CN214506041U - 基于可调激光器的光纤光栅调制解调系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于可调激光器的光纤光栅调制解调系统，包括C波段可调激光器、可调激光器温控电路、可调激光器驱动电路、光分路器、光耦合器、FBG(光纤布拉格光栅)传感器、光电二极管、放大滤波电路、ADC数据采集电路、微处理器、计算机、LDO低压差线性稳压器、DC/DC和外部电源。该方法采用窄带可调谐光源输入光纤光栅,可周期性地扫描光纤光栅的反射谱或透射谱。本发明能够实现了不采用ASE光源和滤波器的情况下输出持续的脉冲窄带光，大幅降低了设备成本；应用STM32H7双核芯片同时完成激光器控制和数据采集的功能，提高了系统的响应度的同时缩小了仪器的体积。该解调系统成本较低，且具有较高的数据采样速度、测量灵敏度可调、测量结果稳定。

Description

基于可调激光器的光纤光栅调制解调系统

【技术领域】

本实用新型主要涉及一种基于可调激光器的光纤光栅调制解调系统。

【背景技术】

光纤布拉格光栅FBG(Fiber Bragg Grating)传感器是一种无源传感器，它具有体积小、精度高、抗电磁干扰等优点，可以测量温度、应变等多种参数，因此被广泛应用于土木工程、航空航天、精密仪器等领域。光纤布拉格光栅解调系统是通过测量FBG中心波长的偏移量来检测外界参数的变化量。

但光波长解调仪器所需要的高分辨率和高稳定性导致解调仪器存在成本较高，体积过大的问题。同时为实现光纤光栅传感器的复用光开关的时分复用模式存在采样和切换速率的问题，限制了光纤光栅调制解调仪器的采样速率。

因而需要一款调制解调仪器，能够实现光纤光栅传感器高速同步解调，而且价格低廉、设备体积小且精度较高，在适当场合结合多个模块组成分布式光纤光栅调制解调系统，实现光纤光栅传感器的解调。

【实用新型内容】

本发明要解决的技术问题是，针对现有光纤光栅调制解调仪器存在的上述不足，提出了一种基于可调激光器的光纤光栅调制解调系统，通过FBG传感器反射光同电压模拟信号的对应关系实现波长解调，降低了系统的成本、提高了系统的采样速率并且缩小了仪器的体积。本基于可调激光器的光纤光栅调制解调系统采用以下的技术方案：

一种基于可调激光器的光纤光栅调制解调系统，它包括C波段可调激光器(1)、可调激光器温控电路(2)、可调激光器驱动电路(3)、光分路器(4)、光耦合器(5)、FBG传感器(6)、光电二极管(7)、放大滤波电路(8)、ADC数据采集电路(9)、STM32H7(10)、计算机(11)、LDO低压差线性稳压器(12)、DC/DC(13)和外部电源(14)，其中：

所述C波段可调激光器(1)，提供波长扫描光源；

可调激光器温控电路(2)，将可调激光器的工作温度维持恒定；

可调激光器驱动电路(3)，提供多路输入电流控制激光器输出特定波长的光源；

光分路器(4)，用于将输入的光源按照一定的比例分成多束光；

FBG传感器(6)，用于感知环境温度和应变变化，并将其编码到光纤光栅反射波长上；

光电二极管(7)，用于将放射光信号转换成电流模拟信号；

放大滤波电路(8)，用于将电流模拟信号进行放大并滤除杂波；

ADC数据采集电路(9)，用于完成电压模拟信号的采样；

STM32H7(10)，包含两个内核Cortex-M4和Cortex-M7，Cortex-M7 内核用于完成电压模拟信号的存储与处理，完成FBG信号的光谱归一化、谱峰粗定位、寻峰算法，实现中心波长定位；Cortex-M4用于控制可调激光器驱动电路，实现驱动电路输出的电流变化变频，同时接收Cortex-M7内核的数据并与计算机交互；

计算机(11)，用于实现光波长信号到温度和应变数值的转化，实现良好的人机交互；

LDO低压差线性稳压器(12)，用于5V到3.3V电压的转换；

DC/DC(13)，用于12V到5V电压的转换；

外部电源(14)，用于提供12V的电源。

优选地，所述可调激光器温控电路(2)和可调激光器驱动电路(3) 与C波段可调激光器(1)相连；所述C波段可调激光器(1)输出端口同光分路器(4)输入端相连；所述光分路器(4)输出同4个光耦合器 (5)第二端口相连；所述光耦合器(5)第一端口同FBG传感器(6)相连；所述光耦合器(5)第三端口同光电二极管(7)相连；所述光电二极管(7)同放大滤波电路(8)相连；所述放大滤波电路(8)同 ADC数据采集电路(9)输入端相连；所述ADC数据采集电路(9)输出端同STM32H7(10)中SPI接口相连；STM32H7(10)输出端口同可调激光器驱动电路(3)输入端口相连；STM32H7(10)同计算机(11)通过串口通信相连。

优选地，所述C波段可调激光器(1)、光分路器(4)、光耦合器(5)、FBG传感器(6)、光电二极管(7)有通过光纤相连；所述光电二极管(7)、C波段可调激光器(1)、可调激光器温控电路(2)、可调激光器驱动电路(3)、放大滤波电路(8)、ADC数据采集电路 (9)、微处理器、计算机(11)、LDO低压差线性稳压器(12)、DC/DC (13)和外部电源(14)通过电路相连。

优选地，控制可调激光器驱动电路(3)和人机交互功能由STM32H7中Cortex-M4内核实现；数据采集、计算功能由STM32H7中 Cortex-M7内核实现。

优选地，所述可调激光器温控电路(2)维持C波段可调激光器 (1)工作温度维持恒定，C波段可调激光器(1)受电流的调制。

本实用新型同背景技术相比所产生的有益效果：

本实用新型采用了上述方案具有以下优点：一、使用可调激光器模块提供扫描光源，该光源可控性比普通线性带宽ASE光源高，且无F-P腔等昂贵的精密光学器件，制作成本较低；二、应用双核STM32H7，采用一个微处理器实现可调激光器驱动电路和数据处理工作，提高了系统的协调性，降低了编程难度并且缩小了电路的面积；三、仪器通过采用可调激光器做光源、精简电路、同步采样等方式实现缩小解调仪器的体积，使光纤光栅调制解调仪能适应更广泛的环境；四、设计采用四路PIN光电二极管，4路信号同步采集，在实现时分复用的同时消除了光开关切换通道带来的延时；五、采用滤波电路、光谱归一化、峰值粗定位和阈值分割、寻峰算法完成波长信号的处理与解调；六、解调装置和方法可用于基于光纤光栅的温度、应变、压力等参量的传感，应用场合包括土木工程、航空航天、精密仪器等领域。

【附图说明】

图1为本实用新型所提供较佳实施例中的基于可调激光器的光纤光栅调制解调系统示意图。

附图标记：

C波段可调激光器(1)、可调激光器温控电路(2)、可调激光器驱动电路(3)、光分路器(4)、光耦合器(5)、FBG传感器(6)、光电二极管(7)、放大滤波电路(8)、ADC数据采集电路(9)、STM32H7 (10)、计算机(11)、LDO低压差线性稳压器(12)、DC/DC(13) 和外部电源(14)。

【具体实施方式】

下面详细描述本实用新型的实施例，所述的实施例示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

在本实用新型中，除另有明确规定和限定，如有术语“组装”、“相连”、“连接”术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；也可以是机械连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部相连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本实用新型中的具体含义。

下面结合说明书的附图，通过对本实用新型的具体实施方式作进一步的描述，使本实用新型的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

本实用新型提供的较佳实施例：如图1所示，该系统至少包括C波段可调激光器(1)、可调激光器温控电路(2)、可调激光器驱动电路(3)、光分路器(4)、光耦合器(5)、FBG传感器(6)、光电二极管(7)、放大滤波电路(8)、ADC数据采集电路(9)、STM32H7 (10)、计算机(11)、LDO低压差线性稳压器(12)、DC/DC(13) 和外部电源(14)；所述可调激光器温控电路(2)和可调激光器驱动电路(3)与C波段可调激光器(1)相连；所述C波段可调激光器(1) 输出端口同光分路器(4)输入端相连；所述光分路器(4)输出同4 个光耦合器(5)第二端口相连；所述光耦合器(5)第一端口同FBG 传感器(6)相连；所述光耦合器(5)第三端口同光电二极管(7)相连；所述光电二极管(7)同放大滤波电路(8)相连；所述放大滤波电路(8)同ADC数据采集电路(9)输入端相连；所述ADC数据采集电路(9)输出端同STM32H7(10)中SPI接口相连；STM32H7(10)输出端口同可调激光器驱动电路(3)输入端口相连；STM32H7(10)同计算机(11)通过串口通信相连。

C波段可调激光器(1)发射出C波段的连续光作为扫描光源，进过光分路器(4)和光耦合器(5)进入FBG传感器(6)中，FBG传感器(6) 为光纤光栅传感器，经为光纤的光耦合器(5)将反射光输入至光电二极管(7)中转换成电流模拟信号，模拟信号通过放大滤波电路(8) 处理后在ADC数据采集电路(9)中完成采样，采集数据通过STM32H7 (10)进行存储，并同计算机(11)协同完成数据的处理与波峰的标定，通过计算机(11)实现人机交互。

所述C波段可调激光器(1)，提供波长扫描光源；

可调激光器温控电路(2)，将可调激光器的工作温度维持恒定；

可调激光器驱动电路(3)，提供多路输入电流控制激光器输出特定波长的光源；

光分路器(4)，用于将输入的光源按照一定的比例分成四束光；

FBG传感器(6)，用于感知环境温度和应变变化，并将其编码到光纤光栅反射波长上；

光电二极管(7)，用于将放射光信号转换成电流模拟信号；

放大滤波电路(8)，用于将电流模拟信号进行放大并滤除杂波；

ADC数据采集电路(9)，用于完成电压模拟信号的采样；

STM32H7(10)，包含两个内核Cortex-M4和Cortex-M7，Cortex-M7 内核用于完成电压模拟信号的存储与处理，完成FBG信号的光谱归一化、谱峰粗定位、寻峰算法，实现中心波长定位。工作温度用于控制可调激光器驱动电路，实现驱动电路输出的电流变化变频，同时接收 Cortex-M7内核的数据并与计算机交互；

计算机(11)，用于实现光波长信号到温度和应变数值的转化，实现良好的人机交互；

LDO低压差线性稳压器(12)，用于5V到3.3V电压的转换；

DC/DC(13)，用于12V到5V电压的转换；

外部电源(14)，用于提供12V的电源；

所述可调激光器温控电路(2)维持C波段可调激光器(1)工作温度维持恒定，可调激光器驱动电路(3)受电流的调制。

扫描光源的C波段可调激光器(1)发射出1528nm到1568nm的波长扫描光，经过光分路器(4)分成4路同步传输，经光耦合器(5)进入 FBG传感器中，FBG传感器受外界刺激反射对应波长的光，通过光耦合器传输至PIN光电二级管中转换成电流模拟信号进行采样与解调处理，精度达10pm。

C波段可调激光器采用蝶形封装，扫描光源能完成全C波段调谐，输出光功率能达到13dBm，正常工作温度为25℃。

PIN光电二极管采用6GHz带宽铟镓砷PIN二极管，

精度理论最高可达18位精度。在该精度下每个数据(多次采样) 点采样转换时间大概为100us，C波段一共4000个数据点，因此扫描完C 波段的时长为400ms，即2.5Hz。为提高速度，也可以使用16位精度，最终解调速度可达5Hz。

本C波段可调激光器的光纤光栅调制解调系统通过解调算法进行布拉格波长解调，解调算法的具体过程如下：

将接受的电压模拟信号同波长信号对应输出持续的波长信号，对采集得到的完整波形数据进行分析。对波形数据进行直接寻峰算法，得到最大值点，设置波峰阈值，找出满足条件的A和B点。寻找采样中可能存在的干扰和毛刺信号，去某一个波峰导数不为0的值，取其导数等于0，完成峰值的确定。

本发明中提出的解调系统，通过波长和电压模拟信号的对应，应用光分路系实现时分复用和数据同步采集，同时该系统的硬件构成部分比较简单性价比很高，配合设计的扫描光源使用，能够实现较稳定的变温环境中的光纤光栅传感解调。

在说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“优选地”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点，包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中，在本说明书中对于上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或者示例中以合适方式结合。

通过上述的结构和原理的描述，所属技术领域的技术人员应当理解，本实用新型不局限于上述的具体实施方式，在本实用新型基础上采用本领域公知技术的改进和替代均落在本实用新型的保护范围，应由各权利要求限定之。

Claims (5)

1.一种基于可调激光器的光纤光栅调制解调系统，其特征在于：它包括C波段可调激光器(1)、可调激光器温控电路(2)、可调激光器驱动电路(3)、光分路器(4)、光耦合器(5)、FBG传感器(6)、光电二极管(7)、放大滤波电路(8)、ADC数据采集电路(9)、STM32H7(10)、计算机(11)、LDO低压差线性稳压器(12)、DC/DC(13)和外部电源(14)，其中：

所述C波段可调激光器(1)，提供波长扫描光源；

可调激光器温控电路(2)，将可调激光器的工作温度维持恒定；

可调激光器驱动电路(3)，提供多路输入电流控制激光器输出特定波长的光源；

光分路器(4)，用于将输入的光源按照一定的比例分成多束光；

FBG传感器(6)，用于感知环境温度和应变变化，并将其编码到光纤光栅反射波长上；

光电二极管(7)，用于将放射光信号转换成电流模拟信号；

放大滤波电路(8)，用于将电流模拟信号进行放大并滤除杂波；

ADC数据采集电路(9)，用于完成电压模拟信号的采样；

STM32H7(10)，包含两个内核Cortex-M4和Cortex-M7，Cortex-M7内核用于完成电压模拟信号的存储与处理，完成FBG信号的光谱归一化、谱峰粗定位、寻峰算法，实现中心波长定位；Cortex-M4用于控制可调激光器驱动电路，实现驱动电路输出的电流变化变频，同时接收Cortex-M7内核的数据并与计算机交互；

计算机(11)，用于实现光波长信号到温度和应变数值的转化，实现良好的人机交互；

LDO低压差线性稳压器(12)，用于5V到3.3V电压的转换；

DC/DC(13)，用于12V到5V电压的转换；

外部电源(14)，用于提供12V的电源。

2.根据权利要求1所述的基于可调激光器的光纤光栅调制解调系统，其特征在于：所述可调激光器温控电路(2)和可调激光器驱动电路(3)与C波段可调激光器(1)相连；所述C波段可调激光器(1)输出端口同光分路器(4)输入端相连；所述光分路器(4)输出同4个光耦合器(5)第二端口相连；所述光耦合器(5)第一端口同FBG传感器(6)相连；所述光耦合器(5)第三端口同光电二极管(7)相连；所述光电二极管(7)同放大滤波电路(8)相连；所述放大滤波电路(8)同ADC数据采集电路(9)输入端相连；所述ADC数据采集电路(9)输出端同STM32H7(10)中SPI接口相连；STM32H7(10)输出端口同可调激光器驱动电路(3)输入端口相连；STM32H7(10)同计算机(11)通过串口通信相连。

3.根据权利要求2所述的基于可调激光器的光纤光栅调制解调系统，其特征在于：所述C波段可调激光器(1)、光分路器(4)、光耦合器(5)、FBG传感器(6)、光电二极管(7)有通过光纤相连；所述光电二极管(7)、C波段可调激光器(1)、可调激光器温控电路(2)、可调激光器驱动电路(3)、放大滤波电路(8)、ADC数据采集电路(9)、微处理器、计算机(11)、LDO低压差线性稳压器(12)、DC/DC(13)和外部电源(14)通过电路相连。

4.根据权利要求3所述的基于可调激光器的光纤光栅调制解调系统，其特征在于：控制可调激光器驱动电路(3)和人机交互功能由STM32H7中Cortex-M4内核实现；数据采集、计算功能由STM32H7中Cortex-M7内核实现。

5.根据权利要求4所述的基于可调激光器的光纤光栅调制解调系统，其特征在于：所述可调激光器温控电路(2)维持C波段可调激光器(1)工作温度维持恒定，C波段可调激光器(1)受电流的调制。

Images