CN108896091B - 一种光纤光栅解调仪的标定方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光纤光栅解调仪的标定方法及系统，采用一个梳状滤波器作为被测的传感器，测试其解调的波长，然后用这个波长与精度为0.3pm的波长计测得数据去作对比，最后得到解调仪器的精度。本发明能够实现光纤光栅解调仪器的高精度校准功能，操作简单，易实现，既提升了波长校准的稳定性，又提高了校准的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，特别是涉及一种光纤光栅解调仪的标定方法及系统。
背景技术
光纤传感技术的研究始于20世纪70年代，与传统电学传感器相比，光纤传感器具有结构简单、灵敏度高、不受电磁干扰、电绝缘性好、耐腐蚀、体积小、成本低等许多优点，已在国防、石油管线、电力等领域得到了广泛的应用。
光纤光栅解调技术是对被监测的信号进行分析和数据处理，得到外界各种参量的变化情况，从而达到对信号测量的目的。所以，一个高精度、高可靠性的解调系统对光纤光栅传感系统具有十分重要的意义。
光纤光栅解调仪可以从波长编码的传感信号中解调光纤光栅传感器检测到的传感信息，然后将其转换成电信号进行显示和计算。因此，传感器的测量能力的精确程度主要取决于光纤光栅解调仪的性能。目前，光纤布拉格光栅解调仪的标定和校准还没有统一的标准方法。常用的方法之一是使用标准光纤光栅来标定和校准，该方法简单可行，但光纤光栅对外界温度等环境变化非常敏感，中心波长难以保持稳定，环境适应性差；另一种常用方法是标准气体盒，该方法精度高，稳定性好，但具有成本高，使用复杂的缺点，难以满足复杂的应用条件下解调仪的标定和校准要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种光纤光栅解调仪的标定方法及系统，能够实现光纤光栅解调仪器的高精度校准功能，操作简单，易实现，既提升了波长校准的稳定性，又提高了校准的准确性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种光纤光栅解调仪的标定方法，采用光纤光栅解调仪对第一梳状滤波器进行波长测量，采用波长计对所述第一梳状滤波器进行波长测量，所述标定方法包括：
获取所述光纤光栅解调仪测量的所述第一梳状滤波器的第一波长数据；
获取所述波长计测量的所述第一梳状滤波器的第二波长数据；
解调所述第一波长数据得到第一波长集合；
解调所述第二波长数据得到第二波长集合；
对所述第一波长集合的数据进行拟合，得到第一斜率；
对所述第二波长集合的数据进行拟合，得到第二斜率；
判断所述第一斜率与所述第二斜率的差值小于设定阈值，得到第一判断结果；
当所述第一判断结果表示所述第一斜率与所述第二斜率的差值小于设定阈值时，确定所述波长计的精度为所述光纤光栅解调仪的精度；
当所述第一判断结果表示所述第一斜率与所述第二斜率的差值大于或等于设定阈值时，将所述第一波长集合和所述第二波长集合中的对应波长做差值运算，得到最大差值；
对所述波长计的精度和所述最大差值求和，得到所述光纤光栅解调仪的精度。
可选的，所述波长计的精度为0.3pm。
可选的，所述光纤光栅解调仪包括：激光器、第一光隔离器、波分复用器、掺铒光纤、第一耦合器、F-P滤波器、第二梳状滤波器、第二光隔离器和第二耦合器；
所述激光器经过所述第一光隔离器进入环形光路，所述环形光路包括依次顺次连接的波分复用器、掺铒光纤、第一耦合器、F-P滤波器以及第二光隔离器，其中，所述第二光隔离器的输出端与所述波分复用器的输入端连接；所述第一耦合器的另一输出端接第二耦合器，所述第二耦合器将光路分为两路，一路接所述第二梳状滤波器，另一路接所述第一梳状滤波器。
可选的，上位机通过采集卡输出三角波至放大电路，经放大后的三角波输入F-P滤波器作为其扫描电压。
可选的，采用全区间解调方式对所述第一波长数据进行解调，得到第一波长集合。
一种光纤光栅解调仪的标定系统，采用光纤光栅解调仪对第一梳状滤波器进行波长测量，采用波长计对所述第一梳状滤波器进行波长测量，所述标定系统包括：
第一波长数据获取模块，用于获取所述光纤光栅解调仪测量的所述梳状滤波器的第一波长数据；
第二波长数据获取模块，用于获取所述波长计测量的所述梳状滤波器的第二波长数据；
第一解调模块，用于解调所述第一波长数据得到第一波长集合；
第二解调模块，用于解调所述第二波长数据得到第二波长集合；
第一拟合模块，用于对所述第一波长集合的数据进行拟合，得到第一斜率；
第二拟合模块，用于对所述第二波长集合的数据进行拟合，得到第二斜率；
第一结果判断模块，用于判断所述第一斜率与所述第二斜率的差值小于设定阈值，得到第一判断结果；
第一确定模块，用于当所述第一判断结果表示所述第一斜率与所述第二斜率的差值小于设定阈值时，确定所述波长计的精度为所述光纤光栅解调仪的精度；
差值运算模块，用于当所述第一判断结果表示所述第一斜率与所述第二斜率的差值大于或等于设定阈值时，将所述第一波长集合和所述第二波长集合中的对应波长做差值运算，得到最大差值；
求和模块，用于对所述波长计的精度和所述最大差值求和，得到所述光纤光栅解调仪的精度。
可选的，所述波长计的精度为0.3pm。
可选的，所述光纤光栅解调仪包括：
激光器、第一光隔离器、波分复用器、掺铒光纤、第一耦合器、F-P滤波器、第二梳状滤波器、第二光隔离器和第二耦合器；
所述激光器输出经过所述第一光隔离器进入环形光路，所述环形光路包括依次顺次连接的波分复用器、掺铒光纤、第一耦合器、F-P滤波器以及第二光隔离器，其中，所述第二光隔离器的输出端与所述波分复用器的输入端连接；所述第一耦合器的另一输出端接第二耦合器，所述第二耦合器将光路分为两路，一路接所述第二梳状滤波器，另一路接所述第一梳状滤波器。
可选的，上位机通过采集卡输出三角波至放大电路，经放大后的三角波输入F-P滤波器作为其扫描电压。
可选的，采用全区间解调方式对所述第一波长数据进行解调，得到第一波长集合。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明针对波长扫描光纤光栅解调仪标定校准困难这一问题，提出采用梳状滤波器作为被测单元标定光纤光栅解调仪。与目前常用的光纤光栅解调仪的标定方法-标准气体盒对比，被测光谱范围宽、标定峰值多、成本低等；与标准光纤光栅方法对比，对环境变化不敏感，中心波长稳定等，能够实现光纤光栅解调仪器的高精度校准功能，操作简单，易实现，既提升了波长校准的稳定性，又提高了校准的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明光纤光栅解调仪的标定方法的流程图；
图2为本发明光纤光栅解调仪的结构连接图；
图3为F-P滤波器采用电压上升沿扫描对应的测点分布图；
图4为F-P滤波器采用电压下降沿扫描对应的测点分布图；
图5为F-P滤波器采用电压三角波扫描对应的测点分布图；
图6为本发明光纤光栅解调仪的标定系统的结构连接图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明采用一个梳状滤波器作为被测的传感器，测试其解调的波长，然后用这个波长与精度为0.3pm的波长计测得数据去作对比，最后得到解调仪器的精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明采用光纤光栅解调仪对第一梳状滤波器进行波长测量，采用波长计对所述第一梳状滤波器进行波长测量，所述波长计的精度为0.3pm。
图1为本发明光纤光栅解调仪的标定方法的流程图；如图1所示，所述标定方法包括：
步骤101：获取所述光纤光栅解调仪测量的所述第一梳状滤波器的第一波长数据。如图2所示，所述光纤光栅解调仪包括：激光器、第一光隔离器、波分复用器、掺铒光纤、第一耦合器、F-P滤波器、第二梳状滤波器、第二光隔离器和第二耦合器；
所述激光器经过所述第一光隔离器进入环形光路，所述环形光路包括依次顺次连接的波分复用器、掺铒光纤、第一耦合器、F-P滤波器以及第二光隔离器，其中，所述第二光隔离器的输出端与所述波分复用器的输入端连接；所述第一耦合器的另一输出端接第二耦合器，所述第二耦合器将光路分为两路，一路接所述第二梳状滤波器，另一路接所述第一梳状滤波器，再分别连接光电管(PIN管)进行光电转换，最后接入采集卡进行数据采集并把数据传送至上位机完成后续解调。
所述激光器采用980nm激光泵浦源，还包括硬件电路，如泵浦源驱动电路、泵浦源温度控制电路和放大电路。
此外，F-P滤波器的扫描电压有两种输入方式，一种是上位机通过采集卡输出三角波至放大电路，经放大后的三角波输入F-P滤波器作为其扫描电压，另一种是信号发生器输出三角波至放大电路，经放大后的三角波输入F-P滤波器作为其扫描电压。对比这两种三角波输出方式在上升区间解调、下降区间解调以及全区间解调的解调精度，选择最合适的三角波输出方式，经实验，信号发生器输出三角波的方式有三角波与采集存在相位差的问题，而采集卡输出不存在这个问题。因此，本发明选择采集卡输出三角波。
步骤102：获取所述波长计测量的所述第一梳状滤波器的第二波长数据；
步骤103：解调所述第一波长数据得到第一波长集合；根据反射谱的特征进行解调，如图3-5可以看到，第四和第五个峰之间的距离是其他相邻两峰间距离的二倍，根据这个特征可以将这两个峰定位，再左右延拓，将梳状滤波器的所有峰定位，再对照梳状滤波器的数据表格录入每个峰值所对应波长，再寻找每个传感器反射谱峰左右最近的两个梳状滤波器反射谱峰，依据这两个峰进行线性拟合。
在选取最合适的三角波输出方式后，对这种方式在上升区间解调、下降区间解调以及全区间解调三种解调方式的解调精度进行实验对比，选择最合适的解调方式，经实验，上升区间解调误差大部分在+2pm至+4pm范围内，下降区间解调误差大部分在-2pm至-4pm范围内，全区间解调误差在范围内，因此，本发明采用全区间解调方式，解调误差小。
步骤104：解调所述第二波长数据得到第二波长集合；
步骤105：对所述第一波长集合的数据进行拟合，得到第一斜率；
步骤106：对所述第二波长集合的数据进行拟合，得到第二斜率；
步骤107：判断所述第一斜率与所述第二斜率的差值小于设定阈值，得到第一判断结果；
步骤108：当所述第一判断结果表示所述第一斜率与所述第二斜率的差值小于设定阈值时，确定所述波长计的精度为所述光纤光栅解调仪的精度；
步骤109：当所述第一判断结果表示所述第一斜率与所述第二斜率的差值大于或等于设定阈值时，将所述第一波长集合和所述第二波长集合中的对应波长做差值运算，得到最大差值；
步骤110：对所述波长计的精度和所述最大差值求和，得到所述光纤光栅解调仪的精度。
图6为本发明光纤光栅解调仪的标定系统的结构连接图。采用光纤光栅解调仪对第一梳状滤波器进行波长测量，采用波长计对所述第一梳状滤波器进行波长测量，所述波长计的精度为0.3pm。所述标定系统包括：
第一波长数据获取模块601，用于获取所述光纤光栅解调仪测量的所述梳状滤波器的第一波长数据；
第二波长数据获取模块602，用于获取所述波长计测量的所述梳状滤波器的第二波长数据；
第一解调模块603，用于解调所述第一波长数据得到第一波长集合；
第二解调模块604，用于解调所述第二波长数据得到第二波长集合；
第一拟合模块605，用于对所述第一波长集合的数据进行拟合，得到第一斜率；
第二拟合模块606，用于对所述第二波长集合的数据进行拟合，得到第二斜率；
第一结果判断模块607，用于判断所述第一斜率与所述第二斜率的差值小于设定阈值，得到第一判断结果；
第一确定模块608，用于当所述第一判断结果表示所述第一斜率与所述第二斜率的差值小于设定阈值时，确定所述波长计的精度为所述光纤光栅解调仪的精度；
差值运算模块609，用于当所述第一判断结果表示所述第一斜率与所述第二斜率的差值大于或等于设定阈值时，将所述第一波长集合和所述第二波长集合中的对应波长做差值运算，得到最大差值；
求和模块610，用于对所述波长计的精度和所述最大差值求和，得到所述光纤光栅解调仪的精度。
所述光纤光栅解调仪包括：
激光器、第一光隔离器、波分复用器、掺铒光纤、第一耦合器、F-P滤波器、第二梳状滤波器、第二光隔离器和第二耦合器；
所述激光器输出经过所述第一光隔离器进入环形光路，所述环形光路包括依次顺次连接的波分复用器、掺铒光纤、第一耦合器、F-P滤波器以及第二光隔离器，其中，所述第二光隔离器的输出端与所述波分复用器的输入端连接；所述第一耦合器的另一输出端接第二耦合器，所述第二耦合器将光路分为两路，一路接所述第二梳状滤波器，另一路接所述第一梳状滤波器。
上位机通过采集卡输出三角波至放大电路，经放大后的三角波输入F-P滤波器作为其扫描电压。
采用全区间解调方式对所述第一波长数据进行解调，得到第一波长集合。
本发明还采用了多种方法验证本发明的这种标定方法的优越性。
首先，按照图2连接系统，把梳状滤波器放置在恒温箱中，分别设置20℃、40℃以及60℃，分别在20℃、40℃以及60℃使用波长计对梳状滤波器进行波长测定，得出解调数据并记录。之后，把传感器放置在恒温箱中，分别设置20℃、40℃以及60℃，分别在20℃、40℃以及60℃使用波长计对梳状滤波器进行波长测定，得出解调数据并记录。对比实验得出的解调数据可以看到梳状滤波器标定解调仪的标定方法具有更加稳定便捷的优点，即随着温度的变化，用传感器进行标定的方法稳定度很差，且需要实时用波长计对传感器的中心波长进行测量，十分不方便，而梳状滤波器对温度变化不敏感的特点使梳状滤波器标定解调仪的标定方法十分稳定。
梳状滤波器标定解调仪方法的温度实验。首先，保持解调用梳状滤波器温度不变，将标定用梳状滤波器放置在恒温箱中，设定温度20℃，用波长计对其进行波长测定，记录波长数据，进行解调实验并记录数据。设定恒温箱温度为40℃，用波长计对其进行波长测定，记录波长数据，进行解调实验并记录数据。设定恒温箱温度为40℃，用波长计对其进行波长测定，记录波长数据，进行解调实验并记录数据。对比这三组数据，可以看到梳状滤波器在20℃至60℃的波长漂移不超过2pm，相对应的解调精度变化不大，变化范围也不超过2pm。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种光纤光栅解调仪的标定方法，其特征在于，采用光纤光栅解调仪对第一梳状滤波器进行波长测量，采用波长计对所述第一梳状滤波器进行波长测量，所述标定方法包括：
获取所述光纤光栅解调仪测量的所述第一梳状滤波器的第一波长数据；
获取所述波长计测量的所述第一梳状滤波器的第二波长数据；
解调所述第一波长数据得到第一波长集合；
解调所述第二波长数据得到第二波长集合；
对所述第一波长集合的数据进行拟合，得到第一斜率；
对所述第二波长集合的数据进行拟合，得到第二斜率；
判断所述第一斜率与所述第二斜率的差值小于设定阈值，得到第一判断结果；
当所述第一判断结果表示所述第一斜率与所述第二斜率的差值小于设定阈值时，确定所述波长计的精度为所述光纤光栅解调仪的精度；
当所述第一判断结果表示所述第一斜率与所述第二斜率的差值大于或等于设定阈值时，将所述第一波长集合和所述第二波长集合中的对应波长做差值运算，得到最大差值；
对所述波长计的精度和所述最大差值求和，得到所述光纤光栅解调仪的精度。
2.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，所述波长计的精度为0.3pm。
3.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，所述光纤光栅解调仪包括：激光器、第一光隔离器、波分复用器、掺铒光纤、第一耦合器、F-P滤波器、第二梳状滤波器、第二光隔离器和第二耦合器；
所述激光器经过所述第一光隔离器进入环形光路，所述环形光路包括依次顺次连接的波分复用器、掺铒光纤、第一耦合器、F-P滤波器以及第二光隔离器，其中，所述第二光隔离器的输出端与所述波分复用器的输入端连接；所述第一耦合器的另一输出端接第二耦合器，所述第二耦合器将光路分为两路，一路接所述第二梳状滤波器，另一路接所述第一梳状滤波器。
4.根据权利要求3所述的标定方法，其特征在于，上位机通过采集卡输出三角波至放大电路，经放大后的三角波输入F-P滤波器作为其扫描电压。
5.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，采用全区间解调方式对所述第一波长数据进行解调，得到第一波长集合。
6.一种光纤光栅解调仪的标定系统，其特征在于，采用光纤光栅解调仪对第一梳状滤波器进行波长测量，采用波长计对所述第一梳状滤波器进行波长测量，所述标定系统包括：
第一波长数据获取模块，用于获取所述光纤光栅解调仪测量的所述第一梳状滤波器的第一波长数据；
第二波长数据获取模块，用于获取所述波长计测量的所述第一梳状滤波器的第二波长数据；
第一解调模块，用于解调所述第一波长数据得到第一波长集合；
第二解调模块，用于解调所述第二波长数据得到第二波长集合；
第一拟合模块，用于对所述第一波长集合的数据进行拟合，得到第一斜率；
第二拟合模块，用于对所述第二波长集合的数据进行拟合，得到第二斜率；
第一结果判断模块，用于判断所述第一斜率与所述第二斜率的差值小于设定阈值，得到第一判断结果；
第一确定模块，用于当所述第一判断结果表示所述第一斜率与所述第二斜率的差值小于设定阈值时，确定所述波长计的精度为所述光纤光栅解调仪的精度；
差值运算模块，用于当所述第一判断结果表示所述第一斜率与所述第二斜率的差值大于或等于设定阈值时，将所述第一波长集合和所述第二波长集合中的对应波长做差值运算，得到最大差值；
求和模块，用于对所述波长计的精度和所述最大差值求和，得到所述光纤光栅解调仪的精度。
7.根据权利要求6所述的标定系统，其特征在于，所述波长计的精度为0.3pm。
8.根据权利要求6所述的标定系统，其特征在于，所述光纤光栅解调仪包括：
激光器、第一光隔离器、波分复用器、掺铒光纤、第一耦合器、F-P滤波器、第二梳状滤波器、第二光隔离器和第二耦合器；
所述激光器输出经过所述第一光隔离器进入环形光路，所述环形光路包括依次顺次连接的波分复用器、掺铒光纤、第一耦合器、F-P滤波器以及第二光隔离器，其中，所述第二光隔离器的输出端与所述波分复用器的输入端连接；所述第一耦合器的另一输出端接第二耦合器，所述第二耦合器将光路分为两路，一路接所述第二梳状滤波器，另一路接所述第一梳状滤波器。
9.根据权利要求8所述的标定系统，其特征在于，上位机通过采集卡输出三角波至放大电路，经放大后的三角波输入F-P滤波器作为其扫描电压。
10.根据权利要求6所述的标定系统，其特征在于，采用全区间解调方式对所述第一波长数据进行解调，得到第一波长集合。
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