CN111811552B - 一种解决波长双峰问题的光纤光栅传感解调系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种解决波长双峰问题的光纤光栅传感解调系统，包括：解调中心以及与所述解调中心通过光缆连接的匹配组合模式的光纤光栅组；所述解调中心包括：服务器和解调单元，当所述解调单元发射的探测光的反射光经过解调后得到的光波信号总数目多于所述实际安装的光栅光纤传感器数目时，则判定为光纤光栅中心波长裂变为两个波峰波长，通过所述服务器得到双峰波长的位置，对两个波峰波长求均值,得到原始的光纤光栅中心波长。光纤光栅传感器，将反射光的光功率限定在所述解调中心的输入光功率范围之内，能够大量减少波长双峰的数量。本发明将波长双峰还原为携带可靠信息的单峰波长，从而准确测量光纤光栅携带的物理变化量。

Description

一种解决波长双峰问题的光纤光栅传感解调系统
技术领域
本发明涉及光纤光栅传感解调技术领域，具体而言，涉及一种解决波长双峰问题的光纤光栅传感解调系统。
背景技术
随着互联网技术的发展，近年来，随着我国基础设施建设和大型生产活动的不断开展，出现越来越多的场合对各种参量的监测手段提出新的要求，其中光纤传感技术凭借光纤布拉格光栅传感器以其应用过程中的无源性、本质安全性、抗电磁干扰、易于组网等特性在实际应用中展现了更多优势与关注。FBG传感器对被测物体的物理参量敏感性体现在其反射光信号中心波长的漂移上，在此特性基础上，FBG可以根据不同传感物理量特点，运用某些方式进行封装，对温度，压力，位移等多种待测量进行感知。这种FBG传感方法能够实用化的关键技术是通过FBG解调技术对其中心波长的微小漂移进行准确测量，解调技术的本质就是将携带特定波长信息的光信号，转换为光信号波长值的技术。
尽管目前的解调技术方案较为成熟，但在实际应用情况中，对于已采用的某种FBG传感解调系统，FBG传感器的反射光信号可能由于光功率偏大在该解调系统上出现波长双峰的情况。通常情况下，FBG解调系统中的解调算法会将该FBG的双峰解调为两个中心波长，直接导致FBG的原始中心波长丢失。因此，波长双峰的问题将对光纤传感系统造成严重的影响，无法准确测量FBG携带的物理变化量等信息。
发明内容
本发明的目的在于提供一种解决波长双峰问题的光纤光栅传感解调系统，能够解决上述提到的至少一个技术问题。
根据本发明的具体实施方式，本发明提供一种解决波长双峰问题的光纤光栅传感解调系统，包括：
解调中心以及与所述解调中心通过光缆连接的匹配组合模式的光纤光栅组；
所述解调中心包括：服务器和解调单元，其中，所述解调单元用于将所述匹配组合模式的光纤光栅组测量的光信号进行解调；所述服务器用于对所述解调单元解调得到的光信号进行计算，得到原始的光纤光栅中心波长，具体为，将所述解调单元发射的探测光的反射光经过解调后得到的光波信号总数目与实际安装的光纤光栅传感器数目相比较，当所述解调单元发射的探测光的反射光经过解调后得到的光波信号总数目多于所述实际安装的光纤光栅传感器数目时，则判定为光纤光栅中心波长裂变为两个波峰波长，通过所述服务器得到双峰波长所在的光纤光栅传感器的位置，对两个波峰波长求均值,得到原始的光纤光栅中心波长；
所述匹配组合模式的光纤光栅组包括多个光纤光栅传感器，每个测量点至少搭配一个光纤光栅传感器，所述多个光纤光栅分别按照到所述解调中心的距离由近及远依次串联分布，用于将反射光的光功率限定在所述解调中心的输入光功率范围之内。
可选的，所述每个测量点至少搭配一个光纤光栅传感器，包括：
近端点搭配光纤光栅传感器的反射率低，远端点搭配光纤光栅传感器的反射率高，同一个测量点搭配的光纤光栅传感器的反射率相同，其中,近端点是测量点到服务站的损耗小的地点,远端点是测量点到服务站的损耗大的地点。
可选的，所述测量点到服务站的损耗，包括：
通过0.2dbm/km的光纤损耗系数计算所述测量点到服务站的光路损耗。
可选的，所述光纤光栅中心波长裂变为两个波峰波长的判定，包括：
通过波长功率和波长间隔来判定所述光纤光栅中心波长裂变为两个波峰波长。
可选的，所述通过波长功率和波长间隔来判定，包括：
对于所述解调单元得到的一组初始波长w1，w2，…，wn，其中，n表示自然数；
a)从w1开始，计算波长w1与波长w2的波长值之差的绝对值；
b)分别记录波长w1与波长w2的功率值大小；
c)当|w1-w2|<W0且p1，p2>p0时判定为双峰，其中，W0是双峰波长间隔，p1是波长w1的功率，p2是波长w2的功率，p0是阈值；
d)循环a)、b)、c)，直至最后一个波长结束。
可选的，所述光纤光栅中心波长裂变为两个波峰波长，所述两个波峰之间的波长值小于等于0.5nm。
可选的，所述阈值，包括：
根据所述解调单元首次测量观察所有初始波长的功率值，在出现双峰波长的功率中的最小值和未出现双峰的波长的功率的最大值之间进行取值。
可选的，所述通过所述服务器得到双峰波长的位置，对两个波峰波长求均值,得到原始的光纤光栅中心波长，包括：
当满足所述|w1-w2|<W0且p1，p2>p0条件时，得到双峰位置；
对w1和w2求均值，得到原始的光纤光栅传感器中心波长。
可选的，所述求均值的计算式如下：
W＝(w1+w2)/2
其中，W是均值,原始的光纤光栅传感器中心波长。
本发明实施例的上述方案与现有技术相比，至少具有以下有益效果：
本发明提供了一种光纤解决波长双峰问题的光栅传感解调系统，包括：解调中心以及与所述解调中心通过光缆连接的匹配组合模式的光纤光栅组；所述解调中心包括：服务器和解调单元，当所述解调单元发射的探测光的反射光经过解调后得到的光波信号总数目多于所述实际安装的光栅光纤传感器数目时，则判定为光纤光栅中心波长裂变为两个波峰波长，通过所述服务器得到双峰波长的位置，对两个波峰波长求均值,得到原始的光纤光栅中心波长。光纤光栅传感器，将反射光的光功率限定在所述解调中心的输入光功率范围之内，能够大量减少波长双峰的数量。本发明将波长双峰还原为携带可靠信息的单峰波长，从而准确测量光纤光栅携带的物理变化量。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1示出了根据本发明实施例的一种解决波长双峰问题的光纤光栅传感解调系统示意图；
图2示出了根据本发明实施例的一种光纤光栅的匹配组合模式示意图；
图3示出了根据本发明实施例的一种解决波长双峰问题的光纤光栅传感解调系统的双峰优化算法设计流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
取决于语境，如在此所使用的词语“如果”、“若”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。
下面结合附图详细说明本发明的可选实施例。
实施例1
图1是本发明提供的一种解决波长双峰问题的光纤光栅传感解调系统，包括：解调中心以及与所述解调中心通过光缆连接的匹配组合模式的光纤光栅组；
所述解调中心包括：服务器和解调单元，其中，解调单元用于将所述匹配组合模式的光纤光栅组测量的光信号进行解调；所述服务器用于对所述解调单元解调得到的光信号进行计算，得到原始的光纤光栅中心波长，即最后一种解决波长双峰问题的光纤光栅传感解调系统的双峰优化算法对解调结果进行处理，得到所有FBG传感器的中心波长值。
其中，FBG是全称为Fiber Bragg Grating，即光纤布拉格光栅简称光纤光栅。
具体为，将所述解调单元发射的探测光的反射光经过解调后得到的光波信号总数目与实际安装的光栅光纤传感器数目相比较，当所述解调单元发射的探测光的反射光经过解调后得到的光波信号总数目多于所述实际安装的光栅光纤传感器数目时，则判定为光纤光栅中心波长裂变为两个波峰波长，通过所述服务器得到双峰波长的位置，对两个波峰波长求均值,得到原始的光纤光栅中心波长；
其中，通过所述服务器得到双峰波长的位置，例如m个测量点分别编号1、2、3…m，并且将每个测量点上的光纤光栅传感器都分别编号，每个测量点的编号与其上的光纤光栅传感器的编号都有相对应的关系，将两种编号与相应关系都存储到服务器数据库中，当判定为光纤光栅中心波长裂变为两个波峰波长时，服务器就能够准确判断出双峰波长所在的光纤光栅传感器的位置。
其中，求均值，包括：
当满足所述|w1-w2|<W0且p1，p2>p0条件时，得到双峰位置；
对w1和w2求均值，得到原始的光纤光栅传感器中心波长。
求均值的计算式如下：
W＝(w1+w2)/2
其中，W是均值,原始的光纤光栅传感器中心波长。
所述匹配组合模式的光纤光栅组包括多个光纤光栅传感器，每个测量点至少搭配一个光纤光栅传感器，所述多个光纤光栅分别按照到所述解调中心的距离由近及远依次串联分布，用于将反射光的光功率限定在所述解调中心的输入光功率范围之内。
其中，每个相同测量点至少搭配一个光纤光栅传感器，例如一个测量点搭配一个或多个光纤光栅传感器。
其中，光纤光栅是光纤布拉格光栅的简称；将反射光的光功率限定在所述解调单元的输入光功率范围之内，是因为光纤光栅传感器的反射光信号会由于光功率偏大在该解调系统上出现大量波长双峰的情况，因此，本发明采用在光纤光栅的匹配组合模式下将反射回来的信号光的最大的光功率限定在一种解决波长双峰问题的光纤光栅传感解调系统的输入光功率范围之内，能够大量减少波长双峰的数量。
图2是一种光纤光栅的匹配组合模式示意图。在光纤光栅解调单元的有效监测距离内，从光纤光栅解调系统的服务站开始，同一个测量点，搭配具有相同反射率的光纤光栅传感器。反射率的选择根据光纤布拉格光栅传感器测量点到服务站的光缆线路长度并用0.2dbm/km的光纤损耗系数计算每个测量点到服务站的光路损耗大小确定，为近端点搭配低反射率的FBG传感器，为远端点搭配高反射率的FBG传感器。FBG传感器的反射率在每个测量点的分布总体上随着距离变大而增大。
其中，同一个测量点搭配一个相同反射率的光纤光栅传感器，所述多个光纤光栅传感器按照到服务站点的距离由近及远依次串联分布；近端点是测量点到服务站的损耗小的地点，远端点是测量点到服务站的损耗大的地点。
图3是一种解决波长双峰问题的光纤光栅传感解调系统的双峰优化算法设计流程图。光纤光栅传感解调系统对FBG传感器反射光解调后得到波长，首先通过数据库中光纤光栅波长配置信息表数据对FBG的波长总数目检验，当解调得到的波长总数目多于实际安装在各个测量点的FBG数目时，即将解调单元发射的探测光的反射光经过解调后得到的波长总数目与实际安装的光栅光纤传感器数目相比较：
a、当前者等于后者时，则输出初始波长数据，即输出解调单元发射的探测光的反射光经过解调后得到的波长。
b、当前者大于后者时,则判定为双峰，则通过服务器找到双峰所在的测量点的传感器的位置，对个波峰波长求均值得到原始光纤光栅中心波长，将此均值作为优化后的波长数据输出，即一种解决波长双峰问题的光纤光栅传感解调系统的双峰优化算法结束。
例如,当解调单元发射的探测光的反射光经过解调后得到的波长总数目为100,实际安装的光栅光纤传感器数目为90时,则判定为10个光纤光栅中心波长裂变为两个波峰波长。
通过波长功率和波长间隔两个参数维度判断FBG中心波长裂变为两个波峰波长，得到双峰波长的位置，对两个波峰波长求均值得到原始的FBG中心波长。
其中，通过波长功率和波长间隔来判定所述光纤光栅中心波长裂变为两个波峰波长，得到双峰波长的位置，包括：
对于所述解调单元得到的一组初始波长w1，w2，…，wn，其中，n表示自然数；
a)从w1开始，计算波长w1与波长w2的波长值之差的绝对值；
b)分别记录波长w1与波长w2的功率值大小；
c)当|w1-w2|<W0且p1，p2>p0时判定为双峰，其中，W0是双峰波长间隔，p1是波长w1的功率，p2是波长w2的功率，p0是阈值；
其中，双峰是光纤光栅中心波长裂变为两个波峰波长，所述两个波峰之间的波长值小于等于0.5nm。
其中，判定为双峰之后，通过服务器计算得到双峰波长所在的光纤光栅传感器的位置，对两个波峰波长求均值,得到原始的光纤光栅中心波长。其中，所述阈值，根据所述解调单元首次测量观察所有初始波长的功率值，在出现双峰波长的功率中的最小值和未出现双峰的波长的功率的最大值之间进行取值。
d)循环a)、b)、c)，直至最后一个波长结束。
本发明提供了一种解决波长双峰问题的光纤光栅传感解调系统，包括：解调中心以及与所述解调中心通过光缆连接的匹配组合模式的光纤光栅组；所述解调中心包括：服务器和解调单元，当所述解调单元发射的探测光的反射光经过解调后得到的光波信号总数目多于所述实际安装的光栅光纤传感器数目时，则判定为光纤光栅中心波长裂变为两个波峰波长，通过所述服务器得到双峰波长的位置，对两个波峰波长求均值,得到原始的光纤光栅中心波长。光纤光栅传感器，将反射光的光功率限定在所述解调中心的输入光功率范围之内，能够大量减少波长双峰的数量；本发明将波长双峰还原为携带可靠信息的单峰波长，从而准确测量光纤光栅携带的物理变化量。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种解决波长双峰问题的光纤光栅传感解调系统，其特征在于，包括：解调中心以及与所述解调中心通过光缆连接的匹配组合模式的光纤光栅组；
所述解调中心包括：服务器和解调单元，其中，所述解调单元用于将所述匹配组合模式的光纤光栅组测量的光信号进行解调；所述服务器用于对所述解调单元解调得到的光信号进行计算，得到原始的光纤光栅中心波长，具体为，将所述解调单元发射的探测光的反射光经过解调后得到的光波信号总数目与实际安装的光纤光栅传感器数目相比较，当所述解调单元发射的探测光的反射光经过解调后得到的光波信号总数目多于所述实际安装的光纤光栅传感器数目时，则判定为光纤光栅中心波长裂变为两个波峰波长，通过所述服务器得到双峰波长所在的光纤光栅传感器的位置，对两个波峰波长求均值,得到原始的光纤光栅中心波长；
所述匹配组合模式的光纤光栅组包括多个光纤光栅传感器，每个测量点至少搭配一个光纤光栅传感器，所述多个光纤光栅传感器分别按照到所述解调中心的距离由近及远依次串联分布，用于将反射光的光功率限定在所述解调中心的输入光功率范围之内。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述每个测量点至少搭配一个光纤光栅传感器，包括：
近端点搭配光纤光栅传感器的反射率低，远端点搭配光纤光栅传感器的反射率高，同一个测量点搭配的光纤光栅传感器的反射率相同，其中,近端点是测量点到服务器的损耗小的地点,远端点是测量点到服务器的损耗大的地点。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述测量点到服务器的损耗，包括：
通过0.2dbm/km的光纤损耗系数计算所述测量点到服务器的光路损耗。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光纤光栅中心波长裂变为两个波峰波长的判定，包括：
通过波长功率和波长间隔来判定所述光纤光栅中心波长裂变为两个波峰波长。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述通过波长功率和波长间隔来判定，包括：
对于所述解调单元得到的一组初始波长w1，w2，…，wn，其中，n表示自然数；
a)从w1开始，计算波长w1与波长w2的波长值之差的绝对值；
b)分别记录波长w1与波长w2的功率值大小；
c)当|w1-w2|<W0 且 p1，p2>p0时判定为双峰，其中，W0是双峰波长间隔，p1是波长w1的功率，p2是波长w2的功率，p0是阈值；
d)循环a）、b）、c），直至最后一个波长结束。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述光纤光栅中心波长裂变为两个波峰波长，所述两个波峰之间的波长值小于等于0.5nm。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述阈值，包括：
根据所述解调单元首次测量观察所有初始波长的功率值，在出现双峰波长的功率中的最小值和未出现双峰的波长的功率的最大值之间进行取值。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述通过所述服务器得到双峰波长的位置，对两个波峰波长求均值,得到原始的光纤光栅中心波长，包括：
当满足所述|w1-w2|<W0 且 p1，p2>p0条件时，得到双峰位置；
对w1和w2求均值，得到原始的光纤光栅中心波长。
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