CN109990813A - 一种基于宽带可调谐光源的光纤光栅波长解调装置 - Google Patents

一种基于宽带可调谐光源的光纤光栅波长解调装置 Download PDF

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Abstract

一种基于宽带可调谐光源的光纤光栅波长解调装置，包括宽带可调谐光源模块、光源驱动控制模块、分路器、参考光路模块、传感光路模块、光电转换模块、数据处理模块、主控单元和通信接口模块，所述宽带可调谐光源模块包括半导体光放大器、光隔离器、光耦合器、F‑P滤波器和带通滤波器，其中：光源驱动控制模块控制所述半导体光放大器的电流和温度，光源驱动控制模块给所述F‑P滤波器提供电压源，光电转换模块将光信号转变为电信号通过通信接口模块传送至数据处理模块。该装置具有测量精度高、动态光学范围大、测量波长范围宽、可靠性好、体积小以及集成度高等优点。

Description

一种基于宽带可调谐光源的光纤光栅波长解调装置
技术领域
本发明涉及一种基于宽带可调谐光源的光纤光栅波长解调装置，属于光纤传感技术领域。
背景技术
当外界参量(如温度、应变等)发生变化时，光纤光栅传感器的反射波长也会随之改变，并且单一外界参量的变化与传感器波长的变化理论上呈线性关系。通过测量传感器波长的变化可以间接获取外界参量信息。
光纤光栅传感器以其抗电磁干扰、体积小、耐腐蚀、分布阵列等特性广泛应用于航空航天、船舶等领域，并且在某些特定领域(石油勘探、堤坝等)也能实现相关信息量的测量。
目前市场上的光纤光栅波长解调设备精度比较高的往往价格高昂，或者精度较高的设备解调速率不高、光源光谱特性一般等。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于可调谐光源的光纤光栅波长解调装置，该装置集成度高，抗电磁干扰，测量精度高，解调速率良好，成本适中，便于光纤传感解调技术在市场的推广。
本发明的技术解决方案是：
一种基于宽带可调谐光源的光纤光栅波长解调装置，包括宽带可调谐光源模块、光源驱动控制模块、分路器、参考光路模块、传感光路模块、光电转换模块、数据处理模块、主控单元和通信接口模块；
光源驱动控制模块在主控单元的控制下，驱动宽带可调谐光源模块产生光信号，宽带可调谐光源模块输出的光信号经过分路器后进入参考光路模块和传感光路模块，之后分别输出相应参考光信号以及待测传感器光信号；光电转换模块将所述相应参考光信号以及待测传感器光信号转变为电信号经由通信接口模块传送至数据处理模块进行数据拟合和标定，实现波长的解调，得到待测传感器的波长。
宽带可调谐光源模块包括半导体光放大器、光隔离器、光耦合器、F-P滤波器以及带通滤波器；
半导体光放大器在光源驱动控制模块的驱动下，产生光信号后通过光隔离器进行单向传输，送入光耦合器中，光耦合器将光信号分为两路，一路送入F-P滤波器中进行宽带光信号和窄带光信号的转换，另一路作为宽带可调谐光源模块的输出；
所述窄带光信号通过光隔离器进行单向传输，送入带通滤波器滤除杂波，之后再将光信号送入半导体光放大器形成环状结构，经过若干循环，半导体光放大器的内部达到稳定状态，此时宽带可调谐光源模块的输出宽带扫频光信号。
所述光耦合器的分光比为30/70，30％的光信号作为所述宽带可调谐光源模块的输出。
所述带通滤波器输出波长范围为1510～1590nm。
所述半导体光放大器的工作波长范围为1450nm～1600nm，所述F-P滤波器自由光谱范围为1500nm～1600nm，3dB带宽为0.16nm，最大调谐频率达1kHz。
宽带可调谐光源模块的输出信号波长范围为1510～1590nm，光源输出最大光功率与最小光功率之差为2dBm，信噪比50dB。
光源驱动控制模块包括恒温电路、恒流电路和F-P滤波器驱动电路；
所述恒温电路和恒流电路控制半导体光放大器工作在恒温恒流状态，所述F-P滤波器驱动电路使所述F-P滤波器输出可调谐的窄带光信号。
所述F-P滤波器驱动电路包括数模转换电路、四阶巴特沃斯低通滤波电路和信号放大电路；
主控单元发送的控制信号经过数模转换电路转换为模拟信号，再依次经过四阶巴特沃斯低通滤波电路和信号放大电路后，生成三角波信号并发送给F-P滤波器。
参考光路模块包括气室、标准具和标准光栅，其中气室的气体为乙炔，标准具用于标定被测传感器的波长，气室用于校准标准具光信号的温度漂移，标准光栅用于校准F-P滤波器的输出信号波长误差。
分路器将所述宽带可调谐光源模块输出的光信号分成两部分，共八路信号，即光信号1～8；光信号1输入到所述标准具，输出标准的梳状光谱，经所述光电转换模块输出相应电信号；光信号2输入到所述乙炔气室，输出的光谱经所述光电转换模块输出相应电信号；光信号3输入到所述标准光栅，输出单峰光谱，经所述光电转换模块输出相应电信号；光信号4直接输入到所述光电转换模块输出相应电信号；光信号5～8输入到传感光路模块中的待测光栅传感器，输出的光信号经所述光电转换模块转化后输出相应电信号。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明光纤光栅波长解调装置大大改善了内部光源的光谱特性尤其是平坦度和信噪比：首先将F-P滤波器放置在光耦合器后面，保证通过F-P滤波器的非线性光经过半导体光放大器非线性压缩作用后再输出，防止部分通过F-P滤波器光没有经过非线性压缩直接输出，造成较差光谱平坦度和信噪比；其次宽带可调谐光源模块的输出光谱不平坦区域随耦合器分光比减小，向波长减小的方向移动，直至为30％时移动至1510nm附近，为最优选择；另外，F-P滤波器输出是双峰，有一个峰的波长在工作波长之外，这个峰会降低相应波长范围的光功率，造成较差光谱平坦度，在可调谐光源模块加入通带为工作波长的带通滤波器可以解决此问题。其中可调谐光源模块输出最大光功率与最小光功率之差为2dBm，信噪比50dB。
(2)本发明光纤光栅波长解调装置使用高精度标准具、标准乙炔气室和波长已知的标准传感器共同标定，测量精度可达1pm。
(3)本发明光纤光栅波长解调装置的宽带可调谐光源可以固定波长输出充当定波长光源。
(4)本发明光纤光栅波长解调装置的恒流电路驱动电流越大可调谐光源模块输出光谱平坦度越好，并且光源光功率不能超过F-P滤波器的最大输入光功率，选定350mA左右的驱动电流最优。
(5)本发明光纤光栅波长解调装置测量范围为1510～1590nm，四通道单个通道最多可同时测量80个传感器并且解调速率可达100HZ。
(6)本发明光纤光栅波长解调装置模块化，高度集成，集成了通用PXI-E接口，提高数据与上位机传输速率，使用方便灵活，方便与标准FC光纤头连接，具有很强的工程适用性。
附图说明
图1为本发明光纤光栅波长解调装置结构示意图。
图2为本发明宽带可调谐光源光路图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提出了一种基于宽带可调谐光源的光纤光栅波长解调装置，包括宽带可调谐光源模块1、光源驱动控制模块2、分路器3、参考光路模块4、传感光路模块5、光电转换模块6、数据处理模块7、主控单元8和通信接口模块9；
光源驱动控制模块2在主控单元8的控制下，驱动宽带可调谐光源模块1产生光信号，宽带可调谐光源模块1输出的光信号经过分路器3后进入参考光路模块4和传感光路模块5，之后分别输出相应参考光信号以及待测传感器光信号；光电转换模块6将所述相应参考光信号以及待测传感器光信号转变为电信号经由通信接口模块9传送至数据处理模块7进行数据拟合和标定，实现波长的解调，得到待测传感器的波长。
如图2所示，宽带可调谐光源模块1包括半导体光放大器12、光隔离器13、光耦合器14、F-P滤波器15以及带通滤波器16；
半导体光放大器12在光源驱动控制模块2的驱动下，产生光信号后通过光隔离器13进行单向传输，送入光耦合器14中，光耦合器14将光信号分为两路，一路送入F-P滤波器15中进行宽带光信号和窄带光信号的转换，另一路作为宽带可调谐光源模块1的输出；半导体光放大器作为激光器的增益介质，在驱动电路作用下输出宽带光，宽带光经过F-P滤波器输出波长随驱动电路电压线性变化的窄带光，经通带滤波器滤除解调范围之外的光，最后进入半导体光放大器的输入端，不断上述循环，使光信号得到放大，为与之相连的参考光路和传感光路提供稳定可靠的光源。
所述窄带光信号通过光隔离器13进行单向传输，送入带通滤波器16滤除杂波，之后再将光信号送入半导体光放大器12形成环状结构，经过若干循环，半导体光放大器12的内部达到稳定状态，此时宽带可调谐光源模块1的输出宽带扫频光信号。
优选的，本发明将F-P滤波器15放置在光耦合器14后面，防止部分通过F-P滤波器15的光没有经过非线性压缩直接输出，造成较差光谱平坦度和信噪比。
优选的，本发明采用的光耦合器14的分光比为30/70，30％的光信号作为所述宽带可调谐光源模块1的输出，因为宽带可调谐光源模块1的输出光谱不平坦区域随光耦合器14分光比减小并向波长减小的方向移动，直至为30％时移动至1510nm附近。
优选的，带通滤波器16输出波长范围为1510～1590nm，能够消除F-P滤波器15不在工作波长范围1510～1590nm的双峰，提高可调谐光源模块1局部波长范围的光功率，进一步改善可调谐光源输出光谱的平坦度。
优选的，半导体光放大器12的工作波长范围为1450nm～1600nm；
优选的，F-P滤波器12自由光谱范围为1500nm～1600nm，3dB带宽为0.16nm，最大调谐频率达1kHz。
优选的，宽带可调谐光源模块1的输出信号波长范围为1510～1590nm，光源输出最大光功率与最小光功率之差为2dBm，信噪比50dB。此外宽带可调谐光源模块可以固定波长输出充当定波长光源。
如图1所示，光源驱动控制模块2包括恒温电路17、恒流电路18和F-P滤波器驱动电路19；
所述恒温电路17和恒流电路18驱动半导体光放大器12工作在恒温恒流状态，所述F-P滤波器驱动电路19使所述F-P滤波器15输出可调谐的窄带光信号。
优选的，本发明采用合适的电流驱动半导体光放大器12，在F-P滤波器可接受的输入光功率要求下，半导体光放大器驱动电流越大，宽带可调谐光源模块1的光谱平坦度越好。
优选的，光源驱动控制模块中的F-P滤波器驱动电路实际是一个三角波发生器电路，三角波的最大值电压和最小值电压分别对应F-P滤波器输出光谱波长为1510nm和1590nm。
所述F-P滤波器驱动电路19包括数模转换电路、四阶巴特沃斯低通滤波电路和信号放大电路；光信号中的噪声主要为高频噪声，用四阶巴特沃斯低通滤波电路滤除噪声干扰。
主控单元8发送的控制信号经过数模转换电路转换为模拟信号，再依次经过四阶巴特沃斯低通滤波电路和信号放大电路后，生成三角波信号并发送给F-P滤波器15。
光电转换模块中的mini PIN激光探测器将参考光路模块和传感光路模块的相应光信号转变为电流信号进入光电转换电路，经过跨阻放大电路将该电流信号转换为电压信号，四阶巴特沃斯低通滤波电路可以滤除其中的高频噪声，并且保证装置的解调速率不超过F-P滤波器的最大可调谐速率。
如图1所示，参考光路模块4包括气室20、标准具21和标准光栅22，其中气室的气体为乙炔，标准具21用于标定被测传感器的波长，气室20用于校准标准具21光信号的温度漂移，标准光栅22用于校准F-P滤波器15的输出信号波长误差。
优选的，用乙炔气室对光电转换模块得到的传感光路模块的数据进行标定，实际是选取气室诸多透射峰中的信噪比较大的一个，方便辨别标准具各个透射峰的相对位置。
分路器7将所述宽带可调谐光源模块1输出的光信号分成两部分，共八路信号，即光信号1～8；光信号1输入到所述标准具21，输出标准的梳状光谱，经所述光电转换模块6输出相应电信号；光信号2输入到所述乙炔气室20，输出的光谱经所述光电转换模块6输出相应电信号；光信号3输入到所述标准光栅22，输出单峰光谱，经所述光电转换模块6输出相应电信号；光信号4直接输入到所述光电转换模块6输出相应电信号；光信号5～8输入到传感光路模块5中的待测光栅传感器，输出的光信号经所述光电转换模块6转化后输出相应电信号。
数据处理模块利用高斯拟合将参考光路模块和传感光路模块的离散数据拟合成类似高斯函数的曲线，设定合理阈值在保证高解调精度的前提下提高解调速率，滤波算法滤除杂扰信号，标定算法用气室和标准光栅校准标准具的温度变化等外界因素对波长产生的影响以及F-P腔本身带来的蠕变非线性之后，用类似于查表的方式解调出待测光纤光栅传感器的波长。
本发明波长解调装置允许测量的温度范围为：-10℃～70℃。
本发明波长解调装置用PXI-E接口与上位机通信，大大提高了数据传输速率。
本发明波长解调装置的标准接口为FC接口。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种基于宽带可调谐光源的光纤光栅波长解调装置，其特征在于：包括宽带可调谐光源模块(1)、光源驱动控制模块(2)、分路器(3)、参考光路模块(4)、传感光路模块(5)、光电转换模块(6)、数据处理模块(7)、主控单元(8)和通信接口模块(9)；
光源驱动控制模块(2)在主控单元(8)的控制下，驱动宽带可调谐光源模块(1)产生光信号，宽带可调谐光源模块(1)输出的光信号经过分路器(3)后进入参考光路模块(4)和传感光路模块(5)，之后分别输出相应参考光信号以及待测传感器光信号；光电转换模块(6)将所述相应参考光信号以及待测传感器光信号转变为电信号经由通信接口模块(9)传送至数据处理模块(7)进行数据拟合和标定，实现波长的解调，得到待测传感器的波长。
2.根据权利要求1所述的一种基于宽带可调谐光源的光纤光栅波长解调装置，其特征在于：宽带可调谐光源模块(1)包括半导体光放大器(12)、光隔离器(13)、光耦合器(14)、F-P滤波器(15)以及带通滤波器(16)；
半导体光放大器(12)在光源驱动控制模块(2)的驱动下，产生光信号后通过光隔离器(13)进行单向传输，送入光耦合器(14)中，光耦合器(14)将光信号分为两路，一路送入F-P滤波器(15)中进行宽带光信号和窄带光信号的转换，另一路作为宽带可调谐光源模块(1)的输出；
所述窄带光信号通过光隔离器(13)进行单向传输，送入带通滤波器(16)滤除杂波，之后再将光信号送入半导体光放大器(12)形成环状结构，经过若干循环，半导体光放大器(12)的内部达到稳定状态，此时宽带可调谐光源模块(1)的输出宽带扫频光信号。
3.根据权利要求2所述的一种基于宽带可调谐光源的光纤光栅波长解调装置，其特征在于：所述光耦合器(14)的分光比为30/70，30％的光信号作为所述宽带可调谐光源模块(1)的输出。
4.根据权利要求2所述的一种基于宽带可调谐光源的光纤光栅波长解调装置，其特征在于：所述带通滤波器(16)输出波长范围为1510～1590nm。
5.根据权利要求2所述的一种基于宽带可调谐光源的光纤光栅波长解调装置，其特征在于：所述半导体光放大器(12)的工作波长范围为1450nm～1600nm，所述F-P滤波器(12)自由光谱范围为1500nm～1600nm，3dB带宽为0.16nm，最大调谐频率达1kHz。
6.根据权利要求2所述的一种基于宽带可调谐光源的光纤光栅波长解调装置，其特征在于：宽带可调谐光源模块(1)的输出信号波长范围为1510～1590nm，光源输出最大光功率与最小光功率之差为2dBm，信噪比50dB。
7.根据权利要求2所述的一种基于宽带可调谐光源的光纤光栅波长解调装置，其特征在于：光源驱动控制模块(2)包括恒温电路(17)、恒流电路(18)和F-P滤波器驱动电路(19)；
所述恒温电路(17)和恒流电路(18)控制半导体光放大器(12)工作在恒温恒流状态，所述F-P滤波器驱动电路(19)使所述F-P滤波器(15)输出可调谐的窄带光信号。
8.根据权利要求7所述的一种基于宽带可调谐光源的光纤光栅波长解调装置，其特征在于：所述F-P滤波器驱动电路(19)包括数模转换电路、四阶巴特沃斯低通滤波电路和信号放大电路；
主控单元(8)发送的控制信号经过数模转换电路转换为模拟信号，再依次经过四阶巴特沃斯低通滤波电路和信号放大电路后，生成三角波信号并发送给F-P滤波器(15)。
9.根据权利要求2所述的一种基于宽带可调谐光源的光纤光栅波长解调装置，其特征在于：参考光路模块(4)包括气室(20)、标准具(21)和标准光栅(22)，其中气室的气体为乙炔，标准具(21)用于标定被测传感器的波长，气室(20)用于校准标准具(21)光信号的温度漂移，标准光栅(22)用于校准F-P滤波器(15)的输出信号波长误差。
10.根据权利要求2所述的一种基于宽带可调谐光源的光纤光栅波长解调装置，其特征在于：分路器(7)将所述宽带可调谐光源模块(1)输出的光信号分成两部分，共八路信号，即光信号1～8；光信号1输入到所述标准具(21)，输出标准的梳状光谱，经所述光电转换模块(6)输出相应电信号；光信号2输入到所述乙炔气室(20)，输出的光谱经所述光电转换模块(6)输出相应电信号；光信号3输入到所述标准光栅(22)，输出单峰光谱，经所述光电转换模块(6)输出相应电信号；光信号4直接输入到所述光电转换模块(6)输出相应电信号；光信号5～8输入到传感光路模块(5)中的待测光栅传感器，输出的光信号经所述光电转换模块(6)转化后输出相应电信号。
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