CN115560785A - 基于awg的多通道可程控小型化高速fbg解调系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于AWG的多通道可程控小型化高速FBG解调系统和方法，属于光纤传感技术领域，基于AWG的多通道可程控小型化高速FBG解调系统包括高稳定性宽带光源模块、低损耗隔离模块、小型化可程控光纤放大器、环形器、两级小型化高速光开关，大串扰AWG模块、光电转换模块、可程控A/D转换模块、核心控制模块；基于AWG的多通道可程控小型化高速FBG解调方法包括光信号进入FBG传感器阵列，FBG传感器反射光信号，反射光信号进入AWG模块后的输出光进行光电转换，计算得到FBG传感器的中心波长。本发明基于AWG的多通道可程控小型化高速FBG解调系统和方法，在保证解调范围的同时提高解调精度，实现了AWG波长范围内连续波长解调。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，且特别是有关于基于AWG的多通道可程控小型化高速FBG解调系统和方法。
背景技术
光纤光栅传感器(Fiber Bragg Grating，FBG)具有体积小、重量轻、耐腐蚀、耐久性好、抗电磁场干扰强、电绝缘性好、可复用、易于实现分布式测量、灵敏度高等特点，可用于测试结构的载荷、应变、温度、振动等信息，在航空航天、环境监测、地质勘探领域得到了广泛的研究与应用。
由FBG传感器组成的传感系统，其传感量主要是基于波长的微小漂移，因此在传感系统中需要配备精密的波长检测装置，以实现对FBG传感器中心波长的精确解调。此外，FBG传感器中心波长的测量精度和测量频率直接限制了传感系统的测量性能，因此，测量精度和测量频率是光纤光栅解调方法需要解决的两项关键技术。光纤光栅解调系统的硬件主要由宽带光源、信号解调设备、FBG传感器等组成，宽带光源为解调系统提供光能量，FBG传感器通过适当的安装，使得被测试量的变化引起中心波长的改变，外界被测试量的信息通过解调系统实时地反映出来。其中，光纤光栅传感器信号的可靠稳定解调、多路光纤传感器的高速低损耗通道切换是研究的关键。
现有技术中，常用的光纤光栅解调方法有可调谐光纤F-P滤波法与基于AWG的解调法。可调谐光纤F-P滤波法的系统结构如图1所示，具体包括：宽带光源、隔离器、耦合器、可调谐F-P滤波器、扫描电压源、探测器、FBG传感器。由宽带光源发出的光经过隔离器、耦合器进入FBG传感器，由FBG传感器反射后的光经过耦合器进入可调谐F-P腔中，扫描电压源可以改变F-P腔的腔长，从而改变F-P腔的透射波长，当扫描电压源使F-P腔的透射波长与FBG的反射波长重合，探测器便能探测到最大光强，此时的扫描电压值就对应着FBG的反射波长。然而，这种解调方法的检测精度受F-P腔的稳定性影响，测量FBG中心波长需要校正；F-P腔解调速率较低，对于集成在同一根光纤上的FBG传感器阵列，只能通过波长扫描的方式逐一检测；对复用系统检测时还要求F-P腔的检测范围能容纳所有传感光纤光栅的工作谱区。
基于AWG的解调法的系统结构如图2所示，包括：宽带光源、隔离器、耦合器、AWG、光电转换电路、信号处理电路、FBG传感器。宽带光源发出宽带光通过隔离器、耦合器进入FBG传感器，传感器反射的窄带光信号通过耦合器进入AWG，AWG将波长不同的窄带光在空间上分离后传输到各个输出波导并通过光电转换电路转换为电信号，最后由信号处理电路完成AD转换，并进一步计算得到FBG传感器的中心波长。AWG中没有运动部件，所以其解调速度不受机械结构响应速度的限制，可以达到较高的速度。其中，AWG相邻通道透射谱与FBG传感器反射谱的示意图如图3所示，AWG每个通道的透射谱为高斯型，当FBG受到温度或应变等影响时，其反射谱的中心波长也会发生变化，由于AWG的滤波特性，相应通道的输出光功率就会发生变化，光功率的大小为该通道的AWG透射谱函数同FBG反射谱函数的卷积。通过光电探测器将不同通道的光功率变化转换为电流大小变化，然后利用两个相邻通道的输出计算FBG中心波长，从而实现解调。然而，AWG的解调波长范围和解调精度难以兼顾，在输出波导数量一定时，增加AWG相邻通道的波长间隔可以扩展解调波长范围但解调精度会降低。并且，当FBG中心波长与AWG通道中心波长接近时，仅能在AWG芯片的一个输出通道测量得到光信号，不能实现波长解调，存在无法监测的盲区；此外，当需要进行光路延长、光路转接、通道扩展时，加上AWG具有分光特性，以上情况会使最终到达光电探测器的光信号强度降低，系统信噪比降低，限制了解调系统的精度；在光路损耗较大的情况下，甚至会无法识别到FBG传感器。
发明内容
为解决现有技术中基于常规AWG的光纤光栅解调技术不能对FBG中心波长连续解调，解调带宽窄，精度有限，光路损耗等问题，本发明提供一种基于AWG的多通道可程控小型化高速FBG解调系统和方法。
为达到上述目的，本发明技术方案是：
基于AWG的多通道可程控小型化高速FBG解调系统，包括高稳定性宽带光源模块、低损耗隔离模块、小型化可程控光纤放大器、环形器、两级小型化高速光开关，大串扰AWG模块、光电转换模块、可程控A/D转换模块、核心控制模块，所述高稳定性宽带光源模块的输出端连接所述低损耗隔离模块的输入端，所述低损耗隔离模块的输出端经过所述小型化可程控光纤放大器连接至所述环形器的第一端口，所述环形器的第二端口连接所述两级小型化高速光开关，所述环形器的第三端口连接所述大串扰AWG模块的输入端，所述大串扰AWG模块、所述光电转换模块、所述可程控A/D转换模块、所述核心控制模块依次连接。
上述两级小型化高速光开关连接FBG传感器阵列。
上述核心控制模块连接上位机。
上述两级小型化高速光开关包括第一级小型化高速光开关与第二级小型化高速光开关，所述第一级小型化高速光开关包括一1xX小型化高速光开关，第二级小型化高速光开关包括多个1xY小型化高速光开关，所述环形器的第二端口连接所述1xX小型化高速光开关，所述1xX小型化高速光开关连接多个所述1xY小型化高速光开关，多个所述1xY小型化高速光开关连接所述FBG传感器阵列。
上述FBG传感器阵列包括多个FBG传感器。
在一具体实施例中，上述大串扰AWG模块采用相邻4个通道的输出光信号解调一个FBG中心波长。
本发明还提供基于AWG的多通道可程控小型化高速FBG解调方法，包括，
步骤S1，所述高稳定性宽带光源模块的光信号经过所述低损耗隔离模块后进入所述小型化可程控光纤放大器进行功率放大，放大后依次经过所述环形器、所述两级小型化高速光开关，然后进入所述FBG传感器阵列；
步骤S2，所述FBG传感器将特定中心波长的窄带光信号反射回来，反射光信号满足布拉格条件：
λB＝2neffΛ，
其中，λB为所述FBG传感器的中心波长，neff为光纤纤芯的有效折射率，Λ为所述FBG传感器的栅格周期；
步骤S3，所述反射光信号再次经过所述两级小型化高速光开关，然后输入所述环形器的第二端口，再从所述环形器的第三端口输出，进入所述大串扰AWG模块；
步骤S4，所述大串扰AWG模块的输出光接入所述光电转换模块实现光电转换；
步骤S5，经过光电转换后的模拟电信号经过所述可程控A/D转换模块转换为数字信号，所述核心控制模块根据数字信号计算得到所述FBG传感器的中心波长。
上述基于AWG的多通道可程控小型化高速FBG解调方法，还包括，将计算得到的所述FBG传感器的中心波长传输给所述上位机。
上述FBG传感器的中心波长采用质心算法计算，计算公式如下：
其中，N为参与质心计算的样本个数；λi为所述大串扰AWG模块的输出通道i的中心波长；pi为数字化后的数字信号，代表通道i输出光谱的功率大小。
在一具体实施例中，上述参与质心计算的样本个数N为4。
有益效果，本发明基于AWG的多通道可程控小型化高速FBG解调系统和方法，在保证解调范围的同时提高解调精度，改善传统AWG解调系统不能实现连续解调的问题，采用相邻4个通道的输出光信号解调一个FBG中心波长，实现了AWG波长范围内连续波长解调；通过两级小型化高速光开关扩展传感器通道，具有高速切换的能力，增加解调仪的传感器容量，实现对大规模的FBG传感器解调；通过小型化可程控光纤放大器调节系统的光信号强度，使整个系统的光源功率可以提高数倍至数十倍，当系统使用高反射率的FBG传感器、光路连接损耗小的时候，光纤放大器工作在较小的放大倍数；当使用低反射率的FBG传感器，光路连接存在多处损耗，或者需要通过额外扩展光路时，光纤放大器工作在较大的放大倍数，使最终到达AWG模块的反射光信号具有足够的光强度，有效保持了系统在不同工作环境下的信噪比；通过可程控A/D转换模块调节信号放大倍数，提高了系统信噪比，保证了系统在不同工作环境下的可用性。
为让发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1为可调谐光纤F-P滤波法的系统结构示意图。
图2为基于AWG的解调法的系统结构示意图。
图3为图2中方法AWG相邻通道透射谱与FBG传感器反射谱的示意图。
图4为本发明基于AWG的多通道可程控小型化高速FBG解调系统一具体实施例的示意图。
图5为本发明基于AWG的多通道可程控小型化高速FBG解调方法的流程图。
图6为本发明中大串扰AWG模块通道输出光谱及FBG传感器反射谱的示意图。
在附图中，类似的附图标号是指相同的附图元件。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。
图4为本发明一种基于AWG的多通道可程控小型化高速FBG解调系统一具体实施例的示意图。如图4所示，本发明一种基于AWG的多通道可程控小型化高速FBG解调系统，包括高稳定性宽带光源模块11、低损耗隔离模块12、小型化可程控光纤放大器13、环形器14、两级小型化高速光开关15，大串扰AWG模块16、光电转换模块17、可程控A/D转换模块18、核心控制模块19。其中，所述两级小型化高速光开关15包括第一级小型化高速光开关151与第二级小型化高速光开关152，所述第一级小型化高速光开关151包括一1xX小型化高速光开关，第二级小型化高速光开关152包括多个1xY小型化高速光开关。
所述高稳定性宽带光源模块11的输出端连接所述低损耗隔离模块12的输入端，所述低损耗隔离模块12的输出端经过所述小型化可程控光纤放大器13连接至所述环形器14的第一端口，所述环形器14的第二端口连接所述1xX小型化高速光开关151，所述1xX小型化高速光开关151连接多个1xY小型化高速光开关，多个1xY小型化高速光开关连接FBG传感器阵列30，所述环形器14的第三端口连接所述大串扰AWG模块16的输入端，所述大串扰AWG模块16、所述光电转换模块17、所述可程控A/D转换模块18、所述核心控制模块19依次连接，所述核心控制模块19连接上位机20。本发明一种基于AWG的多通道可程控小型化高速FBG解调系统采集大规模FBG传感器阵列的波长信号，然后将解调后的传感信号通过通信线路上传到上位机。其中，所述FBG传感器阵列30包括多个FBG传感器。
在一具体实施例中，所选用的宽带光源为超辐射发光二极管，波长范围为1520nm～1580nm；所选用的光纤放大器为可程控掺铒光纤放大器，可对原始光信号进行放大，放大倍数可调，最大输出光功率100mW；所选的光开关为小型化高速光开关，切换时间≤10ns；所述大串扰AWG模块的波导类型为矩形波导，大串扰AWG模块的包层材料为磷化铟InP，芯层材料为铟镓砷磷InGaAsP，大串扰AWG模块的相邻通道串扰大于-10dB或小于-15dB；所述光电转换模块为PIN光电探测器阵列；所述可程控A/D转换模块采用20位分辨率的A/D转换芯片，前端电荷放大倍数可程控；所述核心控制模块采用FPGA实现；FBG解调系统的单通道采样率≥10kHz，三边尺寸≤135mm×119mm×67mm。
本发明还提供一种基于AWG的多通道可程控小型化高速FBG解调方法，如图5所示，具体包括，
步骤S1，所述高稳定性宽带光源模块11的光信号经过所述低损耗隔离模块12后进入所述小型化可程控光纤放大器13进行功率放大，放大后的宽带光依次经过所述环形器14、所述两级小型化高速光开关15，然后进入选定的FBG传感器阵列。
步骤S2，FBG传感器将特定中心波长的窄带光信号反射回来，反射光信号满足布拉格条件：
λB＝2neffΛ。(1)
其中，λB为FBG传感器的中心波长，neff为光纤纤芯的有效折射率，Λ为FBG传感器的栅格周期。外界被测试量的变化会引起neff和Λ发生变化，从而导致FBG传感器的中心波长λB发生变化。
步骤S3，所述反射光信号再次经过所述两级小型化高速光开关15，然后输入所述环形器14的第二端口，再从所述环形器14的第三端口输出，进入所述大串扰AWG模块16。
图6为大串扰AWG模块通道输出光谱及FBG传感器反射谱的示意图，其中，本具体实施例中采用的大串扰AWG模块通道的输出光谱示意图如图6中实线所示，虚线表示FBG传感器的反射谱，相邻4个输出通道的输出光谱存在重叠区域，当所述FBG传感器反射光信号的中心波长位于大串扰AWG模块的通道M的中心波长和通道M+1的中心波长之间时，所述FBG传感器的反射光信号可以被通道M-1、通道M、通道M+1、通道M+2所接收，各通道的光强大小对应各通道透射谱函数与FBG传感器反射谱函数的卷积。
步骤S4，所述大串扰AWG模块16的输出光接入所述光电转换模块17实现光电转换，由于激光光源本身的光功率较小，经过光路衰减后到达所述光电转换模块17的信号光功率在几纳瓦到几百纳瓦之间。
在一具体实施例中，采用的所述光电转换模块为PIN光电探测器，灵敏度为0.95A/W，由所述光电转换模块输出的光电流大小为几纳安到几百纳安。
步骤S5，经过光电转换后的模拟电信号经过所述可程控A/D转换模块18转换为数字信号，所述核心控制模块19根据数字信号计算得到FBG传感器的中心波长，进而实现FBG传感器对测试对象应变、温度等物理量的测量。更进一步地，可将计算得到的FBG传感器的中心波长传输给所述上位机20，所述上位机20也可向所述核心控制模块19传输数据。
其中，所述可程控A/D转换模块18采用20位分辨率的多通道A/D转换芯片实现，FBG传感器的中心波长采用质心算法计算，计算公式如下：
其中，N为参与质心计算的样本个数，本具体实施例中采用4个相邻通道计算一个FBG传感器的中心波长，N取4；λi为所述大串扰AWG模块16输出通道i的中心波长；pi为数字化后的20位数字信号，代表通道i输出光谱的功率大小。
综上所述，本发明利用可程控光纤放大器对宽带光源输出的信号进行放大，采用小型化高速光开关扩展解调通道，有效保证了系统在不同工作环境下的信噪比，增加了系统的传感器容量；采用大串扰AWG模块克服传统AWG解调方法无法实现FBG传感器波长连续解调的缺陷，提高了解调精度，扩展了解调波长范围。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。
Claims (10)
1.基于AWG的多通道可程控小型化高速FBG解调系统，其特征在于，包括高稳定性宽带光源模块、低损耗隔离模块、小型化可程控光纤放大器、环形器、两级小型化高速光开关，大串扰AWG模块、光电转换模块、可程控A/D转换模块、核心控制模块，所述高稳定性宽带光源模块的输出端连接所述低损耗隔离模块的输入端，所述低损耗隔离模块的输出端经过所述小型化可程控光纤放大器连接至所述环形器的第一端口，所述环形器的第二端口连接所述两级小型化高速光开关，所述环形器的第三端口连接所述大串扰AWG模块的输入端，所述大串扰AWG模块、所述光电转换模块、所述可程控A/D转换模块、所述核心控制模块依次连接。
2.如权利要求1所述基于AWG的多通道可程控小型化高速FBG解调系统，其特征在于，所述两级小型化高速光开关连接FBG传感器阵列。
3.如权利要求2所述基于AWG的多通道可程控小型化高速FBG解调系统，其特征在于，所述核心控制模块连接上位机。
4.如权利要求2所述基于AWG的多通道可程控小型化高速FBG解调系统，其特征在于，所述两级小型化高速光开关包括第一级小型化高速光开关与第二级小型化高速光开关，所述第一级小型化高速光开关包括一1xX小型化高速光开关，第二级小型化高速光开关包括多个1xY小型化高速光开关，所述环形器的第二端口连接所述1xX小型化高速光开关，所述1xX小型化高速光开关连接多个所述1xY小型化高速光开关，多个所述1xY小型化高速光开关连接所述FBG传感器阵列。
5.如权利要求4所述基于AWG的多通道可程控小型化高速FBG解调系统，其特征在于，所述FBG传感器阵列包括多个FBG传感器。
6.如权利要求1所述基于AWG的多通道可程控小型化高速FBG解调系统，其特征在于，所述大串扰AWG模块采用相邻4个通道的输出光信号解调一个FBG中心波长。
7.基于AWG的多通道可程控小型化高速FBG解调方法，其特征在于，用于如权利要求1-6任意一项所述基于AWG的多通道可程控小型化高速FBG解调系统，包括，
步骤S1，所述高稳定性宽带光源模块的光信号经过所述低损耗隔离模块后进入所述小型化可程控光纤放大器进行功率放大，放大后依次经过所述环形器、所述两级小型化高速光开关，然后进入所述FBG传感器阵列；
步骤S2，所述FBG传感器将特定中心波长的窄带光信号反射回来，反射光信号满足布拉格条件：
λB＝2neffΛ，
其中，λB为所述FBG传感器的中心波长，neff为光纤纤芯的有效折射率，Λ为所述FBG传感器的栅格周期；
步骤S3，所述反射光信号再次经过所述两级小型化高速光开关，然后输入所述环形器的第二端口，再从所述环形器的第三端口输出，进入所述大串扰AWG模块；
步骤S4，所述大串扰AWG模块的输出光接入所述光电转换模块实现光电转换；
步骤S5，经过光电转换后的模拟电信号经过所述可程控A/D转换模块转换为数字信号，所述核心控制模块根据数字信号计算得到所述FBG传感器的中心波长。
8.如权利要求7所述基于AWG的多通道可程控小型化高速FBG解调方法，其特征在于，还包括，将计算得到的所述FBG传感器的中心波长传输给所述上位机。
9.如权利要求7所述基于AWG的多通道可程控小型化高速FBG解调方法，其特征在于，所述FBG传感器的中心波长采用质心算法计算，计算公式如下：
其中，N为参与质心计算的样本个数；λi为所述大串扰AWG模块的输出通道i的中心波长；pi为数字化后的数字信号，代表通道i输出光谱的功率大小。
10.如权利要求9所述基于AWG的多通道可程控小型化高速FBG解调方法，其特征在于，所述参与质心计算的样本个数N为4。
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