專利名稱：：基于自相關原理的光纖光柵數字解調方法及其系統的制作方法
技術領域：
：本發明涉及一種基于自相關原理的光纖光柵數字解調方法及其系統。技術背景光纖光柵傳感器是一種波長調制型器件，結構緊湊，抗干擾能力強，便于利用復用(波分、時分、空分)技術形成光纖傳感網絡進行大面積多點測量，在通信、建筑、機械、醫療、航天、航海、礦業等許多領域都有著廣闊的應用前景，在近年得到很大的發展。目前，關于光纖光柵傳感的理論研究己取得很大的成就，成熟的光纖光柵制造工藝也己使光纖光柵傳感器具有小批量生產能力，而如何降低成本，完善解調和復用技術，滿足工程上高精度應用的要求己成為急需解決的問題。由于光纖光柵解調技術是一種光纖光柵波長漂移高分辨探測技術，主要目的是對傳感光柵反射譜進行實時監測，分析出編碼波長的變化并將其轉化為電信號輸出，其實質是對一束光中不同編碼光的分辨與測量的問題。理想的探測方法應滿足下面要求(1)測量范圍大，分辨率高。實際應用中，常常要求波長漂移量的探測范圍達到納米級，測量分辨率為亞皮米到幾個皮米，即動態測量范圍為1000:1~100000:1。(2)復用性好。光纖光柵傳感系統主要由光源、光纖光柵傳感器和解調系統三部分構成。通過共享光源和解調系統，光纖光柵傳感系統的成本將隨復用傳感器數目的增加而大幅減少，從而降低整個系統的成本。(3)實時性好。為滿足工程中對信號實時監測的要求，需要解調系統具有較高的解調速率，以便及時跟蹤被測信號的變化。(4)通用性強。為適應不同規模光纖光柵傳感系統的需要，要求解調系統能夠適應不同波長、不同數量光纖光柵傳感器構成的測量系統，即具有不依賴某一特定光纖光柵傳感器的i^^9。目前，國內外對此技術已展開廣泛而深入的研究，并且從不同方面提出了許多解調方案，但常用的主要是濾波法、干涉法和可調諧光源掃描法，如附表1所示。比較說來，國外在這方面的研究較為成熟，有先進的技術和產品；而國內仍處于研發階段，相應的產品主要依賴進口，所以迫切需要先進的具有自主產權的技術和產品。表格1.主要解調技術性能對比<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>從附表l中可以看出，現有的解調方法，要么技術復雜，性價比低，普通領域難以接受；要么實時性差，分辨率低，難以適應工程測量的需要，因此都不能完全滿足實際應用的要求。具體說來，現有技術的缺陷主要表現在以下幾個方面-(1)強噪聲背景下高分辨檢測問題難以解決。在光纖光柵傳感系統中，傳感光柵的譜寬僅為0.07~0.6nm，反射信號光能量只是系統光源中非常微小的一部分，因此要求解調裝置有較高的信噪比以保證系統所需要的分辨率。而現有解調技術大多采用光強探測方法，難以解決強噪聲背景下高分辨探測的問題。(2)復用傳感器數量有限，傳感網絡規模難以適應實際需求。通過共享光源和解調系統，光纖光柵傳感系統的成本將隨復用傳感器數目的增加而大幅減少，進而形成相對于傳統機電傳感系統的優勢。但現有解調技術僅支持20~40的復用傳感器數目，光纖光柵傳感網絡的復用能力十分有限，無法滿足大型和復雜監控目標的規模要求。(3)實時檢測問題難以解決。實時檢測要求解調系統具有較快的信號解調速率，同時還能夠對靜態信號和動態信號都能很好地測量，而現有技術無法同時滿足這兩方面的要求。這也是制約光纖光柵傳感系統進入工程應用的瓶頸所在。
發明內容本發明的目的就是為了解決目前光纖光柵傳感系統解調技術測量精度低、實時性差、復用能力不足、價格高昂、無法滿足工程實際需要等問題，提供一種具有測量精度高，掃描速度快、實時性好，復用能力強、性價比高，通用性強等優點的基于自相關原理的光纖光柵數字解調方法及其系統。為實現上述目的，本發明釆用如下技術方案一種基于自相關原理的光纖光柵數字解調系統，它包括光源以及至少一個光纖光柵傳感器，所述光源經耦合裝置與依次串聯的光纖光柵傳感器連接，同時該耦合裝置還與可調諧濾波器連接，可調諧濾波器則與光電探測器連接，光電探測器依次與前置放大器、數模轉換器連接，數模轉換器與數字控制器輸入端連接；數字控制器的輸出端則依次經機電控制器、機電調制系統與可調諧濾波器的控制輸入端連接。所述系統基于測量信號的自相關分析，通過數字處理方法得到需要的解調結果；所述耦合裝置為2X2耦合器，所述光源為寬帶光源；所述可調諧濾波器為任意的中心波長可以調節的器件，如布拉格光柵、長周期光柵、F-P腔等；所述光纖光柵傳感器為任意波長調制型光柵傳感器，如布拉格光柵傳感器、長周期光柵傳感器等，且不同測點的光柵傳感器譜線形狀可以相同或不同，其量程可以重合，也可以不重合；所述數字控制器為以DSP或FPGA或ARM芯片為核心構成的控制器。一種基于自相關原理的光纖光柵數字解調方法，它的方法為，1)寬帶光源發出的光經過耦合器進入光纖光柵傳感陣列，被反射后進入可調諧濾波器；2)在機電調制系統的作用下，可調諧濾波器將包含測量信息的傳感光柵反射光調制成隨時間周期變化的信號，再送入光電探測器進行光電轉換，得到周期變化的時間信號序列；3)該序列信號經前置放大、數模轉換后送入數字信號處理器中進行運算，得到需要測量的光纖光柵波長漂移量，達到解調的目的。所述步驟l)中，光纖光柵傳感器與可調諧濾波器的反射譜或透射譜均為高斯分布，即<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>及式中，^是光纖光柵的中心波長，A是其半高帶寬，A是中心波長的反射率，&是可調諧濾波器的中心波長，丑M是其半高帶寬，i^是中心波長的反射率。所述步驟2)中，單點解調時，進入光電探測器的周期變化的時間信號序列為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>在上式中，,o、及s、5s、&5^均為不隨時間變化的系統常數，而;^和;^則是隨時間變化的函數，其中，A隨時間的變化反映被測物理量隨時間變化的情況，是需要測量的量，而^隨時間的變化則是由機電調制系統的變化規律設定的，一般為線性，即為式中4。為可調諧濾波器初始中心波長，對應著測量的下限；》；為掃描速率；fe，r為掃描周期。所述步驟3)中，單點解調時，光纖光柵波長漂移量為根據相鄰兩個掃描周期內尸的關系式&<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>有<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>為系統常數，^(xr)表示第《個掃描周期內測量光柵的中心波長，A^:r+r)則表示第K+i個掃描周期內測量光柵的中心波長，且該測量光柵的中心波長在同一個掃描周期內不會發生變化。上式說明，光電探測器輸出信號的自相關是測量光柵中心波長漂移變化量;1/-;!/+1的函數，根據測量得到的時間序列計算出其自相關函數J-尸"々h^(f)，就可以計算出被測光柵中心波長漂移的增量A;i-^^-^^1,進而得到被測光柵中心波長漂移;if'-;if-A;i，達到解調的目的。所述步驟i)中，多點解調時，進入光電探測器戶Z)的信號為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>式中，/",2，…，iV是測量系統中復用傳感光柵的數目，4、5S、^則是第/個傳感光柵的中心波長、半高帶寬及中心波長處的反射率。所述步驟3)中，多點解調時，通過對相鄰兩個掃描周期內信號的巻積確定自相關函數為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>解此方程組，可以得到W個傳感光柵中心波長漂移的增量:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>進而得到各傳感光柵中心波長漂移<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>達到解調目的。本發明的解調方法的有益效果是光纖光柵自相關數字解調方法是一種通用的基于時間序列分析的新型數字解調方法，它借助現代數字處理系統強大的信號處理能力，可以實現動態和靜態參量的高分辨率、多點快速解調，而且成本低、通用性強。具體來說，主要有下面幾點(1)測量分辨率高，能在強噪聲背景下實現高精度測量。與現有技術不同，本發明所述解調技術基于信號的自相關運算，測量精度完全取決于信號處理器的運算能力，因此可以在低信噪比情況下獲得測量精度遠高于現有解調技術的結果。(2)復用性好。與現有技術不同，本發明所述解調技術是通過比較相鄰周期內調制信號波形的變化來獲得復用傳感器波長漂移的，因此在復用時，允許不同測點復用傳感器的譜線具有相同的形狀(如允許不同測點傳感器具有相同的中心波長)，也允許不同測點復用傳感器具有相同的波長變化范圍(如均為15S0nm-1555nm)，從而大幅度提升了系統的復用能力。.從理論上說，本發明所述解調技術復用傳感器的數目可以是無限的，實際應用時則受光網絡構建方式和數字信號處理器運算能力的限制。(3)實時性好。與現有技術僅能跟蹤幾赫茲~幾十赫茲的信號不同，本發明所述解調技術采用軟測量方法，具有很快的解調速度，能夠跟蹤千赫茲量級的信號，完全可以滿足實時監領!l的需要。(4)性價比高。現有技術對特定光學器件有很強的依賴性，而這種器件主要依靠進口，因此成本很高。本發明所述解調技術采用數字方法，從一定程度上降低了對光學器件的依賴性，因此可以有效地降低系統成本，提高系統的性價比。(5)通用性強。與現有技術不同，本發明所述解調技術在使用時只要求反射信號能被光電探測器接受，而不需要系統本身提供測量基準，因此對諸如光柵傳感器中心波長、相鄰傳感器波長間隔等參數無特殊要求，具有較強的通用性，易于工程應用。圖1為本發明解調系統的光纖光柵傳感器透射解調示意圖；圖2為本發明解調系統的光纖光柵傳感器反射解調示意圖；圖3為光電探測器接受的第K個掃描周期內的信號波形圖；圖4為光電探測器接受的第K+l個掃描周期內的信號波形圖；圖5為光電探測器接受的第K個信號波形圖；圖6為光電探測器接受的第K+l個信號波形圖。其中，1.光源，2.光纖光柵傳感器，3.2X2耦合器，4.可調諧濾波器，5.光電探測器，6.前置放大器，7.數模轉換器，8.數字控制器，9.機電控制器，10.機電調制系統。具體實施方式下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。圖1、圖2中，光纖光柵自相關數字解調系統，包括寬帶光源1以及若干個依次串聯的光纖光柵傳感器2，光源1經2X2耦合器3與光纖光柵傳感器2連接，同時該耦合裝置還與可調諧濾波器4連接，可調諧濾波器4則與光電探測器5連接，光電探測器5依次與前置放大器6、數模轉換器7連接，數模轉換器7與采用DSP芯片的數字控制器8輸入端連接；數字控制器8的輸出端則依次經機電控制器9、機電調制系統10與可調諧濾波器4的控制輸入端連接。可調諧濾波器4可為布拉格光柵、長周期光柵、F-P腔等；光纖光柵傳感器2可為布拉格光柵傳感器、長周期光柵傳感器等。本發明的系統可采用投射解調也可采用反射解調的系統。本發明的解調方法為，寬帶光源發出的光經過2X2耦合器進入光纖光柵(FBG)傳感陣列，被反射后進入可調諧濾波器。在機電調制系統的作用下，可調諧濾波器將包含測量信息的傳感光柵反射光調制成隨時間周期變化的信號，再送入光電探測器進行光電轉換，得到周期變化的時間信號序列。該序列信號經前置放大、數模轉換(ADC)后送入數字信號處理器(DSP)中進行運算，得到需要測量的光纖光柵波長漂移量，達到解調的目的。為簡單起見，先考慮單點解調的情況。假設光纖光柵傳感器與可調諧濾波器的反射譜均為高斯分布，即<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>式中，A是光纖光柵的中心波長，^是其半高帶寬，^是中心波長的反射率，4是可調諧濾波器的中心波長，B^是其半高帶寬，及M是中心波長的反射率。則在附圖l所示電路中，最終進入光電探測器i^的信號為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(3)上式中，/。、A、A、Aw、5w均可以看作不隨時間變化的系統常數，而^和4則是隨時間變化的函數，其中，^隨時間的變化反映被測物理量隨時間變化的情況，是需要測量的量，而^隨時間的變化則是由機電調制系統的變化規律設定的，一般為線性，即<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>式中義^為可調諧濾波器初始中心波長，對應著測量的下限；^s;為掃描速率；fe[o,r]，r為掃描周期。考慮相鄰兩個掃描周期內P的關系。如下面兩式:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>為系統常數，4(r)表示第z個掃描周期內測量光柵的中心波長，七0^r+r)則表示第/:+i個掃描周期內測量光柵的中心波長。需要注意的是，這里假設測量光柵的中心波長在同一個掃描周期內不會發生變化。對5，6兩式做巻積，有<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>可見，光電探測器輸出信號的自相關是測量光柵中心波長漂移變化量"-義f'的函數，因此，只要根據測量得到的時間序列計算出其自相關函數《/=&+1^)*^(/)，就可以計算出被測光柵中心波長漂移的增量^="-Af1，進而得到被測光柵中心波長漂移《+1=《-a;i，達到解調的目的。接下來考慮多點解調的情況。根據線性疊加原理，若圖i所示測量系統中存在多個傳感光柵時，進入光電探測器尸Z)的信號為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>式中，！、1,2,…，W是測量系統中復用傳感光柵的數目，&、A,、及5,.則是第/個傳感光柵的中心波長、半高帶寬及中心波長處的反射率。同樣求相鄰兩個掃描周期內信號的巻積，有<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>式中rs[O,r)。若令r取不同的值，則可以得到以下方程組<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>解此方程組，可以得到W個傳感光柵中心波長漂移的增量-<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>進而得到各傳感光柵中心波長漂移<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(12)解調實例在圖1所示系統中，假設可調諧濾波器的波長調諧范圍是1550-1560nm，半高帶寬是O.lnm，掃描周期是ls，掃描速率是10nm/s。同時為簡單起見，假設系統中只有兩個復用傳感器FBG1和FBG2。(1)情況一復用傳感器中心波長不相同在忽略噪聲的情況下，假設FBG1的初始中心波長為1552nm,半高帶寬為0.2nm;FBG2的初始中心波長為1553nm，半高帶寬為0.3nm。在第k個掃描周期內，假設外界參數沒有變化，此時光電探測器接受的信號如圖3所示；在第k+l個掃描周期，假設外界參數發生變化，導致FBG1的中心波長變為1552.001nm，FBG2的中心波長變為1552.999nm，則光電探測器此時接受的信號如圖4所示。采用本發明提供的方法，分別取^-0.01s，x"2=0.02s，按式(10)計算相鄰兩個周期的巻積，并求解由此得到的非線性方程組，得<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(2)情況二復用傳感器中心波長相同在忽略噪聲的情況下，假設FBG1的初始中心波長為1552nm，半高帶寬為0.2nm;FBG2的初始中心波長為1552nm，半高帶寬為0.3nm。在第k個掃描周期內，假設外界參數沒有變化，此時光電探測器接受的信號如圖5所示；在第k+l個掃描周期，假設外界參數發生變化，導致FBG1的中心波長變為1552.001nm，FBG2的中心波長變為1551.998nm，則光電探測器此時接受的信號如圖6所示。采用本發明提供的方法，分別取^:0.01s，f2=0.02s，按式(10)計算相鄰兩個周期的巻積，并求解由此得到的非線性方程組，得<+1=1552篇鵬《+1=1551駕鵬(3)情況三復用傳感器中心波長變化范圍有重合在忽略噪聲的情況下，假設FBG1的初始中心波長為1552nm，半高帶寬為0.2nm;FBG2的初始中心波長為1552nm，半高帶寬為0.3nm。從第k個掃描周期開始，假設外界參數變化引起的傳感器中心波長變化為掃描周期1#傳感器中心波長2#傳感器中心波長K1552.0001552.000K+l1552.0011551.998K+21552.0021552.001K+31552.0031S52.000K+41552.0011551.999K+51551.9991552.000K+61S51.9971551.998采用本發明提供的方法，分別取r,:0.01s，ir2=0.02s，解調得到的傳感器中心波長變化依次為掃描周期1#傳感器中心波長2弁傳感器中心波長K1552.0001552.000K+l1552.0011551.984K+21552.0021551.983K+31552.0021552.000K+41552.0011551.982K+51552.9881551.998K+61551.9791551.989權利要求1、一種基于自相關原理的光纖光柵數字解調系統，它包括光源(1)以及至少一個光纖光柵傳感器(2)，其特征是所述光源(1)經耦合裝置與依次串聯的光纖光柵傳感器(2)連接，同時該耦合裝置還與可調諧濾波器(4)連接，可調諧濾波器(4)則與光電探測器(5)連接，光電探測器(5)依次與前置放大器(6)、數模轉換器(7)連接，數模轉換器(7)與數字控制器(8)輸入端連接；數字控制器(8)的輸出端則依次經機電控制器(9)、機電調制系統(10)與可調諧濾波器(4)的控制輸入端連接。2、根據權利要求l所述的基于自相關原理的光纖光柵數字解調系統，其特征是所述系統基于測量信號的自相關分析，通過數字處理方法得到需要的解調結果；所述耦合裝置為2X2耦合器，所述光源(1)為寬帶光源；所述可調諧濾波器(4)為任意的中心波長可以調節的器件；所述光纖光柵傳感器(2)為任意波長調制型光柵傳感器，且不同測點的光柵傳感器譜線形狀可以相同或不同，其量程可以重合，也可以不重合；所述數字控制器(8)為以DSP或FPGA或ARM芯片為核心構成的控制器。3、一種權利要求1所述基于自相關原理的光纖光柵數字解調系統的解調方法，其特征是它的方法為，1)寬帶光源發出的光經過耦合器進入光纖光柵傳感陣列，被反射后進入可調諧濾波器；2)在機電調制系統的作用下，可調諧濾波器將包含測量信息的傳感光柵反射光調制成隨時間周期變化的信號，再送入光電探測器進行光電轉換，得到周期變化的時間信號序列；3)該序列信號經前置放大、數模轉換后送入數字信號處理器中進行運算，得到需要測量的光纖光柵波長漂移量，達到解調的目的。4、根據權利要求3所述的光纖光柵自相關數字解調系統的解調方法，其特征是所述步驟l)中，光纖光柵傳感器與可調諧濾波器的反射譜或透射譜均為高斯分布，即<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>式中，^是光纖光柵的中心波長，A是其半高帶寬，A是中心波長的反射率，&是可調諧濾波器的中心波長，丑M是其半高帶寬，及M是中心波長的反射率5、根據權利要求3所述的光纖光柵自相關數字解調系統的解調方法，其特征是所述步驟2)中，進入光電操測器的周期變化的時間信號序列為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>Bs、JM、萬M均為不隨時間變化的系統常數，而^和4則是隨時間變化的函數，其中，4隨時間的變化反映被測物理量隨時間變化的情況，是需要測量的量，而4隨時間的變化則是由機電調制系統的變化規律設定的，一般為線性，即<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>式中義M。為可調諧濾波器初始中心波長，對應著測量的下限；《M為掃描速率；fe，T為掃描周期。6、根據權利要求3所述的光纖光柵自相關數字解調系統的解調方法，其特征是所述步驟3)中，單點解調時，光纖光柵波長漂移量為根據相鄰兩個掃描周期內P的關系式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>有<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>式中/:,=_^/凡凡a=2Vi^為系統常數，4(《r)表示第《個掃描周期內測量光柵的中心波長，A"AT+r)則表示第尺+l個掃描周期內測量光柵的中心波長，且該測量光柵的中心波長在同一個掃描周期內不會發生變化；光電探測器輸出信號的自相關是測量光柵中心波長漂移變化量;1#的函數，據此可以計算出被測光柵中心波長漂移的增量^;1=1/-;^+1，進而得到被測光柵中心波長漂移Af'-^^-zU,達到解調的目的。7、根據權利要求3所述的光纖光柵自相關數字解調系統的解調方法，其特征是所述步驟i)中，多點解調時，進入光電探測器尸D的信號為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>式中，,'-l，2，…，JV是測量系統中復用傳感光柵的數目，&、A、^則是第!'個傳感光柵的中心波長、半高帶寬及中心波長處的反射率。8、根據權利要求3所述的光纖光柵自相關數字解調系統的解調方法，其特征是所述步驟3)中，多點解調時，通過對相鄰兩個掃描周期內信號的巻積確定自相關函數為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>式中re[0,r),令r取不同的值，則可以得到以下方程組<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>解此方程組，可以得到W個傳感光柵中心波長漂移的增量:進而得到各傳感光柵中心波長漂移《+1=《達到解調目的。全文摘要本發明公開了一種基于自相關原理的光纖光柵數字解調方法及其系統。它解決了目前光纖光柵傳感系統解調技術測量精度低、實時性差、復用能力不足、價格高昂、無法滿足工程實際需要等問題，具有測量精度高，掃描速度快、實時性好，復用能力強、性價比高，通用性強等優點。其系統構成為它包括光源以及至少一個光纖光柵傳感器，所述光源經耦合裝置與依次串聯的光纖光柵傳感器連接，同時該耦合裝置還與可調諧濾波器連接，可調諧濾波器則與光電探測器連接，光電探測器依次與前置放大器、數模轉換器連接，數模轉換器與數字控制器輸入端連接；數字控制器的輸出端則依次經機電控制器、機電調制系統與可調諧濾波器的控制輸入端連接。文檔編號G02B6/34GK101122477SQ20071001489公開日2008年2月13日申請日期2007年9月7日優先權日2007年9月7日發明者李東升申請人:李東升