本發(fā)明涉及一種光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)，尤其是涉及一種嵌入式段式掃描光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

光纖光柵傳感器與傳統(tǒng)的電傳感器相比有著更高的可靠性、電磁兼容性、抗干擾能力、耐腐蝕等特征，有著廣闊的應(yīng)用前景。

光纖光柵傳感器的工作原理是：隨著外界溫度、應(yīng)力或密度等物理量的變化，光纖光柵傳感器反射的波長(zhǎng)將發(fā)生偏移，通過(guò)光纖光柵傳感器解調(diào)系統(tǒng)對(duì)光纖光柵傳感器反射的波長(zhǎng)的偏移量進(jìn)行解調(diào)運(yùn)算，就可以計(jì)算出外界的溫度、應(yīng)力或密度等微小變化，其中解調(diào)的關(guān)鍵就是要有效地測(cè)量其波長(zhǎng)偏移量。

隨著近年來(lái)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光技術(shù)的發(fā)展，高性能波長(zhǎng)可調(diào)激光器組件已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室、密集波分復(fù)用系統(tǒng)等光通信和實(shí)驗(yàn)測(cè)量領(lǐng)域，波長(zhǎng)可調(diào)激光器可指定特定功率和特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的任意波長(zhǎng)的輸出，且具有良好的數(shù)字控制接口，如rs232接口、usart、usb等，通過(guò)這些接口，按照已知的協(xié)議就可對(duì)激光器的輸出波長(zhǎng)進(jìn)行精確的控制。

目前，常用的光纖光柵解調(diào)的方法有濾波解調(diào)、干涉解調(diào)、可調(diào)諧光源解調(diào)等，針對(duì)每一種分類方法，在具體的實(shí)現(xiàn)中又可采用不同的技術(shù)進(jìn)行處理。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的檢索和研究發(fā)現(xiàn)，在已申請(qǐng)的專利中，將指定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的連續(xù)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光作為核心器件，實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感解調(diào)的系統(tǒng)目前還比較少見(jiàn)，由于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所采用的核心器件不同，最終反映到具體的實(shí)現(xiàn)中，差異通常都很大。如申請(qǐng)?zhí)?01610556709.9雖然引入了可調(diào)諧激光器作為光源，只是用來(lái)實(shí)現(xiàn)“可調(diào)諧激光器輸出線性掃描光源”；申請(qǐng)?zhí)?01510411841.6所采用的可調(diào)諧光源裝置，除了提供掃描光源外，還需要在每次光源輸出的同時(shí)，向采樣裝置提供采樣觸發(fā)信號(hào)，這種調(diào)諧光源所輸出的光源顯然是間歇脈沖式且非連續(xù)性的，而且由于系統(tǒng)存在著光、電傳輸延遲，在光源輸出的同時(shí)觸發(fā)采樣，顯然存在問(wèn)題，為此，為解決該類問(wèn)題，專利201310507078.8引入了參考光柵，來(lái)“消除滯后和漂移對(duì)波長(zhǎng)解調(diào)的影響”，申請(qǐng)?zhí)?01510411841.6采用的是同步輸出-輸入采樣，由于系統(tǒng)參量的變化和不同光柵之間的空間分布的不均衡，實(shí)際工作中精確的同步很難做到，采樣到的反射光波頻率只能是近似值，誤差比較大，且所采用的可調(diào)諧激光光源設(shè)有起始波長(zhǎng)、終止波上和步進(jìn)，在此范圍內(nèi)進(jìn)行全光譜掃描，然后再根據(jù)傳感器數(shù)量進(jìn)行分區(qū)劃分計(jì)算，這樣的處理方式，一方面需要大量的內(nèi)存用于保存全光譜內(nèi)每個(gè)步進(jìn)的采樣結(jié)果，另一方面，在每個(gè)掃描周期結(jié)束后，再分段提取數(shù)據(jù)，分段計(jì)算偏移結(jié)果，最后批量輸出計(jì)算結(jié)果，系統(tǒng)延時(shí)大，實(shí)時(shí)性不高；由于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法復(fù)雜，說(shuō)明文件在[0070]段就明確說(shuō)明，“上位機(jī)”為“pc控制”的系統(tǒng)，因?yàn)閜c系統(tǒng)有著豐富的內(nèi)存和計(jì)算資源，但是基于pc的系統(tǒng)與采用嵌入式的系統(tǒng)方案在經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性上均無(wú)法同嵌入式系統(tǒng)方案相比，適用的范圍、場(chǎng)合也不盡相同，且系統(tǒng)集成度差，性價(jià)比差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種嵌入式段式掃描光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種嵌入式段式掃描光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，包括波長(zhǎng)可調(diào)激光器、光纖分路器、光纖耦合器、光纖光柵傳感器、光電探測(cè)器、調(diào)理-放大-采樣電路和嵌入式控制器，所述的嵌入式控制器的控制端口連接波長(zhǎng)可調(diào)激光器，波長(zhǎng)可調(diào)激光器輸出的激光經(jīng)過(guò)光纖分路器分路后，各光束分別由對(duì)應(yīng)的光纖耦合器輸出到對(duì)應(yīng)的光纖光柵傳感器，由光纖光柵傳感器反射的激光依次經(jīng)對(duì)應(yīng)的光纖耦合器和光電探測(cè)器進(jìn)入調(diào)理-放大-采樣電路，然后返回到嵌入式控制器。

所述的光纖光柵傳感器為光纖布拉格光柵傳感器。

所述的光電探測(cè)器為pin光電探測(cè)器和apd光電探測(cè)器中的一種。

所述的嵌入式控制器的控制端口為spi、usart、uart、can、usb、rs232、rs485、rs422、以太網(wǎng)端口中的一種。

所述的嵌入式控制器為arm、dsp、mips、fpga、cpld和x86soc其中的一種或幾種組合。

所述的光纖分路器輸出端連接多個(gè)分路，其中一個(gè)分路連有一個(gè)用于誤差修正的參考光纖光柵傳感器，采用參考光纖光柵傳感器對(duì)波長(zhǎng)可調(diào)激光器可能存在的輸入輸出變化進(jìn)行修正，其余的分路上均串聯(lián)了多個(gè)光纖光柵傳感器，每個(gè)分路串聯(lián)一個(gè)光纖耦合器和一個(gè)光電探測(cè)器。

所述的系統(tǒng)中，各光纖光柵傳感器的初始中心波長(zhǎng)互不相同，且中心波長(zhǎng)偏移后的波長(zhǎng)范圍互不重疊。

一種采用所述的嵌入式段式掃描光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)獲取環(huán)境參數(shù)的方法，包括自動(dòng)標(biāo)定、段式掃描和數(shù)據(jù)處理，

其中，所述的自動(dòng)標(biāo)定采用全波段自動(dòng)掃描，包括：嵌入式控制器在全工作波段內(nèi)按照標(biāo)定掃描步長(zhǎng)δs以增量的方式控制波長(zhǎng)可調(diào)激光器特定功率和特定波長(zhǎng)的輸出，對(duì)光纖光柵傳感器進(jìn)行掃描，對(duì)掃描到的每個(gè)光纖光柵傳感器記錄三個(gè)標(biāo)定參數(shù)：嵌入式控制器設(shè)置的波長(zhǎng)可調(diào)激光器的標(biāo)定輸出數(shù)值di、嵌入式控制器獲取的反射光譜的標(biāo)定最大功率pimax以及嵌入式控制器從輸出可調(diào)激光器的控制信號(hào)到獲取反射光譜的標(biāo)定最大功率pimax之間的標(biāo)定延時(shí)δti；

嵌入式控制器對(duì)每一個(gè)光纖光柵傳感器的標(biāo)定參數(shù)按先后順序增加索引index:1～n并分組存儲(chǔ)，每個(gè)索引對(duì)應(yīng)一個(gè)特定光柵的三個(gè)標(biāo)定參數(shù)：標(biāo)定di，標(biāo)定pimax和標(biāo)定δti；

所述的段式掃描包括：嵌入式控制器根據(jù)標(biāo)定階段記錄的索引及標(biāo)定參數(shù)，設(shè)置對(duì)應(yīng)的掃描段，每個(gè)索引對(duì)應(yīng)一個(gè)掃描段，各掃描段的嵌入式控制器輸出數(shù)值的起點(diǎn)為di-δd，終點(diǎn)為di+δd，使掃描段的波長(zhǎng)范圍為預(yù)估的中心波長(zhǎng)偏移范圍，在每個(gè)掃描段內(nèi)以步長(zhǎng)δs進(jìn)行掃描，獲取各掃描段內(nèi)的反射光譜的最大功率pimax及對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)可調(diào)激光器的輸出數(shù)值di；

段式掃描具體為：每個(gè)掃描段中，嵌入式控制系統(tǒng)以每一個(gè)步長(zhǎng)δs從反射光譜中獲取δti內(nèi)的最大采樣值pimax，延時(shí)大于1.5倍以上的δti后自動(dòng)進(jìn)入下一個(gè)增量步長(zhǎng)的掃描，每個(gè)掃描段只記錄一個(gè)最大值pimax、一個(gè)最大值時(shí)的控制輸出數(shù)值di和兩個(gè)最近連續(xù)的采樣值pin-1、pin，其中pin為當(dāng)前△tin連續(xù)時(shí)間內(nèi)的峰值，即對(duì)應(yīng)每個(gè)光柵掃描段，n為段內(nèi)第n次掃描，pin-1為上一個(gè)△tin-1連續(xù)時(shí)間內(nèi)的峰值，將pin-1、pin與pimax進(jìn)行比較，如果當(dāng)前采樣值pin以增量的方式等于大于pimax值，即pimax＜pin-1≤pin，則更新此段最大值pimax為pin，并繼續(xù)下一步進(jìn)掃描，如果出現(xiàn)連續(xù)的兩個(gè)和兩個(gè)以上減量值(即pimax＞pin-1＞pin)，則停止該段的掃描，然后轉(zhuǎn)入掃描結(jié)果處理和進(jìn)行下個(gè)光柵所屬段的掃描，如果輸出數(shù)值達(dá)到di+δd，則直接進(jìn)入下一個(gè)掃描段的掃描。

所述的數(shù)據(jù)處理具體為：每個(gè)掃描周期前利用參考光纖光柵傳感器計(jì)算輸出數(shù)值di和輸出波長(zhǎng)之間的修正值，在每個(gè)段掃描結(jié)束后，將當(dāng)前掃描段的反射光譜的最大功率pimax及對(duì)應(yīng)的輸出數(shù)值di，與對(duì)應(yīng)的標(biāo)定階段的反射光譜的標(biāo)定最大功率pimax及對(duì)應(yīng)的標(biāo)定輸出數(shù)值di進(jìn)行比較運(yùn)算，再根據(jù)修正值進(jìn)行修正，得到對(duì)應(yīng)光纖光柵傳感器的中心波長(zhǎng)偏移量，從而獲取相關(guān)的環(huán)境參數(shù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)系統(tǒng)在初始標(biāo)定階段通過(guò)掃描的方式自動(dòng)學(xué)習(xí)獲知系統(tǒng)所連接的光柵的數(shù)量，并記錄相關(guān)的參數(shù)，不需對(duì)光柵進(jìn)行繁瑣的人為的測(cè)試與標(biāo)定。

2)在系統(tǒng)中自動(dòng)掃描學(xué)習(xí)，解決了光柵等器件參數(shù)因系統(tǒng)相關(guān)性問(wèn)題而造成的誤差和偏移等問(wèn)題。

3))光柵的初始波長(zhǎng)并不直接參與系統(tǒng)的計(jì)算，系統(tǒng)不僅處理方法先進(jìn)，對(duì)調(diào)理-放大-采樣電路性能要求也很低，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，性價(jià)比極高。

4)工作階段，系統(tǒng)只對(duì)已知標(biāo)定的光柵的有效波段進(jìn)行段式掃描，相對(duì)全工作波段的掃描的方法，忽略了大量存在的無(wú)效波段，系統(tǒng)掃描頻率高，這對(duì)當(dāng)前業(yè)界常見(jiàn)的普遍存在著的掃描頻率不高的情況，無(wú)疑非常好的解決方法，而且精度也高，功效、效率也顯著高很多。

5)系統(tǒng)每次掃描時(shí)僅記錄有限的幾個(gè)數(shù)值，每個(gè)掃描段結(jié)束即可計(jì)算輸出結(jié)果，實(shí)時(shí)性很高，而且每個(gè)段掃描結(jié)束計(jì)算結(jié)果輸出后，計(jì)算資源便可以釋放，對(duì)系統(tǒng)的資源需求不高，這對(duì)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)非常重要。

6)系統(tǒng)集成度高，光柵密度高。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)施例的嵌入式段式掃描光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

實(shí)施例

克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種嵌入式段式掃描光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

如圖1所示，一種嵌入式段式掃描光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，包括波長(zhǎng)可調(diào)激光器1、光纖分路器2、至少一個(gè)光纖耦合器3、至少一個(gè)光纖光柵傳感器4、至少一個(gè)光電探測(cè)器5、調(diào)理-放大-采樣電路6和嵌入式控制器7。

波長(zhǎng)可調(diào)激光器1通過(guò)控制端口接收嵌入式控制器7根據(jù)協(xié)議發(fā)送的控制指令數(shù)據(jù)，然后輸出特定波長(zhǎng)和功率的光束，光纖分路器2接收波長(zhǎng)可調(diào)激光器1輸出的激光束，然后將該激光束分成多束輸出給光纖耦合器3，光纖耦合器3接收光纖分路器2輸出的光束，然后輸出到光纖光柵傳感器4，同時(shí)將接收到的光纖光柵傳感器4的反射的特定波長(zhǎng)的光束，輸出到光電探測(cè)器5，嵌入式控制器7對(duì)經(jīng)過(guò)調(diào)理-放大處理好的信息通過(guò)采樣電路進(jìn)行采樣，然后對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行處理，同時(shí)通過(guò)控制端口對(duì)波長(zhǎng)可調(diào)激光器1的輸出進(jìn)行控制，該嵌入式控制器7也承擔(dān)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的預(yù)算和處理，并向外輸出處理結(jié)果。

波長(zhǎng)可調(diào)激光器1的波長(zhǎng)和功率輸出與控制數(shù)據(jù)存在確定的關(guān)系，嵌入式控制器7根據(jù)協(xié)議通過(guò)控制端口控制波長(zhǎng)可調(diào)激光器1以特定的輸出功率輸出特定的波長(zhǎng)，其中控制端口為spi、usart、uart、can、usb、rs232、rs485、rs422、以太網(wǎng)等其中的一種，該波長(zhǎng)可調(diào)激光器1可在指定波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)。

波長(zhǎng)可調(diào)激光器1在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間繼續(xù)的工作后系統(tǒng)的參量會(huì)發(fā)生不同程度的漂移，造成輸入和輸出之間的微小的變化，系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)置的光纖光柵傳感器fbg-0對(duì)其中的變化進(jìn)行周期性監(jiān)測(cè)、計(jì)量，其計(jì)量結(jié)果用于對(duì)最終的結(jié)果進(jìn)行修正。

光纖光柵傳感器4為光纖布拉格光柵傳感器，每個(gè)串聯(lián)在相同一根光纖上和不同光纖上的不同光柵其初始中心波長(zhǎng)均不同；同時(shí)，每個(gè)光柵可指定不同的偏移范圍，對(duì)應(yīng)不同的量程，也可根據(jù)系統(tǒng)的量程范圍，指定統(tǒng)一的偏移范圍，但不同光柵初始中心波長(zhǎng)加上偏移范圍不能有重疊部分。

光電探測(cè)器5為pin光電探測(cè)器和apd光電探測(cè)器中的一種。

嵌入式控制器7的控制端口為spi、usart、uart、can、usb、rs232、rs485、rs422、以太網(wǎng)端口中的一種。

嵌入式控制器7為arm、dsp、mips、fpga、cpld和x86soc其中的一種或幾種組合，同時(shí)負(fù)責(zé)采樣、波長(zhǎng)可調(diào)激光器的輸出控制、采樣信息處理、系統(tǒng)邏輯處理，并按輸出格式化的處理結(jié)果。

光纖分路器2輸出端連接的各分路中，串聯(lián)了多個(gè)光纖光柵傳感器4。

系統(tǒng)中，各光纖光柵傳感器4的初始中心波長(zhǎng)互不相同，且中心波長(zhǎng)偏移后的值范圍互不重疊。

一種根據(jù)嵌入式段式掃描光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)獲取環(huán)境參數(shù)的方法，包括標(biāo)定階段、工作階段和數(shù)據(jù)處理階段，

其中，標(biāo)定階段采用全波段掃描，具體包括：嵌入式控制器7根據(jù)各光纖光柵傳感器4的初始中心波長(zhǎng)，在全工作波段內(nèi)控制波長(zhǎng)可調(diào)激光器1依次輸出對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)或功率的激光，對(duì)光纖光柵傳感器4進(jìn)行掃描并獲取反射光譜，記錄每一次掃描相關(guān)的三個(gè)參數(shù)：嵌入式控制器7設(shè)置的波長(zhǎng)可調(diào)激光器1的輸出數(shù)值di、嵌入式控制器7采樣獲取的反射光譜的最大功率pimax以及嵌入式控制器7從輸出可調(diào)激光器1的控制信號(hào)到獲取反射光譜的最大功率pimax之間的延時(shí)△ti；

工作階段采用段式掃描，具體包括：嵌入式控制器7根據(jù)標(biāo)定階段記錄的各di，設(shè)置對(duì)應(yīng)的掃描段，各掃描段波長(zhǎng)可調(diào)激光器1的輸出數(shù)值范圍以對(duì)應(yīng)di為中點(diǎn)，即輸出數(shù)值的起點(diǎn)為di-δd，終點(diǎn)為di+δd，該di為標(biāo)定時(shí)的標(biāo)定di+參考光柵計(jì)算后的對(duì)此的修訂值，即標(biāo)定pimax對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)+參考光柵計(jì)算后對(duì)波長(zhǎng)的修訂值，該掃描段的中心波長(zhǎng)偏移范圍可在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步修訂，以允許部分重疊，提高光柵的存在密度，但需要保留相應(yīng)數(shù)量的區(qū)分度，然后進(jìn)行采樣，獲取各掃描段的反射光譜的最大功率pimax及對(duì)應(yīng)的輸出數(shù)值di；

數(shù)據(jù)處理階段具體包括：將各掃描段的反射光譜的最大功率pimax及對(duì)應(yīng)的輸出數(shù)值di，與對(duì)應(yīng)的標(biāo)定階段的反射光譜的標(biāo)定最大功率pimax及對(duì)應(yīng)的標(biāo)定輸出數(shù)值di進(jìn)行比較運(yùn)算，得到對(duì)應(yīng)光纖光柵傳感器4的中心波長(zhǎng)偏移量，從而獲取相關(guān)的環(huán)境參數(shù)。

具體實(shí)施時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)標(biāo)定方法實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：

將光纖光柵傳感器置于用于標(biāo)定的環(huán)境條件下中，嵌入式控制器7根據(jù)協(xié)議，在全工作波段內(nèi)按照一定的步長(zhǎng)△s以增量的方式控制波長(zhǎng)可調(diào)激光器特定功率和特定波長(zhǎng)的輸出，對(duì)光纖光柵傳感器4進(jìn)行掃描，獲取并記錄每一個(gè)掃描光柵相關(guān)的三個(gè)標(biāo)定參數(shù)：嵌入式控制器7對(duì)波長(zhǎng)可調(diào)激光器的標(biāo)定輸出數(shù)值di、嵌入式控制器7采樣獲取的反射光譜的標(biāo)定最大功率pimax、以及嵌入式控制器7從輸出波長(zhǎng)可調(diào)激光器1的控制信號(hào)到獲取反射光譜的最大功率pimax標(biāo)定延時(shí)△ti；

嵌入式控制器7對(duì)掃描獲取的每一個(gè)光柵的參數(shù)按先后順序，增加索引i:1～n，分組存在系統(tǒng)的存儲(chǔ)器中，作為系統(tǒng)初始參數(shù)，參與正常工作時(shí)的系統(tǒng)計(jì)算。

段式掃描方法實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：

每個(gè)索引對(duì)應(yīng)一個(gè)特定光柵的一組標(biāo)定信息，同時(shí)，每個(gè)索引對(duì)應(yīng)一個(gè)掃描段；

掃描段的起點(diǎn)為控制輸出數(shù)值di-△d，終點(diǎn)為di+△d，每一個(gè)步進(jìn)嵌入式控制系統(tǒng)從反射光譜中獲取延時(shí)△ti采樣值pin，每段掃描時(shí)系統(tǒng)只記錄一個(gè)最大值pimax、一個(gè)最大值時(shí)的控制輸出數(shù)值din和兩個(gè)最近連續(xù)的采樣值pin-1、pin；

將pin-1、pin與pimax進(jìn)行比較，如果采樣值以增量的方式接近或大于pimax值，則更新此段最大值pimax，繼續(xù)下一步進(jìn)掃描，如果出現(xiàn)連續(xù)的兩個(gè)減量值，則停止該段的掃描，然后轉(zhuǎn)入掃描結(jié)果處理和進(jìn)行下個(gè)光柵所屬于的段的掃描。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法為：

以每個(gè)掃描段為單位，將掃描獲取的pimax、對(duì)應(yīng)的控制輸出數(shù)值din和系統(tǒng)標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較運(yùn)算；

根據(jù)波長(zhǎng)和功率輸出與控制數(shù)據(jù)之間的關(guān)系計(jì)算出偏移量，該偏移量即對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)在工作環(huán)境中的偏移量。