CN108759879A - 一种基于光栅传感器的波长解析装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光栅传感器的波长解析装置，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、低通滤波器、模数转换器以及处理器。本发明波长解析装置采用光纤光栅传感器以及马赫曾德尔的幅度调制器，使结构变得更加简单，降低了成本；同时本发明采用光载射频信号作为检测信号，通过对射频信号幅度、相位的检测得到光路信息，系统的检测精度得到了提高，抗环境干扰能力强，且对于任意分布、任意中心波长的光栅均能有效检测，使系统的适用性更强。
Description
技术领域
本发明属于波长解析技术领域，具体涉及一种基于光栅传感器的波长解析装置。
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，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。
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。
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。
公开号为CN106352905A的中国专利提出了一种光纤光栅解调系统及解调仪，包括控制、采集装置、可调谐光光源装置、耦合器、光电转换器、信号处理电路，可调谐光源根据控制器的控制调整输出光信号波长并将光信号发送至耦合器，光电转换电路接收光纤光栅传感器通过耦合器反射的光信号并转换为电信号，信号处理电路接收光电转换模块发送的电信号并进行处理且将处理数据发送至采集模块，采集装置接收可调谐光光源装置的脉冲触发信号对信号处理电路进行数据采集并将采集到的数据发送至控制器。然而，该解调仪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。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种基于光栅传感器的波长解析装置，该装置系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波长信息。
一种基于光栅传感器的波长解析装置，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、两个模数转换器M1和M2以及处理器；其中：
所述激光器用于发射波长在一定范围内周期性步进变化的光信号至调制器中，该范围内的波长值包含了光纤光栅传感器阵列中所有嵌入光栅的中心波长；
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强度调制到光信号上，得到光载射频信号E1；
所述光纤光栅传感器阵列由多个光纤布拉格光栅排列组成，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纤光栅传感器阵列，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中心波长与光信号波长匹配的所有光栅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；
所述模数转换器M1用于对滤波后的中频信号Z1进行采样，得到数字信号D1；所述模数转换器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，得到中心波长与光信号波长匹配光栅的时域脉冲分布图，该时域脉冲分布图中的脉冲个数即为中心波长与光信号波长匹配的光栅个数。
进一步地，所述激光器采用波长可调激光器，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，所述模数转换器M1和M2采用8至24位的模数转换器，所述处理器采用DSP(数字信号处理器)。
本发明波长解析装置采用光纤光栅传感器以及马赫曾德尔的幅度调制器，使结构变得更加简单，降低了成本；同时本发明采用光载射频信号作为检测信号，通过对射频信号幅度、相位的检测得到光路信息，系统的检测精度得到了提高，抗环境干扰能力强，且对于任意分布、任意中心波长的光栅均能有效检测，使系统的适用性更强。
附图说明
图1为本发明波长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，本发明基于光纤光栅传感器的波长解析装置包括：激光器1、调制器2、微波扫频源3、功分器4、环形器5、光纤光栅传感器6-1～6-3、光电探测器7、本振8、混频器9-1和9-2、低通滤波器10-1和10-2、模数转换器11-1和11-2、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，再经过低通滤波器10-1滤波并由模数转换器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输入到由光纤布拉格光栅6-1～6-3组成的传感器阵列中；由于光纤布拉格光栅6-1～6-3具有反射与透射的特性，光栅中心波长与光载波相同时反射回一小部分光，另一大部分光透射到下一光纤光栅中，在不同位置的光栅传感器反射回信号的相位、幅度不同，由此光栅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，经过低通滤波器10-2滤波并由模数转换器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包含：数字鉴相器、幅值比较器、RAM存储器以及LCD液晶屏，数字鉴相器对这两路数字信号进行鉴相处理，得到两路数字信号的相位差值；幅值比较器对两路数字信号进行幅值比较处理，得到两路数字信号幅值比值，将相位差与幅值比存储到RAM中，对该相位差、幅度比数据进行复数域傅里叶反变换，得到相对应中心波长光栅信息的时域分布，其时域分布图中的脉冲个数即相应中心波长的布拉格光栅个数。
本实施方式的工作原理如下：
以一个输出光波长为例，假设激光器输出光载波信号为I1(ω,t)：
I1(ω,t)＝I1cos(ωt)
其中：I1为光信号信号的幅度，ω为光载波信号的角频率，其在一定范围内周期变化。
微波扫频源输出射频信号为V1(Ω,t)：
V1(Ω,t)＝V1(Ω)cos(Ωt)
其中：V1(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。
调制器进行强度调制，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，由于光载波初始相位检测并无影响，这里不做考虑。
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Γi·Ein(Ω,ω,t)，其中Γi为第i个光栅的反射系数。
在到达光电检测器时，射频信号的相位分别为其中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I(Ω,t)：
假设本振输出射频信号为：
V2(Ω,t)＝V2(Ω)cos(Ωt)
其中：V2(Ω)为本振源输出射频信号幅度，Ω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。
经过混频后可在DSP处理器中进行以下频域运算可表示为S(Ω)＝I(Ω,t)/V1(Ω,t)，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，该中心波长下光栅个数，从而实现光栅传感器波长解析。
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 (7)
1.一种基于光栅传感器的波长解析装置，其特征在于：包括激光器、调制器、微波扫频源、功分器、环形器、光纤光栅传感器阵列、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、两个模数转换器M1和M2以及处理器；其中：
所述激光器用于发射波长在一定范围内周期性步进变化的光信号至调制器中，该范围内的波长值包含了光纤光栅传感器阵列中所有嵌入光栅的中心波长；
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强度调制到光信号上，得到光载射频信号E1；
所述光纤光栅传感器阵列由多个光纤布拉格光栅排列组成，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纤光栅传感器阵列，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中心波长与光信号波长匹配的所有光栅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；
所述模数转换器M1用于对滤波后的中频信号Z1进行采样，得到数字信号D1；所述模数转换器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，得到中心波长与光信号波长匹配光栅的时域脉冲分布图，该时域脉冲分布图中的脉冲个数即为中心波长与光信号波长匹配的光栅个数。
2.根据权利要求1所述的波长解析装置，其特征在于：所述激光器采用波长可调激光器，所述调制器采用马赫曾德尔调制器。
3.根据权利要求1所述的波长解析装置，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所述的波长解析装置，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所述的波长解析装置，其特征在于：所述帯通滤波器L1和L2的带宽为10～50Hz。
6.根据权利要求1所述的波长解析装置，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。
7.根据权利要求1所述的波长解析装置，其特征在于：所述模数转换器M1和M2采用8至24位的模数转换器，所述处理器采用DSP。
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