專利名稱：基于多縱模f-p激光器的新型光纖光柵解調方法及其系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及光纖光柵動態解調的方法和裝置，具體涉及一種基于多縱模F-P激光器的新型光纖光柵解調方法及其系統。
背景技術：
光纖光柵傳感器是近年來研究較多的一種新型傳感器，它以極高的靈敏度、本征安全、抗電磁干擾、高絕緣強度、體積小而著稱。目前限制光纖光柵傳感器應用的最主要障礙是傳感信號的解調成本過高。已有的解調方法總體可分為兩類:寬譜光源+窄帶濾波器和窄帶可調諧光源解調方法。由于窄帶可調諧光源解調方法在穩定性、可調諧范圍、調制難度和價格方面都存在缺點；因此寬譜光源+窄帶濾波器的解調方法應用更為普遍。寬譜光源解調方法主要有濾波法和干涉法兩種，其中濾波法主要有:線性濾波法、可調諧F-P濾波器解調法及匹配光柵解調法；干涉法主要有Sagnac干涉儀、非平衡Michelson干涉儀及非平衡M-Z干涉儀解調法。但是，上述解調方法均存在兩個主要問題:1、采用昂貴的寬譜光源和窄帶濾波器，很大程度上增加了解調成本；2、窄帶濾波器固有的機電調制結構，使得系統的響應速度低，一般在200Hz以下，只適用于低頻信號的檢測。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術存在的不足，提供一種基于多縱模F-P激光器的新型光纖光柵解調方法及其系統，采用低成本的多縱模F-P激光器和DSP信號處理模塊，實現動態、高速解調和復用。本發 明為解決上述技術問題所采用的技術方案是:基于多縱模F-P激光器的新型光纖光柵解調方法，包括以下步驟:(1)采用多縱模F-P激光器發出的激光經光纖耦合器進入光纖光柵；(2)通過功率控制單元監測多縱模F-P激光器的光功率的波動實時控制多縱模F-P激光器的供給電流的大小，確保多縱模F-P激光器輸出光功率的穩定；(3)由光纖光柵輸出的信號，經光纖耦合器或光纖傳輸后進入波長匹配的DWDM密集波分復用器，輸出的光信號經過光電探測器接收，轉換成電壓信號；(4)步驟(3)獲得的電壓信號經前置放大芯片放大后進入A/D模數轉換器轉化為數字信號，數字信號通過濾波器進行濾波處理濾除低頻噪聲后再通過DSP芯片進行運算和控制處理獲得解調信號；(5)步驟(4)獲得的解調信號通過串口發送到中央控制與顯示單元進行判斷、操作并提供外設顯示。 在上述方案中，所述步驟(2)中功率控制單元是一種光功率反饋控制電路，多縱模F-P激光器的輸出光功率，由內置背光監測用光電探測器或者外置功率監測用光電探測器，首先進行光電轉換，得到對應的電信號經由A/D模數轉換器，送入單片機進行運算，并與原值進行比較、判斷；然后通過D/A數模轉換器轉換為控制信號，功率控制單元根據控制信號的波動控制多縱模F-P激光器的供給電流的大小，確保多縱模F-P激光器輸出光功率的穩定。根據上述方法，本發明還提供了一種基于多縱模F-P激光器的光纖光柵解調系統，包括多縱模F-P激光器、光纖耦合器、光纖光柵、DWDM密集波分復用器、光電探測器、DSP信號處理模塊、中央控制與顯示單元以及與多縱模F-P激光器相連的功率控制單元，所述多縱模F-P激光器的輸出端與光纖I禹合器的輸入端口 A連接,光纖I禹合器的輸出端口 C與光纖光柵連接，光纖耦合器的輸入端口 B與DWDM密集波分復用器的輸入端連接組成信號的光通道，DWDM密集波分復用器的輸出端依次連接光電探測器、DSP信號處理模塊和中央控制與顯示單元，所述功率控制單元置于多縱模F-P激光器的光源控制板上。在上述方案中，所述多縱模F-P激光器選用峰值波長為1545nm，線寬為0.3nm的蝶形F-P半導體激光器，蝶形F-P半導體激光器設有內置光電探測器、熱敏電阻和溫度控制器，內置光電探測器采用PN結型光電二極管，置于F-P激光器內部，用于接收背向光信號并轉換為電信號，提供電輸出監測引腳；熱敏電阻和溫度控制器分別提供溫度監測輸出和溫控電流輸入引腳，以上所有引腳與功率控制單元對應連接。在上述方案中，所述光纖耦合器采用3dB耦合器或環形器。在上述方案中，所述光電探測器選用同軸尾纖型PIN光電二極管。在上述方案中，所述DSP信號處理模塊包括前置放大芯片、A/D模數轉換器、濾波器和DSP芯片；所述前置放大芯片用 于將經過光電探測器接收的電壓信號進行放大，選用對數放大器 AD0834 ；所述A/D模數轉換器用于將放大的電壓信號轉換為數字信號；所述濾波器用于將上述數字信號進行濾波處理濾除低頻噪聲；所述DSP芯片是一種高速可編程中央處理器，用于實現對濾波后的數字信號進行運算和傳輸控制獲得解調信號。在上述方案中，所述中央控制與顯示單元用于對串口接收的DSP信號處理模塊獲得的解調信號進行判斷、操作并提供外設顯示。在上述方案中，所述功率控制單元是一種光功率反饋控制電路，用于根據監測的多縱模F-P激光器的光功率的波動實時控制多縱模F-P激光器的供給電流的大小，確保多縱模F-P激光器輸出光功率的穩定。本發明的工作原理是:多縱模F-P激光器發出的激光經3dB耦合器進入光纖光柵；由光纖光柵反射或透射回3dB耦合器的信號，再經光纖傳輸后進入波長匹配的DWDM密集波分復用器，輸出的光信號經過光電探測器接收，轉換成電壓信號；電壓信號經DSP信號處理模塊處理得到解調信號，具體細分為電壓信號先通過前置放大芯片的放大后進入A/D模數轉換器，為了濾除低頻噪聲，通過濾波器進行濾波處理濾除低頻噪聲，再通過DSP處理器進行運算和控制處理獲得解調信號；解調信號通過串口發送到中央控制與顯示單元進行顯示和控制。假設光纖光柵的反射譜(或透射譜)表示為S(X)，線型為高斯分布，DWDM密集波分復用器的透射譜表示為T ( λ )，若F-P激光器為理想寬譜光源且強度為Itl,則光電探測器接收的光功率為:P= / a ItlSU )TU)cU，式中，α為DWDM密集波分復用器分束比、光路損耗等因素造成的總衰減，可近似認為與波長λ無關。當采用多縱模F-P激光器為光源時，多縱模F-P激光器相鄰的縱模間隔一般在I 3nm (約100 300GHz)，縱模半值寬度約為0.5nm。假設多縱模F-P激光器的單個縱模譜線近似高斯分布，則光電探測器接收的光功率修正為:P= / a 10(A)S(A)T(A)dA ,此時，Ι( ( λ)是波長λ的函數；設光纖光柵中心波長與多縱模F-P激光器某一縱模波長相匹配，且處于該縱模下降沿，則當光纖光柵在外場作用下波長發生漂移時，輸出光功率將產生對應的線性響應。因此，只要測量輸出光功率的變化值，即可由公式反推得到光纖光柵中心波長的漂移量，從而得到被測外界參數的檢測結果。以被測外界參數是溫度為例:當溫度變化時，光柵輸出波長發生相應變化，引起輸出光功率的線性變化，則測量輸出光功率的變化量即可得到對應的溫度變化值。與其他類型的光纖光柵解調方法相比，本發明具有以下有益效果:1、米用多縱模F-P激光器作為光源,配合DSP信號處理模塊實現光柵信號的高速動態解調和復用，由于采用線寬窄的多縱模F-P激光器，單位波長對應的光功率大大提高，系統成本下降而靈敏度提高；2、適當選擇F-P激光器多個縱模分別對應的光纖光柵反射波長及線寬，可以方便的實現多光柵復用解調，進一步降低解調成本，且不易受電磁干擾，解調靈敏度也能得到較大提聞;3、采用DSP信號處理模塊，同時無機電結構設計，可實現幾十KHz的高速、實時測量，滿足大多數應用需求。
圖1是本發明的系統結構圖；圖2是本發明所采用 的多縱模F-P激光器的輸出光譜示意圖；圖3是多縱模F-P激光器與寬譜光源對比實驗結果示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明的技術方案做進一步詳細的說明。參照圖1所示，本發明所述的基于多縱模F-P激光器的光纖光柵解調系統，包括多縱模F-P激光器、光纖耦合器、光纖光柵、DffDM密集波分復用器、光電探測器、DSP信號處理模塊、中央控制與顯示單元以及與多縱模F-P激光器相連的功率控制單元，所述多縱模F-P激光器的輸出端與光纖I禹合器的輸入端口 A連接,光纖f禹合器的輸出端口 C與光纖光柵連接，光纖耦合器的輸入端口 B與DWDM密集波分復用器的輸入端連接組成信號的光通道，DWDM密集波分復用器的輸出端依次連接光電探測器、DSP信號處理模塊和中央控制與顯示單元，所述功率控制單元置于多縱模F-P激光器的光源控制板上。所述多縱模F-P激光器選用峰值波長為1545nm，線寬為0.3nm的蝶形F-P半導體激光器，蝶形F-P半導體激光器設有內置光電探測器、熱敏電阻和溫度控制器，內置光電探測器采用PN結型光電二極管，置于F-P激光器內部，用于接收背向光信號并轉換為電信號，提供電輸出監測引腳；熱敏電阻和溫度控制器分別提供溫度監測輸出和溫控電流輸入引腳，以上所有引腳與功率控制單元對應連接。
所述光纖耦合器采用3dB耦合器或環形器。所述光纖光柵米用光纖布拉格光柵FBG。所述光電探測器選用同軸尾纖型PIN光電二極管。所述DSP信號處理模塊包括前置放大芯片、A/D模數轉換器、濾波器和DSP芯片；所述前置放大芯片用于將經過光電探測器接收的電壓信號進行放大，選用對數放大器 AD0834 ；所述A/D模數轉換器用于將放大的電壓信號轉換為數字信號，是一種將模擬信號轉換為數字信號的通用器件，選用美國ADI公司的AD7708芯片；所述濾波器用于將上述數字信號進行濾波處理濾除低頻噪聲；所述DSP芯片是一種高速可編程中央處理器，用于實現對濾波后的數字信號進行運算和傳輸控制獲得解調信號，DSP芯片采用TI的TMS320F2812芯片，可并發同時采樣兩個通道，每個通道有6個12位A/D轉換模塊。所述中央控制與顯示單元用于對串口接收的DSP信號處理模塊獲得的解調信號進行判斷、操作并提供外設顯示。所述功率控制單元是一種光功率反饋控制電路，用于根據監測的多縱模F-P激光器的光功率的波動實時控制多縱模F-P激光器的供給電流的大小，確保多縱模F-P激光器輸出光功率的穩定。本發明基于多縱模F-P激光器的新型光纖光柵解調系統進行解調的方法如下:
(I)多縱模F-P激光器發出的激光經3dB耦合器進入光纖光柵；(2)通過功率控制單元監測多縱模F-P激光器的光功率的波動實時控制多縱模F-P激光器的供給電流的大小，確保多縱模F-P激光器輸出光功率的穩定，具體工作過程如下:多縱模F-P激光器的輸出光功率，由內置背光監測用光電探測器或者外置功率監測用光電探測器，首先進行光電轉換，得到對應的電信號經由A/D模數轉換器，送入單片機進行運算，并與原值進行比較、判斷；然后通過D/A數模轉換器轉換為控制信號，功率控制單元根據控制信號的波動控制多縱模F-P激光器的供給電流的大小，確保多縱模F-P激光器輸出光功率的穩定；(3)由光纖光柵反射(或透射)的信號，經3dB耦合器或經光纖傳輸后進入波長匹配的DWDM密集波分復用器，輸出的光信號經過光電探測器接收，轉換成電壓信號；(4)電壓信號經DSP信號處理模塊處理得到解調信號，具體細分為電壓信號先通過前置放大芯片的放大后進入A/D模數轉換器轉化為數字信號，為了濾除低頻噪聲，數字信號通過濾波器進行濾波處理濾除低頻噪聲，再通過DSP芯片進行運算和控制處理獲得解調信號；(5)解調信號通過串口發送到中央控制與顯示單元進行判斷、操作并提供外設顯
/Jn ο假設光纖光柵的反射譜(或透射譜)表示為S(X)，線型為高斯分布，DWDM密集波分復用器的透射譜表示為T ( λ )，若F-P激光器為理想寬譜光源且強度為Itl,則光電探測器接收的光功率為:P= / a ItlSU )TU)cU，式中，α為DWDM密集波分復用器分束比、光路損耗等因素造成的總衰減，可近似認為與波長λ無關。當采用多縱模F-P激光器為光源時，多縱模F-P激光器的輸出光譜如圖2所示，多縱模F-P激光器相鄰的縱模間隔一般在I 3nm (約100 300GHz)，縱模半值寬度約為
0.5nm。假設多縱模F-P激光器的單個縱模譜線近似高斯分布，則光電探測器接收的光功率修正為:P=/ a Itl(A)SU )Τ( λ )cU，此時，Itl(A)是波長λ的函數；設光纖光柵中心波長與多縱模F-P激光器某一縱模波長相匹配，且處于該縱模下降沿，則當光纖光柵在外場作用下波長發生漂移時，輸出光功率將相應產生線性響應。因此，只要測量輸出光功率的變化值，即可由公式反推得到光纖光柵中心波長的漂移量，從而得到被測外界參數的檢測結果O溫度實驗時，每隔2°C測量一組數據，為比較采用多縱模F-P光源和寬譜光源系統解調特性，分別使用多縱模F-P激光器和寬譜光源進行測量，對比的原始數據擬合曲線如圖3所示。由圖3的實驗結果顯示，采用多縱模F-P激光器作為光源的解調系統，檢測強度的衰減比寬譜光源的測試結果要快得多，系統的靈敏度得到很大提高，與理論分析一致。考慮前置放大芯片(對數放大器)的最小分辨光功率為100pw，A/D模數轉換器的最小分辨電壓為80mV,可得到采用多縱模F-P激光器后，系統波長解調最小分辨率約為0.04pm,相比之下采用寬譜光源的最小分辨率約為0.16pm。另外，由于光源譜線窄，系統在靈敏度提高的同時伴隨著測量范圍變窄的問題，根據現有工藝水平，目前多縱模F-P激光器系統的動態測量范圍約為lnm，對應的溫度測量范圍約為80°C，比采用寬譜光源的測量方法范圍窄，因此比較適合靈敏度要求高而動態范圍窄的場合使用。 以上所述的僅為本發明的較佳實施例而已，當然不能以此來限定本發明之權利范圍，因此采用與本例相同或相近方法，或依本發明申請專利范圍所作的等效變化，仍屬本發明的保護范圍。
權利要求
1.基于多縱模F-P激光器的新型光纖光柵解調方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)采用多縱模F-P激光器發出的激光經光纖耦合器進入光纖光柵； (2)通過功率控制單元監測多縱模F-P激光器的光功率的波動實時控制多縱模F-P激光器的供給電流的大小，確保多縱模F-P激光器輸出光功率的穩定； (3)由光纖光柵反射或透射的信號，經光纖耦合器或光纖傳輸后進入波長匹配的DWDM密集波分復用器，輸出的光信號經過光電探測器接收，轉換成電壓信號； (4)步驟(3)獲得的電壓信號經前置放大芯片放大后進入A/D模數轉換器轉化為數字信號，數字信號通過濾波器進行濾波處理濾除低頻噪聲后再通過DSP芯片進行運算和控制處理獲得解調信號； (5)步驟(4)獲得的解調信號通過串口發送到中央控制與顯示單元進行判斷、操作并提供外設顯示。
2.如權利要求1所述的基于多縱模F-P激光器的新型光纖光柵解調方法，其特征在于，所述步驟(2)中功率控制單元是一種光功率反饋控制電路，多縱模F-P激光器的輸出光功率，由內置背光監測用光電探測器或者外置功率監測用光電探測器，首先進行光電轉換，得到對應的電信號經由A/D模數轉換器，送入單片機進行運算，并與原值進行比較、判斷；然后通過D/A數模轉換器轉換為控制信號，功率控制單元根據控制信號的波動控制多縱模F-P激光器的供給電流的大小，確保多縱模F-P激光器輸出光功率的穩定。
3.一種基于多縱模F-P激光器的光纖光柵解調系統，其特征在于，包括多縱模F-P激光器、光纖耦合器、光纖光柵、DffDM密集波分復用器、光電探測器、DSP信號處理模塊、中央控制與顯示單元以及與多縱模F-P激光器相連的功率控制單元，所述多縱模F-P激光器的輸出端與光纖耦合器的輸入端口 A連接，光纖耦合器的輸出端口 C與光纖光柵連接，光纖耦合器的輸入端口 B與DWDM密集波分復用器的輸入端連接組成信號的光通道，DWDM密集波分復用器的輸出端依次連接光電探測器、DSP信號處理模塊和中央控制與顯示單元，所述功率控制單元置于多縱模F-P激光器的光源控制板上。
4.如權利要求3所述的基于多縱模F-P激光器的光纖光柵解調系統，其特征在于，所述多縱模F-P激光器選用峰值波長為1545nm，線寬為0.3nm的蝶形F-P半導體激光器，蝶形F-P半導體激光器設有內置光電探測器、熱敏電阻和溫度控制器，內置光電探測器的引腳、熱敏電阻的引腳和溫度控制器的引腳與功率控制單元對應連接。
5.如權利要求3所述的基于多縱模F-P激光器的光纖光柵解調系統，其特征在于，所述光纖耦合器采用3dB耦合器或環形器。
6.如權利要求3所述的基于多縱模F-P激光器的光纖光柵解調系統，其特征在于，所述光電探測器選用同軸尾纖型PIN光電二極管。
7.如權利要求3所述的基于多縱模F-P激光器的光纖光柵解調系統，其特征在于，所述DSP信號處理模塊包括前置放大芯片、A/D模數轉換器、濾波器和DSP芯片； 所述前置放大芯片用于將經過光電探測器接收的電壓信號進行放大，選用對數放大器AD0834 ； 所述A/D模數轉換器用于將放大的電壓信號轉換為數字信號； 所述濾波器用于將上述數字信號進行濾波處理濾除低頻噪聲； 所述DSP芯片是一種高速可編程中央處理器，用于實現對濾波后的數字信號進行運算和傳輸控制獲得解調信號。
8.如權利要求3所述的基于多縱模F-P激光器的光纖光柵解調系統，其特征在于，所述中央控制與顯示單元用于對串口接收的DSP信號處理模塊獲得的解調信號進行判斷、操作并提供外設顯示。
9.如權利要求3所述的基于多縱模F-P激光器的光纖光柵解調系統，其特征在于，所述功率控制單元是一種光功率反饋控制電路，用于根據監測的多縱模F-P激光器的光功率的波動實時控制多縱模F-P激光器的供給電流的大小，確保多縱模F-P激光器輸出光功率的 穩定。
全文摘要
本發明提供了一種基于多縱模F-P激光器的光纖光柵解調方法及其系統，系統包括多縱模F-P激光器、光纖耦合器、光纖光柵、DWDM密集波分復用器、光電探測器、DSP信號處理模塊、中央控制與顯示單元以及與多縱模F-P激光器相連的功率控制單元，多縱模F-P激光器發出的激光經光纖耦合器進入光纖光柵；光纖光柵輸出的信號，經光纖傳輸后進入波長匹配的DWDM密集波分復用器，輸出的光信號經過光電探測器接收，轉換成電壓信號；電壓信號經DSP信號處理模塊運算和控制處理獲得解調信號；解調信號通過串口發送到中央控制與顯示單元進行判斷、操作并提供外設顯示。本發明的有益效果采用多縱模F-P激光器配合DSP信號處理模塊實現光柵信號的高速動態解調和復用，降低解調成本。
文檔編號G01D5/26GK103245369SQ20131009467
公開日2013年8月14日 申請日期2013年3月22日 優先權日2013年3月22日
發明者黎敏, 舒卓, 郭晶晶, 鄭光輝, 李玉林 申請人:黎敏
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
