CN114777822A - 基于多波长可调谐激光器的光纤光栅阵列同步传感系统 - Google Patents

基于多波长可调谐激光器的光纤光栅阵列同步传感系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于多波长可调谐激光器的光纤光栅阵列同步传感系统，包括多波长可调谐激光器阵列模块、光环行器、FBG阵列、波分复用器、光电转换模块和信号处理模块。本发明采用M×N个串并联的DFB激光器阵列通道的扫频方式，可实现单通道依次扫描，也可实现多通道同时扫频再切换到下一批DFB激光器扫频；N个DFB激光器组合扫频为一组波长，对应一个光电探测器，M×N个DFB激光器阵列对应M个光电探测器。多波长可调谐激光器阵列扫频光源为单片集成，FBG阵列传感器为单根光纤上的串联拓扑；采用多波长扫频激光器与非全同FBG阵列配合波分复用技术实现传感解调，其复用性不受限于单个激光器的扫频范围或光谱范围，较大程度降低传感解调难度，提升效率。

Description

基于多波长可调谐激光器的光纤光栅阵列同步传感系统
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于多波长可调谐激光器的光纤光栅阵列同步传感系统。
背景技术
基于多波长可调谐激光器的光纤光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感技术属于众多光纤传感技术中的一种。FBG的反射光中心波长与FBG传感器受到的应变、温度等外界影响具有线性对应关系，通常应变-波长系数为1.2pm/με、温度-波长系数为10pm/℃。通过解调FBG的中心波长变化，可以实现对FBG的应变、温度等状态的传感。FBG传感器因具有结构轻巧、使用寿命长、耐腐蚀、抗电磁干扰、易于复用、易于嵌入材料内部等众多优点，在多个领域有着广泛的应用。
精确测量由环境被测物理量引起的FBG波长偏移对于实现良好的传感器性能至关重要，理想的传感解调系统一般要求具有较高分辨率、支持多路复用、稳定且成本低。用于FBG传感器的解调系统大致可分为基于波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)技术型、基于时分复用(Time Division Multiplexing，TDM)技术型、基于空分复用(Spatial Division Multiplexing，SDM)技术型及以上几种技术组合型以提高传感解调性能。
TDM型系统使用宽带脉冲光源，FBG阵列的所有FBG传感器为全同FBG，即同一条件下具有相同的中心波长，且具有低反射率以便光信号能够以足够大的功率强度到达下游的FBG传感器，TDM系统要求FBG传感器放置的足够远，以使得相邻传感器反射回来的脉冲信号能够分别到达探测器并被检测到。即使对于最灵敏的TDM系统，FBG的间距也不能小于1米；WDM型系统有并联FBG阵列和串联FBG阵列两种拓扑结构，并联结构更容易实现但存在体积大等缺点，串联拓扑结构的光功率利用效率要比并联结构高得多，也可以减小传感器体积。串联拓扑结构中，如果光源使用窄带扫频激光器，那么FBG阵列传感器则是由全同FBG构成的FBG阵列，其本身结构会影响复用属性，解调时难以实现将各个FBG的传感光信号进行区分。如果使用宽带扫频光源或宽谱光源，则对其波长扫描范围或光谱范围要求较高，具有局限性，同时也会限制FBG传感系统的复用能力。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于多波长可调谐激光器的光纤光栅阵列同步传感系统。
本发明提供一种基于多波长可调谐激光器的光纤光栅阵列同步传感系统，包括：
多波长可调谐激光器阵列模块、光环行器、FBG阵列、波分复用器、光电转换模块和信号处理模块；所述多波长可调谐激光器阵列模块的输出端连接所述光环行器的输入端；所述光环行器的第一输出端连接所述FBG阵列，第二输出端连接所述波分复用器的输入端；所述波分复用器的输出端连接所述光电转换模块的输入端；所述光电转换模块的输出端连接所述信号处理模块的输入端；
所述多波长可调谐激光器阵列模块产生多个不同波长范围的扫频光信号，通过所述光环行器的输入端传输至所述光环行器；所述光环行器将不同波长范围的扫频光信号通过第一输出端传输至所述FBG阵列；所述FBG阵列将受到的外界应变和温度变化转换为光信号，并将转换后的光信号通过所述光环行器的第一输出端反射至所述光环行器，其中转换后的光信号为多波长光信号；所述光环行器将转换后的光信号通过第二输出端传输至所述波分复用器；所述波分复用器将多波长光信号分离为多个单波长光信号，并将多个单波长光信号传输至所述光电转换模块；所述光电转换模块将多个单波长光信号分别转换为电信号，再将电信号转换为数字信号；所述信号处理模块对采集的数字信号进行解调分析，计算FBG的中心波长值，根据FBG的中心波长值得到所需要传感的温度或应变信息。
进一步地，所述光纤光栅阵列同步传感系统还包括光隔离器；所述光隔离器的输入端连接所述多波长可调谐激光器阵列模块的输出端，输出端连接所述光环行器的输入端。
进一步地，所述FBG阵列中各个FBG的工作波长范围与所述多波长可调谐激光器阵列模块中各通道的波长扫描范围相对应。
进一步地，所述多波长可调谐激光器阵列模块包括M×N个串并联的DFB激光器阵列和硬件控制模块；其中M为DFB激光器阵列中并联通道数量，并联通道数量等于波导数量；N为串联通道数量；所述硬件控制模块用于控制DFB激光器阵列中各通道的光波输出。
进一步地，所述波分复用器包括M个输出通道，每个输出通道的工作波长窗口和DFB激光器阵列的N个连续的波长通道相对应。
本发明的有益效果是：本发明的硬件控制模块灵活选择M×N个串并联DFB激光器阵列通道的扫频方式，可以实现单通道依次扫描，也可以实现多通道同时扫频再切换到下一批DFB激光器扫频，组合方式灵活可变。
本发明中N个DFB激光器组合扫频为一组波长，对应一个光电探测器，M×N个DFB激光器阵列对应M个光电探测器，减少光电探测器数量，节省成本。
本发明中的多波长可调谐激光器阵列扫频光源为单片集成，FBG阵列传感器为单根光纤上的串联拓扑，减小传感器体积，提高FBG传感系统的集成度。
本发明采用多波长扫频激光器与非全同FBG阵列配合波分复用技术实现传感解调，其复用性可以不受限于单个激光器的扫频范围或光谱范围，较大程度降低传感解调难度，提高FBG传感系统的复用属性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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。
图1为本发明实施例提供的一种基于多波长可调谐激光器的光纤光栅阵列同步传感系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于多波长可调谐激光器的光纤光栅阵列同步传感系统中M×N个串并联的DFB激光器阵列的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的单片集成型可调谐DFB激光器阵列芯片实物图；
图4为本发明实施例提供的激光器阵列的典型波长扫描过程的工作流程示意图；
图5为本发明实施例提供的传感系统使用的FBG阵列传感器示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，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作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，本发明实施例部分提供的一种基于多波长可调谐激光器的光纤光栅阵列同步传感系统，包括：
多波长可调谐激光器阵列模块、光环行器、FBG阵列、波分复用器、光电转换模块和信号处理模块；所述多波长可调谐激光器阵列模块的输出端连接所述光环行器的输入端；所述光环行器的第一输出端连接所述FBG阵列，第二输出端连接所述波分复用器的输入端；所述波分复用器的输出端连接所述光电转换模块的输入端；所述光电转换模块的输出端连接所述信号处理模块的输入端。可选的，还包括光隔离器；所述光隔离器的输入端连接所述多波长可调谐激光器阵列模块的输出端，输出端连接所述光环行器的输入端。
所述光隔离器为双端口非互易性器件，可以让正向传输光通过而隔离反向传输光，用于防止光路中的后向反射光对激光光源及整个系统稳定性产生不良影响。所述光环行器为三端口非互易性器件，可以使光信号只能沿规定的端口顺序传输，从而实现同一根光纤中正反向传输光的分离，用于实现需要探测的FBG反射光信号的导引，简化传感系统结构。
所述多波长可调谐激光器阵列模块产生多个不同波长范围的扫频光信号，通过所述光环行器的输入端传输至所述光环行器；所述光环行器将不同波长范围的扫频光信号通过第一输出端传输至所述FBG阵列；所述FBG阵列将受到的外界应变和温度变化转换为光信号，并将转换后的光信号通过所述光环行器的第一输出端反射至所述光环行器，其中转换后的光信号为多波长光信号；所述光环行器将转换后的光信号通过第二输出端传输至所述波分复用器；所述波分复用器将多波长光信号分离为多个单波长光信号，便于解调，并将多个单波长光信号传输至所述光电转换模块；所述光电转换模块将多个单波长光信号分别转换为电信号，再经过放大、滤波、模数转换处理将电信号转换为数字信号；所述信号处理模块采集数字信号进行解调分析，计算FBG的中心波长值，进而根据FBG的中心波长值得到所需要传感的温度或应变信息。
可选的，如图2所示，所述多波长可调谐激光器阵列模块包括M×N个串并联矩阵式结构的的DFB激光器阵列和硬件控制模块；其中M为DFB激光器阵列中的并联通道数量，并联通道数量等于波导数量，M＝2n，N和n均为正整数；N为串联通道数量；所述硬件控制模块用于控制DFB激光器阵列中各通道的光波输出。其中，Y分支有源合波器与半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)也被集成在同一激光器芯片上。
将串并联DFB激光器阵列的M×N个半导体激光器(Laser Diode，LD)分为M组，结构上为并联的M个LD，即LD11，LD21，LD31，…，LDM1同时激射、扫频，然后再将波长切换到下一批同为并联结构的M个LD，即LD12，LD22，LD32，…，LDM2，以此类推。这种扫频方式中的N个LD组合扫频为一组波长，这一组较宽扫描范围的波长通道，对应一个光电探测器，M×N个串并联的DFB激光器阵列则对应了M个光电探测器，减少了光电探测器数量，降低传感系统的成本。
只要满足同时扫频的LD不是串联在同一根波导上，就可任意进行分组再切换扫频，例如第一批LD，即LD11，LD22，LD33，…，LDMM同时激射扫频结束之后，波长切换到下一批LD，即LD12，LD23，LD34，…，LDM(M+1)同时激射扫频，以此类推。
如图3所示，图中可以看到金属电极，包括20个LD的正电极、有源Y合波器和SOA的供电电极。四根波导经过两级有源Y合波器和SOA后最终汇总在同一根波导上输出。
如图4所示的4×5串并联激光器阵列。20颗激光器按4×5的串并联排布方式，各通道的波长间隔为2.4nm，设计波长分别为λ11＝1530.4nm，λ12＝1532.8nm，λ13＝1535.2nm，λ14＝1537.6nm，λ15＝1540nm，λ21＝1542.4nm，λ22＝1544.8nm，λ23＝1547.2nm，λ24＝1549.6nm，λ25＝1552nm，λ31＝1554.4nm，λ32＝1556.8nm，λ33＝1559.2nm，λ34＝1561.6nm，λ35＝1564nm，λ41＝1566.4nm，λ42＝1568.8nm，λ43＝1571.2nm，λ44＝1573.6nm，λ45＝1576nm。其中下标对应LD通道位置。相对应地，在激光器硬件控制系统中，有20路电流源电路用于分别给激光器阵列的20个通道供电。将4×5＝20个LD分为4组，结构上为并联结构的4个LD，即LD11：λ11＝1530.4nm，LD21：λ21＝1542.4nm，LD31：λ31＝1554.4nm和LD41：λ41＝1566.4nm同时激射、扫频，然后再同时进行4个通道的波长切换，到下一批为并联结构的4个LD，即LD12：λ12＝1532.8nm，LD22：λ22＝1544.8nm，LD32：λ32＝1556.8nm和LD42：λ42＝1568.8nm，这一批的4个LD再同时扫频，以此类推。采用这种分组的扫频方式，5个串联的LD，即LD11，LD12，LD13，LD14，LD15组合扫频对应一个探测器，4×5结构的激光器光源对应了4个探测器，减少了探测器数量，节省成本。
如图5所示，所述FBG阵列为非全同FBG阵列，每一个FBG的敏感单元均与本系统中多波长可调谐激光器的每一个LD通道实现的波长扫描范围相匹配。FBG阵列上各个FBG室温下的初始中心波长和工作波长范围分别为：FBG11→[1531.1nm，1530.4nm～1532.8nm]，FBG12→[1533.5nm，1532.8nm～1535.2nm，FBG13→[1535.9nm，1535.2nm～1537.6nm]，FBG14→[1538.3nm，1537.6nm～1540nm]，FBG15→[1540.7nm，1540nm～1542.4nm]，FBG21→[1543.1nm，1542.4nm～1544.8nm]，FBG22→[1545.5nm，1544.8nm～1547.2nm]，FBG23→[1547.9nm，1547.2nm～1549.6nm]，FBG24→[1550.3nm，1549.6nm～1552nm]，FBG25→[1552.7nm，1552nm～1554.4nm]，FBG31→[1555.1nm，1554.4nm～1556.8nm]，FBG32→[1557.5nm，1556.8nm～1559.2nm]，FBG33→[1559.9nm，1559.2nm～1561.6nm]，FBG34→[1562.3nm，1561.6nm～1564nm]，FBG35→[1564.7nm，1564nm～1566.4nm]，FBG41→[1567.1nm，1566.4nm～1568.8nm]，FBG42→[1569.5nm，1568.8nm～1571.2nm]，FBG43→[1571.9nm，1571.2nm～1573.6nm]，FBG44→[1574.3nm，1573.6nm～1576nm]，FBG45→[1576.7nm，1576nm～1578.4nm]，其中FBG的下标与LD通道相对应，中括号中的第一个元素为FBG传感器的初始中心波长，第二个元素为FBG传感器的工作波长范围。
可选的，如图1所示，多波长可调谐激光器阵列模块为4×5多波长可调谐激光器阵列模块，对于4×5多波长可调谐激光器模块，在实际使用过程中，通过改变通道注入电流大小对每个通道波长进行扫描控制，每个通道的波长扫描范围均大于2.4nm，即LD11波长扫描范围可以覆盖1530.4nm～1532.8nm，以此类推，扫描范围可以覆盖相邻通道之间的波长间隔。所述FBG阵列中各个FBG的工作波长范围与所述多波长可调谐激光器阵列模块中各通道的波长扫描范围相对应。所述波分复用器包括M个输出通道，每个输出通道的工作波长窗口和DFB激光器阵列的N个连续的波长通道相对应。波分复用器有4个工作窗口，窗口1可以覆盖LD11、LD12、LD13、LD14、LD15这5个通道的扫描范围，即1530.4nm～1542.4nm；以此类推，工作窗口2可以覆盖1542.4nm～1554.4nm，工作窗口3可以覆盖1554.4nm～1566.4nm，工作窗口4可以覆盖1566.4nm～1578.4nm。
以温度传感为例，当改变其中若干个FBG的温度后。首先，使第一批并联的4个LD，即LD11，LD21，LD31，LD41进行波长扫描，扫描激光经过光隔离器和光环行器后进入FBG阵列，FBG阵列中与这一批4个LD通道相对应的4个FBG，即FBG11，FBG21，FBG31，FBG41传感器会在LD的扫描过程中对光波产生反射。反射回来的传感光信号进入波分复用器后，波分复用器将4个波长的传感光信号分离成4个单波长光信号，再分别进入各自的光电转换模块，转换成电信号后经同步采集并转换为数字信号。通过寻找各个通道反射光的波长峰值位置，可以得到此时4个FBG的中心波长分别为1531.2nm，1543.2nm，1555.2nm，1567.2nm。再根据FBG的中心波长变化与温度的线性对应关系(10pm/℃)可得，此时FBG11，FBG21，FBG31，FBG41的温度分别为FBG11→35℃，FBG21→35℃，FBG31→35℃，FBG41→35℃，实现了4通道FBG传感器的同步传感。之后，再进行第2批4通道FBG的同步传感解调，LD12、LD22、LD32、LD42这4个通道同时激射并扫频，4个不同波长扫描范围的激光经过光隔离器和光环行器后进入FBG阵列，与这一批LD通道波长相对应的4个FBG，即FBG12，FBG22，FBG32，FBG42中反射回来的传感光信号进入波分复用器，再进行后续的解调工作。然后再进行第3、4和5批的多通道同步传感解调，执行流程与前面所述相同。最终可得到各FBG阵列的温度分别为：FBG11→35℃，FBG21→35℃，FBG31→35℃，FBG41→35℃，FBG12→35℃，FBG22→35℃，FBG32→35℃，FBG42→45℃，FBG13→35℃，FBG23→35℃，FBG33→35℃，FBG43→55℃，FBG14→35℃，FBG24→35℃，FBG34→35℃，FBG44→65℃，FBG15→35℃，FBG25→35℃，FBG35→35℃，FBG45→75℃。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种基于多波长可调谐激光器的光纤光栅阵列同步传感系统，其特征在于，包括：
多波长可调谐激光器阵列模块、光环行器、FBG阵列、波分复用器、光电转换模块和信号处理模块；所述多波长可调谐激光器阵列模块的输出端连接所述光环行器的输入端；所述光环行器的第一输出端连接所述FBG阵列，第二输出端连接所述波分复用器的输入端；所述波分复用器的输出端连接所述光电转换模块的输入端；所述光电转换模块的输出端连接所述信号处理模块的输入端；
所述多波长可调谐激光器阵列模块产生多个不同波长范围的扫频光信号，通过所述光环行器的输入端传输至所述光环行器；所述光环行器将不同波长范围的扫频光信号通过第一输出端传输至所述FBG阵列；所述FBG阵列将受到的外界应变和温度变化转换为光信号，并将转换后的光信号通过所述光环行器的第一输出端反射至所述光环行器，其中转换后的光信号为多波长光信号；所述光环行器将转换后的光信号通过第二输出端传输至所述波分复用器；所述波分复用器将多波长光信号分离为多个单波长光信号，并将多个单波长光信号传输至所述光电转换模块；所述光电转换模块将多个单波长光信号分别转换为电信号，再将电信号转换为数字信号；所述信号处理模块对采集的数字信号进行解调分析，计算FBG的中心波长值，根据FBG的中心波长值得到所需要传感的温度或应变信息。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅阵列同步传感系统，其特征在于，还包括光隔离器；所述光隔离器的输入端连接所述多波长可调谐激光器阵列模块的输出端，输出端连接所述光环行器的输入端。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅阵列同步传感系统，其特征在于，所述FBG阵列中各个FBG的工作波长范围与所述多波长可调谐激光器阵列模块中各通道的波长扫描范围相对应。
4.根据权利要求1所述的光纤光栅阵列同步传感系统，其特征在于，所述多波长可调谐激光器阵列模块包括M×N个串并联的DFB激光器阵列和硬件控制模块；其中M为DFB激光器阵列中并联通道数量，并联通道数量等于波导数量；N为串联通道数量；所述硬件控制模块用于控制DFB激光器阵列中各通道的光波输出。
5.根据权利要求4所述的光纤光栅阵列同步传感系统，其特征在于，所述波分复用器包括M个输出通道，每个输出通道的工作波长窗口和DFB激光器阵列的N个连续的波长通道相对应。
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