[发明专利]一种多通道光纤光栅解调仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种多通道光纤光栅解调仪，特别涉及了一种利用扫描光纤激光器技术实现光纤光栅传感网络检测的多通道解调仪。

背景技术

基于光纤光栅的准分布式光纤应力和温度传感系统具有非常重要的应用价值，在电力能源、石油化工、工民建筑以及其它需要进行实时温度和应力监测的领域都有非常广泛的应用。采用该技术可以实现远距离的测量与监控，具有测量范围宽、高精度和高分辨率的特点，在强电磁干扰或者易燃易爆的严酷环境下更具优势。

我国目前在光纤传感器的产业化和大规模推广应用方面远远不能满足国民经济发展的需求，相关技术的研究和产业化已成为一个经济增长热点。传统上，光纤光栅的解调采用光谱仪，单色仪以及波长计，但这些解调系统存在造价高，体积大等缺点，为此，人们相继提出了许多结构简单，更为实用的解调方法。主要有干涉解调技术、线性边缘滤波技术，匹配滤波解调技术，可调谐滤波解调技术等。其中干涉解调技术测量精度很高，但测量范围受限于干涉仪的自由光谱范围。线性边缘滤波技术测试范围与分辨率成反比，匹配滤波技术方法简单实用但调谐范围较小。基于可调谐FP滤波器的解调方法具有高灵敏度、光能利用率高、操作简单、调谐范围宽和系统稳定性好等优点。适合于工程应用的波长位移检测技术。故目前市场出售的光纤光栅解调仪主要基于可调谐FP技术。

基于可调谐的FP解调方法主要基于大功率宽谱光源和窄带滤波技术实现光栅反射谱的峰值检测，其原理图如图3所示：大功率宽带ASE光源(32)发出的宽谱光通过耦合器(33)，其中一部分作用于光纤光栅阵列(34)，光纤光栅阵列的反射谱通过耦合器(35)耦合进入FP滤波器(36)；另一部分作用于标准光纤光栅(37)，同样，标准光纤光栅反射谱通过耦合器进入FP滤波器中并通过光电探测器(38)，由模拟信号处理电路(39)进行数据处理，随后输出温度或应变信息。

但此光纤光栅解调技术仍存在以下两个问题：

(1)信号衰减大：由于宽谱光源的出纤功率一般比较小。如果每一次通过F-P滤波器的光谱宽度很小，则每次通过滤波器的光强会很弱，即信号衰减较大。这样在光电探测器中所得到的光强也会很弱，不利于光电检测，增加了解调的难度。

(2)信道受限：由于光源的输出功率较小，且信号的衰减较大，若增加信道的数量，分光后更不利于光电检测，因此可测量的光纤光栅阵列路数受到限制。

基于上述原因，需要研发光源功率高、信号损耗率低、信道多的新型传感解调系统

发明内容

本发明的目的是：提供一种基于窄线宽扫描激光器技术的多通道光纤光栅解调设备，克服以上现有技术的不足。该光纤光栅解调系统基于窄线宽扫描激光器技术，通过全数字方案实现串并结构的光纤光栅传感网络的实时解调。由于采用光源扫描技术，可保证信号具有较高的信噪比，而且一次扫描能实现多通道的解调，可大大减小光开关等器件的使用，进而明显提高传感系统的可靠性，大大改善信道受限的问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：扫描激光器输出的光经过增益匹配光纤放大器，既可以实现信号的放大，又保证峰值的平坦度。增益匹配放大器输出光经过第一光纤耦合器分成两份，其中一份用于校准，根据实际应用中的需要，另一份经PLC分束器分成多份作用于光纤光栅传感网络实现波长的解调。在校准通道，采用的一种带波长标记的FP标准具可实现扫描激光器波长的实时校准，以保证波长重复精度。激光器波长的扫描通过在滤波器上施加周期性高压锯齿波实现，其原理是：由FPGA(26)产生与数字相位同步信号存在确定关系的原始锯齿，经过D/A转换器(27)和滤波器驱动模块(28)放大成高压锯齿信号，从而驱动滤波器透射波长的改变。在每一个光纤光栅解调通道，用一只光纤耦合器可将探测光耦合到传感光栅，同时将反射光耦合到光电探测器(PD)(22)。各探测器输出的信号由数据采集与处理模块来处理，具体过程是多路光信号通过并行的多路AD转换器模块(23)同时量化，把得到的数字量输入FPGA进行处理及峰值检测，处理得到的数据通过PCI接口传输到嵌入式计算机，进行进一步的解算、存储和显示，测量结果可以通过多种接口(串口、USB和以太网口)输出。

本发明一种多通道光纤光栅解调仪的优点是：

(1)采用窄线宽光纤激光器扫描技术，可保证信号具有较高的信噪比，而且一次扫描能实现多通道的解调，可大大减小光开关等器件的使用，进而明显提高传感系统的可靠性；

(2)采用微机械结构滤波器和全数字式解调方案，能实现较高的数据响应和处理速度，从而实现传感系统的实时传感；