[發明專利]一種多通道光纖光柵解調儀

有效

• 申請號: 200910241202.4
• 申請日: 2009-11-25
• 公開（公告）號: CN101718942A
• 公開（公告）日: 2010-06-02
• 發明（設計）人: 楊遠洪;張萍萍;楊明偉;馬游春;陳淑英
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G02F2/00
• 分類號: G02F2/00;G01D5/353;G01J3/42
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 李新華

技術領域

本發明涉及一種多通道光纖光柵解調儀，特別涉及了一種利用掃描光纖激光器技術實現光纖光柵傳感網絡檢測的多通道解調儀。

背景技術

基于光纖光柵的準分布式光纖應力和溫度傳感系統具有非常重要的應用價值，在電力能源、石油化工、工民建筑以及其它需要進行實時溫度和應力監測的領域都有非常廣泛的應用。采用該技術可以實現遠距離的測量與監控，具有測量范圍寬、高精度和高分辨率的特點，在強電磁干擾或者易燃易爆的嚴酷環境下更具優勢。

我國目前在光纖傳感器的產業化和大規模推廣應用方面遠遠不能滿足國民經濟發展的需求，相關技術的研究和產業化已成為一個經濟增長熱點。傳統上，光纖光柵的解調采用光譜儀，單色儀以及波長計，但這些解調系統存在造價高，體積大等缺點，為此，人們相繼提出了許多結構簡單，更為實用的解調方法。主要有干涉解調技術、線性邊緣濾波技術，匹配濾波解調技術，可調諧濾波解調技術等。其中干涉解調技術測量精度很高，但測量范圍受限于干涉儀的自由光譜范圍。線性邊緣濾波技術測試范圍與分辨率成反比，匹配濾波技術方法簡單實用但調諧范圍較小。基于可調諧FP濾波器的解調方法具有高靈敏度、光能利用率高、操作簡單、調諧范圍寬和系統穩定性好等優點。適合于工程應用的波長位移檢測技術。故目前市場出售的光纖光柵解調儀主要基于可調諧FP技術。

基于可調諧的FP解調方法主要基于大功率寬譜光源和窄帶濾波技術實現光柵反射譜的峰值檢測，其原理圖如圖3所示：大功率寬帶ASE光源(32)發出的寬譜光通過耦合器(33)，其中一部分作用于光纖光柵陣列(34)，光纖光柵陣列的反射譜通過耦合器(35)耦合進入FP濾波器(36)；另一部分作用于標準光纖光柵(37)，同樣，標準光纖光柵反射譜通過耦合器進入FP濾波器中并通過光電探測器(38)，由模擬信號處理電路(39)進行數據處理，隨后輸出溫度或應變信息。

但此光纖光柵解調技術仍存在以下兩個問題：

(1)信號衰減大：由于寬譜光源的出纖功率一般比較小。如果每一次通過F-P濾波器的光譜寬度很小，則每次通過濾波器的光強會很弱，即信號衰減較大。這樣在光電探測器中所得到的光強也會很弱，不利于光電檢測，增加了解調的難度。

(2)信道受限：由于光源的輸出功率較小，且信號的衰減較大，若增加信道的數量，分光后更不利于光電檢測，因此可測量的光纖光柵陣列路數受到限制。

基于上述原因，需要研發光源功率高、信號損耗率低、信道多的新型傳感解調系統

發明內容

本發明的目的是：提供一種基于窄線寬掃描激光器技術的多通道光纖光柵解調設備，克服以上現有技術的不足。該光纖光柵解調系統基于窄線寬掃描激光器技術，通過全數字方案實現串并結構的光纖光柵傳感網絡的實時解調。由于采用光源掃描技術，可保證信號具有較高的信噪比，而且一次掃描能實現多通道的解調，可大大減小光開關等器件的使用，進而明顯提高傳感系統的可靠性，大大改善信道受限的問題。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案是：掃描激光器輸出的光經過增益匹配光纖放大器，既可以實現信號的放大，又保證峰值的平坦度。增益匹配放大器輸出光經過第一光纖耦合器分成兩份，其中一份用于校準，根據實際應用中的需要，另一份經PLC分束器分成多份作用于光纖光柵傳感網絡實現波長的解調。在校準通道，采用的一種帶波長標記的FP標準具可實現掃描激光器波長的實時校準，以保證波長重復精度。激光器波長的掃描通過在濾波器上施加周期性高壓鋸齒波實現，其原理是：由FPGA(26)產生與數字相位同步信號存在確定關系的原始鋸齒，經過D/A轉換器(27)和濾波器驅動模塊(28)放大成高壓鋸齒信號，從而驅動濾波器透射波長的改變。在每一個光纖光柵解調通道，用一只光纖耦合器可將探測光耦合到傳感光柵，同時將反射光耦合到光電探測器(PD)(22)。各探測器輸出的信號由數據采集與處理模塊來處理，具體過程是多路光信號通過并行的多路AD轉換器模塊(23)同時量化，把得到的數字量輸入FPGA進行處理及峰值檢測，處理得到的數據通過PCI接口傳輸到嵌入式計算機，進行進一步的解算、存儲和顯示，測量結果可以通過多種接口(串口、USB和以太網口)輸出。

本發明一種多通道光纖光柵解調儀的優點是：

(1)采用窄線寬光纖激光器掃描技術，可保證信號具有較高的信噪比，而且一次掃描能實現多通道的解調，可大大減小光開關等器件的使用，進而明顯提高傳感系統的可靠性；

(2)采用微機械結構濾波器和全數字式解調方案，能實現較高的數據響應和處理速度，從而實現傳感系統的實時傳感；