据处理模块和数据输出模块，驱动电路用于向静态可调谐光源输出驱动电流；静态可调谐光源用于输出激光；光纤耦合器阵列用于将激光分成两路；光纤光栅传感器阵列用于产生光纤光栅反射谱；光电探测器用于进行光电转换；数据处理模块用于解调；数据输出模块用于输出光纤光栅的中心波长。本发明还公开了一种基于静态可调谐光源的光纤光栅解调方法。本发明提供的基于静态可调谐光源的光纤光栅解调系统具有成本低高稳定高精度的优势。

Description

一种基于静态可调谐光源的光纤光栅解调系统及方法
技术领域
本发明涉及光纤传感器解调技术领域，尤其涉及一种基于静态可调谐光源的光纤光栅解调系统及基于静态可调谐光源的光纤光栅解调方法。
背景技术
光纤布拉格光栅传感器是现有不同行业应用市场中最具有代表性的传感器，它以独树一帜的优势，如服从恶劣条件，极耐腐蚀，使用寿命长，结构小巧，质量轻，易于复用组网等特点广泛应用于桥梁，大坝，隧道等民用领域，还可以应用于生物医学，环境监测，核工业，航空航天等特殊领域。
传统上，光纤光栅传感系统的光源部分的方案主要为宽谱光源加上窄带滤波器的方案，或者掺铒光纤放大自发辐射光源（ASE）外加可调滤波器组成扫描光源的方案。但是，前者需要昂贵的宽谱光源和窄带滤波器，成本高，并且系统的响应速率低，适用范围小；后者使用的扫描光源昂贵，且在三角波电压反复扫描下每次输出波长不一致，压电陶瓷易受到外界因素干扰，导致解调精度不高。
因此，如何提供一种低成本、高稳定、高精度快速光纤光栅传感器解调方式成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种基于静态可调谐光源的光纤光栅解调系统及基于静态可调谐光源的光纤光栅解调方法，以解决现有技术中的问题。
作为本发明的第一个方面，提供一种基于静态可调谐光源的光纤光栅解调系统，其中，每次光纤光栅解调过程包括第一解调过程和第二解调过程，所述第一解调过程获得光纤光栅的反射谱，所述第二解调过程获得光纤光栅的中心波长，所述基于静态可调谐光源的光纤光栅解调系统包括：驱动电路、静态可调谐光源、光纤耦合器阵列、光纤光栅传感器阵列、光电探测器、数据处理模块和数据输出模块，
所述驱动电路的输出端与所述静态可调谐光源的输入端连接，所述驱动电路用于向所述静态可调谐光源输出驱动电流；
所述静态可调谐光源的输出端与所述光纤耦合器阵列的输入端连接，所述静态可调谐光源用于在所述第一解调过程中输出固定波长的激光，以及用于在所述第二解调过程中输出与光纤光栅的反射谱匹配的波长的激光；
所述光纤耦合器阵列的输入输出端与所述光纤光栅传感器阵列连接，所述光纤耦合器阵列的输出端与所述光电探测器的输入端连接，所述光纤耦合器阵列用于将所述第一解调过程中输出的激光或所述第二解调过程中输出的激光分成两路，其中一路作为参考谱输出到所述光电探测器，另一路进入到所述光纤光栅传感器阵列形成光纤光栅反射谱后输出到所述光电探测器；
所述光纤光栅传感器阵列用于产生所述光纤光栅反射谱；
所述光电探测器的输出端与所述数据处理模块的输入端连接，所述光电探测器用于将所述参考谱和所述光纤光栅反射谱分别进行光电转换后得到参考谱电信号和光纤光栅反射谱电信号输出到所述数据处理模块；
所述数据处理模块的第一输出端与所述驱动电路的输入端连接，所述数据处理模块的第二输出端与所述数据输出模块连接，所述数据处理模块用于在所述第一解调过程中将所述参考谱电信号和所述光纤光栅反射谱电信号进行波长解调得到反射谱信号且形成查询列表，并将所述反射谱信号输出到所述驱动电路中以进行第二解调过程，以及用于在所述第二解调过程中将所述反射谱信号进行解调得到光纤光栅的中心波长；
所述数据输出模块用于输出所述光纤光栅的中心波长。
优选地，所述驱动电路包括FPGA驱动电路。
优选地，所述静态可调谐光源包括半导体激光器阵列。
优选地，所述半导体激光器阵列在所述FPGA驱动电路的驱动下输出的波长范围为C波段。
优选地，所述半导体激光器阵列对光纤光栅的中心波长的扫描步进波长为1pm，扫描范围为0.8nm。
优选地，所述光纤耦合器阵列包括1*2耦合器、1*N耦合器和光纤环形器，所述1*2耦合器的第一输出端与所述光电探测器连接，所述1*2耦合器的第二输出端与所述1*N耦合器的输入端连接，所述1*N耦合器包括N个传感通道，每个传感通道上均设置一个所述光纤环形器，所述1*N耦合器的输出端通过所述光纤环形器与光纤光栅传感器阵列连接，所述1*2耦合器用于将所述第一解调过程中输出的激光或者所述第二解调过程中输出的激光分为两路，其中一路作为参考谱输出到所述光电探测器，另一路分配到所述1*N耦合器。
优选地，所述1*2耦合器的分光比为20:80，20%的激光作为参考谱输出到所述光电探测器，80%的激光分配到所述1*N耦合器。
优选地，所述1*N耦合器的N个传感通道的分光比均相等。
优选地，所述光纤光栅传感器阵列为N*M阵列，其中N表示传感通道的数量，M表示每个传感通道上的传感器的数量，N的范围为1~8，M的范围为1~16。
作为本发明的第二个方面，提供一种基于静态可调谐光源的光纤光栅解调方法，其中，每次光纤光栅解调过程包括第一解调过程和第二解调过程，所述第一解调过程获得光纤光栅的反射谱，所述第二解调过程获得光纤光栅的中心波长，所述基于静态可调谐光源的光纤光栅解调方法包括：
驱动电路向静态可调谐光源输出驱动电流；
静态可调谐光源输出固定波长的激光；
光纤耦合器阵列将所述固定波长的激光分成两路，其中一路作为参考谱输出到光电探测器，另一路进入到光纤光栅传感器阵列形成光纤光栅反射谱后输出到光电探测器；
光电探测器对所述参考谱和所述光纤光栅反射谱分别进行光电转换后得到参考谱电信号和光纤光栅反射谱电信号输出到数据处理模块；
数据处理模块识别并记录光纤光栅反射谱中心波长在参考谱中的位置，以及记录下与所述光纤光栅反射谱对应的静态可调谐光源中的两个相邻序列的序列号；
控制驱动电路向所述静态可调谐光源输出驱动电流；
所述静态可调谐光源对记录的光纤光栅反射谱中心波长进行扫描输出光纤光栅中心波长的激光；
光纤耦合器阵列将光纤光栅中心波长的激光输出到光电探测器；
所述光电探测器对光纤光栅中心波长的激光进行光电转换得到光纤光栅中心波长的电信号；
所述数据处理模块对光纤光栅中心波长的电信号进行解调得到光纤光栅中心波长；
数据输出模块输出所述光纤光栅中心波长。
本发明提供的基于静态可调谐光源的光纤光栅解调系统，采用自校准方式，将静态可调谐光源的输出的波长直接作为参考谱，无需FP标准具，可达到1pm的解调精度，很大程度上缩小了系统尺寸，节约成本，解调效果稳定；另外可实现高速的光纤光栅传感器的解调，静态可调谐光源中每个激光器单独工作，缩短了扫描时间；可实现大容量的光纤光栅传感器的解调，由于该系统中可容纳多个传感通道，每个传感通道可串联多个传感器，适用于桥梁，大坝，隧道等健康安全监测系统。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明提供的基于静态可调谐光源的光纤光栅解调系统的结构示意图。
图2为本发明提供的基于静态可调谐光源的光纤光栅解调方法的流程图。
实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
作为本发明的第一个方面，提供一种基于静态可调谐光源的光纤光栅解调系统，其中，每次光纤光栅解调过程包括第一解调过程和第二解调过程，所述第一解调过程获得光纤光栅的反射谱，所述第二解调过程获得光纤光栅的中心波长，如图1所示，所述基于静态可调谐光源的光纤光栅解调系统包括：驱动电路1、静态可调谐光源2、光纤耦合器阵列3、光纤光栅传感器阵列7、光电探测器9、数据处理模块10和数据输出模块11，
所述驱动电路1的输出端与所述静态可调谐光源2的输入端连接，所述驱动电路1用于向所述静态可调谐光源2输出驱动电流；
所述静态可调谐光源2的输出端与所述光纤耦合器阵列3的输入端连接，所述静态可调谐光源2用于在所述第一解调过程中输出固定波长的激光，以及用于在所述第二解调过程中输出与光纤光栅的反射谱匹配的波长的激光；
所述光纤耦合器阵列3的输入输出端与所述光纤光栅传感器阵列7连接，所述光纤耦合器阵列3的输出端与所述光电探测器9的输入端连接，所述光纤耦合器阵列3用于将所述第一解调过程中输出的激光或所述第二解调过程中输出的激光分成两路，其中一路作为参考谱输出到所述光电探测器9，另一路进入到所述光纤光栅传感器阵列7形成光纤光栅反射谱后输出到所述光电探测器9；
所述光纤光栅传感器阵列7用于产生所述光纤光栅反射谱；
所述光电探测器9的输出端与所述数据处理模块10的输入端连接，所述光电探测器9用于将所述参考谱和所述光纤光栅反射谱分别进行光电转换后得到参考谱电信号和光纤光栅反射谱电信号输出到所述数据处理模块10；
所述数据处理模块10的第一输出端与所述驱动电路1的输入端连接，所述数据处理模块10的第二输出端与所述数据输出模块11连接，所述数据处理模块10用于在所述第一解调过程中将所述参考谱电信号和所述光纤光栅反射谱电信号进行波长解调得到反射谱信号且形成查询列表，并将所述反射谱信号输出到所述驱动电路1中以进行第二解调过程，以及用于在所述第二解调过程中将所述反射谱信号进行解调得到光纤光栅的中心波长；
所述数据输出模块11用于输出所述光纤光栅的中心波长。
本发明提供的基于静态可调谐光源的光纤光栅解调系统，采用自校准方式，将静态可调谐光源的输出的波长直接作为参考谱，无需FP标准具，可达到1pm的解调精度，很大程度上缩小了系统尺寸，节约成本，解调效果稳定；另外可实现高速的光纤光栅传感器的解调，静态可调谐光源中每个激光器单独工作，缩短了扫描时间；可实现大容量的光纤光栅传感器的解调，由于该系统中可容纳多个传感通道，每个传感通道可串联多个传感器，适用于桥梁，大坝，隧道等健康安全监测系统。
作为所述驱动电路1的具体实施方式，所述驱动电路1包括FPGA驱动电路。
具体地，所述静态可调谐光源2包括半导体激光器阵列。
需要说明的是，所述半导体激光器阵列，其结构为并联，串联，串并联中任一种，其内部有n个可调谐半导体激光器，波长间隔为0.8nm，均可在FPGA驱动电路的控制下调谐输出波长。
应当理解的是，所述静态可调谐光源2能够根据所述驱动电路1输出的不同驱动电流调谐输出不同波长的激光。
优选地，所述半导体激光器阵列在所述FPGA驱动电路的驱动下输出的波长范围为C波段。
优选地，所述半导体激光器阵列对光纤光栅的中心波长的扫描步进波长为1pm，扫描范围为0.8nm。
作为所述光纤耦合器阵列3的具体实施方式，所述光纤耦合器阵列3包括1*2耦合器4、1*N耦合器5和光纤环形器6，所述1*2耦合器4的第一输出端与所述光电探测器9连接，所述1*2耦合器4的第二输出端与所述1*N耦合器5的输入端连接，所述1*N耦合器5包括N个传感通道，每个传感通道上均设置一个所述光纤环形器6，所述1*N耦合器5的输出端通过所述光纤环形器6与光纤光栅传感器阵列7连接，所述1*2耦合器4用于将所述第一解调过程中输出的激光或者所述第二解调过程中输出的激光分为两路，其中一路作为参考谱输出到所述光电探测器9，另一路分配到所述1*N耦合器5。
具体地，所述1*2耦合器4的分光比为20:80，20%的激光作为参考谱输出到所述光电探测器9，80%的激光分配到所述1*N耦合器5。
具体地，所述1*N耦合器5的N个传感通道的分光比均相等。
具体地，所述光纤光栅传感器阵列7为N*M阵列，其中N表示传感通道的数量，M表示每个传感通道上的传感器的数量，N的范围为1~8，M的范围为1~16。
作为所述数据处理模块10的具体实施方式，所述数据处理模块10包括波长解调单元和查询列表单元。
作为本发明的第二个方面，提供一种基于静态可调谐光源的光纤光栅解调方法，其中，每次光纤光栅解调过程包括第一解调过程和第二解调过程，所述第一解调过程获得光纤光栅的反射谱，所述第二解调过程获得光纤光栅的中心波长，如图2所示，所述基于静态可调谐光源的光纤光栅解调方法包括：
S110、驱动电路向静态可调谐光源输出驱动电流；
S120、静态可调谐光源输出固定波长的激光；
S130、光纤耦合器阵列将所述固定波长的激光分成两路，其中一路作为参考谱输出到光电探测器，另一路进入到光纤光栅传感器阵列形成光纤光栅反射谱后输出到光电探测器；
S140、光电探测器对所述参考谱和所述光纤光栅反射谱分别进行光电转换后得到参考谱电信号和光纤光栅反射谱电信号输出到数据处理模块；
S150、数据处理模块识别并记录光纤光栅反射谱中心波长在参考谱中的位置，以及记录下与所述光纤光栅反射谱对应的静态可调谐光源中的两个相邻序列的序列号；
S160、控制驱动电路向所述静态可调谐光源输出驱动电流；
S170、所述静态可调谐光源对记录的光纤光栅反射谱中心波长进行扫描输出光纤光栅中心波长的激光；
S180、光纤耦合器阵列将光纤光栅中心波长的激光输出到光电探测器；
S190、所述光电探测器对光纤光栅中心波长的激光进行光电转换得到光纤光栅中心波长的电信号；
S200、所述数据处理模块对光纤光栅中心波长的电信号进行解调得到光纤光栅中心波长；
S210、数据输出模块输出所述光纤光栅中心波长。
本发明提供的基于静态可调谐光源的光纤光栅解调方法，采用自校准方式，将静态可调谐光源的输出的波长直接作为参考谱，无需FP标准具，可达到1pm的解调精度，很大程度上缩小了系统尺寸，节约成本，解调效果稳定；另外可实现高速的光纤光栅传感器的解调，静态可调谐光源中每个激光器单独工作，缩短了扫描时间；可实现大容量的光纤光栅传感器的解调，由于该系统中可容纳多个传感通道，每个传感通道可串联多个传感器，适用于桥梁，大坝，隧道等健康安全监测系统。
与传统方法将宽谱光源或扫描光源应用于光纤光栅波长解调时相比，假设波长扫描范围为100nm，为实现1pm的解调精度，需要光源逐点输出波长100000 次。计每次波长输出时间为t，则扫描总计时100000*t。假设后端数据处理并解调计时为T，该方法总计时100000*t+T。
具体地，所述驱动电路包括FPGA驱动电路，所述静态可调谐光源包括半导体激光器阵列。
假设半导体激光器阵列中共有16个激光器，波长间隔800pm。将所述半导体激光器阵列输出的激光分为两路，一路作为参考谱直接与光电探测器进行光电转换；一路对光纤光栅传感器阵列进行扫描，然后将反射谱与光电探测器进行光电转换；识别并记录光纤光栅反射谱中心波长在参考谱中的位置，并记录下左、右相邻的2个序列号；控制FPGA驱动电路来控制半导体激光器阵列中上述2个序列的激光器的注入电流，对记录的光纤光栅中心波长进行精确扫描，步进1pm进行扫描，各个激光器同时工作，所需扫描时间800t，；解调并记录光纤光栅的中心波长，需要耗时T，本发明方法总耗时800t+T，比较传统方法，本发明方法提高了125倍。
本发明所述扫描光纤光栅传感器阵列产生的多个光纤光栅反射谱同时识别，并在半导体激光器阵列的每个激光器在FPGA电路驱动下同时扫描。
具体地，为了便于查询，将实际测量并记录半导体激光器阵列各激光器不同注入电流及其产生的输出波长，形成查询列表。
综上，本发明通过将半导体激光器阵列与光纤光栅动态扫描技术有效地结合在一起，可以实现低成本、高稳定、高精度快速光纤光栅传感器解调，同时可以实现解调系统的小型化。
需要说明的是，关于本发明提供的基于静态可调谐光源的光纤光栅解调方法的具体工作过程还可以参照前文所述的基于静态可调谐光源的光纤光栅解调系统，此处不再赘述。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于静态可调谐光源的光纤光栅解调系统，其特征在于，每次光纤光栅解调过程包括第一解调过程和第二解调过程，所述第一解调过程获得光纤光栅的反射谱，所述第二解调过程获得光纤光栅的中心波长，所述基于静态可调谐光源的光纤光栅解调系统包括：驱动电路、静态可调谐光源、光纤耦合器阵列、光纤光栅传感器阵列、光电探测器、数据处理模块和数据输出模块，
所述驱动电路的输出端与所述静态可调谐光源的输入端连接，所述驱动电路用于向所述静态可调谐光源输出驱动电流；
所述静态可调谐光源的输出端与所述光纤耦合器阵列的输入端连接，所述静态可调谐光源用于在所述第一解调过程中输出固定波长的激光，以及用于在所述第二解调过程中输出与光纤光栅的反射谱匹配的波长的激光；
所述光纤耦合器阵列的输入输出端与所述光纤光栅传感器阵列连接，所述光纤耦合器阵列的输出端与所述光电探测器的输入端连接，所述光纤耦合器阵列用于将所述第一解调过程中输出的激光或所述第二解调过程中输出的激光分成两路，其中一路作为参考谱输出到所述光电探测器，另一路进入到所述光纤光栅传感器阵列形成光纤光栅反射谱后输出到所述光电探测器；
所述光纤光栅传感器阵列用于产生所述光纤光栅反射谱；
所述光电探测器的输出端与所述数据处理模块的输入端连接，所述光电探测器用于将所述参考谱和所述光纤光栅反射谱分别进行光电转换后得到参考谱电信号和光纤光栅反射谱电信号输出到所述数据处理模块；
所述数据处理模块的第一输出端与所述驱动电路的输入端连接，所述数据处理模块的第二输出端与所述数据输出模块连接，所述数据处理模块用于在所述第一解调过程中将所述参考谱电信号和所述光纤光栅反射谱电信号进行波长解调得到反射谱信号且形成查询列表，并将所述反射谱信号输出到所述驱动电路中以进行第二解调过程，以及用于在所述第二解调过程中将所述反射谱信号进行解调得到光纤光栅的中心波长；
所述数据输出模块用于输出所述光纤光栅的中心波长。
2.根据权利要求1所述的基于静态可调谐光源的光纤光栅解调系统，其特征在于，所述驱动电路包括FPGA驱动电路。
3.根据权利要求2所述的基于静态可调谐光源的光纤光栅解调系统，其特征在于，所述静态可调谐光源包括半导体激光器阵列。
4.根据权利要求3所述的基于静态可调谐光源的光纤光栅解调系统，其特征在于，所述半导体激光器阵列在所述FPGA驱动电路的驱动下输出的波长范围为C波段。
5.根据权利要求3所述的基于静态可调谐光源的光纤光栅解调系统，其特征在于，所述半导体激光器阵列对光纤光栅的中心波长的扫描步进波长为1pm，扫描范围为0.8nm。
6.根据权利要求1所述的基于静态可调谐光源的光纤光栅解调系统，其特征在于，所述光纤耦合器阵列包括1*2耦合器、1*N耦合器和光纤环形器，所述1*2耦合器的第一输出端与所述光电探测器连接，所述1*2耦合器的第二输出端与所述1*N耦合器的输入端连接，所述1*N耦合器包括N个传感通道，每个传感通道上均设置一个所述光纤环形器，所述1*N耦合器的输出端通过所述光纤环形器与光纤光栅传感器阵列连接，所述1*2耦合器用于将所述第一解调过程中输出的激光或者所述第二解调过程中输出的激光分为两路，其中一路作为参考谱输出到所述光电探测器，另一路分配到所述1*N耦合器。
7.根据权利要求6所述的基于静态可调谐光源的光纤光栅解调系统，其特征在于，所述1*2耦合器的分光比为20:80，20%的激光作为参考谱输出到所述光电探测器，80%的激光分配到所述1*N耦合器。
8.根据权利要求6所述的基于静态可调谐光源的光纤光栅解调系统，其特征在于，所述1*N耦合器的N个传感通道的分光比均相等。
9.根据权利要求6所述的基于静态可调谐光源的光纤光栅解调系统，其特征在于，所述光纤光栅传感器阵列为N*M阵列，其中N表示传感通道的数量，M表示每个传感通道上的传感器的数量，N的范围为1~8，M的范围为1~16。
10.一种基于静态可调谐光源的光纤光栅解调方法，其特征在于，每次光纤光栅解调过程包括第一解调过程和第二解调过程，所述第一解调过程获得光纤光栅的反射谱，所述第二解调过程获得光纤光栅的中心波长，所述基于静态可调谐光源的光纤光栅解调方法包括：
驱动电路向静态可调谐光源输出驱动电流；
静态可调谐光源输出固定波长的激光；
光纤耦合器阵列将所述固定波长的激光分成两路，其中一路作为参考谱输出到光电探测器，另一路进入到光纤光栅传感器阵列形成光纤光栅反射谱后输出到光电探测器；
光电探测器对所述参考谱和所述光纤光栅反射谱分别进行光电转换后得到参考谱电信号和光纤光栅反射谱电信号输出到数据处理模块；
数据处理模块识别并记录光纤光栅反射谱中心波长在参考谱中的位置，以及记录下与所述光纤光栅反射谱对应的静态可调谐光源中的两个相邻序列的序列号；
控制驱动电路向所述静态可调谐光源输出驱动电流；
所述静态可调谐光源对记录的光纤光栅反射谱中心波长进行扫描输出光纤光栅中心波长的激光；
光纤耦合器阵列将光纤光栅中心波长的激光输出到光电探测器；
所述光电探测器对光纤光栅中心波长的激光进行光电转换得到光纤光栅中心波长的电信号；
所述数据处理模块对光纤光栅中心波长的电信号进行解调得到光纤光栅中心波长；
数据输出模块输出所述光纤光栅中心波长。
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