一種多通道光纖布拉格光柵解調(diào)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多通道光纖布拉格光柵解調(diào)系統(tǒng)，屬于光纖光柵傳感檢測技術(shù)領(lǐng)域。該系統(tǒng)包括寬譜光源、環(huán)行器、光開關(guān)、Bayspec解調(diào)模塊、工控機(jī)和布拉格光柵傳感陣列；寬譜光源的光路上設(shè)有環(huán)行器，環(huán)行器的前方設(shè)有光開關(guān)，光開關(guān)控制兩個(gè)布拉格光柵傳感陣列的通斷；模擬信號(hào)作用于布拉格光柵傳感陣列上，環(huán)行器與Bayspec解調(diào)模塊相連，Bayspec解調(diào)模塊通過數(shù)據(jù)線與工控機(jī)相連；本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對應(yīng)變引起的彈性形變和彈光效應(yīng)，溫度引起的熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)，以及磁場引起的Faraday效應(yīng)的傳感檢測，采樣率高，解調(diào)信號(hào)頻率帶寬大，電路設(shè)計(jì)簡單、低成本、開發(fā)周期短。
【專利說明】
一種多通道光纖布拉格光柵解調(diào)系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種多通道光纖布拉格光柵解調(diào)系統(tǒng)，屬于光纖光柵傳感檢測技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]根據(jù)光纖光柵的波矢方向、空間分布及周期大小，光纖光柵可分為四種基本類型，光纖布拉格光柵(FBG:Fiber Bragg Grating)、閃耀光纖光柵、啁啾光纖光柵和長周期光纖光柵。光纖布拉格光柵的折射率呈固定的周期性調(diào)制分布，及調(diào)制深度與光柵周期均為常數(shù)，光柵波矢方向與光纖軸線方向一致。當(dāng)光經(jīng)過光纖布拉格光柵時(shí)，對滿足布拉格相位匹配條件的光產(chǎn)生很強(qiáng)的反射;對不滿足布拉格條件的光，由于相位不匹配，只有很微弱的部分被反射回來。
[0003]目前常用的光纖光柵解調(diào)技術(shù)主要有光譜儀檢測法、非平衡Mach-Zehnder干涉儀法、匹配光柵法、可調(diào)諧光纖Fabry-Perot濾波法以及體光柵法等。體光柵可以將不同波長的光分開，同一角度入射的不同波長的光經(jīng)過體光柵后輸出時(shí)，出射角不一樣，在出射端安裝光電轉(zhuǎn)換陣列，就可以分別測量不同波長的光強(qiáng)。采用Bayspec體光柵解調(diào)模塊，使得解調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、集成度高、開發(fā)周期縮短。與傳統(tǒng)的濾波器法相比，解調(diào)分辨率基本一致，但體光柵法解調(diào)系統(tǒng)采樣率更高，解調(diào)信號(hào)頻率帶寬更大，采樣分辨率更高;省去了高速AD電路、濾波器控制電路、光電轉(zhuǎn)換電路等，開發(fā)難度降低、減少成本、開發(fā)周期縮短。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種多通道光纖布拉格光柵解調(diào)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對應(yīng)變引起的彈性形變和彈光效應(yīng)，溫度引起的熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)，以及磁場引起的Faraday效應(yīng)的傳感檢測，采樣率高，解調(diào)信號(hào)頻率帶寬大，電路設(shè)計(jì)簡單、低成本、開發(fā)周期短。
[0005]—種多通道光纖布拉格光柵解調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括寬譜光源、環(huán)行器、光開關(guān)、Bayspec解調(diào)模塊、工控機(jī)和布拉格光柵傳感陣列；
[0006]所述寬譜光源的光路上設(shè)有環(huán)行器，環(huán)行器的前方設(shè)有光開關(guān)，光開關(guān)控制兩個(gè)布拉格光柵傳感陣列的通斷;模擬信號(hào)作用于布拉格光柵傳感陣列上，環(huán)行器與Bayspec解調(diào)模塊相連，Bayspec解調(diào)模塊通過數(shù)據(jù)線與工控機(jī)相連；
[0007]寬譜光源發(fā)出的寬譜光，通過環(huán)行器由第一端口傳到第二端口，經(jīng)過光開關(guān)切換到布拉格光柵傳感陣列，溫度或壓力等模擬信號(hào)變化時(shí)由布拉格光柵陣列反射的窄帶光沿光開光返回，由環(huán)行器的第二端口傳至第三端口，最后由Bayspec解調(diào)模塊接收，所述Bayspec解調(diào)模塊將傳感陣列返回的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并采集，完成波長解調(diào)，最終將波長解調(diào)結(jié)果以及光電轉(zhuǎn)換的原始數(shù)據(jù)上傳至工控機(jī)解調(diào)和顯示。
[0008]進(jìn)一步地，所述Bayspec解調(diào)模塊包括第一透鏡、體光柵、第二透鏡、CXD陣列和DSP處理器，由光纖輸入的光經(jīng)過第一透鏡轉(zhuǎn)為平行光，保證不同波長的光到達(dá)體光柵的入射角一致，經(jīng)過體光柵分光后，不同波長的出射角不一樣，由第二透鏡將相同波長的光聚焦到CCD陣列的同一接收點(diǎn)，然后由CCD陣列轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出給DSP采集電路。
[0009]進(jìn)一步地，所述體光柵工作波長覆蓋1525?1605nm，波長分辨率土 Ipm，采樣率不低于5kHz。
[0010]有益效果:
[0011]1、與傳統(tǒng)的濾波器法解調(diào)系統(tǒng)相比，本發(fā)明的解調(diào)系統(tǒng)解調(diào)分辨率與其基本一致，均為± Ipm，但采樣率更高，可達(dá)5kHz，解調(diào)信號(hào)頻率帶寬更大，采樣分辨率更高。
[0012]2、本發(fā)明省去了高速AD電路、濾波器控制電路、光電轉(zhuǎn)換電路等，降低開發(fā)難度、減少成本、縮短開發(fā)周期。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明多通道光纖布拉格光柵解調(diào)系統(tǒng)組成原理示意圖；
[0014]圖2為本發(fā)明多通道光纖布拉格光柵解調(diào)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]其中，1-寬譜光源、2-環(huán)行器、3-光開關(guān)、4-Bayspec解調(diào)模塊、5-工控機(jī)、6-布拉格光柵傳感陣列、7-模擬信號(hào)、8-光纖、9-透鏡、10-體光柵、I1-CXD陣列、12-DSP處理器、13-數(shù)據(jù)線、14-第二透鏡。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0017]如附圖1所示，本發(fā)明提供了一種多通道光纖布拉格光柵解調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括寬譜光源1、環(huán)行器2、光開關(guān)3、Bayspec解調(diào)模塊4、工控機(jī)5以及布拉格光柵傳感陣列6共六部分組成。
[0018]由寬譜光源I發(fā)出的寬譜光，通過環(huán)行器由第一端口傳到第二端口，經(jīng)過光開關(guān)3切換到布拉格光柵傳感陣列6，溫度或壓力等模擬信號(hào)7變化時(shí)由布拉格光柵陣列6反射的窄帶光(3dB帶寬小于0.3nm)，沿光開光3返回，由環(huán)行器2的第二端口傳至第三端口，最后由Bay spec解調(diào)模塊4接收，經(jīng)過光纖8傳輸、透鏡9、體光柵10分光后經(jīng)CCD陣列11光電轉(zhuǎn)換由DSP處理器12通過數(shù)字通信13上傳至上位機(jī)5解調(diào)和顯示。
[0019]Bayspec解調(diào)模塊4內(nèi)部由第一透鏡9、體光柵10、第二透鏡14、CCD陣列IUDSP處理器12等組成，由光纖8輸入的光經(jīng)過第一透鏡9轉(zhuǎn)為平行光，保證不同波長的光到達(dá)體光柵10的入射角一致，經(jīng)過體光柵10分光后，不同波長的出射角不一樣，由第二透鏡9將相同波長的光聚焦到CCD陣列11的同一接收點(diǎn)，然后由CCD陣列11轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出給DSP采集電路12。
[0020]寬帶光源I為系統(tǒng)提供大帶寬、平坦穩(wěn)定的寬譜光。帶寬要求40nm或者80nm;在40nm帶寬的情況下，假設(shè)每通道20傳感器，每個(gè)傳感器損耗ldB，環(huán)行器損耗1.4dB(l->2，2->3各0.7dB)，光開關(guān)損耗2dB(往返各IdB)，光路總損耗為20 X ldB+1.4dB+2dB = 23.4dB，故光源功率譜密度應(yīng)不低于-31.6dBm/nm，總功率不低于-15.6dBm;在80nm帶寬的情況下，假設(shè)每通道40傳感器，每個(gè)傳感器損耗IdB，其余器件衰減與40nm帶寬情況一致，故光路總衰減為40 X IdB+1.4dB+2dB = 43.4dB，光源功率譜密度應(yīng)不低于-11.6dBm/nm，總功率不低于7.4dBm。
[0021 ] 環(huán)行器2簡化光路，降低插入損耗。由寬譜光源輸出的光經(jīng)過環(huán)行器第一端口，只能通過第二端口輸出至光開關(guān)組件到達(dá)傳感陣列，由傳感陣列返回的光經(jīng)過第二端口輸入，只能經(jīng)由第三端口輸出至Basypec波長解調(diào)模塊4。插入損耗一般要求低于ldB，工作波長范圍覆蓋1525?1605nmo
[0022]高速光開關(guān)模塊3實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)分復(fù)用，增加傳感陣列規(guī)模，對于解調(diào)系統(tǒng)來說不是必需模塊。若采用1X4高速光開關(guān)模塊，單光源系統(tǒng)解調(diào)陣列規(guī)模可達(dá)160測點(diǎn)；若1X8高速光開關(guān)模塊，單光源系統(tǒng)解調(diào)陣列規(guī)模可達(dá)320測點(diǎn)。高速光開關(guān)需配有專用驅(qū)動(dòng)控制電路，由Bayspec模塊4控制同步。插入損耗要求低于IdB，工作波長范圍覆蓋1525?1605nm，開關(guān)切換時(shí)間低于lms。
[0023]Bayspec波長解調(diào)模塊4是系統(tǒng)核心器件，其功能是將傳感陣列6返回的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并采集，完成波長解調(diào)，最終將波長解調(diào)結(jié)果以及光電轉(zhuǎn)換的原始數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)系統(tǒng)5。波長解調(diào)模塊的原理是使用體光柵將不同波長的光分開，入射到光電傳感器陣列，將陣列位置與光信號(hào)波長一一對應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)字光譜儀的功能。工作波長覆蓋1525?1605nm，波長分辨率± Ipm，采樣率不低于5kHz。
[0024]工控機(jī)5接收Bayspec模塊的上傳數(shù)據(jù)，并顯示已被解調(diào)的前端傳感陣列6的壓力、溫度等物理信息7，同時(shí)通過Bayspec模塊4控制高速光開關(guān)3實(shí)現(xiàn)對不同傳感陣列的切換。對于靜態(tài)解調(diào)系統(tǒng)，采用P42.0G以上的CPU、256MB以上內(nèi)存配置電腦即可;對于高速解調(diào)系統(tǒng)，由于采樣率為5kHz，單次采集解調(diào)時(shí)間需控制在0.2ms以內(nèi)。
[0025]傳感陣列6由溫度/壓力光柵傳感器串聯(lián)而成，傳感器波長范圍在1525?1605nm以內(nèi)，同一路陣列傳感器之間波長差應(yīng)控制在2nm以上。
[0026]解調(diào)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括數(shù)據(jù)采集、分峰、尋峰、信息轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯不存儲(chǔ)等t旲塊。
[0027]軟件初始化時(shí)完成變量賦初值;讀取配置文件;初始界面顯示;對于多通道情況，設(shè)置定時(shí)器時(shí)間間隔；通過Bay spec模塊控制光開關(guān)，切換光通道;打開Bay spec模塊，控制模塊采集一次數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī);將采集到的光譜數(shù)據(jù)中光纖光柵的反射峰提取出來，供尋峰算法使用;將尋峰結(jié)果值與傳感器一一對應(yīng);根據(jù)傳感器種類及參數(shù)信息，將尋峰結(jié)果中心波長轉(zhuǎn)換到待測物理量一一溫度或應(yīng)變等。
[0028]對于靜態(tài)模式，系統(tǒng)規(guī)模受限于光開關(guān)，假設(shè)采用1x4光開關(guān)，單光源系統(tǒng)規(guī)模可達(dá)160測點(diǎn)(每一路40測點(diǎn)，共4路)；采用1x8光開光時(shí)，單光源系統(tǒng)規(guī)?？蛇_(dá)320測點(diǎn)；采用1x16光開關(guān)時(shí)，單光源系統(tǒng)規(guī)?？蛇_(dá)640測點(diǎn)。為了增加系統(tǒng)規(guī)模，還可以采用多光開關(guān)級聯(lián)模式，例如一個(gè)1x2光開關(guān)和兩個(gè)1x16光開關(guān)可實(shí)現(xiàn)1x32路光開關(guān)效果，但此時(shí)需要考慮光開關(guān)帶來的光路衰減，一般光開關(guān)單程衰減為ldB，往返衰減為2dB，故每增加一級光開關(guān)，光路衰減增加2dB;對于高速模式，系統(tǒng)規(guī)模受限于系統(tǒng)處理速度，由于必須在0.2ms內(nèi)完成所有數(shù)據(jù)處理，所以高速模式下采用單路40測點(diǎn)以內(nèi)的規(guī)模。
[0029]雖然1525?1605nm波長范圍內(nèi)激光在光纖中傳輸損耗很低，最低值為0.2dB/km@1550nm，但由于采用40測點(diǎn)后光路總衰減較大，為了不增加光源負(fù)擔(dān)，傳感器陣列長度最好不超過Ikm—一若遇到特殊情況，需要增加陣列長度，可適當(dāng)犧牲陣列規(guī)模，例如采用20測點(diǎn)，光路衰減有20dB余量，可采用1km以上的陣列規(guī)模。
[0030]綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種多通道光纖布拉格光柵解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括寬譜光源、環(huán)行器、光開關(guān)、Bayspec解調(diào)模塊、工控機(jī)和布拉格光柵傳感陣列； 所述寬譜光源的光路上設(shè)有環(huán)行器，環(huán)行器的前方設(shè)有光開關(guān)，光開關(guān)控制兩個(gè)布拉格光柵傳感陣列的通斷;模擬信號(hào)作用于布拉格光柵傳感陣列上，環(huán)行器與Bayspec解調(diào)模塊相連，Bayspec解調(diào)模塊通過數(shù)據(jù)線與工控機(jī)相連； 寬譜光源發(fā)出的寬譜光，通過環(huán)行器由第一端口傳到第二端口，經(jīng)過光開關(guān)切換到布拉格光柵傳感陣列，溫度或壓力等模擬信號(hào)變化時(shí)由布拉格光柵陣列反射的窄帶光沿光開光返回，由環(huán)行器的第二端口傳至第三端口，最后由Bayspec解調(diào)模塊接收，所述Bayspec解調(diào)模塊將傳感陣列返回的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并采集，完成波長解調(diào)，最終將波長解調(diào)結(jié)果以及光電轉(zhuǎn)換的原始數(shù)據(jù)上傳至工控機(jī)解調(diào)和顯示。2.如權(quán)利要求1所述的一種多通道光纖布拉格光柵解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于，所述Bayspec解調(diào)模塊包括第一透鏡、體光柵、第二透鏡、(XD陣列和DSP處理器，由光纖輸入的光經(jīng)過第一透鏡轉(zhuǎn)為平行光，保證不同波長的光到達(dá)體光柵的入射角一致，經(jīng)過體光柵分光后，不同波長的出射角不一樣，由第二透鏡將相同波長的光聚焦到CCD陣列的同一接收點(diǎn)，然后由CCD陣列轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出給DSP采集電路。3.如權(quán)利要求2所述的一種多通道光纖布拉格光柵解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于，所述體光柵工作波長覆蓋1525?1605nm，波長分辨率± Ipm，采樣率不低于5kHz。
【文檔編號(hào)】G01D5/353GK105973283SQ201610395300
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月6日
【發(fā)明人】楊云濤, 閻毓杰, 王楠, 佘亞軍
【申請人】中國船舶重工集團(tuán)公司第七〇九研究所, 中國船舶重工集團(tuán)公司第七一九研究所