CN108562311A - 一种光传感器阵列的位置解析装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光传感器阵列的位置解析装置，包括激光器、调制器、微波扫频源、功分器、环形器、光纤光栅传感器、光电探测器、本振、混频器、带通滤波器、AD采样器以及DSP处理器。本发明引入了微波扫频源，打破了在纯光域上测量的思维模式，采用光载射频信号作为检测信号，通过对输入、输出射频信号幅度、相位的检测解调得到光路信息，测量动态范围大且能完全自动测量，简化了解调算法，降低了成本；同时本发明系统对于任意分布的阵列传感器均能有效检测，使系统的适用性更强。
Description
技术领域
本发明属于阵列传感器位置解析技术领域，具体涉及一种光传感器阵列的位置解析装置。
背景技术
阵列传感器中的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，已在火灾、结构健康等监测领域具有广泛的应用。相比于传统的传感技术，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。光纤光栅可以通过波分复用的方式进行阵列式监测，即将不同波长的光纤光栅传感器进行串接，形成较广的覆盖范围。
通过光载射频信号可以将光纤传感器应用到微波领域上，其结合了光波与微波信号的优势。低频率的微波信号无法鉴别光的偏振色散，这使其对光波导材料不敏感，可以在在单模光纤、多模光纤和蓝宝石光纤等不同的波导上实现。微波信号的相位信息可以准确的提取出来，所以它可以应用于分布式传感器的测量，具有高的信噪比以及对极化不敏感的特性。
在光域中，传统的传感器位置测量方法常用的有光时域反射计(OTDR)法、光频域反射计(OFDR)法和采用矢量网络分析仪对其相位谱进行计算分析的新方法。OTDR的基本原理是光纤入射端面探测后向散射光和菲涅尔反射光，得到的电信号再进行信号处理得到断点位置，该方法尽管测量距离可以达到上百公里，但是测量精度受到很大限制，只能达到米级，而OFDR虽然精度高但无法进行长距离光纤测量；采用矢量网络分析仪相谱分析法虽然对测量长度和精度都能达到要求，但只能对单段光纤进行测量，而对阵列传感器的位置定位即相当于测量多段光纤的长度，传统的方案都不能满足要求，由此需引入复数域的傅里叶变换法推出阵列传感器中各阵元的位置关系。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种光传感器阵列的位置解析装置，该装置将射频信号调制到光信号上，通过对采集到的两路数字信号幅度、相位的检测以及复数域傅里叶反变换从而解调出传感器的位置信息，具有较大的测量动态范围。
一种光传感器阵列的位置解析装置，包括激光器、调制器、微波扫频源、功分器、环形器、光传感器阵列、光电探测器、本振、两个混频器H1和H2、两个帯通滤波器L1和L2、两个AD采样器M1和M2以及处理器；其中：
所述激光器用于发射连续的宽谱光信号输入至调制器；
所述微波扫频源用于产生正弦波形式的射频信号RF，该射频信号RF的频率在扫频范围内步进变化；
所述功分器用于对射频信号RF进行功率平分，输出两路相同的射频信号RF1和RF2，其中一路射频信号RF1输入至调制器，另一路射频信号RF2输入至混频器H1；
所述调制器用于将射频信号RF1强度调制到宽谱光信号上，得到光载射频信号E1；
所述光传感器阵列由多个光传感器排列组成，所述光载射频信号E1经过环形器进入光传感器阵列，反射回一连串带有幅度和相位信息的光载射频信号E2；
所述光电探测器通过环形器接收反射回的光载射频信号E2，并将这些光载射频信号E2转换成一路射频信号RF5，输入至混频器H2；
所述本振用于产生两路相同的射频信号RF3和RF4且这两路射频信号的频率在扫频范围内步进变化，其中一路射频信号RF3输入至混频器H1，另一路射频信号RF4输入至混频器H2；
所述混频器H1用于对两路射频信号RF2和RF3进行混频后输出中频信号Z1；所述混频器H2用于对两路射频信号RF4和RF5进行混频后输出中频信号Z2；
所述帯通滤波器L1用于对中频信号Z1进行带通滤波，并利用滤波后的中频信号Z1反馈控制微波扫频源；所述帯通滤波器L2用于对中频信号Z2进行带通滤波；
所述AD采样器M1用于对滤波后的中频信号Z1进行采样，得到数字信号D1；所述AD采样器M2用于对滤波后的中频信号Z2进行采样，得到数字信号D2；
所述处理器用于对两路数字信号D1和D2进行鉴相以及幅值比较处理，得到扫频范围内每一频率点对应的相位差与幅值比，并将所有频率点的相位差和幅值比进行复数域的傅里叶反变换，得到携带有阵列中各光传感器位置的时域脉冲分布图，根据该分布图中的脉冲位置即可解析得到阵列中各光传感器的位置分布。
进一步地，所述激光器采用宽谱的ASE(放大自发辐射)光源、SLED(超宽带LED光源)光源或LED光源，所述调制器采用马赫曾德尔调制器。
进一步地，所述功分器采用3dB功分器，以实现射频功率的平均分配。
进一步地，所述环形器采用宽带光环形器，所述光电探测器采用宽带光电探测器。
进一步地，所述光传感器采用光纤布拉格光栅，各光栅的排列次序与光栅中心波长无关；所述光载射频信号E1经过环形器后进入光传感器阵列，对于阵列中中心波长与光信号波长匹配的任一光栅，该光栅反射回带有幅度和相位信息的光载射频信号E2。
进一步地，所述帯通滤波器L1和L2的带宽为10～50Hz，以保证测试灵敏度，且对输出信号中杂波失真成分有很好抑制作用。
进一步地，所述本振的输出频率先发生变化，进而使得混频后输出的中频信号Z1频率发生变化，中频信号Z1经带通滤波后反馈控制微波扫频源的输出频率，微波扫频源通过锁相技术使其与本振的频率变化达到同步。
进一步地，所述AD采样器M1和M2采用8至24位的AD采样器，所述处理器采用DSP(数字信号处理器)。
进一步地，所述处理器根据公式ti＝nzi/c计算解析得到阵列中各光传感器的位置分布；其中，zi为阵列中第i个光传感器的位置信息(即以环形器为基准，其与第i个光传感器的相对距离)，ti为第i个光传感器所对应的脉冲在分布图中的出现时间，n为光纤折射率，c为真空中的光速，i为大于0的自然数。
本发明引入了微波扫频源，打破了在纯光域上测量的思维模式，采用光载射频信号作为检测信号，通过对输入、输出射频信号幅度、相位的检测解调得到光路信息，测量动态范围大且能完全自动测量，简化了解调算法，降低了成本；同时本发明系统对于任意分布的阵列传感器均能有效检测，使系统的适用性更强。
附图说明
图1为本发明位置解析装置的结构示意图。
图2为本发明装置中处理器的内部数据处理流程示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明基于传感器阵列的位置解析装置包括：激光器1、调制器2、微波扫频源3、功分器4、环形器5、传感器阵列6-1～6-3、光电探测器7、本振8、混频器9-1～9-2、带通滤波器10-1～10-2、AD采样器11-1～11-2以及DSP处理器12；其中：激光器1发射连续宽谱光，微波扫频源3发射一定频率范围内的的射频信号经过功分器4分为两路，一路经混频器9-1与本振8发出的射频信号进行混频，再经过带通滤波器10-1滤波并由AD采样器11-1采样后得到第一数字信号并传输到DSP处理器12；一路经调制器2强度调制后得到第一光载射频信号，第一光载射频信号经过环形器5输入到由6-1～6-3组成的阵列传感器中；由于传感器阵列6-1～6-3具有反射与透射的特性，在阵列传感器不同位置的传感器反射回信号的相位、幅度不同，由此阵列传感器返回一连串带有幅度相位信息的第二光载射频信号并通过环形器5输入到光电探测器7中，将其所携带的射频信号信息转换为电信号，再与本振8发出的射频信号进行混频，经过带通滤波器10-2滤波并由AD采样器11-2采样后得到第二数字信号并传输到DSP处理器12，且本振源8频率先发生变化，混频后使第一中频信号频率发生变化，反馈控制微波扫频源3输出频率，依靠锁相方法以使两者的频率变化达到同步。
如图2所示，DSP处理器12将这两路数字信号送入鉴相器与幅值比较器进行鉴相与幅度比较处理，分别得到两路数字信号的相位差值与幅度比值，并对该相位差、幅度比数据进行复数域傅里叶反变换，得到携带有该阵列传感器位置信息的时域分布，从时域分布图中的脉冲位置即可得到相应传感器在阵列传感器中的位置分布。
本实施方式的工作原理如下：
以光纤光栅阵列传感器为例，假设激光器输出光载波信号为E0(ω,t)：
E0(ω,t)＝A0cos(ωt)
其中：A0为光信号的幅度，ω为光信号的角频率。
微波扫频源输出射频信号为V0(Ω,t)：
V1(Ω1,t)＝V1(Ω1)cos(Ω1t)
其中：V0(Ω)为扫频源输出射频信号幅度，Ω为扫频源输出射频信号频率，其在一定频率范围内步进变化。
调制器输出光载射频信号为Ein(Ω,ω,t)：
其中：Φ0(Ω)为射频信号初始相位，M＝m·V0(Ω)，m为调制器的调制系数。
假设有N个光栅产生反射信号，其中第i个光栅产生的反射信号可以表示为Ei(Ω,ω,t)：
其中：Azi＝A0·Γi，Γi为第i个光栅的反射系数。
在到达光电检测器时，射频信号的相位为其中c为光在真空中的传播速度，zi为光信号从调制器输出后经第i个光栅反射回光电探测器所经过的距离。光电探测器将第二光载射频信号转化为电信号可以表示为：
假设本振输出射频信号为：
V1(Ω1,t)＝V1(Ω1)cos(Ω1t)
其中：V1(Ω1)为本振源输出射频信号幅度，Ω1为本振源输出射频信号频率，其在一定频率范围内步进变化。
经过混频滤波后可在DSP处理器中进行以下频域运算对S(Ω)进行复数域的傅里叶反变换，可得N个反射信号时域叠加结果为F(tz)：
其中：tz为时间变量，I(zi)为第i个光栅传感器在时域信号中所在位置的幅值，在F(tz)中可以清晰得到，该波段下脉冲的位置分布，从而实现阵列传感器的位置解析。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种光传感器阵列的位置解析装置，其特征在于：包括激光器、调制器、微波扫频源、功分器、环形器、光传感器阵列、光电探测器、本振、两个混频器H1和H2、两个帯通滤波器L1和L2、两个AD采样器M1和M2以及处理器；其中：
所述激光器用于发射连续的宽谱光信号输入至调制器；
所述微波扫频源用于产生正弦波形式的射频信号RF，该射频信号RF的频率在扫频范围内步进变化；
所述功分器用于对射频信号RF进行功率平分，输出两路相同的射频信号RF1和RF2，其中一路射频信号RF1输入至调制器，另一路射频信号RF2输入至混频器H1；
所述调制器用于将射频信号RF1强度调制到宽谱光信号上，得到光载射频信号E1；
所述光传感器阵列由多个光传感器排列组成，所述光载射频信号E1经过环形器进入光传感器阵列，反射回一连串带有幅度和相位信息的光载射频信号E2；
所述光电探测器通过环形器接收反射回的光载射频信号E2，并将这些光载射频信号E2转换成一路射频信号RF5，输入至混频器H2；
所述本振用于产生两路相同的射频信号RF3和RF4且这两路射频信号的频率在扫频范围内步进变化，其中一路射频信号RF3输入至混频器H1，另一路射频信号RF4输入至混频器H2；
所述混频器H1用于对两路射频信号RF2和RF3进行混频后输出中频信号Z1；所述混频器H2用于对两路射频信号RF4和RF5进行混频后输出中频信号Z2；
所述帯通滤波器L1用于对中频信号Z1进行带通滤波，并利用滤波后的中频信号Z1反馈控制微波扫频源；所述帯通滤波器L2用于对中频信号Z2进行带通滤波；
所述AD采样器M1用于对滤波后的中频信号Z1进行采样，得到数字信号D1；所述AD采样器M2用于对滤波后的中频信号Z2进行采样，得到数字信号D2；
所述处理器用于对两路数字信号D1和D2进行鉴相以及幅值比较处理，得到扫频范围内每一频率点对应的相位差与幅值比，并将所有频率点的相位差和幅值比进行复数域的傅里叶反变换，得到携带有阵列中各光传感器位置的时域脉冲分布图，根据该分布图中的脉冲位置即可解析得到阵列中各光传感器的位置分布。
2.根据权利要求1所述的位置解析装置，其特征在于：所述激光器采用宽谱的ASE光源、SLED光源或LED光源，所述调制器采用马赫曾德尔调制器。
3.根据权利要求1所述的位置解析装置，其特征在于：所述功分器采用3dB功分器，以实现射频功率的平均分配。
4.根据权利要求1所述的位置解析装置，其特征在于：所述环形器采用宽带光环形器，所述光电探测器采用宽带光电探测器。
5.根据权利要求1所述的位置解析装置，其特征在于：所述光传感器采用光纤布拉格光栅，各光栅的排列次序与光栅中心波长无关；所述光载射频信号E1经过环形器后进入光传感器阵列，对于阵列中中心波长与光信号波长匹配的任一光栅，该光栅反射回带有幅度和相位信息的光载射频信号E2。
6.根据权利要求1所述的位置解析装置，其特征在于：所述帯通滤波器L1和L2的带宽为10～50Hz。
7.根据权利要求1所述的位置解析装置，其特征在于：所述本振的输出频率先发生变化，进而使得混频后输出的中频信号Z1频率发生变化，中频信号Z1经带通滤波后反馈控制微波扫频源的输出频率，微波扫频源通过锁相技术使其与本振的频率变化达到同步。
8.根据权利要求1所述的位置解析装置，其特征在于：所述AD采样器M1和M2采用8至24位的AD采样器，所述处理器采用DSP。
9.根据权利要求1所述的位置解析装置，其特征在于：所述处理器根据公式ti＝nzi/c计算解析得到阵列中各光传感器的位置分布；其中，zi为阵列中第i个光传感器的位置信息，ti为第i个光传感器所对应的脉冲在分布图中的出现时间，n为光纤折射率，c为真空中的光速，i为大于0的自然数。
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