CN116930121A - 基于vcsel和乙炔吸收峰的光纤光栅解调方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤传感/光电检测技术领域，提供了一种基于VCSEL和乙炔吸收峰的光纤光栅解调方法与装置。包括挑选符合标准的VCSEL激光器，使其能在0‑40℃下正常工作，并且电流、电压对激光器波长的调谐均符合设计要求，使其满足无温控使用时有效扫描范围为8nm。并选择合适波长的FBG，便于组建成无温控检测系统。因为在不同温度下激光器的扫描波长范围不同，导致对吸收峰识别存在难题，本发明也介绍了精准识别吸收峰的方法。由于VCSEL驱动方式分为电流、电压驱动，在一个驱动周期内为两段式进行，即把FBG反射波的寻峰点带入到分两段拟合的方程中，最终得到FBG的解调波长。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感/光电检测技术领域，特别涉及一种基于VCSEL和乙炔吸收峰的光纤光栅解调方法与装置。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
光纤解调仪通过解调光纤光栅的反射波中心波长，来实时监测外界物理量的变化。通过对光纤光栅不同的封装，目前比较常见的光纤光栅类传感器有光纤压力传感器、光纤位移传感器、光纤温度传感器等。上述的传感器已经被广泛应用于能源、化工、矿山等领域。
据了解，当前的光纤解调主要采用了宽谱光源或者可调谐DFB激光器，其激光器需要温控导致整个解调系统的功耗较高，当前的解调仪大多也都不满足小型化的特点。
现有技术公开了一种基于调谐VCSEL(垂直腔面发射激光器)和乙炔吸收峰作为光谱参考的FBG解调装置及工作方法(CN106017533A)，由于外界温度变化会对激光器的发射波长造成漂移，通过使用温控(TEC)来控制激光器的工作温度，使激光器的发射的波长保持在1527-1530nm之间。同时，利用这个波长范围内乙炔的五个吸收峰的中心波长做光谱参考。通过对5个吸收峰波长拟合来寻找并检测光纤光栅的波长值，该系统实现了通过乙炔吸收峰作为波长参考来解调光纤光栅的功能，但是该解调系统由于对激光器使用了温控TEC，存在功耗较大、解调范围仅有3nm的缺点。
现有技术中还公开了一种采用基于VCSEL和甲烷气室作为参考的解调方案，(CN114609082A)该方案中没有采用温控(TEC)的方式，通过找到在0-40℃下的激光器发光波长为2.4nm的重叠区域作为解调范围。由于甲烷吸收峰的间距较大2.7nm左右，即0-40℃温度范围下最多只存在两个吸收峰，利用仅有的吸收峰作为参考来解调。由于该解调方案的波长解调范围小，一个解调仪只能解调两个FBG传感器，使其应用范围受到限制。
同时上述两种方案吸收峰较少，以及缺少得到吸收峰后后续的拟合处理过程。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于VCSEL和乙炔吸收峰的光纤光栅解调方法与装置，具备低功耗、宽解调范围、小型化的优点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明第一个方面提供了一种基于VCSEL和乙炔吸收峰的光纤光栅解调方法。
基于VCSEL和乙炔吸收峰的光纤光栅解调方法，包括：
分别采用电流VCSEL驱动和电压VCSEL驱动的双驱动模式，在同一个完整的波长扫描周期中进行分段扫描，使得波长扫描范围拓宽，当激光进入多个光通道，得到参考光强信号、乙炔参考气室信号和FBG反射信号；
分别对参考光强信号、乙炔参考气室信号和FBG反射信号均进行滤波，之后对参考光强信号和乙炔参考气室信号归一化处理；
基于参考光强信号和乙炔参考气室信号，寻找吸收峰，对比吸收峰前后两个吸收峰的吸收强度，确定吸收峰的波长值，根据吸收峰的波长值，得到对应的采样点位置；
根据吸收峰波长和采样点位置，依据电流VCSEL驱动的波段扫描范围和电压VCSEL驱动的波段扫描范围，分段拟合曲线，得到第一拟合曲线和第二拟合曲线，构建拟合方程；
根据FBG反射信号，寻找反射峰，以此得到峰值对应的采样点位置，利用拟合方程，计算各个FBG反射峰波长值。
进一步地，所述分别采用电流VCSEL驱动和电压VCSEL驱动的双驱动模式，在同一个完整的波长扫描周期中进行分段扫描的过程包括：先采用电流VCSEL驱动扫描产生第一波段，再采用电压VCSEL驱动扫描产生第二波段，所述第一波段和第二波段构成一个完整的周期。
进一步地，所述分别采用电流VCSEL驱动和电压VCSEL驱动的双驱动模式，在同一个完整的波长扫描周期中进行分段扫描的过程包括：先采用电压VCSEL驱动扫描产生第一波段，再采用电流VCSEL驱动扫描产生第二波段，所述第一波段和第二波段构成一个完整的周期。
进一步地，所述得到参考光强信号、乙炔参考气室信号和FBG反射信号的过程包括：第一路光纤进入第一光通道，得到参考光强信号；第二路光纤进入第二光通道，经过乙炔气室，得到乙炔参考气室信号；剩下八路光纤分别进入八个光通道，经FBG反射后，得到八路FBG反射信号。
进一步地，在分别采用电流VCSEL驱动和电压VCSEL驱动的双驱动模式之前，还包括：选择满足要求的VCSEL和FBG，并标定VCSEL的参数。
更进一步地，所述标定VCSEL的参数包括标定VCSEL的温度系数、电流参数和电压参数。
本发明第二个方面提供了一种基于VCSEL和乙炔吸收峰的光纤光栅解调装置。
基于VCSEL和乙炔吸收峰的光纤光栅解调装置，采用第一个方面所述的基于VCSEL和乙炔吸收峰的光纤光栅解调方法，包括：依次连接VCSEL、光隔离器、光分路器、光探测器和微处理器，微处理器的输出端依次连接数模转换器和电流驱动电路后，连接至VCSEL；
所述光分路器具有一个输入端口和十个输出端口，所述输出端口一路光纤经过耦合器直接输往光电探测器；一路光纤经过耦合器和乙炔气室后输往光电探测器；八路光纤经过耦合器后输入FBG传感器，经传感FBG反射后输往光电探测器；
所述微处理器对十路信号进行分段拟合处理，得到各个FBG反射峰波长值。
进一步地，所述光电探测器的输出端连接跨阻放大电路的输入端，所述跨阻放大电路的输出端连接模数转换电路的输入端，所述模数转换电路的输出端连接微处理器。
更进一步地，所述微处理器经过数模转换电路连接电压驱动电路和电流驱动电路，所述电压驱动电路和电流驱动电路均连接VCSEL；所述微处理器经温度监测电路连接VCSEL。
进一步地，所述微处理器通过通讯接口连接控制终端。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明分别采用电流VCSEL驱动和电压VCSEL驱动，对同一个完整周期的波长进行分段扫描，可以在较大的扫描范围内，包含较多的吸收峰，在利用吸收峰波长信息拟合计算被测量的光纤光栅波长时，可以在一定程度上提高解调精度。
本发明采用电流、电压双调谐的VCSEL激光器，为了降低整体使用功耗没有对激光器使用温度控制，无温控使用时激光器有8nm的波长扫描范围，所以该方案满足低功耗的同时具备较宽解调范围的特征。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本实施例中使用的VCSEL，其一个波长扫描周期内的波长扫描值随温度漂移的示意图；
图2为本实施例中用到的1520-1540nm波段的乙炔吸收峰的工作区域示意图，数据来自HITRAN数据库；
图3为本发明实施例中用于光纤光栅监测的低功耗、温度自适应的FBG解调装置示意图；
其中，1、电流电压双调谐VCSEL，2、电流驱动电路，3、电压驱动电路，4、温度监测电路，5、数模转换电路，6、微处理器，7、光隔离器，8、光分路器，9、光电探测器，10、跨阻放大电路，11、模数转换电路，12、通讯接口，13、乙炔气室。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明中，术语如“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例提供了一种基于VCSEL和乙炔吸收峰的光纤光栅解调方法，包括：
步骤(1)：在1520-1540nm波段范围内挑选合适的电流、电压双调谐VCSEL和FBG传感器，使解调系统在无温控情况下，可以在0-40℃的环境温度下达到8nm的波长解调范围，如图1所示。
在没有温控装置的条件下，VCSEL的中心波长的大小是随着外界温度变化的。经过大量实验测试，得到这种电流、电压双调谐VCSEL的温度与扫描波长近似线性关系：λ＝KT，其中K＝0.116nm/℃～0.128nm/℃，对于不同VCSEL，其的K值也不同。当不同的VCSEL的温度在0℃到40℃变化时，其中心波长的变化在5nm左右。
在1520-1540nm波段范围内，单片机控制驱动VCSEL电流扫描电路，使VCSEL的波长随电流变化而变化，VCSEL的驱动电流与扫描波长近似一个二次曲线关系：λ＝a1I2+b1I+c1，当VCSEL工作在一个幅值为20-10mA的锯齿波扫描电流驱动下，VCSEL波长变化范围约为3nm左右，形成了VCSEL波长的第一次扫描。之后，单片机继续驱动VCSEL电压扫描电路，在0至18v对VCSEL波长继续调谐使其波长扫描范围继续增加。电压调谐也近似二次曲线关系：λ＝a2I2+b2I+c2，驱动电路产生0-18v的锯齿波扫描电压，激光器大约产生10nm的波长调谐范围。电压调谐的二次曲线参数和上述的电流调谐二次曲线参数一样，由于每一只激光器因为其制作工艺影响，这些参数也可能各不相同。因此，在选择VCSEL激光器时，需要对每一只激光器都进行温度系数、电流参数、电压参数进行标定。经过大量实验测试，得出影响激光器发光波长多参数的方程：λ＝λ(V＝0v,I＝10ma,T＝20℃)+a(V-V0)2+b(V-V0)+c+d(I-I10)2+e(I-I10)+f+k(T-T20℃)该方程是在初始温度为20℃、初始电压为0V且初始电流为10ma时，通过标定确定系数a，b，c，d，e和f。然后利用该公式就可以得到该激光器在任意的电流、电压、温度下的输出波长值。
为了满足电流、电压双调谐VCSEL在0℃时的最小波长以及VCSEL在40℃时的最大波长都在1520-1540nm波段范围内才可以使用。本实施例通过大量试验测试确定出所使用的电流、电压双调谐VCSEL的Δλ/ΔT(nm/℃)值是0.116nm/℃～0.128nm/℃，平均值为0.122nm/℃。
最后，挑选波长合适的FBG，以便满足在物理量监测的过程中，波长变化始终在8nm的范围之内。由于激光器在0-40℃下的范围扫描为1527-1535nm，FBG的初始波长应在1525-1533nm区间。同时也应根据传感器封装的敏感度，对波长范围进行调整。
步骤(2)：选定上述满足要求的VCSEL，并通过实验标定得到相关参数之后，该VCSEL光源安放在图3所示的解调系统中。当驱动VCSEL激光器完成一个波长扫描周期时，在第一路的参考光源信号中，提供了参考光源的光信号，在第二路乙炔参考气室信号中，提供了乙炔吸收峰的光信号。MCU对参考光强信号和参考气室信号进行归一化处理，就可以得到乙炔的吸收峰波形。再通过滤波处理，将1525.76nm至1524.14nm之间的较小强度吸收峰清除掉。然后，通过对归一化后的乙炔吸收峰信号处理，以便利用各个已知的吸收峰波长来寻找对应各个吸收峰的中心波长的采样点位置，这样利用乙炔吸收峰对应的各个采样点位置信息，就可以得到每两个采样点之间代表的波长变化量。
采用同样的方式，对采集到其他8路的光纤光栅的反射信号进行滤波，并得到FBG峰值对应的采样点位置。利用FBG峰值对应的采样点位置、各个已知的吸收峰波长和每两个采样点之间代表的波长变化量，就可以精确算出每个FBG中心波长在这个波长扫描周期中的波长值。当FBG由被测量调制而产生变化时，其波长值也发生相应的变化，通过检测FBG波长值的变化，就可以实现对被测量物理量的检测。
步骤(3)：对吸收峰分段进行分段曲线拟合。
激光器驱动是分两段驱动来完成一个完整周期的波长扫描，分别是电流驱动、电压驱动。由于电流、电压对激光器发射波长的二次拟合曲线并不一致，因此，在对吸收峰拟合时，需要将整个波长扫描区间分成两个时间段，然后再分别进行拟合。由于在一个波长扫描周期内的前四分之一的时间是对应于电流驱动的波长变化，其余则是对应于电压驱动的波长变化。例如，一个扫描周期内的采样点共2000个，乙炔参考气室信号中的前500个采样点是对应于电流驱动的采样点，先对前500个采样点拟合可以得到由于电流变化引起的波长改变的第一拟合曲线；剩下的1500采样点是对应于电压驱动的采样点，再对这些采样点拟合得到第二拟合曲线。乙炔参考气室信号中，这两段拟合曲线就包含了整个波长扫描区间内对应吸收峰。同时，采用同样的方式，对采集到其他8路的光纤光栅的反射信号进行分段拟合，就可以分别得到各个FBG的反射峰波长值。
步骤(4)：本发明中关于识别吸收峰的具体方法。
如图2所示，在乙炔分子在1520-1540nm波段，采用最高吸收峰1530.37095nm为本发明的定位目标峰。在0-40℃的环境温度下，激光器的波长漂移过程的重叠区域中，在激光器的13nm扫描范围内，将一直都会包含波长为1530.37095nm、1531.58779nm和1529.17977nm的吸收峰。基于这样的物理特性，本发明提出基于最强吸收峰1530.37095nm作为乙炔吸收峰波长识别方法的定位特征峰，同时利用中心波长为1531.58779nm和1529.17977nm的吸收峰作为定位辅助峰。
该方法具体实时步骤如下：首先驱动电路控制激光器产生在一个扫描周期中可以覆盖13nm波长调谐范围，调谐后的激光分别进入处理系统中的十个光通道；对于进入乙炔气室、参考光源两路的信号进行归一化处理，然后比较扫描波长范围内吸收峰值的大小来寻找定位特征吸收峰对应的采样点在波长扫描范围内的位置。为了寻找特征吸收峰，MCU在1540-1527nm的扫描波长范围中，从1540nm开始向短波长方向寻找特征吸收峰。在此过程中，如果通过对比吸收峰强度发现了一个吸收峰，它的强度比它前后两个吸收峰的吸收强度都大时，就可以确定这个特征吸收峰是对应于波长1530.37095nm。由于所有吸收峰的波长都是确定的，当找到1530.37095nm特征峰后，其他吸收峰对应的波长值也可以准确确定。这样，这些吸收峰在解调系统的波长扫描区间中，就形成了一组固定的“波长标尺”。由于解调系统在扫描参考气室通道时，也同步地扫描了其他8个FBG通道，并得到对应的FBG波长的反射峰。所以，在解调系统的波长扫描区间中，任何FBG波长值、以及其波长变化值都可以利用这组吸收峰波长标尺来测算，从而实现对FBG波长的解调。
由于本发明没有采用温控装置，整个测量系统的功耗很低，并可以采用电池供电、利用无线传输端口就可以做成一个无线传感网的移动传感器节点。解调仪作为这个小范围监测系统的核心，具备8个通道；在0-40℃条件下，可以实现无温控的8nm的波长解调范围，因此，一个解调仪可以同时解调几十个光纤光栅传感器。
实施例二
本实施例提供了一种基于VCSEL和乙炔吸收峰的光纤光栅解调装置，包括：电流电压双调谐VCSEL1、微处理器(MCU)6、电压驱动电路3、电流驱动电路2、温度监测电路4、数模转换电路5、光隔离器7、光分路器8、光纤耦合器、FBG传感器、光电探测器9、跨阻放大电路10、模数转换电路11以及乙炔气室13；光纤耦合器的其中一端连接光电探测器9和模数转换电路11，模数转换电路11的输出连接MCU，MCU的输出端依次连接数模转换电路5和电流驱动电路2、电压驱动电路3。在解调系统工作时，MCU分别控制电流驱动电路2和电压驱动电路3，使VCSEL产生13nm的波长扫描范围；另外MCU也可通过激光器内部的温度压力芯片实时监控激光器的温度。所述微处理器6通过通讯接口12连接控制终端。
上述的光分路器8具有一个输入端口和十个输出端口，所述输出端口第一路光纤直接到达光电探测器9；所述的输出端口的第二路光纤通过乙炔气室13后到达光电探测器9，MCU对第一路电信号和第二路电信号进行归一化处理；先对其进行滤波、寻峰，再根据可靠的吸收峰识别算法对吸收峰展开识别以及二次拟合。
剩下的8路输出端口的光纤分别经过8个2X1耦合器后进入8路FBG传感器，入射光经过FBG反射后分别经过8个2X1耦合器后输往光电探测器9。最终8路信号进入MCU进行数据处理，因为在同一波长扫描范围内，解调系统同时得到了乙炔吸收峰波长和FBG的反射波长。利用已知的乙炔吸收峰波长值，进行波长拟合，可以算出各个FBG波长值，从而达到解调FBG波长的目的。
为了实现解调仪具备小型化、低功耗、宽解调范围的特性。本发明采用美国BandWidth10公司生产的VCSEL激光器来作为光源，激光器具有7个引脚，具备电压调谐波长、电流调谐波长以及温度控制的能力。在使用电流、电压双波长调谐时，激光器可以实现13nm的波长扫描范围，由于本发明没有对其采取温度控制，考虑环境温度的影响，波长解调系统可以实现8nm的有效监测范围。由于在此较大的扫描范围内，包含较多的吸收峰，在利用吸收峰波长信息拟合计算被测量的光纤光栅波长时，可以在一定程度上提高了解调精度。
本发明选用在1520-1540nm波长范围内吸收峰分布比较密集的乙炔气体作为参考，来解调FBG中心波长。同时采用了在0-40℃下波长扫描范围在1520-1540nm的VCSEL激光器做光源。然后，挑选合适的光纤光栅，使其在监测外界物理量时波长漂移始终在激光器波长扫描的范围之内。实验证明，按照本发明方案组成的解调系统可以实现在0-40℃的范围之内，不使用温控装置的条件下，达到8nm的有效波长扫描范围，在此波长扫描范围内，可以实时地监测光纤光栅中心波长的变化值，使整个传感器测量系统满足低功耗、宽调谐范围、小型化的要求。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于VCSEL和乙炔吸收峰的光纤光栅解调方法，其特征在于，包括：
分别采用电流VCSEL驱动和电压VCSEL驱动的双驱动模式，在同一个完整的波长扫描周期中进行分段扫描，使得波长扫描范围拓宽，当激光进入多个光通道，得到参考光强信号、乙炔参考气室信号和FBG反射信号；
分别对参考光强信号、乙炔参考气室信号和FBG反射信号均进行滤波，之后对参考光强信号和乙炔参考气室信号归一化处理；
基于参考光强信号和乙炔参考气室信号，寻找吸收峰，对比吸收峰前后两个吸收峰的吸收强度，确定吸收峰的波长值，根据吸收峰的波长值，得到对应的采样点位置；
根据吸收峰波长和采样点位置，依据电流VCSEL驱动的波段扫描范围和电压VCSEL驱动的波段扫描范围，分段拟合曲线，得到第一拟合曲线和第二拟合曲线，构建拟合方程；
根据FBG反射信号，寻找反射峰，以此得到峰值对应的采样点位置，利用拟合方程，计算各个FBG反射峰波长值。
2.根据权利要求1所述的基于VCSEL和乙炔吸收峰的光纤光栅解调方法，其特征在于，所述分别采用电流VCSEL驱动和电压VCSEL驱动的双驱动模式，在同一个完整的波长扫描周期中进行分段扫描的过程包括：先采用电流VCSEL驱动扫描产生第一波段，再采用电压VCSEL驱动扫描产生第二波段，所述第一波段和第二波段构成一个完整的周期。
3.根据权利要求1所述的基于VCSEL和乙炔吸收峰的光纤光栅解调方法，其特征在于，所述分别采用电流VCSEL驱动和电压VCSEL驱动的双驱动模式，在同一个完整的波长扫描周期中进行分段扫描的过程包括：先采用电压VCSEL驱动扫描产生第一波段，再采用电流VCSEL驱动扫描产生第二波段，所述第一波段和第二波段构成一个完整的周期。
4.根据权利要求1所述的基于VCSEL和乙炔吸收峰的光纤光栅解调方法，其特征在于，所述得到参考光强信号、乙炔参考气室信号和FBG反射信号的过程包括：第一路光纤进入第一光通道，得到参考光强信号；第二路光纤进入第二光通道，经过乙炔气室，得到乙炔参考气室信号；剩下八路光纤分别进入八个光通道，经FBG反射后，得到八路FBG反射信号。
5.根据权利要求1所述的基于VCSEL和乙炔吸收峰的光纤光栅解调方法，其特征在于，在分别采用电流VCSEL驱动和电压VCSEL驱动的双驱动模式之前，还包括：选择满足要求的VCSEL和FBG，并标定VCSEL的参数。
6.根据权利要求5所述的基于VCSEL和乙炔吸收峰的光纤光栅解调方法，其特征在于，所述标定VCSEL的参数包括标定VCSEL的温度系数、电流参数和电压参数。
7.基于VCSEL和乙炔吸收峰的光纤光栅解调装置，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述的基于VCSEL和乙炔吸收峰的光纤光栅解调方法，包括：依次连接VCSEL、光隔离器、光分路器、光探测器和微处理器，微处理器的输出端依次连接数模转换器和电流驱动电路后，连接至VCSEL；
所述光分路器具有一个输入端口和十个输出端口，所述输出端口一路光纤经过耦合器直接输往光电探测器；一路光纤经过耦合器和乙炔气室后输往光电探测器；八路光纤经过耦合器后输入FBG传感器，经传感FBG反射后输往光电探测器；
所述微处理器对十路信号进行分段拟合处理，得到各个FBG反射峰波长值。
8.根据权利要求7所述的基于VCSEL和乙炔吸收峰的光纤光栅解调装置，其特征在于，所述光电探测器的输出端连接跨阻放大电路的输入端，所述跨阻放大电路的输出端连接模数转换电路的输入端，所述模数转换电路的输出端连接微处理器。
9.根据权利要求8所述的基于VCSEL和乙炔吸收峰的光纤光栅解调装置，其特征在于，所述微处理器经过数模转换电路连接电压驱动电路和电流驱动电路，所述电压驱动电路和电流驱动电路均连接VCSEL；所述微处理器经温度监测电路连接VCSEL。
10.如权利要求8所述的基于VCSEL和乙炔吸收峰的光纤光栅解调装置，其特征在于，所述微处理器通过通讯接口连接控制终端。
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| CN117387673A (zh) * | 2023-12-08 | 2024-01-12 | 山东星冉信息科技有限公司 | 一种基于参考气室的光纤光栅解调方法及设备 |
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| CN117387673B (zh) * | 2023-12-08 | 2024-02-23 | 山东星冉信息科技有限公司 | 一种基于参考气室的光纤光栅解调方法及设备 |
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