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专利名称：基于多纵模f-p激光器的新型光纤光栅解调方法及其系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤光栅动态解调的方法和装置，具体涉及一种基于多纵模F-P激光器的新型光纤光栅解调方法及其系统。
背景技术：
光纤光栅传感器是近年来研究较多的一种新型传感器，它以极高的灵敏度、本征安全、抗电磁干扰、高绝缘强度、体积小而著称。目前限制光纤光栅传感器应用的最主要障碍是传感信号的解调成本过高。已有的解调方法总体可分为两类:宽谱光源+窄带滤波器和窄带可调谐光源解调方法。由于窄带可调谐光源解调方法在稳定性、可调谐范围、调制难度和价格方面都存在缺点；因此宽谱光源+窄带滤波器的解调方法应用更为普遍。宽谱光源解调方法主要有滤波法和干涉法两种，其中滤波法主要有:线性滤波法、可调谐F-P滤波器解调法及匹配光栅解调法；干涉法主要有Sagnac干涉仪、非平衡Michelson干涉仪及非平衡M-Z干涉仪解调法。但是，上述解调方法均存在两个主要问题:1、采用昂贵的宽谱光源和窄带滤波器，很大程度上增加了解调成本；2、窄带滤波器固有的机电调制结构，使得系统的响应速度低，一般在200Hz以下，只适用于低频信号的检测。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，提供一种基于多纵模F-P激光器的新型光纤光栅解调方法及其系统，采用低成本的多纵模F-P激光器和DSP信号处理模块，实现动态、高速解调和复用。本发 明为解决上述技术问题所采用的技术方案是:基于多纵模F-P激光器的新型光纤光栅解调方法，包括以下步骤:(1)采用多纵模F-P激光器发出的激光经光纤耦合器进入光纤光栅；(2)通过功率控制单元监测多纵模F-P激光器的光功率的波动实时控制多纵模F-P激光器的供给电流的大小，确保多纵模F-P激光器输出光功率的稳定；(3)由光纤光栅输出的信号，经光纤耦合器或光纤传输后进入波长匹配的DWDM密集波分复用器，输出的光信号经过光电探测器接收，转换成电压信号；(4)步骤(3)获得的电压信号经前置放大芯片放大后进入A/D模数转换器转化为数字信号，数字信号通过滤波器进行滤波处理滤除低频噪声后再通过DSP芯片进行运算和控制处理获得解调信号；(5)步骤(4)获得的解调信号通过串口发送到中央控制与显示单元进行判断、操作并提供外设显示。 在上述方案中，所述步骤(2)中功率控制单元是一种光功率反馈控制电路，多纵模F-P激光器的输出光功率，由内置背光监测用光电探测器或者外置功率监测用光电探测器，首先进行光电转换，得到对应的电信号经由A/D模数转换器，送入单片机进行运算，并与原值进行比较、判断；然后通过D/A数模转换器转换为控制信号，功率控制单元根据控制信号的波动控制多纵模F-P激光器的供给电流的大小，确保多纵模F-P激光器输出光功率的稳定。根据上述方法，本发明还提供了一种基于多纵模F-P激光器的光纤光栅解调系统，包括多纵模F-P激光器、光纤耦合器、光纤光栅、DWDM密集波分复用器、光电探测器、DSP信号处理模块、中央控制与显示单元以及与多纵模F-P激光器相连的功率控制单元，所述多纵模F-P激光器的输出端与光纤I禹合器的输入端口 A连接,光纤I禹合器的输出端口 C与光纤光栅连接，光纤耦合器的输入端口 B与DWDM密集波分复用器的输入端连接组成信号的光通道，DWDM密集波分复用器的输出端依次连接光电探测器、DSP信号处理模块和中央控制与显示单元，所述功率控制单元置于多纵模F-P激光器的光源控制板上。在上述方案中，所述多纵模F-P激光器选用峰值波长为1545nm，线宽为0.3nm的蝶形F-P半导体激光器，蝶形F-P半导体激光器设有内置光电探测器、热敏电阻和温度控制器，内置光电探测器采用PN结型光电二极管，置于F-P激光器内部，用于接收背向光信号并转换为电信号，提供电输出监测引脚；热敏电阻和温度控制器分别提供温度监测输出和温控电流输入引脚，以上所有引脚与功率控制单元对应连接。在上述方案中，所述光纤耦合器采用3dB耦合器或环形器。在上述方案中，所述光电探测器选用同轴尾纤型PIN光电二极管。在上述方案中，所述DSP信号处理模块包括前置放大芯片、A/D模数转换器、滤波器和DSP芯片；所述前置放大芯片用 于将经过光电探测器接收的电压信号进行放大，选用对数放大器 AD0834 ；所述A/D模数转换器用于将放大的电压信号转换为数字信号；所述滤波器用于将上述数字信号进行滤波处理滤除低频噪声；所述DSP芯片是一种高速可编程中央处理器，用于实现对滤波后的数字信号进行运算和传输控制获得解调信号。在上述方案中，所述中央控制与显示单元用于对串口接收的DSP信号处理模块获得的解调信号进行判断、操作并提供外设显示。在上述方案中，所述功率控制单元是一种光功率反馈控制电路，用于根据监测的多纵模F-P激光器的光功率的波动实时控制多纵模F-P激光器的供给电流的大小，确保多纵模F-P激光器输出光功率的稳定。本发明的工作原理是:多纵模F-P激光器发出的激光经3dB耦合器进入光纤光栅；由光纤光栅反射或透射回3dB耦合器的信号，再经光纤传输后进入波长匹配的DWDM密集波分复用器，输出的光信号经过光电探测器接收，转换成电压信号；电压信号经DSP信号处理模块处理得到解调信号，具体细分为电压信号先通过前置放大芯片的放大后进入A/D模数转换器，为了滤除低频噪声，通过滤波器进行滤波处理滤除低频噪声，再通过DSP处理器进行运算和控制处理获得解调信号；解调信号通过串口发送到中央控制与显示单元进行显示和控制。假设光纤光栅的反射谱(或透射谱)表示为S(X)，线型为高斯分布，DWDM密集波分复用器的透射谱表示为T ( λ )，若F-P激光器为理想宽谱光源且强度为Itl,则光电探测器接收的光功率为:P= / a ItlSU )TU)cU，式中，α为DWDM密集波分复用器分束比、光路损耗等因素造成的总衰减，可近似认为与波长λ无关。当采用多纵模F-P激光器为光源时，多纵模F-P激光器相邻的纵模间隔一般在I 3nm (约100 300GHz)，纵模半值宽度约为0.5nm。假设多纵模F-P激光器的单个纵模谱线近似高斯分布，则光电探测器接收的光功率修正为:P= / a 10(A)S(A)T(A)dA ,此时，Ι( ( λ)是波长λ的函数；设光纤光栅中心波长与多纵模F-P激光器某一纵模波长相匹配，且处于该纵模下降沿，则当光纤光栅在外场作用下波长发生漂移时，输出光功率将产生对应的线性响应。因此，只要测量输出光功率的变化值，即可由公式反推得到光纤光栅中心波长的漂移量，从而得到被测外界参数的检测结果。以被测外界参数是温度为例:当温度变化时，光栅输出波长发生相应变化，引起输出光功率的线性变化，则测量输出光功率的变化量即可得到对应的温度变化值。与其他类型的光纤光栅解调方法相比，本发明具有以下有益效果:1、米用多纵模F-P激光器作为光源,配合DSP信号处理模块实现光栅信号的高速动态解调和复用，由于采用线宽窄的多纵模F-P激光器，单位波长对应的光功率大大提高，系统成本下降而灵敏度提高；2、适当选择F-P激光器多个纵模分别对应的光纤光栅反射波长及线宽，可以方便的实现多光栅复用解调，进一步降低解调成本，且不易受电磁干扰，解调灵敏度也能得到较大提闻;3、采用DSP信号处理模块，同时无机电结构设计，可实现几十KHz的高速、实时测量，满足大多数应用需求。


图1是本发明的系统结构图；图2是本发明所采用 的多纵模F-P激光器的输出光谱示意图；图3是多纵模F-P激光器与宽谱光源对比实验结果示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细的说明。参照图1所示，本发明所述的基于多纵模F-P激光器的光纤光栅解调系统，包括多纵模F-P激光器、光纤耦合器、光纤光栅、DffDM密集波分复用器、光电探测器、DSP信号处理模块、中央控制与显示单元以及与多纵模F-P激光器相连的功率控制单元，所述多纵模F-P激光器的输出端与光纤I禹合器的输入端口 A连接,光纤f禹合器的输出端口 C与光纤光栅连接，光纤耦合器的输入端口 B与DWDM密集波分复用器的输入端连接组成信号的光通道，DWDM密集波分复用器的输出端依次连接光电探测器、DSP信号处理模块和中央控制与显示单元，所述功率控制单元置于多纵模F-P激光器的光源控制板上。所述多纵模F-P激光器选用峰值波长为1545nm，线宽为0.3nm的蝶形F-P半导体激光器，蝶形F-P半导体激光器设有内置光电探测器、热敏电阻和温度控制器，内置光电探测器采用PN结型光电二极管，置于F-P激光器内部，用于接收背向光信号并转换为电信号，提供电输出监测引脚；热敏电阻和温度控制器分别提供温度监测输出和温控电流输入引脚，以上所有引脚与功率控制单元对应连接。
所述光纤耦合器采用3dB耦合器或环形器。所述光纤光栅米用光纤布拉格光栅FBG。所述光电探测器选用同轴尾纤型PIN光电二极管。所述DSP信号处理模块包括前置放大芯片、A/D模数转换器、滤波器和DSP芯片；所述前置放大芯片用于将经过光电探测器接收的电压信号进行放大，选用对数放大器 AD0834 ；所述A/D模数转换器用于将放大的电压信号转换为数字信号，是一种将模拟信号转换为数字信号的通用器件，选用美国ADI公司的AD7708芯片；所述滤波器用于将上述数字信号进行滤波处理滤除低频噪声；所述DSP芯片是一种高速可编程中央处理器，用于实现对滤波后的数字信号进行运算和传输控制获得解调信号，DSP芯片采用TI的TMS320F2812芯片，可并发同时采样两个通道，每个通道有6个12位A/D转换模块。所述中央控制与显示单元用于对串口接收的DSP信号处理模块获得的解调信号进行判断、操作并提供外设显示。所述功率控制单元是一种光功率反馈控制电路，用于根据监测的多纵模F-P激光器的光功率的波动实时控制多纵模F-P激光器的供给电流的大小，确保多纵模F-P激光器输出光功率的稳定。本发明基于多纵模F-P激光器的新型光纤光栅解调系统进行解调的方法如下:
(I)多纵模F-P激光器发出的激光经3dB耦合器进入光纤光栅；(2)通过功率控制单元监测多纵模F-P激光器的光功率的波动实时控制多纵模F-P激光器的供给电流的大小，确保多纵模F-P激光器输出光功率的稳定，具体工作过程如下:多纵模F-P激光器的输出光功率，由内置背光监测用光电探测器或者外置功率监测用光电探测器，首先进行光电转换，得到对应的电信号经由A/D模数转换器，送入单片机进行运算，并与原值进行比较、判断；然后通过D/A数模转换器转换为控制信号，功率控制单元根据控制信号的波动控制多纵模F-P激光器的供给电流的大小，确保多纵模F-P激光器输出光功率的稳定；(3)由光纤光栅反射(或透射)的信号，经3dB耦合器或经光纤传输后进入波长匹配的DWDM密集波分复用器，输出的光信号经过光电探测器接收，转换成电压信号；(4)电压信号经DSP信号处理模块处理得到解调信号，具体细分为电压信号先通过前置放大芯片的放大后进入A/D模数转换器转化为数字信号，为了滤除低频噪声，数字信号通过滤波器进行滤波处理滤除低频噪声，再通过DSP芯片进行运算和控制处理获得解调信号；(5)解调信号通过串口发送到中央控制与显示单元进行判断、操作并提供外设显
/Jn ο假设光纤光栅的反射谱(或透射谱)表示为S(X)，线型为高斯分布，DWDM密集波分复用器的透射谱表示为T ( λ )，若F-P激光器为理想宽谱光源且强度为Itl,则光电探测器接收的光功率为:P= / a ItlSU )TU)cU，式中，α为DWDM密集波分复用器分束比、光路损耗等因素造成的总衰减，可近似认为与波长λ无关。当采用多纵模F-P激光器为光源时，多纵模F-P激光器的输出光谱如图2所示，多纵模F-P激光器相邻的纵模间隔一般在I 3nm (约100 300GHz)，纵模半值宽度约为
0.5nm。假设多纵模F-P激光器的单个纵模谱线近似高斯分布，则光电探测器接收的光功率修正为:P=/ a Itl(A)SU )Τ( λ )cU，此时，Itl(A)是波长λ的函数；设光纤光栅中心波长与多纵模F-P激光器某一纵模波长相匹配，且处于该纵模下降沿，则当光纤光栅在外场作用下波长发生漂移时，输出光功率将相应产生线性响应。因此，只要测量输出光功率的变化值，即可由公式反推得到光纤光栅中心波长的漂移量，从而得到被测外界参数的检测结果O温度实验时，每隔2°C测量一组数据，为比较采用多纵模F-P光源和宽谱光源系统解调特性，分别使用多纵模F-P激光器和宽谱光源进行测量，对比的原始数据拟合曲线如图3所示。由图3的实验结果显示，采用多纵模F-P激光器作为光源的解调系统，检测强度的衰减比宽谱光源的测试结果要快得多，系统的灵敏度得到很大提高，与理论分析一致。考虑前置放大芯片(对数放大器)的最小分辨光功率为100pw，A/D模数转换器的最小分辨电压为80mV,可得到采用多纵模F-P激光器后，系统波长解调最小分辨率约为0.04pm,相比之下采用宽谱光源的最小分辨率约为0.16pm。另外，由于光源谱线窄，系统在灵敏度提高的同时伴随着测量范围变窄的问题，根据现有工艺水平，目前多纵模F-P激光器系统的动态测量范围约为lnm，对应的温度测量范围约为80°C，比采用宽谱光源的测量方法范围窄，因此比较适合灵敏度要求高而动态范围窄的场合使用。 以上所述的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此采用与本例相同或相近方法，或依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。
权利要求
1.基于多纵模F-P激光器的新型光纤光栅解调方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)采用多纵模F-P激光器发出的激光经光纤耦合器进入光纤光栅； (2)通过功率控制单元监测多纵模F-P激光器的光功率的波动实时控制多纵模F-P激光器的供给电流的大小，确保多纵模F-P激光器输出光功率的稳定； (3)由光纤光栅反射或透射的信号，经光纤耦合器或光纤传输后进入波长匹配的DWDM密集波分复用器，输出的光信号经过光电探测器接收，转换成电压信号； (4)步骤(3)获得的电压信号经前置放大芯片放大后进入A/D模数转换器转化为数字信号，数字信号通过滤波器进行滤波处理滤除低频噪声后再通过DSP芯片进行运算和控制处理获得解调信号； (5)步骤(4)获得的解调信号通过串口发送到中央控制与显示单元进行判断、操作并提供外设显示。
2.如权利要求1所述的基于多纵模F-P激光器的新型光纤光栅解调方法，其特征在于，所述步骤(2)中功率控制单元是一种光功率反馈控制电路，多纵模F-P激光器的输出光功率，由内置背光监测用光电探测器或者外置功率监测用光电探测器，首先进行光电转换，得到对应的电信号经由A/D模数转换器，送入单片机进行运算，并与原值进行比较、判断；然后通过D/A数模转换器转换为控制信号，功率控制单元根据控制信号的波动控制多纵模F-P激光器的供给电流的大小，确保多纵模F-P激光器输出光功率的稳定。
3.一种基于多纵模F-P激光器的光纤光栅解调系统，其特征在于，包括多纵模F-P激光器、光纤耦合器、光纤光栅、DffDM密集波分复用器、光电探测器、DSP信号处理模块、中央控制与显示单元以及与多纵模F-P激光器相连的功率控制单元，所述多纵模F-P激光器的输出端与光纤耦合器的输入端口 A连接，光纤耦合器的输出端口 C与光纤光栅连接，光纤耦合器的输入端口 B与DWDM密集波分复用器的输入端连接组成信号的光通道，DWDM密集波分复用器的输出端依次连接光电探测器、DSP信号处理模块和中央控制与显示单元，所述功率控制单元置于多纵模F-P激光器的光源控制板上。
4.如权利要求3所述的基于多纵模F-P激光器的光纤光栅解调系统，其特征在于，所述多纵模F-P激光器选用峰值波长为1545nm，线宽为0.3nm的蝶形F-P半导体激光器，蝶形F-P半导体激光器设有内置光电探测器、热敏电阻和温度控制器，内置光电探测器的引脚、热敏电阻的引脚和温度控制器的引脚与功率控制单元对应连接。
5.如权利要求3所述的基于多纵模F-P激光器的光纤光栅解调系统，其特征在于，所述光纤耦合器采用3dB耦合器或环形器。
6.如权利要求3所述的基于多纵模F-P激光器的光纤光栅解调系统，其特征在于，所述光电探测器选用同轴尾纤型PIN光电二极管。
7.如权利要求3所述的基于多纵模F-P激光器的光纤光栅解调系统，其特征在于，所述DSP信号处理模块包括前置放大芯片、A/D模数转换器、滤波器和DSP芯片； 所述前置放大芯片用于将经过光电探测器接收的电压信号进行放大，选用对数放大器AD0834 ； 所述A/D模数转换器用于将放大的电压信号转换为数字信号； 所述滤波器用于将上述数字信号进行滤波处理滤除低频噪声； 所述DSP芯片是一种高速可编程中央处理器，用于实现对滤波后的数字信号进行运算和传输控制获得解调信号。
8.如权利要求3所述的基于多纵模F-P激光器的光纤光栅解调系统，其特征在于，所述中央控制与显示单元用于对串口接收的DSP信号处理模块获得的解调信号进行判断、操作并提供外设显示。
9.如权利要求3所述的基于多纵模F-P激光器的光纤光栅解调系统，其特征在于，所述功率控制单元是一种光功率反馈控制电路，用于根据监测的多纵模F-P激光器的光功率的波动实时控制多纵模F-P激光器的供给电流的大小，确保多纵模F-P激光器输出光功率的 稳定。
全文摘要
本发明提供了一种基于多纵模F-P激光器的光纤光栅解调方法及其系统，系统包括多纵模F-P激光器、光纤耦合器、光纤光栅、DWDM密集波分复用器、光电探测器、DSP信号处理模块、中央控制与显示单元以及与多纵模F-P激光器相连的功率控制单元，多纵模F-P激光器发出的激光经光纤耦合器进入光纤光栅；光纤光栅输出的信号，经光纤传输后进入波长匹配的DWDM密集波分复用器，输出的光信号经过光电探测器接收，转换成电压信号；电压信号经DSP信号处理模块运算和控制处理获得解调信号；解调信号通过串口发送到中央控制与显示单元进行判断、操作并提供外设显示。本发明的有益效果采用多纵模F-P激光器配合DSP信号处理模块实现光栅信号的高速动态解调和复用，降低解调成本。
文档编号G01D5/26GK103245369SQ20131009467
公开日2013年8月14日 申请日期2013年3月22日 优先权日2013年3月22日
发明者黎敏, 舒卓, 郭晶晶, 郑光辉, 李玉林 申请人:黎敏