CN112702115A - 一种温度调制多光谱矩阵的光纤编码识别系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种温度调制多光谱矩阵的光纤编码识别系统及方法，系统包括：可调谐激光模块组，由多个不同波长段的可调谐激光模块组成，每个可调谐激光模块皆包括发光芯片和温度调制装置；波分复用器；环形器；光纤，光纤上设置有光纤编码；APD光电采集器；AD采集卡；主控制器。本实施例多个可调谐激光模块逐个轮巡发光，配合APD光电采集器与AD采集卡，采集频率为传统波长探测器的40倍以上，且能一次完成单个中心波长的光源在光纤链路全程的反射信号采集，在成本更低的条件下实现光纤编码的更快识别。结合温度调制装置作用于发光芯片实现单个光源中心波长的多个变化，提高光纤编码识别精度。

Description

一种温度调制多光谱矩阵的光纤编码识别系统及方法
技术领域
本发明涉及光纤通讯领域，特别涉及一种温度调制多光谱矩阵的光纤编码识别系统及方法。
背景技术
在光纤通讯领域，光纤编码光纤编码作为光纤介质唯一识别的一种技术手段，是由多个不同波长的光纤光栅组成的，光纤编码识别系统是准确识别其光纤光栅波长的光学检测系统。现有光纤编码识别系统主要使用波长探测器(AD采集卡)单次采集时间长，且使用的主要光波为非通信波长，单个激光器所发出的中心波长光波带宽过大，造成识别精度不够。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种温度调制多光谱矩阵的光纤编码识别系统及方法，可实现高精度快速采集反射信号以及光纤编码识别。
根据本发明第一方面实施例的一种温度调制多光谱矩阵的光纤编码识别系统，包括：可调谐激光模块组，由多个不同波长段的可调谐激光模块组成，每个所述可调谐激光模块皆包括不同波长段的发光芯片和温度调制装置，所述温度调制装置用于调制所述发光芯片的中心波长；波分复用器，其输入端分别与所述多个不同波长段的可调谐激光模块连接以实现可调谐激光模块组的波长耦合；环形器，所述环形器具有第一端口、第二端口、第三端口，所述第一端口与所述波分复用器的输出端连接；光纤，所述光纤输入端与所述环形器的第二端口连接，所述光纤上设置有光纤编码；APD光电采集器，与所述环形器的第三端口连接以接收光纤编码回传的光波信号并转换成电平信号；AD采集卡，与所述APD光电采集器的输出端连接以用于将所述APD光电采集器的电平信号转换成数字信号并反馈至主控制器；主控制器，分别与所述可调谐激光模块组、APD光电采集器、AD采集卡电性连接，用于控制所述可调谐激光模块组的各个可调谐激光模块轮巡发光以实现光纤编码的识别。
根据本发明第一实施例的温度调制多光谱矩阵的光纤编码识别系统，至少具有如下有益效果：本实施例利用不同中心波长的多个可调谐激光模块逐个轮巡发光，配合APD光电采集器与AD采集卡组成的快速识别模块，采集频率为传统波长探测器的40倍以上，且能一次完成单个中心波长的光源在光纤链路全程的反射信号采集，在成本更低的条件下实现光纤编码的更快识别；此外，结合温度调制装置作用于发光芯片实现单个光源中心波长的多个变化，实现单个光源发送不同中心波长的光波，提高光纤编码识别精度。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述温度调制装置包括驱动控制模块、温度传感器和半导体制冷片，所述驱动控制模块分别与所述主控制器、发光芯片、温度传感器和半导体制冷片电性连接，且所述温度传感器和半导体制冷片皆贴附于所述发光芯片表面。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述的温度调制多光谱矩阵的光纤编码识别系统还包括设置在所述APD光电采集器与AD采集卡之间的放大器。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述可调谐激光模块组采用DFB激光器。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述主控制器采用FPGA。
根据本发明第二方面实施例的一种温度调制多光谱矩阵的光纤编码识别方法，包括以下步骤：S100、由主控制器输出脉冲驱动指令给可调谐激光模块组的第一个可调谐激光模块，启动时间为t0，脉冲宽度为t；其中，每一个所述可调谐激光模块采用一个大小不同的中心波长，分别对应光纤编码的不同码元；S200、第一个可调谐激光模块输出一个中心波长的脉冲光波至波分复用器、环形器、含有光纤编码的待测光纤；S300、由主控制器控制APD光电采集器启动以接收反射光波信号并转换成模拟电平信号，开启时间为t0，实现单个中心波长的脉冲光波在待测光纤全程的反射光波信号波长及能量采集；S400、利用AD采集卡将APD光电采集器采集的模拟电平信号转换成数字信号并反馈至所述主控制器；S500、主控制器根据采集到的数字信号计算出光纤中每一个点的能量值以及第一个可调谐激光模块对应的光纤编码反射波长；S600、对所述第一个可调谐激光模块进行至少两次温度调制以改变输出的中心波长，重复上述S100至S500步骤以完成第一个码元中心波长附近多光谱波长的测试；S700、按顺序控制其余可调谐激光模块逐一发光，重复上述S100至S600步骤采集不同码元对应的波长及能量，从而实现光纤编码的完整识别。
根据本发明第二方面实施例的温度调制多光谱矩阵的光纤编码识别方法，至少具有如下有益效果：本实施例利用不同中心波长的多个可调谐激光模块逐个轮巡发光，配合APD光电采集器与AD采集卡组成的快速识别模块，采集频率为传统波长探测器的40倍以上，且能一次完成单个中心波长的光源在光纤链路全程的反射信号采集，在成本更低的条件下实现光纤编码的更快识别；此外，结合温度调制装置作用于发光芯片实现单个光源中心波长的多个变化，实现单个光源发送不同中心波长的光波，提高光纤编码识别精度。
根据本发明第二方面的一些实施例，所述可调谐激光模块组由多个可调谐激光模块组成，每个所述可调谐激光模块的光谱为其中心波长±0.5nm。
根据本发明第二方面的一些实施例，所述脉冲宽度t＝k*t00，其中t00为基准脉宽宽度，k为与所测量最大距离关联的指定系数。
根据本发明第二方面的一些实施例，所述APD光电采集器的采集时间间隔为t11，每一个采集点的采集时间为m*t11，m为采集点序号，其中，t11＝t00*k。
根据本发明第二方面的一些实施例，所述温度调制的温差间隔为2摄氏度。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例的光纤编码识别系统原理图；
图2为本发明实施例的可调谐激光模块原理图；
图3为本发明实施例的光纤编码识别方法流程图。
附图标记：
可调谐激光模块组100、发光芯片110、驱动控制模块120、温度传感器130
和半导体制冷片140
波分复用器200、环形器300、光纤400、光纤编码410、APD光电采集器500、AD采集卡600、主控制器700、放大器800。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参考图1所示，为本技术方案实施例的一种温度调制多光谱矩阵的光纤编码识别系统，包括：可调谐激光模块组100，由多个不同波长段的可调谐激光模块组成，每个所述可调谐激光模块皆包括不同波长段的发光芯片110和温度调制装置，所述温度调制装置用于调制所述发光芯片的中心波长；波分复用器200，其输入端分别与所述多个不同波长段的可调谐激光模块连接以实现可调谐激光模块组100的波长耦合；环形器300，所述环形器300具有第一端口、第二端口、第三端口，所述第一端口与所述波分复用器200的输出端连接；光纤400，所述光纤400输入端与所述环形器300的第二端口连接，所述光纤400上设置有光纤编码410；APD光电采集器500，与所述环形器300的第三端口连接以接收光纤编码410回传的光波信号并转换成电平信号；AD采集卡600，与所述APD光电采集器500的输出端连接以用于将所述APD光电采集器500的电平信号转换成数字信号并反馈至主控制器700；主控制器700，分别与所述可调谐激光模块组100、APD光电采集器500、AD采集卡600电性连接，用于控制所述可调谐激光模块组100的各个可调谐激光模块轮巡发光以实现光纤编码410的识别。
其工作过程为，由主控制器700控制可调谐激光模块组100的其中一个可调谐激光模块输出单个中心波长的大功率脉冲光波信号，同时启动APD光电采集器500，大功率脉冲光波信号进入波分复用器200波长耦合，经环形器300的第一端口进入、第二端口输出至光纤400上的光纤编码410，光纤编码410会回传具有唯一识别特性的反射和散射光波信号，依次经环形器300的第二端口、环形器300的第三端口至APD光电采集器500进行光电转换，再由AD采集卡600将模拟电平信号转换成数字信号，并反馈给主控制器700识别出单个中心波长所对应的光纤编码400的码元波长和能量，再通过温度调制改变可调谐激光模块的输出波长，重复上述过程以提高识别精度。再逐个轮巡不同的可调谐激光模块输出不同中心波长的大功率脉冲光波信号，并重复前述温度调制，识别出光线编码400的其他码元波长和能量，便可组成完整的光线编码。
由于现有的波长探测器(波长解调仪)采集频率最高只能到10MHz，并且需要需要一个SOA光开关实现收光波的脉冲控制，由于波长探测器的采集速率不够，所以每次光源发光一次只能采集一小段光纤，多次发光、采集才能完成全程光纤链路的采集，导致整个光纤编码识别效率低下。本实施例利用不同中心波长的多个可调谐激光模块逐个轮巡发光，配合APD光电采集器与AD采集卡组成的快速识别模块，最高可以到10GHz(为节省费用，我们选择了400MHz)，采集频率为传统波长探测器的40倍以上，且能一次完成单个中心波长的光源在光纤链路全程的反射信号采集，在成本更低的条件下实现光纤编码的更快识别。此外，结合温度调制装置作用于发光芯片实现单个光源中心波长的多个变化，实现单个光源发送不同中心波长的光波，提高光纤编码识别精度。
如图2所示，在本发明第一方面的一些实施例中，所述温度调制装置包括驱动控制模块120、温度传感器130和半导体制冷片140，所述驱动控制模块分别与所述主控制器700、发光芯片110、温度传感器130和半导体制冷片140电性连接，且所述温度传感器130和半导体制冷片140皆贴附于所述发光芯片110表面。驱动控制模块120接受外来指令，向发光芯片110进行脉冲供电，发光芯片110开启后会进行发热，半导体制冷片140负责进行降温，驱动控制模块120接受贴片式温度传感器130采集到的温度调整半导体制冷片140进行降温，使得发光芯片控制在所需温度，发光芯片随温度变化其波长跟随变化，经大量测试基本保持在0.1nm/摄氏度。
在本发明第一方面的一些实施例中，所述的温度调制多光谱矩阵的光纤编码识别系统还包括设置在所述APD光电采集器500与AD采集卡600之间的放大器800，实现APD光电采集器电平信号的放大，能够提高探测距离。
鉴于体积、性能要求，在本发明第一方面的一些实施例中，所述可调谐激光模块组100采用DFB激光器。
在本发明第一方面的一些实施例中，所述主控制器700采用FPGA。一方面实现可调谐激光模块的轮训脉冲驱动和功率控制，另一方面实现AD采集模块的数据采集；还可实现可调谐激光模块发光时间与APD光电采集器500采集点时间只差来计算所采集点的光纤长度；FPGA主控制器计算光源光强所需电压和电流以及所需脉冲时间，向光源供电，光源发光后经波分复用器、环形器、光纤输入到光纤编码，光纤中的背向反射光经环形器进入APD光电采集器转换成模拟电信号，模拟电信号经放大器放大后输入AD采集模块，AD采集模块按照采集频率进行不断采集，FPGA主控制器在驱动光源后就开始获取AD采集模块的数据信息包括能量和时间，以此完成单光源波长的发光和采集，FPGA主控制器根据采集到的能量和时间信号计算出光纤中每一个点的能量值以及该光源对应的光纤编码反射波长；多个不同中心波长的光源输出后采集到对应中心波长的光纤编码，并利用其距离的现同位置进行组合，实现光纤编码的完整采集。
如图3所示，为本发明第二方面实施例的一种温度调制多光谱矩阵的光纤编码识别方法，包括以下步骤：
S100、由主控制器输出脉冲驱动指令给可调谐激光模块组的第一个可调谐激光模块，启动时间为t0，脉冲宽度为t；其中，每一个所述可调谐激光模块采用一个大小不同的中心波长，分别对应光纤编码的不同码元；
S200、第一个可调谐激光模块输出一个中心波长的脉冲光波至波分复用器、环形器、含有光纤编码的待测光纤；
S300、由主控制器控制APD光电采集器启动以接收反射光波信号并转换成模拟电平信号，开启时间为t0，实现单个中心波长的脉冲光波在待测光纤全程的反射光波信号波长及能量采集；
S400、利用AD采集卡将APD光电采集器采集的模拟电平信号转换成数字信号并反馈至所述主控制器；
S500、主控制器根据采集到的数字信号计算出光纤中每一个点的能量值以及第一个可调谐激光模块对应的光纤编码反射波长；
S600、对所述第一个可调谐激光模块进行至少两次温度调制以改变输出的中心波长，重复上述S100至S500步骤以完成第一个码元中心波长附近多光谱波长的测试；
S700、按顺序控制其余可调谐激光模块逐一发光，重复上述S100至S600步骤采集不同码元对应的波长及能量，从而实现光纤编码的完整识别。
本实施例利用不同中心波长的多个可调谐激光模块逐个轮巡发光，配合APD光电采集器与AD采集卡组成的快速识别模块，采集频率为传统波长探测器的40倍以上，且能一次完成单个中心波长的光源在光纤链路全程的反射信号采集，在成本更低的条件下实现光纤编码的更快识别。此外，结合温度调制装置作用于发光芯片实现单个光源中心波长的多个变化，实现单个光源发送不同中心波长的光波，提高光纤编码识别精度。
在本发明第二方面的一些实施例中，所述可调谐激光模块组由多个可调谐激光模块组成，每个所述可调谐激光模块的光谱为其中心波长±0.5nm，相邻两个可调谐激光模块的中心波长间隔为1nm；由FPGA主控制器直接控制，逐个进行光强和脉冲调制发光。
在本发明第二方面的一些实施例中，所述脉冲宽度t＝k*t00，其中t00为基准脉宽宽度，k为与所测量最大距离关联的指定系数。
在本发明第二方面的一些实施例中，所述APD光电采集器的采集时间间隔为t11，每一个采集点的采集时间为m*t11，m为采集点序号，其中，t11＝t00*k，其中t11直接影响采集精度，值越小采集精度越高。
在本发明第二方面的一些实施例中，可调谐激光模块，以常温25度为基准，其中心波长稳定在****.50nm，升高1度其中心波长就改变为****.60nm，同一个可调激光模块实现多个中心波长输出，将现有1nm波长间隔精度提高到0.1nm或者0.2nm，经实际测试和测算，优选0.2nm间隔。为此，可调谐激光模块的温度调整以2度为基数。
FPGA主控制器向第1个可调谐激光模块发送25度脉冲发光指令，第1个可调谐激光模块控制温度在25度进行脉冲发光，待FPGA接受AD采集模块数据后，再向第1个可调谐激光模块发送27度脉冲发光指令，进行第2次AD采集以此同一个可调谐激光模块改变3次温度发光和同温度条件下的AD数据采集，即可实现发光精度提高到0.2nm精度。
以此类推，可实现n个可调谐激光模块的轮训发光和AD采用数据，其可测量波长精度将提高到0.2nm，如果将温度调整为1度间隔，其波长进度将提高至0.1nm；
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种温度调制多光谱矩阵的光纤编码识别系统，其特征在于：包括
可调谐激光模块组(100)，由多个不同波长段的可调谐激光模块组成，每个所述可调谐激光模块皆包括不同波长段的发光芯片(110)和温度调制装置，所述温度调制装置用于调制所述发光芯片的中心波长；
波分复用器(200)，其输入端分别与所述多个不同波长段的可调谐激光模块连接以实现可调谐激光模块组(100)的波长耦合；
环形器(300)，所述环形器(300)具有第一端口、第二端口、第三端口，所述第一端口与所述波分复用器(200)的输出端连接；
光纤(400)，所述光纤(400)输入端与所述环形器(300)的第二端口连接，所述光纤(400)上设置有光纤编码(410)；
APD光电采集器(500)，与所述环形器(300)的第三端口连接以接收光纤编码(410)回传的光波信号并转换成电平信号；
AD采集卡(600)，与所述APD光电采集器(500)的输出端连接以用于将所述APD光电采集器(500)的电平信号转换成数字信号并反馈至主控制器(700)；
主控制器(700)，分别与所述可调谐激光模块组(100)、APD光电采集器(500)、AD采集卡(600)电性连接，用于控制所述可调谐激光模块组(100)的各个可调谐激光模块轮巡发光以实现光纤编码(410)的识别。
2.根据权利要求1所述的温度调制多光谱矩阵的光纤编码识别系统，其特征在于：所述温度调制装置包括驱动控制模块(120)、温度传感器(130)和半导体制冷片(140)，所述驱动控制模块分别与所述主控制器(700)、发光芯片(110)、温度传感器(130)和半导体制冷片(140)电性连接，且所述温度传感器(130)和半导体制冷片(140)皆贴附于所述发光芯片(110)表面。
3.根据权利要求1所述的温度调制多光谱矩阵的光纤编码识别系统，其特征在于：还包括设置在所述APD光电采集器(500)与AD采集卡(600)之间的放大器(800)。
4.根据权利要求1所述的温度调制多光谱矩阵的光纤编码识别系统，其特征在于：所述可调谐激光模块组(100)采用DFB激光器。
5.根据权利要求1所述的温度调制多光谱矩阵的光纤编码识别系统，其特征在于：所述主控制器(700)采用FPGA。
6.一种温度调制多光谱矩阵的光纤编码识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100、由主控制器输出脉冲驱动指令给可调谐激光模块组的第一个可调谐激光模块，启动时间为t0，脉冲宽度为t；其中，每一个所述可调谐激光模块采用一个大小不同的中心波长，分别对应光纤编码的不同码元；
S200、第一个可调谐激光模块输出一个中心波长的脉冲光波至波分复用器、环形器、含有光纤编码的待测光纤；
S300、由主控制器控制APD光电采集器启动以接收反射光波信号并转换成模拟电平信号，开启时间为t0，实现单个中心波长的脉冲光波在待测光纤全程的反射光波信号波长及能量采集；
S400、利用AD采集卡将APD光电采集器采集的模拟电平信号转换成数字信号并反馈至所述主控制器；
S500、主控制器根据采集到的数字信号计算出光纤中每一个点的能量值以及第一个可调谐激光模块对应的光纤编码反射波长；
S600、对所述第一个可调谐激光模块进行至少两次温度调制以改变输出的中心波长，重复上述S100至S500步骤以完成第一个码元中心波长附近多光谱波长的测试；
S700、按顺序控制其余可调谐激光模块逐一发光，重复上述S100至S600步骤采集不同码元对应的波长及能量，从而实现光纤编码的完整识别。
7.根据权利要求6所述的一种温度调制多光谱矩阵的光纤编码识别方法，其特征在于：所述可调谐激光模块组由多个可调谐激光模块组成，每个所述可调谐激光模块的光谱为其中心波长±0.5nm。
8.根据权利要求6所述的一种温度调制多光谱矩阵的光纤编码识别方法，其特征在于：所述脉冲宽度t＝k*t00，其中t00为基准脉宽宽度，k为与所测量最大距离关联的指定系数。
9.根据权利要求8所述的一种温度调制多光谱矩阵的光纤编码识别方法，其特征在于：所述APD光电采集器的采集时间间隔为t11，每一个采集点的采集时间为m*t11，m为采集点序号，其中，t11＝t00*k。
10.根据权利要求6所述的一种温度调制多光谱矩阵的光纤编码识别方法，其特征在于：所述温度调制的温差间隔为2摄氏度。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115225157A (zh) * 2022-06-13 2022-10-21 中山水木光华电子信息科技有限公司 一种基于光纤编码的动态加密通信终端、系统及方法

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