CN114485901B - 一种基于可调谐激光光源的高速调制解调系统和方法 - Google Patents

一种基于可调谐激光光源的高速调制解调系统和方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种基于可调谐激光光源的高速调制解调系统和方法，该系统包括：可调谐激光光源模块，用于按照预定编码规则产生设定波长范围内的扫频光；脉冲调制模块，用于将所述扫频光进行斩光，得到具有固定脉宽的脉冲光；待测光栅阵列，用于对所述脉冲光进行反射，得到反射光；光电转换模块，用于接收所述反射光，并将所述反射光转化为模拟电信号；数据采集模块，用于对所述模拟电信号进行采样，得到数字电信号；解调模块，用于对所述数字电信号进行解码，得到所述待测光栅阵列的中心波长。本发明解决了现有技术中基于可调谐激光光源的光纤系统在高频振动检测中存在的扫描周期长、解调速度慢的问题。

Description

一种基于可调谐激光光源的高速调制解调系统和方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于可调谐激光光源的高速调制解调系统和方法。
背景技术
光纤光栅传感系统是以光为载体，光纤为媒介的传感系统。除了具有尺寸小、重量轻、带宽宽、灵敏度高、抗电磁干扰能力强和耐腐蚀能力强等优点外，还具有不受光功率波动影响、集传感与传输于一体、易于制作以及埋入材料内部，实现应力、应变、温度等多种物理量的测量。相比传统的电传感系统，该技术在强电磁干扰、易燃易爆或热真空等严酷环境下更具优势。
波长可调谐激光光源是光纤传感领域中的重要核心器件，其种类繁多，例如电流调谐型，电压调谐型，压电陶瓷型等。波长可调谐激光光源可以非常方便地控制波长变化，超声固定波长范围内的扫频光。
然而，但随着扫描范围的增加，整个扫描周期所需要的时间会越来越长，严重影响了系统的解调速度，限制了该技术在高频振动检测领域的应用和发展，研究一种在较大扫描范围内快速解调的方法迫在眉睫。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种基于可调谐激光光源的高速调制解调系统和方法，用以解决现有技术中基于可调谐激光光源的光纤系统在高频振动检测中存在的扫描周期长、解调速度慢的问题。
为了解决上述问题，本发明提供一种基于可调谐激光光源的高速调制解调系统，包括：可调谐激光光源模块、脉冲调制模块、待测光栅阵列、光电转换模块、数据采集模块、解调模块：所述可调谐激光光源模块与所述脉冲调制模块电连接，所述光电转换模块与所述数据采集模块电连接，所述数据采集模块与所述解调模块电连接；
所述可调谐激光光源模块，用于按照预定编码规则产生设定波长范围内的扫频光；
所述脉冲调制模块，用于将所述扫频光进行斩光，得到具有固定脉宽的脉冲光；
所述待测光栅阵列，用于对所述脉冲光进行反射，得到反射光；
所述光电转换模块，用于接收所述反射光，并将所述反射光转化为模拟电信号；
所述数据采集模块，用于对所述模拟电信号进行采样，得到数字电信号；
所述解调模块，用于对所述数字电信号进行解码，得到所述待测光栅阵列的中心波长。
进一步地，所述可调谐激光光源模块包括多个可调谐激光器，每个所述可调谐激光器可独立在固定波长范围内产生扫频光。
进一步地，所述可调谐激光光源模块按照预设的编码规则生成设定波长范围内的扫频光，包括：
每个所述可调谐激光器的波长扫描范围，是根据所述设定的波长范围以及所述可调谐激光器的数量平均配置的。
进一步地，设所述可调谐激光器数量为n，所述编码规则包括：预设扫描步进；
第1个扫描步进时，第1个激光器不发光，其余激光器同时出光；
第2个扫描步进时，第2个激光器不发光，其余激光器同时出光；
以此类推，第n个扫描步进时，第n个激光器不发光，其余激光器同时出光。
进一步地，所述解调模块对所述数字电信号进行解码，得到所述待测光栅阵列的中心波长，包括：
所述解调模块对所述数字电信号进行解码，得到所述反射光的光谱图；
根据所述反射光的光谱图，得到所述待测光栅阵列的中心波长。
进一步地，根据所述反射光的光谱图，得到所述待测光栅阵列的中心波长，包括：
根据光谱图上光强缺失的扫描步进，确定所述待测光栅阵列的中心波长所在的目标波长范围；
寻找所述目标波长范围内的光强峰值，计算所述光强峰值对应的匹配波长；
将所述匹配波长确定为所述待测光栅阵列的中心波长。
进一步地，所述待测光栅阵列包括：间距相等的光栅阵列。
进一步地，所述脉冲调制模块得到的脉冲光的脉冲宽度小于所述待测光栅阵列的光栅间距。
进一步地，所述光电转换模块得到的模拟电信号的幅值不超过所述数据采集模块的有效输入范围。
本发明还提供一种应用上述技术方案的基于可调谐激光光源的高速调制解调系统的方法，包括：
通过所述可调谐激光光源模块按照预定编码规则产生设定波长范围内的扫频光；
通过所述脉冲调制模块将所述扫频光进行斩光，得到具有固定脉宽的脉冲光；
通过所述待测光栅阵列对所述脉冲光进行反射，得到反射光；
通过所述光电转换模块接收所述反射光，并将所述反射光转化为模拟电信号；
通过所述数据采集模块对所述模拟电信号进行采样，得到数字电信号；
通过所述解调模块对所述数字电信号进行解码，得到所述待测光栅阵列的中心波长。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：首先，通过所述可调谐激光光源模块按照预定编码规则产生设定波长范围内的扫频光；其次，通过对所述扫频光进行斩光，再经过待测光栅阵列反射，得到反射光；最后，对所述反射光进行光电变换、信号采样，得到解码后的反射光的光谱图，根据所述光谱图确定待测光栅阵列的中心波长。本发明所预设的对可调谐激光光源的编码和解码方法，实现了同样扫描范围内、以同样扫描步进工作时解调效率的大幅提升；同时，由于减少了所需的扫描次数，传输数据量也大幅减少，为光纤系统在高频振动检测领域的发展提供了可能性，具有很强的实用性。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于可调谐激光光源的高速调制解调系统的结构示意图；
图2为本发明提供的一种基于可调谐激光光源的高速调制解调系统的调制解调方式的示意图；
图3为本发明提供的一种应用所述基于可调谐激光光源的高速调制解调的系统的方法的流程示意图；
图4为本发明提供的一种应用所述基于可调谐激光光源的高速调制解调系统的方法的具体算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
本发明提供了一种基于可调谐激光光源的高速调制解调系统和方法，以下分别进行详细说明。
本发明实施例提供了一种基于可调谐激光光源的高速调制解调系统，其结构示意图如图1所示，所述基于可调谐激光光源的高速调制解调系统100包括：
可调谐激光光源模块101、脉冲调制模块102、待测光栅阵列103、光电转换模块104、数据采集模块105、解调模块106：所述可调谐激光光源模块101与所述脉冲调制模块102电连接，所述光电转换模块104与所述数据采集模块105电连接，所述数据采集模块105与所述解调模块106电连接；
所述可调谐激光光源模块101，用于按照预定编码规则产生设定波长范围内的扫频光；
所述脉冲调制模块102，用于将所述扫频光进行斩光，得到具有固定脉宽的脉冲光；
所述待测光栅阵列103，用于对所述脉冲光进行反射，得到反射光；
所述光电转换模块104，用于接收所述反射光，并将所述反射光转化为模拟电信号；
所述数据采集模块105，用于对所述模拟电信号进行采样，得到数字电信号；
所述解调模块106，用于对所述数字电信号进行解码，得到所述待测光栅阵列的中心波长。
与现有技术相比，本实施例提供的基于可调谐激光光源的高速调制解调系统，首先，通过所述可调谐激光光源模块按照预定编码规则产生设定波长范围内的扫频光；其次，通过对所述扫频光进行斩光，再经过待测光栅阵列反射，得到反射光；最后，对所述反射光进行光电变换、信号采样，得到解码后的反射光的光谱图，根据所述光谱图确定待测光栅阵列的中心波长。本发明所预设的对可调谐激光光源的编码和解码方法，实现了同样扫描范围内、以同样扫描步进工作时解调效率的大幅提升；同时，由于减少了所需的扫描次数，传输数据量也大幅减少，为光纤系统在高频振动检测领域的发展提供了可能性，具有很强的实用性。
作为优选的实施例，所述可调谐激光光源模块包括多个可调谐激光器，每个所述可调谐激光器可独立在固定波长范围内产生扫频光。
作为一个具体的实施例，所有的可调谐激光器按照预设的编码规则对输出的激光进行编码，得到扫频光；并将所有扫频光同时注入脉冲调制模块中。
作为优选的实施例，所述可调谐激光光源模块按照预设的编码规则生成设定波长范围内的扫频光，包括：
每个所述可调谐激光器的波长扫描范围，是根据所述设定的波长范围以及所述可调谐激光器的数量平均配置的。
作为优选的实施例，设所述可调谐激光器数量为n，所述编码规则包括：预设扫描步进；
第1个扫描步进时，第1个激光器不发光，其余激光器同时出光；
第2个扫描步进时，第2个激光器不发光，其余激光器同时出光；
以此类推，第n个扫描步进时，第n个激光器不发光，其余激光器同时出光。
作为优选的实施例，所述脉冲调制模块得到的脉冲光的脉冲宽度小于所述待测光栅阵列的光栅间距。
作为优选的实施例，所述待测光栅阵列包括：间距相等的光栅阵列。所述光栅阵列，可反射波长与光栅相匹配的光；其余波长的光会透射过去。
作为一个具体的实施例，所述待测光栅阵列的反射光的强度在光电转换模块的有效输入范围内。
作为优选的实施例，所述光电转换模块得到的模拟电信号的幅值不超过所述数据采集模块的有效输入范围。
作为一个具体的实施例，所述数据采集模块将数字电信号发送给所述解调模块，且数据发送速率不低于信号采集速率。
作为优选的实施例，所述解调模块对所述数字电信号进行解码，得到所述待测光栅阵列的中心波长，包括：
所述解调模块对所述数字电信号进行解码，得到所述反射光的光谱图；
根据所述反射光的光谱图，得到所述待测光栅阵列的中心波长。
作为优选的实施例，根据光谱图上光强缺失的扫描步进，确定所述待测光栅阵列的中心波长所在的目标波长范围；
寻找所述目标波长范围内的光强峰值，计算所述光强峰值对应的匹配波长；
将所述匹配波长确定为所述待测光栅阵列的中心波长。
作为一个具体的实施例，所述解调模块所述数字电信号进行解码和光谱拼接还原，实现信号的高速解调。
作为一个具体的实施例，可调谐激光光源模块的n个激光器的扫描范围分别为λ1～λ2，λ2～λ3，……λn-1～λn，，λn～λn+1，，设扫描步进为Δλ，第1个扫描步进时第1个激光器不发光，其余激光器同时出光；第2个扫描步进的时候第2个激光器不发光，其余激光器同时出光；以此类推，直到第n个扫描步进时第n个激光器不发光，其余激光器同时出光，即完成了一次预设的编码过程；此后，所有激光器可同时出光直到扫描结束。所述波长需要满足：λ2-λ1＞200pm且由于光栅反射信号的光谱宽度一般不大于200pm，因此，若光栅波长处于λn～λn+1之间，那么，在整个扫描编码周期内，只会在第n个扫描步进时没有反射光，此时第n个激光器(扫描范围λn～λn+1)不发光，其余激光器同时出光。根据光谱拼接时某一扫描步进光强的缺失即可确定该光谱的波长范围。如图2所示，图2为本实施例编码解码方式的示意图，在整个扫描范围内，对于某一波长的光栅而言，只会有一个扫描步进出现光强缺失，而缺失一个扫描步进的光强对光谱的整体拼接并不会有太大影响；因此，所述光谱图中缺失光强对应的波长范围为目标波长范围，通过在光谱图中寻找所述目标波长范围的光强峰值，即可得到所述待测光栅阵列的中心波长。
本发明实施例提供了一种应用上述技术方案的基于可调谐激光光源的高速调制解调系统的方法，包括：
步骤S301，通过所述可调谐激光光源模块按照预定编码规则产生设定波长范围内的扫频光；
步骤S302，通过所述脉冲调制模块将所述扫频光进行斩光，得到具有固定脉宽的脉冲光；
步骤S303，通过所述待测光栅阵列对所述脉冲光进行反射，得到反射光；
步骤S304，通过所述光电转换模块接收所述反射光，并将所述反射光转化为模拟电信号；
步骤S305，通过所述数据采集模块对所述模拟电信号进行采样，得到数字电信号；
步骤S306，通过所述解调模块对所述数字电信号进行解码，得到所述待测光栅阵列的中心波长。
作为一个具体的实施例，正常光纤系统中，可调谐激光光源由λ1～λn以Δλ步进进行扫描所需要的时间为而在本实施例的方法中，可调谐激光光源由λ1～λn以Δλ步进进行扫描所需要的时间为/>其中λn-λ1＝n×(λ2-λ1)，同样的扫描范围内，本实施例的方法可将扫描所需的时间减少到1/n，即：将解调频率提高了n倍。
作为一个具体的实施例，如图4所示，所述应用上述技术方案的基于可调谐激光光源的高速调制解调系统的方法的具体流程包括：
步骤S401，根据预设的扫描范围和可调谐激光器数量N，平均配置每个所述激光器的扫描范围，并配置好扫描步进；
步骤S402，初始化计数参数n＝1；
步骤S403，第n个激光器不出光，其余激光器出光；
步骤S404，采集反射光的数据，计数参数加1，n＝n+1；
步骤S405，判断n是否满足n<N；如果满足，返回步骤S403；如果不满足，进入步骤S406；
步骤S406，判断n是否满足n<扫描范围/扫描步进；如果满足，返回步骤S404；如果不满足，进入步骤S407；
步骤S407，一个扫描周期结束，开始对反射光的光谱进行拼接，得到光谱图；
步骤S408，根据光谱图中光强缺失的扫描步进序号确定目标波长范围；
步骤S409，寻找目标波长范围内的光强峰值，计算峰值对应的匹配波长，所述匹配波长即为待测光栅阵列的中心波长。
下面以一个具体的数值例更好地说明本发明方案：
可调谐激光光源模块101总体光谱扫描范围为1542～1558nm，所述可调谐激光光源模块共包含4个可调谐激光器，根据扫描范围＝1558nm-1542nm＝16nm；可调谐激光器的个数为4个，每个可调谐激光器的扫描范围平均分配为16nm/4＝4nm，即：第一个可调谐激光器的波长范围是λ1＝1542～1546nm，同理，λ2＝1546～1550nm，λ3＝1550～1554nm，λ4＝1554～1558nm。扫描步进可以根据需求进行配置，本实施例中，将Δλ设置为10pm。
脉冲调制模块102选用高速开关型SOA光器件进行斩光，实现10ns脉宽的光脉冲输出。
待测光栅阵列103选用1m间距双波长交替的光栅传感器阵列。
光电转换模块104选择自研三级放大电路，其带宽200M，增益30dB。
数据采集模块105选择自研高速采集卡，A/D精度为14bit，采样频率250M，采样深度(每个扫描步进的采样点数)为10000个采样点。
解调模块106选择工业级工控主机，i3处理器，4G内存。
由上述参数可得：本实例中扫描总体光谱扫描范围周期的扫描步进为(1548nm-1542nm)/10pm＝1600步进，每个步进的采集时间＝采集深度/采集频率＝10000/250M＝40us。
若按照现有技术的处理方法，完成一个周期扫描所需时间＝每个步进的采样时间×步进总数＝40us×1600＝64ms。由于A/D精度为14bit，因此每个采样点用2Byte的存储空间来存储，因此，传输的数据量＝采样深度×每个采样点的存储空间×步进总数＝10000×2Byte×1600＝320MB。
若按照本实施例的调制解调方法，完成一个周期的扫描步进为(1546nm-1542nm)/10pm＝400步进，每个步进的采集时间＝采集深度/采集频率＝10000/250M＝40us，因此完成一个周期扫描所需时间＝每个步进的采样时间×步进总数＝400×40us＝16ms。传输的数据量＝采样深度×每个采样点的存储空间×步进总数＝10000×2Byte×400＝80MB。
从以上实例可以看出，采用本实施例的调制解调方法，在相同扫描范围和扫描步进下，可将解调时间减小到传统方法的1/4，同时传输的数据量也减少到传统方法的1/4。
本发明公开的一种基于可调谐激光光源的高速调制解调系统和方法，首先，通过所述可调谐激光光源模块按照预定编码规则产生设定波长范围内的扫频光；其次，通过对所述扫频光进行斩光，再经过待测光栅阵列反射，得到反射光；最后，对所述反射光进行光电变换、信号采样，得到解码后的反射光的光谱图，根据所述光谱图确定待测光栅阵列的中心波长。
本发明所预设的对可调谐激光光源的编码和解码方法，实现了同样扫描范围内、以同样扫描步进工作时解调效率的大幅提升；同时，由于减少了所需的扫描次数，传输数据量也大幅减少，为光纤系统在高频振动检测领域的发展提供了可能性，具有很强的实用性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于可调谐激光光源的高速调制解调系统，其特征在于，包括：可调谐激光光源模块、脉冲调制模块、待测光栅阵列、光电转换模块、数据采集模块、解调模块：所述可调谐激光光源模块与所述脉冲调制模块电连接，所述光电转换模块与所述数据采集模块电连接，所述数据采集模块与所述解调模块电连接；
所述可调谐激光光源模块，用于按照预定编码规则产生设定波长范围内的扫频光；
所述脉冲调制模块，用于将所述扫频光进行斩光，得到具有固定脉宽的脉冲光；
所述待测光栅阵列，用于对所述脉冲光进行反射，得到反射光；
所述光电转换模块，用于接收所述反射光，并将所述反射光转化为模拟电信号；
所述数据采集模块，用于对所述模拟电信号进行采样，得到数字电信号；
所述解调模块，用于对所述数字电信号进行解码，得到所述待测光栅阵列的中心波长；
所述可调谐激光光源模块包括多个可调谐激光器，每个所述可调谐激光器可独立在固定波长范围内产生扫频光；
所述可调谐激光光源模块按照预设的编码规则生成设定波长范围内的扫频光，包括：
每个所述可调谐激光器的波长扫描范围，是根据所述设定的波长范围以及所述可调谐激光器的数量平均配置的；
可调谐激光光源模块的N个可调谐激光器的波长扫描范围分别为λ1～λ2，λ2～λ3，……λn-1～λn，，λn～λn+1，设扫描步进为Δλ，第1个扫描步进时第1个激光器不发光，其余激光器同时出光；第2个扫描步进的时候第2个激光器不发光，其余激光器同时出光；以此类推，直到第n个扫描步进时第N个激光器不发光，其余激光器同时出光，即完成了一次预设的编码过程；此后，所有激光器可同时出光直到扫描结束；
所述波长需要满足：
；
所述解调模块对所述数字电信号进行解码，得到所述待测光栅阵列的中心波长，包括：
所述解调模块对所述数字电信号进行解码，得到所述反射光的光谱图；
根据所述反射光的光谱图，得到所述待测光栅阵列的中心波长；
根据所述反射光的光谱图，得到所述待测光栅阵列的中心波长，包括：
步骤一，初始化计数参数n=1；
步骤二，第n个可调谐激光器不出光，其余可调谐激光器出光；
步骤三，采集反射光的数据，计数参数加1，n=n+1；
步骤四，判断n是否满足n<N；如果满足，返回步骤二；如果不满足，进入步骤五；
步骤五，判断n是否满足n<波长扫描范围/扫描步进；如果满足，返回步骤三；如果不满足，进入步骤六；
步骤六，一个扫描周期结束，开始对反射光的光谱进行拼接，得到光谱图；
步骤七，根据光谱图中光强缺失的扫描步进序号确定目标波长范围；
步骤八，寻找目标波长范围内的光强峰值，计算峰值对应的匹配波长，所述匹配波长即为待测光栅阵列的中心波长。
2.根据权利要求1所述的基于可调谐激光光源的高速调制解调系统，其特征在于，所述待测光栅阵列包括：间距相等的光栅阵列。
3.根据权利要求1所述的基于可调谐激光光源的高速调制解调系统，其特征在于，所述脉冲调制模块得到的脉冲光的脉冲宽度小于所述待测光栅阵列的光栅间距。
4.根据权利要求1所述的基于可调谐激光光源的高速调制解调系统，其特征在于，所述光电转换模块得到的模拟电信号的幅值不超过所述数据采集模块的有效输入范围。
5.一种应用权利要求1所述的基于可调谐激光光源的高速调制解调系统的方法，其特征在于，包括：
通过所述可调谐激光光源模块按照预定编码规则产生设定波长范围内的扫频光；
通过所述脉冲调制模块将所述扫频光进行斩光，得到具有固定脉宽的脉冲光；
通过所述待测光栅阵列对所述脉冲光进行反射，得到反射光；
通过所述光电转换模块接收所述反射光，并将所述反射光转化为模拟电信号；
通过所述数据采集模块对所述模拟电信号进行采样，得到数字电信号；
通过所述解调模块对所述数字电信号进行解码，得到所述待测光栅阵列的中心波长；
所述可调谐激光光源模块包括多个可调谐激光器，每个所述可调谐激光器可独立在固定波长范围内产生扫频光；
所述可调谐激光光源模块按照预设的编码规则生成设定波长范围内的扫频光，包括：
每个所述可调谐激光器的波长扫描范围，是根据所述设定的波长范围以及所述可调谐激光器的数量平均配置的；
可调谐激光光源模块的N个可调谐激光器的波长扫描范围分别为λ1～λ2，λ2～λ3，……λn-1～λn，，λn～λn+1，设扫描步进为Δλ，第1个扫描步进时第1个激光器不发光，其余激光器同时出光；第2个扫描步进的时候第2个激光器不发光，其余激光器同时出光；以此类推，直到第n个扫描步进时第N个激光器不发光，其余激光器同时出光，即完成了一次预设的编码过程；此后，所有激光器可同时出光直到扫描结束；
所述波长需要满足：；
所述解调模块对所述数字电信号进行解码，得到所述待测光栅阵列的中心波长，包括：
所述解调模块对所述数字电信号进行解码，得到所述反射光的光谱图；
根据所述反射光的光谱图，得到所述待测光栅阵列的中心波长；
根据所述反射光的光谱图，得到所述待测光栅阵列的中心波长，包括：
步骤一，初始化计数参数n=1；
步骤二，第n个可调谐激光器不出光，其余可调谐激光器出光；
步骤三，采集反射光的数据，计数参数加1，n=n+1；
步骤四，判断n是否满足n<N；如果满足，返回步骤二；如果不满足，进入步骤五；
步骤五，判断n是否满足n<波长扫描范围/扫描步进；如果满足，返回步骤三；如果不满足，进入步骤六；
步骤六，一个扫描周期结束，开始对反射光的光谱进行拼接，得到光谱图；
步骤七，根据光谱图中光强缺失的扫描步进序号确定目标波长范围；
步骤八，寻找目标波长范围内的光强峰值，计算峰值对应的匹配波长，所述匹配波长即为待测光栅阵列的中心波长。
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