基于随机非等间隔采样的光纤光栅动态应变解调仪及方法

摘要

本发明涉及光纤光栅的解调技术，具体是一种基于随机非等间隔采样的光纤光栅动态应变解调仪及方法。本发明解决了现有光纤光栅的解调技术解调速度低、解调精度低、使用不方便、使用成本高、以及适用范围窄的问题。基于随机非等间隔采样的光纤光栅动态应变解调仪包括宽带光源、可调谐滤波器、光纤耦合器、隔离器、光纤光栅、标准具、第一光电探测器、第二光电探测器、第一信号放大调理电路、第二信号放大调理电路、多路同步A/D转换器、基于FPGA的解调控制电路、计算机、D/A转换器、以及高压驱动放大电路。本发明适用于光纤光栅传感器。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤光栅的解调技术，具体是一种基于随机非等间隔采样的光纤光栅动态应变解调仪及方法。

背景技术

光纤光栅能够将外界应变信号（如应力信号、应变信号、振动信号、温度变化信号等）转换成自身反射谱的中心波长变化信号。因此，通过将光纤光栅进行适当封装，便可制成光纤光栅传感器。光纤光栅传感器因其具有不受电磁辐射干扰、体积小、制作简单、波长敏感等特点，被广泛应用于远距离光学传感和光学通信领域。在实际应用中，为了保证光纤光栅传感器能够正常工作，必需对光纤光栅进行解调。目前，光纤光栅的解调技术主要分为：一、光谱分析技术。此种技术需要进行大量数学计算，因而其解调速度低、不适用于大带宽应变信号的测量。二、基于可调谐滤波器的波长扫描技术。此种技术波长分辨率高、测量范围宽、复用能力强，但其解调速度低、使用成本高、不适用于高速与高精度宽量程动态应变信号的同时测量。三、边缘滤波器技术。此种技术需要为每个光纤光栅配置专门的边缘滤波器和探测器，因而其使用不方便、使用成本高。四、非平衡M-Z干涉仪解调技术。此种技术存在零点漂移问题，因而其仅适用于动态应变信号的测量。五、强度调制型光纤光栅解调系统。此种技术解调速度高，但受自身非线性特性影响，其解调精度低。综上所述，现有光纤光栅的解调技术由于自身原理所限，普遍存在解调速度低、解调精度低、使用不方便、使用成本高、以及适用范围窄的问题。为此有必要发明一种全新的光纤光栅的解调技术，以解决现有光纤光栅的解调技术存在的上述问题。

发明内容

本发明为了解决现有光纤光栅的解调技术解调速度低、解调精度低、使用不方便、使用成本高、以及适用范围窄的问题，提供了一种基于随机非等间隔采样的光纤光栅动态应变解调仪及方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：基于随机非等间隔采样的光纤光栅动态应变解调仪，包括宽带光源、可调谐滤波器、光纤耦合器、隔离器、光纤光栅、标准具、第一光电探测器、第二光电探测器、第一信号放大调理电路、第二信号放大调理电路、多路同步A/D转换器、基于FPGA的解调控制电路、计算机、D/A转换器、以及高压驱动放大电路；其中，宽带光源的信号输出端与可调谐滤波器的信号输入端连接；可调谐滤波器的信号输出端与光纤耦合器的信号输入端连接；光纤耦合器的信号输出端与隔离器的信号输入端、光纤光栅的信号输入端、第一光电探测器的信号输入端连接；隔离器的信号输出端与标准具的信号输入端连接；标准具的信号输出端与第二光电探测器的信号输入端连接；第一光电探测器的信号输出端与第一信号放大调理电路的信号输入端连接；第二光电探测器的信号输出端与第二信号放大调理电路的信号输入端连接；第一信号放大调理电路的信号输出端、第二信号放大调理电路的信号输出端均与多路同步A/D转换器的信号输入端连接；多路同步A/D转换器的信号输出端与基于FPGA的解调控制电路的信号输入端连接；基于FPGA的解调控制电路的信号输出端与多路同步A/D转换器的信号输入端、计算机的信号输入端、D/A转换器的信号输入端连接；D/A转换器的信号输出端与高压驱动放大电路的信号输入端连接；高压驱动放大电路的信号输出端与可调谐滤波器的信号输入端连接。

基于随机非等间隔采样的光纤光栅动态应变解调方法（该方法在本发明所述的基于随机非等间隔采样的光纤光栅动态应变解调仪中完成），该方法是采用如下步骤实现的：

a.基于FPGA的解调控制电路产生扫描周期随机变化的三角波高压驱动信号，并将产生的三角波高压驱动信号输出至D/A转换器；D/A转换器将输入的三角波高压驱动信号进行数模转换，并将数模转换后的三角波高压驱动信号输出至高压驱动放大电路；高压驱动放大电路将输入的三角波高压驱动信号进行放大，并将放大后的三角波高压驱动信号输出至可调谐滤波器；

b.宽带光源向可调谐滤波器输出宽带光；可调谐滤波器根据输入的三角波高压驱动信号将输入的宽带光转换成扫描波长范围随机变化的可调谐激光，并将可调谐激光输出至光纤耦合器；光纤耦合器将输入的可调谐激光进行耦合，并将耦合后的可调谐激光输出至光纤光栅，同时通过隔离器将耦合后的可调谐激光输出至标准具；

c.光纤光栅根据输入的可调谐激光形成反射谱；第一光电探测器实时探测形成的反射谱，并将探测到的反射谱输出至第一信号放大调理电路；第一信号放大调理电路将输入的反射谱进行放大调理；同时，标准具根据输入的可调谐激光形成透射谱；第二光电探测器实时探测形成的透射谱，并将探测到的透射谱输出至第二信号放大调理电路；第二信号放大调理电路将输入的透射谱进行放大调理；

d.多路同步A/D转换器实时同步采集放大调理后的反射谱和透射谱，并将采集到的反射谱和透射谱输出至基于FPGA的解调控制电路；基于FPGA的解调控制电路实时解算反射谱和透射谱的峰值波长位置，透射谱的峰值波长位置解算结果中包含Mag Flag特征波长位置，同时将每一个三角波扫描周期内的所有解算结果均输出至计算机，每一个三角波扫描周期内的所有解算结果包括扫描周期、反射谱和透射谱的峰值波长位置；

e.当光纤光栅受到外界应变信号时，反射谱的中心波长发生变化，透射谱的各个峰值的中心波长保持不变；计算机根据输入的扫描周期、Mag Flag特征波长位置、反射谱和透射谱的峰值波长位置来计算反射谱的峰值位置相对透射谱的各个峰值的中心位置的变化量，并根据计算出的变化量实时解算出反射谱的中心波长变化信号，然后带入光纤光栅的标定系数，并根据带入的标定系数和计算出的中心波长变化信号实时解算出外界应变信号，同时根据随机扫描三角波的扫描周期及反射谱的中心波长位置解算出每个传感位置的具体时间，再通过具体时间和中心波长变化信号还原出原始应变信号。

所述步骤a中，基于FPGA的解调控制电路所产生的三角波高压驱动信号的斜率保持不变，并通过改变三角波高压驱动信号的峰值来改变三角波高压驱动信号的扫描周期，由此产生扫描周期呈高斯特性随机变化的三角波高压驱动信号。

与现有光纤光栅的解调技术相比，本发明所述的基于随机非等间隔采样的光纤光栅动态应变解调仪及方法具有如下优点：一、与光谱分析技术相比，本发明所述的基于随机非等间隔采样的光纤光栅动态应变解调仪及方法无需进行大量数学计算，因而其解调速度更高，完全适用于大带宽应变信号的测量。二、与基于可调谐滤波器的波长扫描技术相比，本发明所述的基于随机非等间隔采样的光纤光栅动态应变解调仪及方法解调速度更高，使用成本更低，完全适用于高速与高精度宽量程动态应变信号的同时测量。三、与边缘滤波器技术相比，本发明所述的基于随机非等间隔采样的光纤光栅动态应变解调仪及方法无需为每个光纤光栅配置专门的边缘滤波器和探测器，因而其使用更方便，使用成本更低。四、与非平衡M-Z干涉仪解调技术相比，本发明所述的基于随机非等间隔采样的光纤光栅动态应变解调仪及方法不存在零点漂移，因而其不仅适用于动态应变信号的测量。五、与强度调制型光纤光栅解调系统相比，本发明所述的基于随机非等间隔采样的光纤光栅动态应变解调仪及方法不受非线性特性影响，因而其解调精度更高。综上所述，现有光纤光栅的解调技术由于自身原理所限，普遍存在解调速度低、解调精度低、使用不方便、使用成本高、以及适用范围窄的问题。

本发明有效解决了现有光纤光栅的解调技术解调速度低、解调精度低、使用不方便、使用成本高、以及适用范围窄的问题，适用于光纤光栅传感器。

附图说明

图1是本发明中基于随机非等间隔采样的光纤光栅动态应变解调仪的结构示意图。

图2是本发明中标准具形成的透射谱的曲线示意图。

图3是本发明中光纤光栅形成的反射谱的曲线示意图。

图4是本发明中可调谐滤波器的扫描电压的曲线示意图。

图5是本发明中可调谐滤波器的扫描电压的峰值电压的曲线示意图。

图6是本发明中光纤光栅形成的反射谱的中心波长在100Hz、峰峰值为20V的正弦波PZT驱动信号下的时域曲线示意图。

图7是本发明中光纤光栅形成的反射谱的中心波长在100Hz、峰峰值为20V的正弦波PZT驱动信号下的频域曲线示意图。

图8是本发明中光纤光栅形成的反射谱的中心波长在1.9kHz、峰峰值为10V的正弦波PZT驱动信号下的时域曲线示意图。

图9是本发明中光纤光栅形成的反射谱的中心波长在1.9kHz、峰峰值为10V的正弦波PZT驱动信号下的频域曲线示意图。

图中：1-宽带光源，2-可调谐滤波器，3-光纤耦合器，4-隔离器，5-光纤光栅，6-标准具，7-第一光电探测器，8-第二光电探测器，9-第一信号放大调理电路，10-第二信号放大调理电路，11-多路同步A/D转换器，12-基于FPGA的解调控制电路，13-计算机，14-D/A转换器，15-高压驱动放大电路。

具体实施方式

基于随机非等间隔采样的光纤光栅动态应变解调仪，包括宽带光源1、可调谐滤波器2、光纤耦合器3、隔离器4、光纤光栅5、标准具6、第一光电探测器7、第二光电探测器8、第一信号放大调理电路9、第二信号放大调理电路10、多路同步A/D转换器11、基于FPGA的解调控制电路12、计算机13、D/A转换器14、以及高压驱动放大电路15；其中，宽带光源1的信号输出端与可调谐滤波器2的信号输入端连接；可调谐滤波器2的信号输出端与光纤耦合器3的信号输入端连接；光纤耦合器3的信号输出端与隔离器4的信号输入端、光纤光栅5的信号输入端、第一光电探测器7的信号输入端连接；隔离器4的信号输出端与标准具6的信号输入端连接；标准具6的信号输出端与第二光电探测器8的信号输入端连接；第一光电探测器7的信号输出端与第一信号放大调理电路9的信号输入端连接；第二光电探测器8的信号输出端与第二信号放大调理电路10的信号输入端连接；第一信号放大调理电路9的信号输出端、第二信号放大调理电路10的信号输出端均与多路同步A/D转换器11的信号输入端连接；多路同步A/D转换器11的信号输出端与基于FPGA的解调控制电路12的信号输入端连接；基于FPGA的解调控制电路12的信号输出端与多路同步A/D转换器11的信号输入端、计算机13的信号输入端、D/A转换器14的信号输入端连接；D/A转换器14的信号输出端与高压驱动放大电路15的信号输入端连接；高压驱动放大电路15的信号输出端与可调谐滤波器2的信号输入端连接。

基于随机非等间隔采样的光纤光栅动态应变解调方法（该方法在本发明所述的基于随机非等间隔采样的光纤光栅动态应变解调仪中完成），该方法是采用如下步骤实现的：

a.基于FPGA的解调控制电路12产生扫描周期随机变化的三角波高压驱动信号，并将产生的三角波高压驱动信号输出至D/A转换器14；D/A转换器14将输入的三角波高压驱动信号进行数模转换，并将数模转换后的三角波高压驱动信号输出至高压驱动放大电路15；高压驱动放大电路15将输入的三角波高压驱动信号进行放大，并将放大后的三角波高压驱动信号输出至可调谐滤波器2；

b.宽带光源1向可调谐滤波器2输出宽带光；可调谐滤波器2根据输入的三角波高压驱动信号将输入的宽带光转换成扫描波长范围随机变化的可调谐激光，并将可调谐激光输出至光纤耦合器3；光纤耦合器3将输入的可调谐激光进行耦合，并将耦合后的可调谐激光输出至光纤光栅5，同时通过隔离器4将耦合后的可调谐激光输出至标准具6；

c.光纤光栅5根据输入的可调谐激光形成反射谱；第一光电探测器7实时探测形成的反射谱，并将探测到的反射谱输出至第一信号放大调理电路9；第一信号放大调理电路9将输入的反射谱进行放大调理；同时，标准具6根据输入的可调谐激光形成透射谱；第二光电探测器8实时探测形成的透射谱，并将探测到的透射谱输出至第二信号放大调理电路10；第二信号放大调理电路10将输入的透射谱进行放大调理；

d.多路同步A/D转换器11实时同步采集放大调理后的反射谱和透射谱，并将采集到的反射谱和透射谱输出至基于FPGA的解调控制电路12；基于FPGA的解调控制电路12实时解算反射谱和透射谱的峰值波长位置，透射谱的峰值波长位置解算结果中包含Mag Flag特征波长位置，同时将每一个三角波扫描周期内的所有解算结果均输出至计算机13，每一个三角波扫描周期内的所有解算结果包括扫描周期、反射谱和透射谱的峰值波长位置；

e.当光纤光栅5受到外界应变信号时，反射谱的中心波长发生变化，透射谱的各个峰值的中心波长保持不变；计算机13根据输入的扫描周期、Mag Flag特征波长位置、反射谱和透射谱的峰值波长位置来计算反射谱的峰值位置相对透射谱的各个峰值的中心位置的变化量，并根据计算出的变化量实时解算出反射谱的中心波长变化信号，然后带入光纤光栅5的标定系数，并根据带入的标定系数和计算出的中心波长变化信号实时解算出外界应变信号，同时根据随机扫描三角波的扫描周期及反射谱的中心波长位置解算出每个传感位置的具体时间，再通过具体时间和中心波长变化信号还原出原始应变信号。

所述步骤a中，基于FPGA的解调控制电路12所产生的三角波高压驱动信号的斜率保持不变，并通过改变三角波高压驱动信号的峰值来改变三角波高压驱动信号的扫描周期，由此产生扫描周期呈高斯特性随机变化的三角波高压驱动信号。

具体实施时，所述宽带光源1采用具有较高增益平坦度的高功率光源（带宽大于40nm，波长范围为1520nm~1560nm，总功率大于10mW）。所述可调谐滤波器2的输出线宽优于0.01nm，可调谐滤波器2输出的窄线宽激光的波长范围为1520nm~1560nm。所述多路同步A/D转换器11采用多路高速同步串行A/D转换器。