CN109506684B - 快速扫描激光器解调fbg传感器的波长修正方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种快速扫描激光器解调FBG传感器的波长修正方法及系统，包括：扫描激光器给出激光脉冲时同时给出同步信号，触发计时开始；激光脉冲经过一定距离光纤的传输之后被FBG传感器反射；当扫描激光器发出的激光脉冲与FBG传感器波长匹配时，根据反射的激光脉冲信号触发计时停止；根据两次计时的差值确定传输时延，根据传输时延修正对激光脉冲反射信号的采样时刻以保证波长的准确性。

Description

快速扫描激光器解调FBG传感器的波长修正方法及系统
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，尤其是一种快速FBG(光纤光栅)解调技术领域，属于一种利用快速扫描激光器解调FBG波长的修正方法及系统。
背景技术
FBG类光纤传感器是光纤传感领域里最常见的一类传感器之一，传统的FBG解调采用ASE光源+小型光谱仪的方法，但ASE光源属于宽带光源，光谱能量密度低，不适合多通道和远距离传输使用，限制了整个系统的容量提升。
目前采用快速扫描激光器的方法解调FBG是技术热点，与采用半导体DFB激光器的解调方案相比，大大拓宽了扫描范围，调谐速度快，同时扫描激光器又具有高输出功率、窄线宽，光谱密度高的优点；与采用可调滤波器FFP的解调方案相比,扫描激光器每个点的输出波长值和功率值都是经过严格校正的,故解调系统中不需要定标装置进行波长定标,同时窄的激光线宽(100KHz～1MHz)提高了测量的分辨率。
但是，由于光在光纤中传播需要时间，如果要保证波长的精度和解调的带宽(典型值40nm)，扫描激光器的周期就需要较长(200us左右)，这会造成整个解调系统的采样率被限制，在很多对解调速度有要求的场合(机械振动，快速应变等)，扫描激光器的周期须大幅减小。在实际工程应用中，光缆距离较长，且每个通道所连接传感器的距离都不一致，数据采样电路(模数转换)的采样时刻如果与扫描激光器发光时刻对应，就会造成在光缆距离较长时导致解调波长存在偏移和带宽丢失的情况，比如扫描激光器的扫描周期为160ns(占空比50％)时，偏移量约为0.98nm/km，即如果光缆距离为10km，解调的波长与实际波长相比偏移可达9.8nm，且大约会有10nm的带宽范围内的波长无法检测到。
当扫描激光器的周期保持200us(占空比50％)时，可以保证在10Km距离范围内波长准确和波长不丢失(带宽不变)，若采样点为5100的话周期为1.02s(0.98Hz)，这样的话整个解调系统解调频率就会限制在0.49hz以下，这对解调速度有要求的场合是不够的，所以，要提高扫描激光器的扫描频率，并且还要保证波长准确和解调带宽完整，就需要在硬件和软件方面对解调系统进行修改和补偿。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种快速扫描激光器解调FBG传感器的波长修正方法及系统，可实现在快速解调FBG传感器波长的同时，根据每个通道的传感器实际距离调整数据采样电路(模数转换电路)的采样时刻，以得到准确的和全带宽范围内波长数值，保证无波长数据丢失(即解调带宽不变)。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
在一个或多个实施方式中公开的一种快速扫描激光器解调FBG传感器的波长修正方法，包括：
扫描激光器给出激光脉冲时同时给出同步信号，触发计时开始；激光脉冲经过一定距离光纤的传输之后被FBG传感器反射；当扫描激光器发出的激光脉冲与FBG传感器波长匹配时，根据反射的激光脉冲信号触发计时停止；根据两次计时的差值确定传输时延，根据传输时延修正对激光脉冲反射信号的采样时刻以保证波长的准确性。
进一步地，当传输时延大于扫描激光器的周期时，须调整扫描激光器的扫描频率，使激光器扫描周期大于传输时延，以保证解调带宽的完整性。
进一步地，采样时刻的修正范围为：(ΔT，ΔT+T·duty)，其中，ΔT为传输时延，T为扫描激光器的当前扫描周期，duty为扫描激光器的占空比。
在一个或多个实施方式中公开的一种实现快速扫描激光器解调FBG传感器的波长修正方法的系统，包括：扫描激光器、光纤分路器、单片机、信号转换电路以及比较器；所述扫描激光器与光纤分路器连接，所述扫描激光器与单片机通过串口通信，所述光纤分路器通过信号转换电路与比较器和单片机分别连接。
进一步地，根据FBG传感器的中心波长数值，单片机通过串口设置扫描激光器发出与之接近的激光脉冲。
进一步地，所述信号转换电路包括：光电转换电路和模数转换电路；光纤分路器通过依次连接的光电转换电路和模数转换电路与单片机连接，光纤分路器通过依次连接的光电转换电路和比较器与单片机连接。
进一步地，扫描激光器给出激光脉冲时，产生同步信号的上升沿传送至单片机，触发单片机内置定时器开始计时，记为t1；
激光脉冲经过L距离光纤的传输之后被FBG传感器反射，反射回的光信号再经过L距离的传输光纤，经信号转换电路变换为电压信号；
当扫描激光器发出的激光脉冲与FBG传感器波长匹配时，比较器输出高电平触发单片机内置计时器停止计时，记为t2；
根据计时t1和t2的差值确定传输时延△t；
根据传输时延△t修正对激光脉冲反射信号的采样时刻和扫描激光器的扫描频率以保证波长的准确性和解调带宽的完整性。
在一个或多个实施方式中公开的一种解调仪，包括：采用上述的快速扫描激光器解调FBG传感器的波长修正方法；或者，上述的快速扫描激光器解调FBG传感器的波长修正系统。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
在现场解调各种FBG类传感器时可以根据不同通道的传感器的实际布设距离来确定传输时延，根据传输时延对数据采集电路的采样时刻进行修正，如有必要则进行扫描激光器扫描频率的修正，从而保证波长测量值的准确和解调带宽的完整。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是一种实现快速扫描激光器解调FBG传感器的波长修正系统示意图；
图2是高速光电转换电路和高速比较器串联连接电路图；
图3是扫描激光器与实际采样信号的采样时序图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在一个或多个实施方式中，公开了一种快速扫描激光器解调FBG传感器的波长修正方法，包括：扫描激光器给出激光脉冲时，触发计时开始；激光脉冲经过设定距离光纤的传输之后被FBG传感器反射；当扫描激光器发出的激光脉冲与FBG传感器波长匹配时，FBG传感器反射的光信号触发计时停止；根据两次计时的差值确定传输时延，根据传输时延修正对激光脉冲反射信号的采样时刻以保证波长的准确性。
需要说明的是，当传输时延大于扫描激光器的周期时，须调整扫描激光器的扫描频率，使其大于传输时延，以保证解调带宽的完整性。
在另外一些实施方式中，公开了一种实现快速扫描激光器解调FBG传感器的波长修正方法的系统，如图1所示，包括：快速扫描激光器、光纤分路器、单片机、高速光电转换电路、模数转换电路、高速比较器以及FBG传感器1、FBG传感器2和FBG传感器3；
快速扫描激光器与光纤分路器连接，光纤分路器与FBG传感器1、FBG传感器2和FBG传感器3分别连接；光纤分路器的返回端依次串联连接高速光电转换电路和模数转换电路后与单片机连接；通过模数转换电路对激光脉冲的反射光信号进行采样并送至单片机。
光纤分路器依次串联连接高速光电转换电路和高速比较器后与单片机连接；高速光电转换电路和高速比较器串联连接的电路结构如图2所示。
实际使用时，光纤分路器为1*8或者1*16通道，不同的通道的距离从几百米到几千米都有可能，本实施例以单通道的解调进行说明。
根据图1所示，根据实际应用中FBG传感器1的中心波长数值，单片机通过串口设置扫描激光器发出与之接近的激光脉冲，扫描激光器给出激光脉冲时同步信号T1给出上升沿，上升沿接到单片机的IO口，此时触发单片机的定时器开始计时，此时刻记为t1，激光脉冲经过L距离光纤的传输之后被FBG传感器1反射，反射回的光信号同样经过L距离的传输光纤到达高速光电转换电路变为电压信号。
在扫描激光器没有发出激光脉冲时或者激光脉冲的波长与FBG传感器波长不严格匹配时，高速光电转换电路输出为噪声电压或较小的电压，此时为了防止干扰，高速比较器的反相端设置为约0.2v(可调节)，这样高速比较器的输出为低电平；当扫描激光器发出的激光脉冲与FBG传感器波长匹配时，高速光电转换电路会输出一个较大的数值，从而触发高速比较器状态翻转，即比较器输出上升沿，而比较器的输出同样接到单片机的外部中断引脚且设置为上升沿触发，当单片机的引脚接收到上升沿后停止计数器计时，此时刻记为t2，则传输时延ΔT可由下式得出：
ΔT＝t2-t1
为了保证测量的准确性，此过程可以进行多次，通过比较前后两次的时间来保证传输时延的准确性，得到ΔT后，即可通过单片机修正对外接传感器的反射信号的采样时刻以保证波长的准确性。如图3所示，采样时刻的修正范围为：(ΔT，ΔT+T·duty)，其中，ΔT为传输时延，T为扫描激光器的当前扫描周期，duty为扫描激光器的占空比，且ΔT<T。
若传输时延大于扫描激光器的周期时，需要通过单片机调整扫描激光器的扫描频率，保证扫描周期大于传输时延，以保证解调带宽的完整性。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种快速扫描激光器解调FBG传感器的波长修正方法，其特征在于，包括：
扫描激光器给出激光脉冲时同时给出同步信号，触发计时开始；激光脉冲经过一定距离光纤的传输之后被FBG传感器反射；当扫描激光器发出的激光脉冲与FBG传感器波长匹配时，根据反射的激光脉冲信号触发计时停止；根据两次计时的差值确定传输时延，根据传输时延修正对激光脉冲反射信号的采样时刻以保证波长的准确性。
2.如权利要求1所述的一种快速扫描激光器解调FBG传感器的波长修正方法，其特征在于，当传输时延大于扫描激光器的周期时，调整扫描激光器的扫描频率，以保证解调带宽的完整性。
3.如权利要求1所述的一种快速扫描激光器解调FBG传感器的波长修正方法，其特征在于，采样时刻的修正范围为：(ΔT，ΔT+T·duty)，其中，ΔT为传输时延，T为扫描激光器的当前扫描周期，duty为扫描激光器的占空比。
4.基于权利要求1-3任一项所述方法的一种实现快速扫描激光器解调FBG传感器的波长修正系统，其特征在于，包括：扫描激光器、光纤分路器、单片机、信号转换电路以及比较器；所述扫描激光器与光纤分路器连接，所述扫描激光器与单片机通过串口通信，所述光纤分路器通过信号转换电路与比较器和单片机分别连接。
5.如权利要求4所述的一种实现快速扫描激光器解调FBG传感器的波长修正系统，其特征在于，根据FBG传感器的中心波长数值，单片机通过串口设置扫描激光器发出与之接近的激光脉冲。
6.如权利要求4所述的一种实现快速扫描激光器解调FBG传感器的波长修正系统，其特征在于，所述信号转换电路包括：光电转换电路和模数转换电路；光纤分路器通过依次连接的光电转换电路和模数转换电路与单片机连接，光纤分路器通过依次连接的光电转换电路和比较器与单片机连接。
7.如权利要求4所述的一种实现快速扫描激光器解调FBG传感器的波长修正系统，其特征在于，扫描激光器给出激光脉冲时，产生同步信号的上升沿传送至单片机，触发单片机内置定时器开始计时，记为t1；
激光脉冲经过L距离光纤的传输之后被FBG传感器反射，激光脉冲经过L距离光纤的传输之后被FBG传感器反射，反射回的光信号再经过L距离的传输光纤，经信号转换电路变换为电压信号；
当扫描激光器发出的激光脉冲与FBG传感器波长匹配时，比较器输出高电平触发单片机内置计时器停止计时，记为t2；
根据计时t1和t2的差值确定传输时延△t；
根据传输时延△t修正对激光脉冲反射信号的采样时刻以及扫描激光器的扫描频率以保证波长的准确性和解调带宽的完整性。
8.一种解调仪，其特征在于，包括：采用权利要求1-3任一项所述的快速扫描激光器解调FBG传感器的波长修正方法；或者，权利要求4-7任一项所述的实现快速扫描激光器解调FBG传感器的波长修正系统。
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