CN112325911B - 硅基微环脉冲编码时分复用动态波长解调方法 - Google Patents
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Abstract
一种硅基微环脉冲编码时分复用动态波长解调方法，通过对宽谱光采用声光调制进行脉冲编码后发送到FBG传感器，经光纤耦合器将FBG反射信号耦合至微环滤波器芯片，通过对微环滤波器芯片施加热扰动信号实现调制，再接收端通过光电探测得到的电信号采用斜率辅助的微环滤波解调算法进行传感信号的提取。本发明采用微环滤波器来检测FBG传感器对布拉格波长漂移，实现硅基集成的时分复用FBG传感器的信号解调。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种光通信领域的技术，具体是一种用于光纤光栅传感器的硅基微环脉冲编码时分复用动态波长解调方法，可应用于编码脉冲传感系统中多个时分复用通道的集成传感信号提取。
背景技术
光纤传感系统由光学传感器及传感信号检测系统两部分组成。现有的光传感检测系统由分立器件构成，但其缺点在于体积大、成本高。现有主流的集成化FBG传感检测系统主要基于光谱分析法、干涉法和滤波法，但由于受关键器件的尺寸与系统解调方法，光谱分析法和干涉法的可扩展性较差，而滤波法的精度难以满足应用需求。
经过对现有技术的检索发现，文献“Fiber Bragg grating interrogation usinga micro-ring resonator tunable filter with peak wavelength detectionenhancement”(基于峰值波长检测增强的微环谐振器可调谐滤波器的光纤布拉格光栅解调，《Proceeding of SPIE》，Conference:SPIE Sensing Technology+Applications 2015)中公开了一种基于微环滤波器的集成FBG解调系统，其波长精度为50pm。但该技术无法实现动态测试。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种硅基微环脉冲编码时分复用动态波长解调方法，采用微环滤波器来检测FBG传感器对布拉格波长漂移，实现硅基集成的时分复用FBG传感器的信号解调。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种硅基微环脉冲编码时分复用动态波长解调方法，对宽谱光采用声光调制进行脉冲编码后发送到FBG传感器，经光纤耦合器将FBG反射信号耦合至微环滤波器芯片，通过对微环滤波器芯片施加热扰动信号实现调制，再接收端通过光电探测得到的电信号采用斜率辅助的微环滤波解调算法进行传感信号的提取。
所述的斜率辅助的微环滤波解调算法，利用FBG反射信号经过微环滤波器的后幅度变化的速度来解调传感信号，具体为：由于FBG反射光信号在微环滤波器处受到热扰动信号调制，对接收编码信号进行互相关运算后，计算一个扰动调制周期内相关函数的两个相关峰峰值之差以得到信号幅度变化的斜率，并将该斜率作为误差信号以检测FBG传感器的布拉格波长变化，根据预先测试的误差信号与随波长变化的函数关系，进而解调出传感信号。
所述的热扰动信号的周期优选为编码周期的两倍，幅值优选为600mV峰峰值，同时施加300mV直流偏置以保证信号保持为正电压。
所述的误差信号与随波长变化的函数关系具体是指：误差信号∈＝(R(t'2)-R(t'1))/(t'2-t'1)，其中：t'1，t'2为接收信号互相关函数取峰值的时刻，R(t'1)和R(t'2)为对应时刻相关峰的峰值。
本发明涉及一种实现上述方法的基于微环滤波器的解调系统，利用微环滤波器的波长选择特性来检测FBG传感器的布拉格波长变化，具体体现为接收信号的幅度大小变化。同时，接收到的编码信号进行互相关函数的峰值大小也会随着布拉格波长变化而变化，该系统包括：宽带光源、声光调制器、传感器阵列、光纤耦合器、掺铒光纤放大器、微环滤波器芯片、光电探测器、任意波形发生器和数据采集卡。
技术效果
与现有技术相比，本发明通过扰动信号对FBG反射的编码脉冲信号进行幅度调整，并通过相关函数相关峰值计算一个扰动周期幅度变化的斜率以检测布拉格波长的变化，利用信号相关函数的相关峰具有与延时量相同时间间隔的特性以实现时分复用，采用该方式实现时分复用的效果是相较于传统的时分复用系统并达到亚皮米量级的波长准确度和
的动态应变分辨率，将系统精度从现有技术水平提高了约两个数量级。
附图说明
图1为本发明基于光脉冲编码的脉冲压缩时分复用系统原理图；
图中A、B1、B2、C是指：原始宽谱光源编码脉冲、第一FBG、第二FBG的反射编码光脉冲和两路合并后的编码光脉冲；
图2为本发明中斜率辅助微环滤波解调法示意图；
图3(a)为实施例系统实现示意图，图3(b)为单极性格雷编码示意图，图3(c)为单极性格雷码解码原理示意图；
图4为接收编码信号互相关函数示意图；
图中：(a)为互补格雷码Ga码互相关函数，(b)为互补格雷码Gb码互相关函数，(c)为Ga，Gb码互相关函数之和；
图5为施加偏置电压对微环进行谐振波长扫描获得的两个TDM通道误差信号与波长的函数关系曲线；
图6(a)为FBG应变传感实验中通道1应变信号时域测量结果示意图，图6(b)为FBG应变传感实验中通道2应变信号时域测量结果示意图，图6(c)为两个通道测量应变测量结果功率谱密度估计示意图；
图7为FBG未施加应变信号时静态实验测量结果示意图；
图中：(a)为通道1静态测量结果，波长测量标准差为0.7103pm，(b)为通道1静态测量结果，波长测量标准差为0.6729pm。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及一种基于光脉冲编码的脉冲压缩时分复用系统，包括：宽带编码光脉冲发生单元、集成化的解调单元以及与之通过第一光纤L1相连的第一FBG和通过延时光纤L3相连的第二FBG，其中：原始宽谱光源编码脉冲经过光纤耦合器分光后分别输入至不同通道的FBG传感器，延时光纤对第二FBG的反射信号增加延时，光纤耦合器将反射脉冲输入至基于微环滤波器的解调系统。
所述的第一FBG和第二FBG参数相同，通过延时光纤实现不同时延；如图可见：经过两个FBG传感器的反射编码脉冲经过不同长度的延时光纤传输后，其相关函数的相关峰在时间上具有相同大小的延迟以实现时分复用区分不同的TDM通道。
如图2所示，为所述的斜率辅助微环滤波解调法效果示意图，该方法利用相邻两个周期的编码信号互相关函数的峰值差计算相关峰大小的变化斜率，通过检测这个斜率的值恢复传感信号，以相关峰峰值作为测量对象，利用编码引入的编码增益从而提高系统探测的信噪比，具体为：利用FBG的反射光信号在微环滤波器处受到热扰动信号调制，该微环滤波器上施加有扰动周期为编码信号周期的两倍的热扰动信号，对接收编码信号进行互相关运算后，提取一个扰动调制周期内相关函数的两个相关峰峰值之差用于计算信号幅度变化的斜率，并将其作为误差信号以检测FBG传感器的布拉格波长变化，根据预先测试的误差信号与随波长变化的函数关系，进而解调出传感信号。
所述的误差信号∈＝(R(t'2)-R(t'1))/(t'2-t'1)，其中：t'1，t'2为接收信号互相关函数取峰值的时刻，R(t'1)和R(t'2)为对应时刻相关峰的峰值。
图2上半部分为误差信号随着光波长变化的关系示意图。
如图3(a)所示，为本实施例涉及的基于微环的编码时分复用FBG传感器解调系统：包括：宽带光源、声光调制器AOM、FBG传感器阵列、光纤耦合器、掺铒光纤放大器EDFA、具备输入输出耦合光栅与热调谐功能的微环滤波器芯片、光电探测器PD、任意波形发生器AWG和数据采集卡DAQ，其中：宽带光源输出C波段的宽带光，声光调制器AOM根据任意波形发生器输出的编码信号对宽带光进行调制处理得到编码光脉冲并输出至FBG传感器阵列，FBG传感器阵列将其布拉格波长附近其带宽范围内的光反射，经光纤耦合器输出至掺铒光纤放大器EDFA，EDFA对FBG传感器阵列的反射编码光脉冲进行放大并输出至微环滤波器芯片，微环光滤波器芯片根据收到的偏置电压后改变微环滤波器的谐振波长，并根据任意波形发生器的热扰动信号对编码光脉冲进一步调制并输出至光电探测器PD，光电探测器PD将编码光脉冲转换为电信号并输出至数据采集卡，任意波形发生器AWG根据编码信息、热扰动信号与所需的直流偏置电压处理得到对应的电信号并分别输出至声光调制器与微环滤波器芯片，数据采集卡DAQ将光电探测器PD输出的电信号采集存储下来并输出至后续的信号解码单元。
如图3(b)所示，为上述AOM对宽带光进行调制编码所用的单极性互补格雷编码序列的四组码元，适用于只有正幅值的光信号的格雷编码技术，即单极性互补格雷编码技术，实现方式是对双极型互补格雷码施加直流偏置，使所有码元均为非负值。
所述的脉冲编码码型为单极性互补格雷码，其互相关函数为码元Ga，Gb互相关函数之和。
如图3(c)所示，为在数据采集卡DAQ采集到电信号后，进行单极性互补格雷码解码计算互相关函数，对采集到的电信号根据码元分为四组，两两之间相减得到双极型互补格雷码后分别计算其互相关函数，相加后得到最终所需的相关函数结果，图中可见该相关函数为一个脉冲信号。
所述的格雷码码元速率为1MHz，4组单极性互补格雷码码元总长度为256bit，编码周期为3.906kHz。
所述的正弦扰动信号的频率为1.953kHz。
所述的数据采集卡采样率为100MSa/s。
所述的编码信号互相关函数计算通过数字信号处理完成。
如图4所示，为通过以上技术得到的编码信号互相关函数，其中(a)为码元Ga的互相关函数，(b)为码元Gb的互相关函数，(c)为Ga，Gb两组码元互相关函数之和。
如图5所示，为本实施例通过以上技术得到的时分复用通道1和通道2误差信号与波长变化关系曲线，其线性区域为系统解调传感信号的工作范围，换算成应变单位后，通道1工作范围为±70με，通道2工作范围为±87με。
如图6所示，为本实施例通过以上技术进行两通道时分复用应变传感信号解调的结果，图中：(a)通道1解调应变时域信号，(b)通道2解调应变时域信号，(c)通道1和通道2应变信号的功率谱密度估计。如图可见，通道1的应变信号为90Hz正弦信号，通道2的应变信号为70Hz的正弦信号。从二者功率谱密度可以得出其具有相同的噪底上边界，对应的动态应变分辨率为
如图7所示，为不对FBG传感器施加应变信号时的静态测量结果，图中：(a)为通道1的静态测量结果，(b)为通道2的静态测量结果。对静态测量结果计算其标准差可以用来估计系统的波长测量准确度，其中：通道1的波长准确度约为0.71pm，通道2的波长准确度为0.67pm。
与现有技术相比，本发明编码带来的信噪比提升，使得系统动态应变分辨率于波长检测精度得到提升，具体提升量为编码长度以2为底的对数值。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (4)
1.一种硅基微环脉冲编码时分复用动态波长解调方法，其特征在于，对宽谱光采用声光调制进行脉冲编码后发送到FBG传感器，经光纤耦合器将FBG反射信号耦合至微环滤波器芯片，通过对微环滤波器芯片施加热扰动信号实现调制，再接收端通过光电探测得到的电信号采用斜率辅助的微环滤波解调算法进行传感信号的提取；
所述的斜率辅助的微环滤波解调算法，利用FBG反射信号经过微环滤波器的后幅度变化的速度来解调传感信号；
所述的斜率辅助的微环滤波解调算法，具体为：由于FBG反射光信号在微环滤波器处受到热扰动信号调制，对接收编码信号进行互相关运算后，计算一个扰动调制周期内相关函数的两个相关峰峰值之差以得到信号幅度变化的斜率，并将该斜率作为误差信号以检测FBG传感器的布拉格波长变化，根据预先测试的误差信号与随波长变化的函数关系，进而解调出传感信号；
所述的误差信号与随波长变化的函数关系具体是指：误差信号∈＝(R(t′2)-R(t′1))/(t′2-t′1)，其中：t′1，t′2为接收信号互相关函数取峰值的时刻，R(t′1)和R(t′2)为对应时刻相关峰的峰值。
2.根据权利要求1所述的硅基微环脉冲编码时分复用动态波长解调方法，其特征是，所述的热扰动信号的周期为编码周期的两倍，幅值为600mV峰峰值，同时施加300mV直流偏置以保证信号保持为正电压。
3.一种实现权利要求1或2所述方法的基于微环滤波器的解调系统，其特征在于，包括：宽带光源、声光调制器、传感器阵列、光纤耦合器、掺铒光纤放大器、具备输入输出耦合光栅与热调谐功能的微环滤波器芯片、光电探测器、任意波形发生器和数据采集卡，其中：宽带光源输出波段的宽带光，声光调制器根据任意波形发生器输出的编码信号对宽带光进行调制处理得到编码光脉冲并输出至传感器阵列，传感器阵列将其布拉格波长附近其带宽范围内的光反射，经光纤耦合器输出至掺铒光纤放大器，对传感器阵列的反射编码光脉冲进行放大并输出至微环滤波器芯片，微环光滤波器芯片根据收到的偏置电压后改变微环滤波器的谐振波长，并根据任意波形发生器的热扰动信号对编码光脉冲进一步调制并输出至光电探测器，光电探测器将编码光脉冲转换为电信号并输出至数据采集卡，任意波形发生器根据编码信息、热扰动信号与所需的直流偏置电压处理得到对应的电信号并分别输出至声光调制器与微环滤波器芯片，数据采集卡将光电探测器输出的电信号采集存储下来并输出至后续的信号解码单元。
4.根据权利要求3所述的基于微环滤波器的解调系统，其特征是，所述的编码光脉冲的编码码型为单极性互补格雷码，其互相关函数为码元Ga，Gb互相关函数之和；
所述的数据采集卡采集到电信号后，进行单极性互补格雷码解码计算互相关函数，对采集到的电信号根据码元分为四组，两两之间相减得到双极型互补格雷码后分别计算其互相关函数，相加后得到最终所需的相关函数结果；
所述的相关函数为一个脉冲信号。
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| GR01 | Patent grant | ||
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