CN109945901A - 一种适用于光纤传感信号解析的设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于光纤传感信号解析的设备及方法，解决的是解析准确度低的技术问题，通过采用包括依次连接的光源和可调谐光学滤波器阵列，光振幅调制器，光振幅调制器连接有压控振荡器和耦合器；压控振荡器连接有PWM波发生器和加法器，加法器的另一路输入通过光电探测器与耦合器另一路输出连接，耦合器的输入为光纤传感信号；所述可调谐光学滤波器阵列包括N个带宽相同的可调谐光学滤波器，第k+1个可调谐光学滤波器的波长与第k个可调谐光学滤波器的波长的差值为第k个可调谐光学滤波器的带宽；还包括处理单元，处理单元连接可调谐光学滤波器阵列和加法器的输出端的技术方案，较好的解决了该问题，可用于光纤传感解析中。

Description

一种适用于光纤传感信号解析的设备及方法

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，具体涉及一种适用于光纤传感信号解析的设备及方法。

背景技术

光纤传感器是一种将被测对象的状态转变为可测的光信号的传感器。光纤传感器的工作原理是将光源入射的光束经由光纤送入调制器，在调制器内与外界被测参数的相互作用，使光的光学性质如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化，成为被调制的光信号，再经过光纤送入光电器件、经解调器后获得被测参数。整个过程中，光束经由光纤导入，通过调制器后再射出，其中光纤的作用首先是传输光束，其次是起到光调制器的作用。

目前对于光纤传感信号采用的是单一光干涉解调或光滤波解调后进行分析的方式。准确率低，因此本发明提供一种新的适用于光纤传感信号解析的设备及方法，用于解决上述技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的解析准确度低的技术问题。提供一种新的适用于光纤传感信号解析的设备，该适用于光纤传感信号解析的设备具有准确度高的特点。

为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：

一种适用于光纤传感信号解析的设备，所述适用于光纤传感信号解析的设备包括依次连接的光源和可调谐光学滤波器阵列，可调谐光滤波器阵列连接有光振幅调制器，光振幅调制器连接有压控振荡器和耦合器；压控振荡器连接有PWM波发生器和加法器，所述加法器的另一路输入通过光电探测器与耦合器另一路输出连接，所述耦合器的输入为光纤传感信号；

所述可调谐光学滤波器阵列包括N个带宽相同的可调谐光学滤波器，第k+1个可调谐光学滤波器的波长与第k个可调谐光学滤波器的波长的差值为第k个可调谐光学滤波器的带宽；

所述适用于光纤传感信号解析的设备还包括处理单元，所述处理单元连接可调谐光学滤波器阵列和加法器的输出端；

其中，N为大于2的正整数，k为小于N的正整数。

本发明的工作原理：本发明通过设置可调谐光学滤波器阵列，可调谐光学滤波器阵列由多个带宽相同的可调谐光学滤波器组成。相邻的可调谐光学滤波器阵列的中心波长差值为可调谐光学滤波器带宽。从而能够进一步减小可调谐光学滤波器带宽带来的光纤传感信号解析误差。通过遴选奇数的可调谐光学滤波器中对应的加法器输出最大的目标，进一步另选偶数的可调谐光学滤波器中对应的加法器输出最大的目标。如两个目标可调谐光学滤波器序列不相邻，则判定为误差，重新进行解析。如相邻，则通过数学拟合减小解析误差。

上述方案中，为优化，进一步地，所述适用于光纤传感信号解析的设备包括并联的m个带宽成公比为2的等比数列的可调谐光学滤波器阵列，其中m为正整数。

进一步地，所述2≤m≤4。为了兼顾成本与精度，经统计，m为2至4是较为合理的。

进一步地，所述可调谐光学滤波器包括基板，基板上等间距阵列设置的光学传感单元；所述基板包括从下往上依次重叠设置的第一金属板、第一介质板、第二金属板；所述传感单元包括介质底板，介质底板上设置有两个纳米光电探测器，其与相邻传感单元相邻的边定义为长边，圆柱轴线与长边平行，且置于介质底板的边缘，所述纳米光电探测器的长度与传感单元长边的长度一致；所述介质底板与第一介质板的材质相同，为加载有偏置电压电路的液晶材料层；第一金属板、第二金属板及纳米光电探测器的材质相同。本发明提供的可调谐光学滤波器是一个灵敏度高、精度高、带宽窄的光学滤波器。

进一步地，所述第一金属板、第二金属板的材质为金。

进一步地，所述第一金属板的厚度为h₄＝50nm，第一介质板的厚度h₃＝85nm，第二金属板的厚度为h₂＝12.5nm；介质底板的厚度为h₁＝5nm，纳米光电探测器的半径为r＝25nm，相邻介质底板的间距为d＝10nm。此处提供一种特殊尺寸的光学滤波器，该尺寸对应的工作波长为550nm～650nm，经过对基板的电调谐重构介电常数，能够按需调整光学滤波器的工作波长。

本发明还提供一种适用于光纤传感信号解析的方法，所述适用于光纤传感信号解析的方法基于前述的适用于光纤传感信号解析的设备，所述方法包括：

步骤一，选取可调谐光学滤波器阵列中排列为奇数的可调谐光学滤波器在线工作；

步骤二，处理单元接收加法器输出，统计对比，选定加法器输出最大值，并提取对应的可调谐光学滤波器，确定对应的排列标记J1和可调谐光学滤波器的中心波长λ₁；

步骤三，选取可调谐光学滤波器阵列中排列为偶数的可调谐光学滤波器在线工作；

步骤四，处理单元接收加法器输出，统计对比，选定加法器输出最大值，并提取对应的可调谐光学滤波器，确定对应的排列标记J2和可调谐光学滤波器的中心波长λ₂；

步骤五，计算判别|J2-J1|，等于1则将作为光纤传感信号解析的波长进行后续解析，不等于1则重复步骤一至步骤四。

进一步地，所述方法还包括：

步骤六，判定步骤一和步骤三的可调谐光学滤波器的带宽，如带宽不是最小，则带宽更新为当前带宽的二分之一，选择对应带宽的可调谐光学滤波器，返回执行步骤一，直至带宽最小。

本发明的有益效果：本发明兼顾成本和效率，提高了光纤传感信号解析的精度和效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1，实施例1中的光纤传感信号解析的设备示意图。

图2，实施例1中的光纤传感信号解析方法示意图。

图3，实施例1中的可调谐光学滤波器结构示意图。

图中，1-第一金属板，2-第一介质板，3-第二金属板，4-介质底板，5-纳米光电探测器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例提供一种适用于光纤传感信号解析的设备，如图1，所述适用于光纤传感信号解析的设备包括依次连接的光源和可调谐光学滤波器阵列，可调谐光滤波器阵列连接有光振幅调制器，光振幅调制器连接有压控振荡器和耦合器；压控振荡器连接有PWM波发生器和加法器，所述加法器的另一路输入通过光电探测器与耦合器另一路输出连接，所述耦合器的输入为光纤传感信号；

所述可调谐光学滤波器阵列包括N个带宽相同的可调谐光学滤波器，第k+1个可调谐光学滤波器的波长与第k个可调谐光学滤波器的波长的差值为第k个可调谐光学滤波器的带宽；

所述适用于光纤传感信号解析的设备还包括处理单元，所述处理单元连接可调谐光学滤波器阵列和加法器的输出端；

其中，N为大于2的正整数，k为小于N的正整数。

本实施例中的耦合器可由多个3dB耦合器级联集成，具体根据可调谐光学滤波器的数量设置。

本实施例通过设置可调谐光学滤波器阵列，可调谐光学滤波器阵列由多个带宽相同的可调谐光学滤波器组成。相邻的可调谐光学滤波器阵列的中心波长差值为可调谐光学滤波器带宽。从而能够进一步减小可调谐光学滤波器带宽带来的光纤传感信号解析误差。通过遴选奇数的可调谐光学滤波器中对应的加法器输出最大的目标，进一步另选偶数的可调谐光学滤波器中对应的加法器输出最大的目标。如两个目标可调谐光学滤波器序列不相邻，则判定为误差，重新进行解析。如相邻，则通过数学拟合减小解析误差。

具体地，所述适用于光纤传感信号解析的设备包括并联的m个带宽成公比为2的等比数列的可调谐光学滤波器阵列，其中m为正整数。通过多级结构能够进一步提高解析精度。

优选地，所述2≤m≤4。为了兼顾成本与精度，经统计，m为2至4是较为合理的。

所述可调谐光学滤波器包括基板，基板上等间距阵列设置的光学传感单元；所述基板包括从下往上依次重叠设置的第一金属板1、第一介质板2、第二金属板3；

所述传感单元包括介质底板4，介质底板4上设置有两个纳米光电探测器5，其与相邻传感单元相邻的边定义为长边，圆柱轴线与长边平行，且置于介质底板4的边缘，所述纳米光电探测器5的长度与传感单元长边的长度一致；

所述介质底板4与第一介质板2的材质相同，为加载有偏置电压电路的液晶材料层；第一金属板1、第二金属板3及纳米光电探测器5的材质相同。

具体地，所述第一金属板1、第二金属板3的材质为金。

具体地，所述第一金属板1的厚度为h₄＝50nm，第一介质板2的厚度h₃＝85nm，第二金属板3的厚度为h₂＝12.5nm；介质底板4的厚度为h₁＝5nm，纳米光电探测器5的半径为r＝25nm，相邻介质底板4的间距为d＝10nm。

此处提供一种特殊尺寸的光学滤波器，该尺寸对应的工作波长为550nm～650nm，经过对基板的电调谐重构介电常数，能够按需调整光学滤波器的工作波长。

本实施例还提供一种适用于光纤传感信号解析的方法，如图2，所述适用于光纤传感信号解析的方法基于前述的适用于光纤传感信号解析的设备，所述方法包括：

步骤一，选取可调谐光学滤波器阵列中排列为奇数的可调谐光学滤波器在线工作；

步骤二，处理单元接收加法器输出，统计对比，选定加法器输出最大值，并提取对应的可调谐光学滤波器，确定对应的排列标记J1和可调谐光学滤波器的中心波长λ₁；

步骤三，选取可调谐光学滤波器阵列中排列为偶数的可调谐光学滤波器在线工作；

步骤四，处理单元接收加法器输出，统计对比，选定加法器输出最大值，并提取对应的可调谐光学滤波器，确定对应的排列标记J2和可调谐光学滤波器的中心波长λ₂；

步骤五，计算判别|J2-J1|，等于1则将作为光纤传感信号解析的波长进行后续解析，不等于1则重复步骤一至步骤四。

具体地，所述方法还包括：

步骤六，判定步骤一和步骤三的可调谐光学滤波器的带宽，如带宽不是最小，则带宽更新为当前带宽的二分之一，选择对应带宽的可调谐光学滤波器，返回执行步骤一，直至带宽最小。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (8)

1.一种适用于光纤传感信号解析的设备，其特征在于：所述适用于光纤传感信号解析的设备包括依次连接的光源和可调谐光学滤波器阵列，可调谐光滤波器阵列连接有光振幅调制器，光振幅调制器连接有压控振荡器和耦合器；压控振荡器连接有PWM波发生器和加法器，所述加法器的另一路输入通过光电探测器与耦合器另一路输出连接，所述耦合器的输入为光纤传感信号；

所述可调谐光学滤波器阵列包括N个带宽相同的可调谐光学滤波器，第k+1个可调谐光学滤波器的波长与第k个可调谐光学滤波器的波长的差值为第k个可调谐光学滤波器的带宽；

所述适用于光纤传感信号解析的设备还包括处理单元，所述处理单元连接可调谐光学滤波器阵列和加法器的输出端；

其中，N为大于2的正整数，k为小于N的正整数。

2.根据权利要求1所述的适用于光纤传感信号解析的设备，其特征在于：所述适用于光纤传感信号解析的设备包括并联的m个带宽成公比为2的等比数列的可调谐光学滤波器阵列，其中m为正整数。

3.根据权利要求2所述的适用于光纤传感信号解析的设备，其特征在于：所述2≤m≤4。

4.根据权利要求1所述的适用于光纤传感信号解析的设备，其特征在于：所述可调谐光学滤波器包括基板，基板上等间距阵列设置的光学传感单元；

所述基板包括从下往上依次重叠设置的第一金属板(1)、第一介质板(2)、第二金属板(3)；

所述传感单元包括介质底板(4)，介质底板(4)上设置有两个纳米光电探测器(5)，其与相邻传感单元相邻的边定义为长边，圆柱轴线与长边平行，且置于介质底板(4)的边缘，所述纳米光电探测器(5)的长度与传感单元长边的长度一致；

所述介质底板(4)与第一介质板(2)的材质相同，为加载有偏置电压电路的液晶材料层；第一金属板(1)、第二金属板(3)及纳米光电探测器(5)的材质相同。

5.根据权利要求4所述的适用于光纤传感信号解析的设备，其特征在于：所述第一金属板(1)、第二金属板(3)的材质为金。

6.根据权利要求5所述的适用于光纤传感信号解析的设备，其特征在于：所述第一金属板(1)的厚度为h₄＝50nm，第一介质板(2)的厚度h₃＝85nm，第二金属板(3)的厚度为h₂＝12.5nm；介质底板(4)的厚度为h₁＝5nm，纳米光电探测器(5)的半径为r＝25nm，相邻介质底板(4)的间距为d＝10nm。

7.一种适用于光纤传感信号解析的方法，其特征在于：所述适用于光纤传感信号解析的方法基于权利要求1-6任一所述的适用于光纤传感信号解析的设备，所述方法包括：

步骤一，选取可调谐光学滤波器阵列中排列为奇数的可调谐光学滤波器在线工作；

步骤二，处理单元接收加法器输出，统计对比，选定加法器输出最大值，并提取对应的可调谐光学滤波器，确定对应的排列标记J1和可调谐光学滤波器的中心波长λ₁；

步骤三，选取可调谐光学滤波器阵列中排列为偶数的可调谐光学滤波器在线工作；

步骤四，处理单元接收加法器输出，统计对比，选定加法器输出最大值，并提取对应的可调谐光学滤波器，确定对应的排列标记J2和可调谐光学滤波器的中心波长λ₂；

步骤五，计算判别|J2-J1|，等于1则将作为光纤传感信号解析的波长进行后续解析，不等于1则重复步骤一至步骤四。

8.根据权利要求7所述的适用于光纤传感信号解析的方法，其特征在于：所述方法还包括：

步骤六，判定步骤一和步骤三的可调谐光学滤波器的带宽，如带宽不是最小，则带宽更新为当前带宽的二分之一，选择对应带宽的可调谐光学滤波器，返回执行步骤一，直至带宽最小。