本發(fā)明涉及光纖傳感領(lǐng)域，特別涉及一種可在傳感器端實(shí)現(xiàn)光纖光柵尋峰及振動(dòng)參量計(jì)算的嵌入式光纖光柵解調(diào)器的多通道光纖光柵振動(dòng)信號(hào)智能傳感器系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)傳感器是一種波長調(diào)制型傳感器，其纖芯內(nèi)的折射率沿軸向周期性變化，會(huì)對特定波長的激光產(chǎn)生反射，反射波長與折射率變化的周期長度有關(guān)。FBG傳感器可對溫度、應(yīng)變、振動(dòng)等進(jìn)行有效測量。

然而，F(xiàn)BG傳感器對環(huán)境變量的感知，是通過對波長的精確測量實(shí)現(xiàn)，需要經(jīng)過一定數(shù)據(jù)解調(diào)才可得到模擬量的數(shù)值，復(fù)雜的信號(hào)解調(diào)機(jī)構(gòu)及算法，限制了FBG傳感器對快變信號(hào)的感知能力，目前大多數(shù)應(yīng)用局限于對溫度、應(yīng)變等緩變信號(hào)的監(jiān)測。

現(xiàn)有高端光纖光柵解調(diào)模塊可實(shí)現(xiàn)30kHz以上的解調(diào)速率，但是由于數(shù)據(jù)量大，需要使用千兆以太網(wǎng)接口傳送數(shù)據(jù)，由于上位機(jī)處理速度限制，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測量。軍事裝備監(jiān)測時(shí)，往往需要將測量儀器嵌入到裝備中，進(jìn)行多參量高速在線測量，如何設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)適于軍事裝備在線測量的嵌入式高速解調(diào)系統(tǒng)，成為光纖光柵傳感器應(yīng)用亟待解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種并行分布式計(jì)算的多通道光纖光柵振動(dòng)信號(hào)智能傳感器系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：應(yīng)變測量布拉格光柵；向所述布拉格光柵提供寬帶激光的半導(dǎo)體激光器；與所述半導(dǎo)體激光器及布拉格光柵連接的光耦合器；與所述光耦合器連接，并接收所述布拉格反射光譜信號(hào)的分光系統(tǒng)，完成光譜信號(hào)的空間展開及聚焦；與所述分光系統(tǒng)連接的線陣圖像探測器，以高速掃描的方式，對各像素位置的光譜信號(hào)進(jìn)行光強(qiáng)檢測，串行輸出相應(yīng)光電信號(hào)；與所述線陣探測器 相連接的信號(hào)調(diào)理放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；與所述信號(hào)調(diào)理放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路連接的基于FPGA的嵌入式解調(diào)器，實(shí)現(xiàn)光譜曲線的擬合及插值運(yùn)算，得到光譜信號(hào)的峰值坐標(biāo)；提供多種數(shù)字總線的總線接口模塊。

優(yōu)選地，所述光纖光柵反射光譜尋峰計(jì)算由系統(tǒng)內(nèi)FPGA器件完成，直接輸出解調(diào)結(jié)果。

優(yōu)選地，所述系統(tǒng)同時(shí)對振動(dòng)信號(hào)峭度、歪度進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算和同步輸出。

優(yōu)選地，所述嵌入式解調(diào)器包括以下部分：信號(hào)幅度擬合模塊、信號(hào)尋峰模塊、信號(hào)修正模塊、振動(dòng)峭度計(jì)算模塊、振動(dòng)歪度計(jì)算模塊、時(shí)鐘模塊和SRAM控制模塊，其中：

信號(hào)幅度擬合模塊接收從信號(hào)調(diào)理放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路發(fā)來的信號(hào)指令并對其進(jìn)行初級(jí)解調(diào)，計(jì)算信號(hào)的幅度并進(jìn)行擬合，以生成信號(hào)尋峰模塊所需的擬合信號(hào)，并在上位機(jī)的控制下通過SRAM控制模塊完成對已存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的回讀；

信號(hào)尋峰模塊負(fù)責(zé)對信號(hào)幅度擬合模塊提供的信號(hào)進(jìn)行尋峰計(jì)算，以進(jìn)一步確定信號(hào)峰值，為后續(xù)計(jì)算提供基礎(chǔ)信號(hào)。并將數(shù)據(jù)依次排列成一路高數(shù)據(jù)率的數(shù)字信號(hào)，傳送給SRAM控制模塊；

信號(hào)修正模塊負(fù)責(zé)對信號(hào)尋峰模塊提供的信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步修正，例如噪聲去除、誤差調(diào)節(jié)等，以進(jìn)一步確定信號(hào)基準(zhǔn)。并將數(shù)據(jù)依次排列成一路高數(shù)據(jù)率的數(shù)字信號(hào)，傳送給SRAM控制模塊；

振動(dòng)峭度計(jì)算模塊基于信號(hào)修正模塊修正的信號(hào)進(jìn)行振動(dòng)峭度計(jì)算，并輸出至外部接口；

振動(dòng)歪度計(jì)算模塊基于信號(hào)修正模塊修正的信號(hào)進(jìn)行振動(dòng)歪度計(jì)算，并輸出至外部接口；

振動(dòng)峭度計(jì)算模塊和振動(dòng)歪度計(jì)算模塊的計(jì)算可同步并行進(jìn)行。

時(shí)鐘模塊將外部時(shí)鐘分成一路差分形式的時(shí)鐘輸出，將其分成兩路差分的同步的時(shí)鐘，同時(shí)供給振動(dòng)峭度計(jì)算模塊和振動(dòng)歪度計(jì)算模塊，從而保證兩路計(jì)算的同步性；

SRAM控制模塊負(fù)責(zé)完成對SRAM芯片的通信工作。根據(jù)前級(jí)所提供的地址將當(dāng)前的數(shù)字信號(hào)存入SRAM芯片中，或讀回該地址內(nèi)的數(shù)據(jù)。

根據(jù)本發(fā)明提供的基于線陣圖像探測器的光纖光柵高速解調(diào)系統(tǒng)，通過并行計(jì)算，在一個(gè)采樣周期內(nèi)完成全光譜信號(hào)的幅度擬合、波長尋峰、 數(shù)據(jù)修正等信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)多路振動(dòng)信號(hào)的同時(shí)采集，并通過并行計(jì)算結(jié)構(gòu)對故障診斷等應(yīng)用所需振動(dòng)峭度、歪度等特征值進(jìn)行在線計(jì)算和實(shí)時(shí)傳輸。

應(yīng)當(dāng)理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應(yīng)當(dāng)用作對本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。

附圖說明

參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點(diǎn)將通過本發(fā)明實(shí)施方式的如下描述得以闡明，其中：

圖1示意性示出根據(jù)本發(fā)明的并行分布式計(jì)算的多通道光纖光柵振動(dòng)信號(hào)智能傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2示意性示出根據(jù)本發(fā)明的基于FPGA的嵌入式解調(diào)器108的FPGA實(shí)現(xiàn)框圖原理。

具體實(shí)施方式

在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。

通過參考示范性實(shí)施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實(shí)現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開的示范性實(shí)施例；可以通過不同形式來對其加以實(shí)現(xiàn)。說明書的實(shí)質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)。

針對本發(fā)明結(jié)合示意圖進(jìn)行詳細(xì)描述，在詳述本發(fā)明實(shí)施例時(shí)，為便于說明，表示器件結(jié)構(gòu)的剖面圖會(huì)不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應(yīng)限制本發(fā)明保護(hù)的范圍。此外，在實(shí)際制作中應(yīng)包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。

本發(fā)明提供了一種并行分布式計(jì)算的多通道光纖光柵振動(dòng)信號(hào)智能傳感器，通過嵌入式采用FPGA器件，通過一種并行計(jì)算結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)一種嵌入式光纖光柵解調(diào)器及振動(dòng)信號(hào)分析處理器。

根據(jù)本發(fā)明的多通道光纖光柵振動(dòng)信號(hào)檢測系統(tǒng)可以利用光纖光柵的電絕緣性、耐腐蝕性，對強(qiáng)電磁干擾、高溫高濕、腐蝕氣體及液體環(huán)境中的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行測量，并通過并行計(jì)算對多路光纖光柵進(jìn)行同時(shí)解調(diào)。該方法和系統(tǒng)不僅僅局限于對振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，也可容易地推廣到應(yīng)變、溫度等參量的測量。

圖1示意性示出根據(jù)本發(fā)明的并行分布式計(jì)算的多通道光纖光柵振動(dòng)信號(hào)智能傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的并行分布式計(jì)算的多通道光纖光柵振動(dòng)信號(hào)智能傳感器系統(tǒng)100包括：用于測量震動(dòng)所產(chǎn)生的應(yīng)變的布拉格光纖光柵傳感器101；向所述布拉格光纖光柵傳感器101提供寬帶激光的光源102，所述光源102優(yōu)選為半導(dǎo)體激光器；與所述半導(dǎo)體激光器102及所述布拉格光柵101連接的光耦合器103；連接在所述光源102和所述耦合器103之間的光纖；與所述光耦合器103連接，并接收所述布拉格光纖光柵傳感器101反射光譜信號(hào)的分光系統(tǒng)105，所述分光系統(tǒng)105完成光譜信號(hào)的空間展開及聚焦；與所述分光系統(tǒng)105連接的線陣圖像探測器106，以高速掃描的方式，對各像素位置的光譜信號(hào)進(jìn)行光強(qiáng)檢測，串行輸出相應(yīng)光電信號(hào)；與所述線陣圖像探測器106相連接的信號(hào)調(diào)理放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路107；與所述信號(hào)調(diào)理放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路連接108的基于FPGA的嵌入式解調(diào)器108，實(shí)現(xiàn)光譜曲線的擬合及插值運(yùn)算，得到光譜信號(hào)的峰值坐標(biāo)，以及對峭度、歪度進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算和同步輸出；以及與所述嵌入式解調(diào)器108連接的用于提供多種數(shù)字總線的總線接口模塊106。

優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述光纖光柵反射光譜尋峰計(jì)算由系統(tǒng)內(nèi)FPGA器件完成，直接輸出解調(diào)結(jié)果。

優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述系統(tǒng)同時(shí)對振動(dòng)信號(hào)位移、速度、加速度進(jìn)行測量，并對峭度、歪度進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算和同步輸出。峭度指標(biāo)是無量綱參數(shù)，由于它與系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、尺寸、載荷等無關(guān)，對沖擊信號(hào)特別敏感，特別適用于表面損傷類故障、尤其是早期故障的診斷。

根據(jù)本發(fā)明，布拉格光纖的芯徑由所采用的有源光纖決定，包層芯徑優(yōu)選為125μm，光纖纖芯的芯徑可以選用4μm、8μm或10μm，優(yōu)選為10/125μm。根據(jù)本發(fā)明具體實(shí)施例，光纖的類型應(yīng)與光源104的泵浦波長相匹配。例如，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，布拉格光纖選自摻鉺光纖、摻鐿光纖或鉺鐿共摻光纖。

摻鉺光纖所匹配的泵浦波長可采用980nm或1480nm，摻鐿光纖的泵浦波長可采用976nm或915nm，鉺鐿共摻光纖的泵浦波長可采用976nm，根據(jù)波長和芯徑參數(shù)進(jìn)一步確定光耦合器102的參數(shù)。最終出射的激光波長在有源光纖一定增益范圍內(nèi)(如1530-1560nm)由布拉格光纖光柵的反射波長確定。摻鐿光纖的典型出射波長為1535nm，摻鉺光纖的典型出射波長為1064nm，鉺鐿共摻光纖的典型出射波長為1550nm。

例如，在本實(shí)施例中，若選用芯徑為10/125μm摻鉺光纖作為增益介質(zhì)。光源104輸出波長976nm，F(xiàn)BG選取范圍為1530nm-1560nm，可在該范圍內(nèi)獲得激光輸出。實(shí)驗(yàn)中若選用芯徑為10/125μm摻鐿光纖作為增益介質(zhì)，LD尾纖需選取同樣型號(hào)芯徑。LD為915nm單模輸出，F(xiàn)BG選取1064nm附近，可在該范圍內(nèi)獲得激光輸出。

圖2示意性示出根據(jù)本發(fā)明的基于FPGA的嵌入式解調(diào)器108的FPGA實(shí)現(xiàn)框圖原理。嵌入式解調(diào)器實(shí)現(xiàn)光譜曲線的擬合、信號(hào)幅度擬合、尋峰及插值運(yùn)算，得到光譜信號(hào)的峰值坐標(biāo)，還可以進(jìn)行修正，并基于修正后的信號(hào)進(jìn)行峭度、歪度進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算和同步輸出；4個(gè)通道數(shù)據(jù)采集的FPGA結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：

嵌入式解調(diào)器主要包括以下部分：信號(hào)幅度擬合模塊201、信號(hào)尋峰模塊202、信號(hào)修正模塊203、振動(dòng)峭度計(jì)算模塊204、振動(dòng)歪度計(jì)算模塊205、時(shí)鐘模塊206和SRAM控制模塊207，其中：

信號(hào)幅度擬合模塊201接收從信號(hào)調(diào)理放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路107發(fā)來的信號(hào)指令并對其進(jìn)行初級(jí)解調(diào)，計(jì)算信號(hào)的幅度并進(jìn)行擬合，以生成信號(hào)尋峰模塊202所需的擬合信號(hào)，并在上位機(jī)的控制下通過SRAM控制模塊207完成對已存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的回讀；

信號(hào)尋峰模塊202負(fù)責(zé)對信號(hào)幅度擬合模塊201提供的信號(hào)進(jìn)行尋峰計(jì)算，以進(jìn)一步確定信號(hào)峰值，為后續(xù)計(jì)算提供基礎(chǔ)信號(hào)。并將數(shù)據(jù)依次排列成一路高數(shù)據(jù)率的數(shù)字信號(hào)，傳送給SRAM控制模塊207；

信號(hào)修正模塊203負(fù)責(zé)對信號(hào)尋峰模塊202提供的信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步修正，例如噪聲去除、誤差調(diào)節(jié)等，以進(jìn)一步確定信號(hào)基準(zhǔn)。并將數(shù)據(jù)依次排列成一路高數(shù)據(jù)率的數(shù)字信號(hào)，傳送給SRAM控制模塊207；

振動(dòng)峭度計(jì)算模塊204基于信號(hào)修正模塊203修正的信號(hào)進(jìn)行振動(dòng)峭度計(jì)算，并輸出至外部接口；

振動(dòng)歪度計(jì)算模塊205基于信號(hào)修正模塊203修正的信號(hào)進(jìn)行振動(dòng)歪度計(jì)算，并輸出至外部接口；

振動(dòng)峭度計(jì)算模塊204和振動(dòng)歪度計(jì)算模塊205的計(jì)算可同步并行進(jìn)行。

時(shí)鐘模塊206將外部100MHz時(shí)鐘分成一路差分形式的50MHz時(shí)鐘輸出，通過FPGA外部的時(shí)鐘分配芯片將其分成兩路差分的同步的50MHz時(shí)鐘，同時(shí)供給兩路模塊，振動(dòng)峭度計(jì)算模塊204和振動(dòng)歪度計(jì)算模塊205，從而保證兩路計(jì)算的同步性；

SRAM控制模塊207負(fù)責(zé)完成對SRAM芯片的通信工作。根據(jù)前級(jí)所提供的地址將當(dāng)前的數(shù)字信號(hào)存入SRAM芯片中，或讀回該地址內(nèi)的數(shù)據(jù)。

根據(jù)本發(fā)明提供的基于線陣圖像探測器的光纖光柵高速解調(diào)系統(tǒng)，通過并行計(jì)算，在一個(gè)采樣周期內(nèi)完成全光譜信號(hào)的幅度擬合、波長尋峰、數(shù)據(jù)修正等信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)多路振動(dòng)信號(hào)的同時(shí)采集，并通過并行計(jì)算結(jié)構(gòu)對故障診斷等應(yīng)用所需振動(dòng)峭度、歪度等特征值進(jìn)行在線計(jì)算和實(shí)時(shí)傳輸。

結(jié)合這里披露的本發(fā)明的說明和實(shí)踐，本發(fā)明的其他實(shí)施例對于本領(lǐng)域技術(shù)人員都是易于想到和理解的。說明和實(shí)施例僅被認(rèn)為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均由權(quán)利要求所限定。