一種多通道光纖布拉格光柵解調系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種多通道光纖布拉格光柵解調系統，屬于光纖光柵傳感檢測技術領域。該系統包括寬譜光源、環行器、光開關、Bayspec解調模塊、工控機和布拉格光柵傳感陣列；寬譜光源的光路上設有環行器，環行器的前方設有光開關，光開關控制兩個布拉格光柵傳感陣列的通斷；模擬信號作用于布拉格光柵傳感陣列上，環行器與Bayspec解調模塊相連，Bayspec解調模塊通過數據線與工控機相連；本發明能夠實現對應變引起的彈性形變和彈光效應，溫度引起的熱膨脹效應和熱光效應，以及磁場引起的Faraday效應的傳感檢測，采樣率高，解調信號頻率帶寬大，電路設計簡單、低成本、開發周期短。
【專利說明】
一種多通道光纖布拉格光柵解調系統
技術領域
[0001]本發明涉及一種多通道光纖布拉格光柵解調系統，屬于光纖光柵傳感檢測技術領域。
【背景技術】
[0002]根據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制分布，及調制深度與光柵周期均為常數，光柵波矢方向與光纖軸線方向一致。當光經過光纖布拉格光柵時，對滿足布拉格相位匹配條件的光產生很強的反射;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技術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過體光柵后輸出時，出射角不一樣，在出射端安裝光電轉換陣列，就可以分別測量不同波長的光強。采用Bayspec體光柵解調模塊，使得解調系統結構簡單、集成度高、開發周期縮短。與傳統的濾波器法相比，解調分辨率基本一致，但體光柵法解調系統采樣率更高，解調信號頻率帶寬更大，采樣分辨率更高;省去了高速AD電路、濾波器控制電路、光電轉換電路等，開發難度降低、減少成本、開發周期縮短。
【發明內容】
[0004]有鑒于此，本發明提供了一種多通道光纖布拉格光柵解調系統，能夠實現對應變引起的彈性形變和彈光效應，溫度引起的熱膨脹效應和熱光效應，以及磁場引起的Faraday效應的傳感檢測，采樣率高，解調信號頻率帶寬大，電路設計簡單、低成本、開發周期短。
[0005]—種多通道光纖布拉格光柵解調系統，該系統包括寬譜光源、環行器、光開關、Bayspec解調模塊、工控機和布拉格光柵傳感陣列；
[0006]所述寬譜光源的光路上設有環行器，環行器的前方設有光開關，光開關控制兩個布拉格光柵傳感陣列的通斷;模擬信號作用于布拉格光柵傳感陣列上，環行器與Bayspec解調模塊相連，Bayspec解調模塊通過數據線與工控機相連；
[0007]寬譜光源發出的寬譜光，通過環行器由第一端口傳到第二端口，經過光開關切換到布拉格光柵傳感陣列，溫度或壓力等模擬信號變化時由布拉格光柵陣列反射的窄帶光沿光開光返回，由環行器的第二端口傳至第三端口，最后由Bayspec解調模塊接收，所述Bayspec解調模塊將傳感陣列返回的光信號轉換成電信號并采集，完成波長解調，最終將波長解調結果以及光電轉換的原始數據上傳至工控機解調和顯示。
[0008]進一步地，所述Bayspec解調模塊包括第一透鏡、體光柵、第二透鏡、CXD陣列和DSP處理器，由光纖輸入的光經過第一透鏡轉為平行光，保證不同波長的光到達體光柵的入射角一致，經過體光柵分光后，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，然后由CCD陣列轉換為電信號輸出給DSP采集電路。
[0009]進一步地，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、與傳統的濾波器法解調系統相比，本發明的解調系統解調分辨率與其基本一致，均為± Ipm，但采樣率更高，可達5kHz，解調信號頻率帶寬更大，采樣分辨率更高。
[0012]2、本發明省去了高速AD電路、濾波器控制電路、光電轉換電路等，降低開發難度、減少成本、縮短開發周期。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發明多通道光纖布拉格光柵解調系統組成原理示意圖；
[0014]圖2為本發明多通道光纖布拉格光柵解調系統軟件結構示意圖。
[0015]其中，1-寬譜光源、2-環行器、3-光開關、4-Bayspec解調模塊、5-工控機、6-布拉格光柵傳感陣列、7-模擬信號、8-光纖、9-透鏡、10-體光柵、I1-CXD陣列、12-DSP處理器、13-數據線、14-第二透鏡。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖并舉實施例，對本發明進行詳細描述。
[0017]如附圖1所示，本發明提供了一種多通道光纖布拉格光柵解調系統，該系統包括寬譜光源1、環行器2、光開關3、Bayspec解調模塊4、工控機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發出的寬譜光，通過環行器由第一端口傳到第二端口，經過光開關3切換到布拉格光柵傳感陣列6，溫度或壓力等模擬信號7變化時由布拉格光柵陣列6反射的窄帶光(3dB帶寬小于0.3nm)，沿光開光3返回，由環行器2的第二端口傳至第三端口，最后由Bay spec解調模塊4接收，經過光纖8傳輸、透鏡9、體光柵10分光后經CCD陣列11光電轉換由DSP處理器12通過數字通信13上傳至上位機5解調和顯示。
[0019]Bayspec解調模塊4內部由第一透鏡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輸入的光經過第一透鏡9轉為平行光，保證不同波長的光到達體光柵10的入射角一致，經過體光柵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，然后由CCD陣列11轉換為電信號輸出給DSP采集電路12。
[0020]寬帶光源I為系統提供大帶寬、平坦穩定的寬譜光。帶寬要求40nm或者80nm;在40nm帶寬的情況下，假設每通道20傳感器，每個傳感器損耗ldB，環行器損耗1.4dB(l->2，2->3各0.7dB)，光開關損耗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不低于-31.6dBm/nm，總功率不低于-15.6dBm;在80nm帶寬的情況下，假設每通道40傳感器，每個傳感器損耗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，光源功率譜密度應不低于-11.6dBm/nm，總功率不低于7.4dBm。
[0021 ] 環行器2簡化光路，降低插入損耗。由寬譜光源輸出的光經過環行器第一端口，只能通過第二端口輸出至光開關組件到達傳感陣列，由傳感陣列返回的光經過第二端口輸入，只能經由第三端口輸出至Basypec波長解調模塊4。插入損耗一般要求低于ldB，工作波長范圍覆蓋1525?1605nmo
[0022]高速光開關模塊3實現系統時分復用，增加傳感陣列規模，對于解調系統來說不是必需模塊。若采用1X4高速光開關模塊，單光源系統解調陣列規模可達160測點；若1X8高速光開關模塊，單光源系統解調陣列規模可達320測點。高速光開關需配有專用驅動控制電路，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，開關切換時間低于lms。
[0023]Bayspec波長解調模塊4是系統核心器件，其功能是將傳感陣列6返回的光信號轉換成電信號并采集，完成波長解調，最終將波長解調結果以及光電轉換的原始數據上傳至上位機系統5。波長解調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波長一一對應，實現高精度數字光譜儀的功能。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5接收Bayspec模塊的上傳數據，并顯示已被解調的前端傳感陣列6的壓力、溫度等物理信息7，同時通過Bayspec模塊4控制高速光開關3實現對不同傳感陣列的切換。對于靜態解調系統，采用P42.0G以上的CPU、256MB以上內存配置電腦即可;對于高速解調系統，由于采樣率為5kHz，單次采集解調時間需控制在0.2ms以內。
[0025]傳感陣列6由溫度/壓力光柵傳感器串聯而成，傳感器波長范圍在1525?1605nm以內，同一路陣列傳感器之間波長差應控制在2nm以上。
[0026]解調系統軟件結構如圖2所示，主要包括數據采集、分峰、尋峰、信息轉換、數據顯不存儲等t旲塊。
[0027]軟件初始化時完成變量賦初值;讀取配置文件;初始界面顯示;對于多通道情況，設置定時器時間間隔；通過Bay spec模塊控制光開關，切換光通道;打開Bay spec模塊，控制模塊采集一次數據上傳至上位機;將采集到的光譜數據中光纖光柵的反射峰提取出來，供尋峰算法使用;將尋峰結果值與傳感器一一對應;根據傳感器種類及參數信息，將尋峰結果中心波長轉換到待測物理量一一溫度或應變等。
[0028]對于靜態模式，系統規模受限于光開關，假設采用1x4光開關，單光源系統規模可達160測點(每一路40測點，共4路)；采用1x8光開光時，單光源系統規模可達320測點；采用1x16光開關時，單光源系統規模可達640測點。為了增加系統規模，還可以采用多光開關級聯模式，例如一個1x2光開關和兩個1x16光開關可實現1x32路光開關效果，但此時需要考慮光開關帶來的光路衰減，一般光開關單程衰減為ldB，往返衰減為2dB，故每增加一級光開關，光路衰減增加2dB;對于高速模式，系統規模受限于系統處理速度，由于必須在0.2ms內完成所有數據處理，所以高速模式下采用單路40測點以內的規模。
[0029]雖然1525?1605nm波長范圍內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測點后光路總衰減較大，為了不增加光源負擔，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，可適當犧牲陣列規模，例如采用20測點，光路衰減有20dB余量，可采用1km以上的陣列規模。
[0030]綜上所述，以上僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種多通道光纖布拉格光柵解調系統，其特征在于，該系統包括寬譜光源、環行器、光開關、Bayspec解調模塊、工控機和布拉格光柵傳感陣列； 所述寬譜光源的光路上設有環行器，環行器的前方設有光開關，光開關控制兩個布拉格光柵傳感陣列的通斷;模擬信號作用于布拉格光柵傳感陣列上，環行器與Bayspec解調模塊相連，Bayspec解調模塊通過數據線與工控機相連； 寬譜光源發出的寬譜光，通過環行器由第一端口傳到第二端口，經過光開關切換到布拉格光柵傳感陣列，溫度或壓力等模擬信號變化時由布拉格光柵陣列反射的窄帶光沿光開光返回，由環行器的第二端口傳至第三端口，最后由Bayspec解調模塊接收，所述Bayspec解調模塊將傳感陣列返回的光信號轉換成電信號并采集，完成波長解調，最終將波長解調結果以及光電轉換的原始數據上傳至工控機解調和顯示。2.如權利要求1所述的一種多通道光纖布拉格光柵解調系統，其特征在于，所述Bayspec解調模塊包括第一透鏡、體光柵、第二透鏡、(XD陣列和DSP處理器，由光纖輸入的光經過第一透鏡轉為平行光，保證不同波長的光到達體光柵的入射角一致，經過體光柵分光后，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，然后由CCD陣列轉換為電信號輸出給DSP采集電路。3.如權利要求2所述的一種多通道光纖布拉格光柵解調系統，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】G01D5/353GK105973283SQ201610395300
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月6日
【發明人】楊云濤, 閻毓杰, 王楠, 佘亞軍
【申請人】中國船舶重工集團公司第七〇九研究所, 中國船舶重工集團公司第七一九研究所