CN110836865A - 用于大规模传感阵列的吸收光谱测量控制系统 - Google Patents

用于大规模传感阵列的吸收光谱测量控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供的用于大规模传感阵列的吸收光谱测量控制系统中，激光器控制模块输出调谐激光，时分复用控制模块控制光纤光路开关模块接收该调谐激光，并控制光纤光路开关模块将该调谐激光按时序依次通过多个输出光纤端口输出至对应的传感阵列基元组；传感阵列基元组对被测流场进行测量，得到被测流场的光电信号并传输给解调模块进行解调。本发明采用时分复用控制模块控制光纤光路开关模块按时序依次切换到不同的传感阵列基元组，有效解决了激光光功率有限对传感阵列基元规模扩展的问题，即可以降低系统成本，又可以提高系统中解调模块的利用率。

Description

用于大规模传感阵列的吸收光谱测量控制系统
技术领域
本发明涉及激光吸收光谱测量技术领域，尤其是涉及用于大规模传感阵列的吸收光谱测量控制系统。
背景技术
红外激光吸收光谱技术是一种先进的气体流场参数测量技术，利用红外激光光谱被气体分子吸收之后的光谱强度衰减特性和光谱谱线变化特性测量气体的温度、分子摩尔浓度、压力和速度等特征参数。由于红外激光吸收光谱技术具有测量精度高、响应速度快、不干扰流场等优点，因此广泛应用于航空航天、石油化工、医疗诊断、环境监测等领域。
目前，现有技术中红外激光吸收光谱技术测量是通过在同一个被测流场截面上不同位置安装多组吸收传感阵列基元，构成一个传感器阵列，阵列中每组传感阵列基元产生的“吸收线”相互交织将被测流场截面划分为多个网格，然后利用每组传感阵列基元测量结果和计算重构技术得到每个网格的流场参数，从而得到被测流场截面的参数二维分布。传感器阵列的规模越大，测量的精度越高。
但是这种用于大规模传感阵列的测量技术存在以下缺陷：
1)由于激光器岀射光功率有限，通过光纤分束器分配到每个传感阵列基元上的光功率较低，通过增加掺铥光纤放大器可以增强传感阵列基元的入射光功率，但是这种方式增大了测量成本，而且增加了测量系统的复杂度；
2)红外吸收光谱测量技术并不是所见即所得的测量技术，每个传感阵列基元直接测量的光电信号需要经过解调才能得到待测的温度、组分浓度等流场参数，当传感阵列基元数量增多时，对应的解调器就会增多，因此进一步增加了测量系统的成本。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种用于大规模传感阵列的吸收光谱测量控制系统，能够有效地简化系统的复杂程度，对每个传感阵列基元配置足够的光功率，达到资源的合理配置，系统器件的有效利用。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
用于大规模传感阵列的吸收光谱测量控制系统，包括激光器控制模块、光纤光路开关模块、多个传感阵列基元组、解调模块和时分复用控制模块；
所述激光器控制模块，用于输出调谐激光；
所述光纤光路开关模块，包括一个输入光纤端口和多个输出光纤端口，用于接收所述激光器控制模块输出的调谐激光，并将接收的调谐激光通过多个所述输出光纤端口输出至对应的所述传感阵列基元组；
所述每个传感阵列基元组，包括多个传感阵列基元，用于对被测流场进行测量，得到被测流场的光电信号；
所述解调模块，用于接收所述被测流场的光电信号，并对该光电信号进行解调；
所述时分复用控制模块，用于控制所述光纤光路开关模块的输入光纤端口与多个输出光纤端口中第一输出接口的连通，从而依次切换不同的传感阵列基元组。
作为本发明再进一步的方案：所述激光器控制模块包括激光器驱动器和半导体激光器，所述激光器驱动器驱动所述半导体激光器输出激光。
作为本发明再进一步的方案：所述系统还包括多个光纤分束器，所述每个输出光纤端口通过所述光纤分束器与每个对应的传感阵列基元组中的多个所述传感阵列基元连接。
作为本发明再进一步的方案：所述系统还包括多个光纤耦合器，所述被测流场的光电信号通过所述光纤耦合器耦合后，传输至所述解调模块。
作为本发明再进一步的方案：所述解调模块包括多个光电探测器和数字信号采集卡，所述光电探测器接收所述被测流场的光电信号，并将其传输给所述数字信号采集卡转换为数字信号。
作为本发明再进一步的方案：所述解调模块还包括任意信号发射电路，所述任意信号发射电路通过标准网络接口与服务器通信。
作为本发明再进一步的方案：所述光电探测器的数量与每个传感阵列基元组中的所述传感阵列基元的数量相等。
作为本发明再进一步的方案：所述传感阵列基元的数量X＝M×N；
其中：M是每个传感阵列基元组内包括的传感阵列基元的个数；
N是光纤光路开关模块的输出光纤端口个数。
作为本发明再进一步的方案：所述半导体激光器设置为一个或多个。
本发明的有益效果包括但不限于：
(1)本发明提供的用于大规模传感阵列的吸收光谱测量控制系统中，激光器控制模块输出调谐激光，时分复用控制模块控制光纤光路开关模块接收该调谐激光，并控制光纤光路开关模块将该调谐激光按时序依次通过多个输出光纤端口输出至对应的传感阵列基元组；传感阵列基元组对被测流场进行测量，得到被测流场的光电信号并传输给解调模块进行解调。本发明采用时分复用控制模块控制光纤光路开关模块按时序依次切换到不同的传感阵列基元组，可以确保每个处于工作状态的传感阵列基元都能分配到足够的激光光功率。当传感阵列基元规模扩展之后，只需要增加光纤光路开关模块中输出光纤端口的数量就可以保证新增加的传感阵列基元也有相同的激光光功率，本发明的系统简单，测量成本低；同时本发明系统在每个有效时序内只有有限个传感阵列基元处于工作状态，因此在接收端不需要根据传感阵列基元的规模来设置光电探测器的数量，而只需要设置与有效时序内工作的传感阵列基元的个数相同数量的光电探测器即可，这样即可以降低系统成本，又可以提高光电探测器的利用率。
(2)相对于现有的激光吸收光谱测量技术来说，本发明适用于大规模传感阵列基元的流体参数测量，通用性好、测量结果准确。且该系统结构简单，生产及使用成本低。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的用于大规模传感阵列的吸收光谱测量控制系统的结构示意图；
图2是本发明实施例2提供的用于大规模传感阵列的吸收光谱测量控制系统的工作时序图；
图中：1-激光器控制模块；2-光纤光路开关模块；3-解调模块；4-时分复用控制模块；5-激光器驱动器；6-半导体激光器；7-输入光纤端口；8-输出光纤端口；9-光纤分束器；10-传感阵列基元；11-光纤耦合器；12-光电探测器；13-数字信号采集卡；14-被测流场。
具体实施方式
下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
实施例1：
本实施例提供了一种用于大规模传感阵列的吸收光谱测量控制系统，如图1所示，包括激光器控制模块1、光纤光路开关模块2、多个传感阵列基元组、解调模块3和时分复用控制模块4。
激光器控制模块1，用于输出调谐激光；
光纤光路开关模块2，包括一个输入光纤端口7和多个输出光纤端口8，通过输入光线端口7接收激光器控制模块1输出的调谐激光，并将接收的调谐激光通过多个输出光纤端口8输出至对应的传感阵列基元组；
每个传感阵列基元组，包括多个传感阵列基元10，用于对被测流场14进行测量，得到被测流场14的光电信号；
解调模块3，用于接收被测流场的光电信号，并对该光电信号进行解调；
时分复用控制模块4，用于控制光纤光路开关模块2的输入光纤端口7与多个输出光纤端口8中第一输出接口的连通，从而按时序依次切换到不同的传感阵列基元组。
其中，激光器控制模块1包括激光器驱动器5和半导体激光器6，激光器驱动器5驱动半导体激光器6输出激光。
进一步地，半导体激光器6可以设置为一个或多个，多个半导体激光器6的设置可以增大激光输出功率。本实施例以设置两个半导体激光器6为例进行说明。
进一步地，本系统还包括多个光纤分束器9，每个输出光纤端口8通过光纤分束器9与每个对应的传感阵列基元组中的多个传感阵列基元10连接。
进一步地，本系统还包括多个光纤耦合器11，被测流场的光电信号通过光纤耦合器11耦合后，传输至解调模块3。
其中，时分复用控制模块4控制激光器控制模块1输出调谐激光，控制解调模块3接收被测流场的光电信号，重点控制光纤光路开关模块2中输入光纤端口7和不同输出光纤端口8的连通，以实现与输出光纤端口8相连的传感阵列基元组的选择切换。
进一步地，时分复用控制模块4时序控制半导体激光器控制模块1和解调模块3是否处于工作状态。
其中，解调模块3包括多个光电探测器12和数字信号采集卡13，光电探测器12接收被测流场的光电信号，并将其传输给数字信号采集卡13转换为数字信号。
进一步地，光电探测器12的数量与每个传感阵列基元组中的传感阵列基元10的数量相等，即光电探测器12的数量与光纤分束器9的输出端口数量相等。
进一步地，解调模块3还包括任意信号发射电路，任意信号发射电路通过标准网络接口与服务器相互通信。服务器将数字信号通过标准网络接口传输给数字信号采集卡13，数字信号采集卡13将数字信号转化为模拟信号传输给时分复用控制模块4。激光器驱动器5上设置有激光器调制信号接口、温度调节接口和电流驱动接口，时分复用控制模块4分别通过激光器调制信号接口、温度调节接口和电流驱动接口实现对激光器驱动器5的信号调制、半导体激光器6的温度调节和半导体激光器6的电流驱动。
其中，激光器驱动器5上设置的激光器调制信号接口、温度调节接口和电流驱动接口属于本领域技术人员的公知常识，本发明实施例在此不再赘述。
本实施例中，传感阵列基元10的数量X＝M×N；
其中：M是每个传感阵列基元组内包括的传感阵列基元10的个数；N是光纤光路开关模块2的输出光纤端口8个数。
因此，可以通过增大输出光纤端口8和/或光纤分束器9的输出端口的数量扩大传感阵列的规模，进一步提高气体流场特征参数测量的准确性。
本发明提供的用于大规模传感阵列的吸收光谱测量控制系统中，激光器控制模块1输出调谐激光，时分复用控制模块4控制光纤光路开关模块2接收该调谐激光，并控制光纤光路开关模块2将该调谐激光按时序依次通过多个输出光纤端口8输出至对应的传感阵列基元组；传感阵列基元组对被测流场进行测量，得到被测流场的光电信号并传输给解调模块3进行解调。本发明采用时分复用控制模块4控制光纤光路开关模块2按时序依次切换到不同的传感阵列基元组，可以确保每个处于工作状态的传感阵列基元10都能分配到足够的激光光功率。当传感阵列基元10规模扩展之后，只需要增加光纤光路开关模块2中输出光纤端口8的数量就可以保证新增加的传感阵列基元10也有相同的激光光功率，本发明的系统简单，测量成本低；同时本发明系统在每个有效时序内只有有限个传感阵列基元10处于工作状态，因此在接收端不需要根据传感阵列基元10的规模来设置光电探测器12的数量，而只需要设置与有效时序内工作的传感阵列基元10的个数相同数量的光电探测器12即可，这样即可以降低系统成本，又可以提高光电探测器12的利用率。
实施例2：
本实施例提供了用于大规模传感阵列的吸收光谱测量控制系统的工作时序图，如图2所示，该工作时序图描述了本发明控制系统的工作流程，详细过程如下：
1)系统初始化：系统上电之后，半导体激光器L1和半导体激光器L2都处于关闭状态，没有激光输出，光纤光路开关模块2的所有输出光纤端口8保持与输入光纤端口7的断开状态、解调模块3没有有效数据接收，所有模块初始化完毕，处于就绪状态，等待时分复用控制模块4的指令。
2)启动工作：t0时刻，时分复用控制模块4首先通过激光器驱动器5使半导体激光器L1和半导体激光器L2同时发出波长调制激光，然后控制光纤光路开关模块2使输出光纤端口O1与输入光纤端口7连通，连通的建立有一个短暂的过程，耗时约tr秒，最后通知解调模块3开始接收有效数据。输出光纤端口O1接通之后，半导体激光器L1和半导体激光器L2发出的激光被光纤分束器S1平均分配到传感阵列基元S1_1,2,…,m，即与S1相连的传感阵列基元组进入吸收测量工作状态。激光穿过被测流场14之后，分别被光纤耦合器R1,R2,…,Rm接收，进入对应的光电探测器D1,D2,…,Dm，被数字信号采集卡13转换为数字信号。若输出光纤端口O1连通持续时间为tw秒，则解调模块3可以获取传感阵列基元组S1_1,2,…,m长度为tw秒的吸收测量数据。
3)传感阵列基元切换：时分复用控制模块4通过改变光纤光路开关模块2的输出光纤端口8来切换处于工作状态的传感阵列基元组。当传感阵列基元组S1_1,2,…,m的测量结束之后，时分复用控制模块4将光纤光路开关模块2的输出光纤端口8切换至输出光纤端口O2，这个过程要先断开输出光纤端口O1，耗时约td秒，然后连接输出光纤端口O2，连接建立时间也为tr秒。当光纤光路开关模块2输出光纤端口8为输出光纤端口O2时，与光纤分束器S2连接的传感阵列基元组S2_1,2,…,m有激光输出，进入工作状态。
4)一个测量周期结束：当光纤光路开关模块2最后一个输出光纤端口On连通工作结束之后，系统遍历了所有的传感阵列基元10，解调模块3获取了所有传感阵列基元10长度为tw秒的吸收测量数据，此时意味着一个测量周期的结束。当系统连续工作时，时分复用控制模块4会将光纤光路开关模块2输出光纤端口8重新切换至输出光纤端口O1，从t1时刻开始下一个测量周期的工作。
本发明提供的用于大规模传感阵列的吸收光谱测量控制系统中，激光器控制模块1输出调谐激光，时分复用控制模块4控制光纤光路开关模块2接收该调谐激光，并控制光纤光路开关模块2将该调谐激光按时序依次通过多个输出光纤端口8输出至对应的传感阵列基元组；传感阵列基元组对被测流场进行测量，得到被测流场的光电信号并传输给解调模块3进行解调。本发明采用时分复用控制模块4控制光纤光路开关模块2按时序依次切换到不同的传感阵列基元组，可以确保每个处于工作状态的传感阵列基元10都能分配到足够的激光光功率。当传感阵列基元10规模扩展之后，只需要增加光纤光路开关模块2中输出光纤端口8的数量就可以保证新增加的传感阵列基元10也有相同的激光光功率，本发明的系统简单，测量成本低；同时本发明系统在每个有效时序内只有有限个传感阵列基元10处于工作状态，因此在接收端不需要根据传感阵列基元10的规模来设置光电探测器12的数量，而只需要设置与有效时序内工作的传感阵列基元10的个数相同数量的光电探测器12即可，这样即可以降低系统成本，又可以提高光电探测器12的利用率。
以上所述，仅是本发明的几个实施例，并非对本发明做任何形式的限制，虽然本发明以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (9)

1.用于大规模传感阵列的吸收光谱测量控制系统，其特征在于，包括激光器控制模块、光纤光路开关模块、多个传感阵列基元组、解调模块和时分复用控制模块；
所述激光器控制模块，用于输出调谐激光；
所述光纤光路开关模块，包括一个输入光纤端口和多个输出光纤端口，用于接收所述激光器控制模块输出的调谐激光，并将接收的调谐激光通过多个所述输出光纤端口输出至对应的所述传感阵列基元组；
所述每个传感阵列基元组，包括多个传感阵列基元，用于对被测流场进行测量，得到被测流场的光电信号；
所述解调模块，用于接收所述被测流场的光电信号，并对该光电信号进行解调；
所述时分复用控制模块，用于控制所述光纤光路开关模块的输入光纤端口与多个输出光纤端口中第一输出接口的连通，从而按时序依次切换不同的传感阵列基元组。
2.根据权利要求1所述的用于大规模传感阵列的吸收光谱测量控制系统，其特征在于，所述激光器控制模块包括激光器驱动器和半导体激光器，所述激光器驱动器驱动所述半导体激光器输出激光。
3.根据权利要求1所述的用于大规模传感阵列的吸收光谱测量控制系统，其特征在于，所述系统还包括多个光纤分束器，所述每个输出光纤端口通过所述光纤分束器与每个对应的传感阵列基元组中的多个所述传感阵列基元连接。
4.根据权利要求1或3所述的用于大规模传感阵列的吸收光谱测量控制系统，其特征在于，所述系统还包括多个光纤耦合器，所述被测流场的光电信号通过所述光纤耦合器耦合后，传输至所述解调模块。
5.根据权利要求1所述的用于大规模传感阵列的吸收光谱测量控制系统，其特征在于，所述解调模块包括多个光电探测器和数字信号采集卡，所述光电探测器接收所述被测流场的光电信号，并将其传输给所述数字信号采集卡转换为数字信号。
6.根据权利要求5所述的用于大规模传感阵列的吸收光谱测量控制系统，其特征在于，所述解调模块还包括任意信号发射电路，所述任意信号发射电路通过标准网络接口与服务器通信。
7.根据权利要求5所述的用于大规模传感阵列的吸收光谱测量控制系统，其特征在于，所述光电探测器的数量与每个传感阵列基元组中的所述传感阵列基元的数量相等。
8.根据权利要求1所述的用于大规模传感阵列的吸收光谱测量控制系统，其特征在于，所述传感阵列基元的数量X＝M×N；
其中：M是每个传感阵列基元组内包括的传感阵列基元的个数；
N是光纤光路开关模块的输出光纤端口个数。
9.根据权利要求2所述的用于大规模传感阵列的吸收光谱测量控制系统，其特征在于，所述半导体激光器设置为一个或多个。
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