CN113080883A

CN113080883A - 一种基于射频信号频率检测的光子传感系统及实现方法

Info

Publication number: CN113080883A
Application number: CN202110356395.9A
Authority: CN
Inventors: 赵志颖; 陈吉欣
Original assignee: Sichuan Provincial Peoples Hospital
Current assignee: Sichuan Provincial Peoples Hospital
Priority date: 2021-04-01
Filing date: 2021-04-01
Publication date: 2021-07-09

Abstract

本发明公开了一种基于射频信号频率检测的光子传感系统及实现方法。宽谱光源发出的光波经过光环行器和光开关后，进入多个传感单元中，所述传感单元包括双向连接的传感光纤光栅和参考光纤光栅，所述传感光纤光栅输入待测物理量，参考光纤光栅无作用的外部物理量，光波进入传感单元后获得两路反射光信号；从传感单元反射的两路光信号经过光开关和光环行器后输入光电探测器中，输出射频信号；射频信号经过射频变换单元和信号处理单元，得到待测物理量的测量结果。本方案通过检测射频信号的频率得到待测物理量的精确参数，解决了现有光子传感测量精度低的困难，对于生物医学光子传感等领域中高精度的参数测量具有重要应用价值。

Description

一种基于射频信号频率检测的光子传感系统及实现方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是一种基于射频信号频率检测的光子传感系统及实现方法，可用于对生物医学传感中的待测物理量进行高精度测量。

背景技术

生物医学工程采用光子传感技术对人体的温度、压力、心率、呼吸等参数进行监测，在医学诊断、护理、康复等方面逐渐发挥出重要的作用。相对于电子传感技术，光子传感技术具有灵敏度高、体积小、生物安全性好、不受电磁干扰、可靠性高等优点，可满足各种临床特别是重症监护(ICU)、核磁共振(MRI)等环境下对人体参数高精度及安全监测的需要。在实际应用中，光子传感系统通常采用分布式光纤光栅及光波长解调单元来构建。光纤光栅对外部温度、压力等物理量非常敏感，中心波长会随着外部物理量变化成线性变化。光波长解调单元通过检测每个光纤光栅反射光的波长来获得不同位置的温度、压力等参数。由于受到光波解调和处理能力限制，波长检测精度有限，造成光子传感系统的测量精度低。根据美国Micron Optics公司报道，已应用光子传感系统的波长检测精度最高仅达1pm，因此光子传感系统的温度测量精度理论上为0.1℃(温度灵敏度为10pm/℃)，压力测量精度理论上为1.2kPa(压力灵敏度为0.8pm/kPa)，而系统的实际测量精度还要降低一些。随着精准医疗的快速发展，现有光子传感系统的性能水平已经无法满足应用需求，迫切需要对人体参数更高精度的测量能力。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决现有光子传感系统测量精度低的问题，本发明提供了一种基于射频信号频率检测的光子传感系统及实现方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于射频信号频率检测的光子传感系统，包括：宽谱光源、光环形器、光开关、多个并行的传感单元、光电探测器、射频变换单元，信号处理单元，所述宽谱光源的输出端连接光环形器，所述光环形器通过光纤与光开关双向连接，所述光开关双向连接多个并行的传感单元，所述传感单元包括双向连接的传感光纤光栅和参考光纤光栅，所述传感光纤光栅输入待测物理量，所述传感光纤光栅与光开关双向连接，所述光环形器连接光电探测器，所述光电探测器依次连接射频变换单元和信号处理单元。

进一步的，所述射频变换单元包括低噪声放大器、混频器、窄带滤波器和可调本振，所述光电探测器输出端依次连接低噪声放大器、混频器和窄带滤波器，所述可调本振连接混频器。

进一步的，所述信号处理单元包括模拟数字转换器和数字信号处理器，所述窄带滤波器输出端依次连接模拟数字转换器和数字信号处理器。

本发明还公开了上述基于射频信号频率检测的光子传感系统的实现方法，包括：

宽谱光源的输出光波经过光环形器、光开关进入一个或多个并行的传感单元；

待测物理量作用于传感单元的传感光纤光栅，进入传感单元的光波分别在传感光纤光栅和参考光纤光栅形成波长不同的反射光，两路反射光经过光开关、光环形器进入光电探测器；

光电探测器将反射光信号转化为射频信号，射频信号输入射频变换单元转换为中频信号，中频信号经过信号处理单元得到信号频率与待测物理量的线性关系。

进一步的，所述宽谱光源的光谱宽度为30～40nm。

进一步的，所述中频信号的工作带宽与信号处理单元的瞬时带宽匹配。

进一步的，所述工作带宽和瞬时宽带设置为200MHz或400MHz。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明的技术方案基于传感单元设置传感光纤光栅和参考光纤光栅，待测物理量作用于传感光纤光栅，通过高精度检测传感光纤光栅和参考光纤光栅的两路反射光信号拍差产生的射频信号频率，得到待测物理量的精确参数；本发明的技术方案能够有效解决了现有光子传感测量精度低的困难，具有测量精度高、动态范围大、稳定性高、适应能力强、工程实现性好等优点，对于生物医学光子传感等领域中高性能的参数测量具有重要应用价值。

附图说明

图1是本发明基于射频信号频率检测的光子传感系统的框图。

图2是本发明传感单元实现框图。

图3是本发明射频信号产生实现框图。

图4是本发明射频变换单元实现框图。

图5是本发明信号处理单元实现框图。

图6是本发明实施例中射频信号频率与温度的关系图。

图7是本发明实施例中射频信号频率与压力的关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。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他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种基于射频信号频率检测的光子传感系统，包括：宽谱光源、光环形器、光开关、n个并行的传感单元(n为大于0的整数)、光电探测器、射频变换单元、信号处理单元。宽谱光源的光谱宽度一般为30～40nm，发出的光波经过光环行器和光开关后，进入n个传感单元中，所述传感单元包括双向连接的传感光纤光栅和参考光纤光栅，所述传感光纤光栅输入待测物理量，参考光纤光栅无作用的外部物理量，光谱进入传感单元后获得两路反射光信号；系统采用分时工作方式，由光开关选择需要工作的传感单元；从传感单元反射的两路光信号经过光开关和光环行器后输入光电探测器中，输出射频信号；产生的射频信号经过射频变换单元和信号处理单元，得到待测物理量的测量结果。图1实施例中，光环形器和光开关之间的双向连接可以采用一条光纤连接光环形器和光开关，该条光纤双向传输信号实现双向连接。

本实施例中，宽谱光源发出的激光进入传感单元中，反射回两路波长不同的光信号，传感光纤光栅反射的光信号携带待测物理量信息，该反射光信号的波长随着外部作用的待测物理量线性变化，两路光信号进入光电探测器后输出射频信号，携带待测物理量信息的射频信号进入射频变换单元将需要检测的射频信号变换到合适的中频范围内，然后由信号处理单元完成对信号的频率精确检测；因此本实施例通过检测射频信号的频率得到待测物理量的精确参数。本实施例中，当传感单元部分需要测量不同位置的物理量时，可以构建多个并行的传感单元，由光开关根据要求对传感单元进行选择，从而得到不同位置的测量参数。本发明的技术方案能够实现对温度、压力等物理量高精度测量能力，性能水平高、实现架构简单，对于生物医学光子传感等领域中高精度的参数测量具有重要应用价值。

图2为传感单元实现方法。传感单元由两个光纤光栅组成，其中一个作为传感光纤光栅，另一个作为参考光纤光栅。两个光纤光栅间隔一段距离。外部待测物理量作用于传感光纤光栅，无外部物理量作用于参考光纤光栅。当无外部物理量作用于传感单元时，传感光纤光栅的反射中心波长为λ，参考光纤光栅的反射中心波长为λ_ref。一般情况下，当无外部物理量作用的初始状态时，可以选择传感光纤光栅的反射中心波长λ大于参考光纤光栅的反射中心波长λ_ref；当外部待测物理量作用于传感光纤光栅后，传感光纤光栅的反射中心波长λ也大于参考光纤光栅的反射中心波长λ_ref。当外部物理量作用于传感光纤光栅时，反射中心波长为λ+Δλ。当输入光波进入传感单元后，分别在两个光纤光栅处形成反射，两路不同波长的反射光信号从输入端返回。

图3为射频信号产生实现方法。从传感单元反射的两路不同波长的光信号进入光电探测器中，当无外部物理量作用于传感单元时，由于光学拍差，产生射频信号，信号频率为：

f₀＝c(1/λ_ref-1/λ) (1)

式中，c为真空中光速

当外部物理量作用于传感单元时，一路反射光信号的中心波长改变为λ+Δλ，此时在光电探测器中产生的射频信号频率为：

f＝c(1/λ_ref-1/λ)+cΔλ/λ² (2)

相对于无外部物理量作用下，射频信号的频率变化为：

Δf＝cΔλ/λ² (3)

由于波长变化与待测物理量成正比，那么射频信号的频率变化也与待测物理量成正比。这样，射频信号频率与待测物理量成线性关系。为了保证光学拍差产生的射频信号能够在光电探测器中响应，需要采用宽带的光电探测器(如频率响应可以为100GHz甚至以上，但本发明光电探测器的频率响应不限制于100GHz，例如也可以是50GHz)，同时传感单元两路光的反射中心波长间隔设计要满足频率差小于光电探测器的最高频率，即满足产生的射频信号频率小于光电探测器的最高频率。

图4为射频变换单元实现方法。光电探测器输出的射频信号进入低噪声放大器完成增益补偿，放大后的射频信号输入混频器，通过对可调本振的快速频率调谐，将需要检测的射频信号频段搬移到固定的中频频段，然后由窄带滤波器选择确定频率范围的信号。中频信号的工作带宽与信号处理单元的瞬时带宽匹配，带宽通常设置为200MHz或400MHz。

图5为信号处理单元实现方法。中频信号输入到模拟数字转换器中，通过采样得到高精度的数字信号。数字信号进入高速数字信号处理器中，通过快速傅立叶变换完成对信号的频谱计算、频率检测，利用信号频率与待测物理量的线性关系解算出所需要的传感参数。频率检测精度与信号处理的有效时间相关，为了实现需要的频率检测精度，快速傅立叶变换的数据必须满足一定的长度要求。

以下通过对温度、压力测量为例，对本发明的性能和特征作进一步说明。当无外部物理量作用时，传感单元中传感光纤光栅的反射中心波长为1550.2nm，参考光纤光栅的反射中心波长为1550nm。这两路反射光在光电探测器上产生的射频信号，通过信号处理得到信号频率为25GHz。当温度(此时保持无外部压力)作用于传感单元时，射频信号频率与温度的关系如图6所示。当温度从25℃变化到45℃时，输出射频信号频率从25GHz线性变化到50GHz。在频率检测精度为1MHz下，温度测量精度可以达到8×10^-4℃。当外部压力(此时温度保持在25℃)作用于传感单元时，射频信号频率与压力的关系如图7所示。当压力从0kPa变化到100kPa时，输出射频信号频率从25GHz线性变化到35GHz。在频率检测精度为1MHz时，压力测量精度可以达到10Pa。通过上面的分析，可以说明基于射频信号频率检测的光子传感系统在生物医学工程中具有测量精度高、测量范围大的优点。

最后应说明的是：以上各实施例仅仅为本发明的较优实施例用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，当然更不是限制本发明的专利范围；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围；也就是说，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内；另外，将本发明的技术方案直接或间接的运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种基于射频信号频率检测的光子传感系统，其特征在于，包括：宽谱光源、光环形器、光开关、多个并行的传感单元、光电探测器、射频变换单元，信号处理单元，所述宽谱光源的输出端连接光环形器，所述光环形器通过光纤与光开关双向连接，所述光开关双向连接多个并行的传感单元，所述传感单元包括双向连接的传感光纤光栅和参考光纤光栅，所述传感光纤光栅输入待测物理量，所述传感光纤光栅与光开关双向连接，所述光环形器连接光电探测器，所述光电探测器依次连接射频变换单元和信号处理单元。

2.如权利要求1所述的基于射频信号频率检测的光子传感系统，其特征在于，所述射频变换单元包括低噪声放大器、混频器、窄带滤波器和可调本振，所述光电探测器输出端依次连接低噪声放大器、混频器和窄带滤波器，所述可调本振连接混频器。

3.如权利要求1所述的基于射频信号频率检测的光子传感系统，其特征在于，所述信号处理单元包括模拟数字转换器和数字信号处理器，所述窄带滤波器输出端依次连接模拟数字转换器和数字信号处理器。

4.如权利要求1所述的基于射频信号频率检测的光子传感系统的实现方法，其特征在于，包括：

5.如权利要求4所述的基于射频信号频率检测的光子传感系统的实现方法，其特征在于，所述宽谱光源的光谱宽度为30～40nm。

6.如权利要求4所述的基于射频信号频率检测的光子传感系统的实现方法，所述中频信号的工作带宽与信号处理单元的瞬时带宽匹配。

7.如权利要求6所述的基于射频信号频率检测的光子传感系统的实现方法，所述工作带宽和瞬时宽带设置为200MHz或400MHz。