[发明专利]分布式光纤光栅的传感谱形解调系统及方法

权利要求书

1.分布式光纤光栅的传感谱形解调系统，包括依次连接的宽带光源（1）、光切换及复用模块（2）、单片机（3）、光谱仪（4）和工控机（5），其特征在于，所述的光切换及复用模块（2）包括光开关、分布式LPGP和耦合器，所述的光开关和单片机（3）连接，所述的耦合器和光谱仪（4）连接；

所述的宽带光源（1）提供大于任意LPGP损耗峰带宽的光信号，所述的工控机（5）将光开关切换的指令发送至单片机（3），所述的单片机（3）接收到指令后控制引脚电平完成所述的光开关进行光路的切换，光信号沿着光路经LPGP和所述的耦合器后传输至光谱仪（4），所述的工控机（5）再发送对所述的光谱仪（4）的控制指令，光谱仪（4）接收指令完成光信号的解调，解调后数据返回至所述的工控机（5）进行数据处理，最后将LPGP的光谱、谐振波长和周围温度进行还原；

所述的工控机（5）由四个模块组成：登录模块、功能分配模块、解调模块和数据回放模块，所述解调模块由光路切换子模块、数据通讯与处理子模块、温度解调子模块和数据显示子模块组成，所述的工控机（5）的各模块均是用Labview软件自行开发；

所述的光开关为1×6机械式可控光开关，所述的耦合器为6×1光纤耦合器，实现6个光路的6合1；

在所述的工控机（5）中，登录模块是分布式LPGP复用解调系统的入口和保证，只有输入的用户名和密码正确，才能登录系统，进入功能分配界面，所述的登录模块实现的具体流程是：

登录模块的设计原理是响应主界面上的鼠标在按键上按下的事件，来实现程序窗口之间的切换，因此采用事件结构，设计了“确定”和“取消”两个按键事件，操作人员输入用户名和密码，并按下“确定”按键，若输入的信息与预先设定的信息相符，则运行相符判断为真中的程序，在延时1500ms后，开始运行若输入的信息与预先设定的信息不相符，则运行不相符判断为真中的程序，弹出提示输入有误的对话框，点击对话框的“确定”按键时，对话框会消失，若按下登录模块的“取消”按键，则直接退出程登录模块序；

在所述的工控机（5）中，所述功能分配模块用于功能分配模块有利于操作人员在多个程序功能之间进行切换，在分布式LPGP复用解调系统中，操作人员往往需要在选择一个功能进行运行，所述的功能分配模块实现的具体流程是：

功能分配模块程序的设计原理与登录模块类似，同样采用事件结构，与当用户鼠标按下“解调模块界面”按键之后，程序将打开解调模块的界面窗口，并将功能分配模块界面窗口关闭；当用户鼠标按下“数据回放模块界面”之后，程序将打开数据回放模块界面窗口，同时将功能分配模块界面窗口关闭；当用户点击“退出系统”按键之后，程序会关闭系统主界面；

在所述的工控机（5）中，所述解调模块中的光路切换子模块由计算机、单片机和可控光开关配合完成，实现对LPGP光路的循环切换，配置串口函数对串口的地址、波特率进行配置，通过条件结构、While循环和移位寄存向单片机循环发送字符串1、2…6，分别代表着切换到LPGP-1、LPGP-2…LPGP-6，的光路；

单片机上写入的是引脚电平控制程序，当单片机从计算机接收到字符串1时，引脚0置高电平，引脚6置低电平，光路切换为LPGP-1光路；当单片机从计算机接收到字符串2时，引脚1置高电平，引脚5置低电平，此时光路切换为LPGP-2，依此类推；

在所述的工控机（5）中，所述解调模块中的数据通讯与处理子模块由计算机和光谱仪配合完成，计算机发送控制命令至光谱仪，光谱仪对分布式LPGP波长、透射率的采集并传输回计算机进行数据处理，所述的数据通讯与处理子模块实现的具体流程是：

首先执行的是将配置的中心波长和波长跨度通过连接字符串函数转换为光谱仪可以识别的控制命令，在实际的程序控制时，应考虑光谱仪的扫描范围，超出光谱仪扫描范围的控制命令不会被光谱仪识别，因此基于光谱仪的扫描开始波长和结束波长设置了阈值，扫描波长的下限为600nm，上限为1700nm；

接着设置扫描模式、扫描的点数和执行扫描的控制命令传输至光谱仪中，光谱仪会在识别这三个命令后开始进行扫描，扫描结束后将波长轴的数据和透射率轴的数据分别通过读取函数传输到计算机上，由于光谱仪扫描需要一定的时间，因此需要加入一个延时；

最后对读出的数据进行处理，从光谱仪读出的信息格式为，以波长轴为例：+1.55000000E-006，+1.55001000E-006，+1.55002000E-006，……，是字符串，是不可以直接进行数据分析的，因此需要对其中的波长和透射率数据进行提取才能进行数据处理，程序的主体是匹配模式函数和扫描字符串函数，匹配模式函数起到一个“定位”的功能，在从偏移量起始的字符串中搜索正则表达式，得到一个匹配后的偏移量，在处理波长和透射率字符串时需要3“定位”的是字串中的数值常量，设置正则表达式为[+-0-9.]，扫描字符串函数起到的是“查找”和“提取”的功能，根据匹配模式函数得到的偏移量和输入的字符串，得到字符串中的数值常量，通过循环对全部字符串进行处理，最终得到采集到的LPGP波长和透射率数组；

在所述的工控机（5）中，所述解调模块中的温度解调子模块完成对LPGP谐振波长的解调和LPGP温度的解调，所述的温度解调子模块实现的具体流程是：程序的主体是数组最大值与最小值函数、索引数组函数和公式构成，数组最大值与最小值函数对采集到的透射率数组进行处理，根据LPGP理论，谐振波长处的透射率最小，因此输出透射率数组中的最小值的索引位置，将索引位置和波长数组输入索引数组函数，即可得到谐振波长大小，并通过公式中的谐振波长与温度关系，解调出LPGP的温度值；

在所述的工控机（5）中，所述解调模块中的数据显示与存储子模块实现对采集到的LPGP波长透射率和温度显示及存储，所述的数据显示与存储子模块实现的具体流程是：

数据显示程序分为两部分：一部分对LPGP的光谱图进行还原，将采集到的LPGP波长和透射率数组进行捆绑，捆绑后输入到XY图进行绘制；另一部分对时间和谐振波长、温度数据以表格的形式显示，将从温度解调程序中计算得到的谐振波长和温度数据与序号、当前时间一同以字符串的格式写入表格控件中，通过条件结构、循环和移位寄存器可以将LPGP-1和LPGP-2的光谱图和表格实时更新，数据显示程序运行的同时，完成表格的保存，将LPGP解调数据表格通过写入电子表VI和创建路径函数保存在本地的Excel文件中，便于以后的回放和分析；

对解调模块的所有程序进行整合，这部分的系统采用事件结构实现，开始解调、返回上页和退出系统三个按键分别对应不同的事件，而中止解调按键用来控制开始解调循环的停止；

在所述的工控机（5）中，所述数据回放模块实现完成对历史数据的调用，并将历史数据中的温度和随时间的变化关系绘制在XY图中，便于操作人员的查询和观看，所述的数据回放模块实现的具体流程是：先用读取带分隔符电子表格VI分别打开存储LPGP路径中表格文件，再用数值和字符串格式读取电子表格中的温度数据和时间字符串，通过扫描字符串函数和日期/时间至秒转换函数将时间字符串转化为时间标识，最后将转换完成的时间标识即可与温度数据捆绑输入XY图中进行显示。

2.基于权利要求1所述的分布式光纤光栅的传感谱形解调系统的工作过程，其特征在于，具体步骤如下：

所述分布式光纤光栅的传感谱形解调系统的工作过程包括登录模块程序流程、功能分配模块程序流程、解调模块程序流程和数据回放模块程序流程；

登录模块程序具体流程如下：

登录模块设计了“确定”和“取消”两个按键事件，操作人员输入用户名和密码，并按下“确定”按键，若输入的信息与预先设定的信息相符，则运行相符判断为真中的程序，在延时1500ms后，开始运行若输入的信息与预先设定的信息不相符，则运行不相符判断为真中的程序，弹出提示输入有误的对话框，点击对话框的“确定”按键时，对话框会消失，若按下登录模块的“取消”按键，则直接退出程登录模块序；

功能分配模块程序具体流程如下：

同样采用事件结构，与当用户鼠标按下“解调模块界面”按键之后，程序将打开解调模块的界面窗口，并将功能分配模块界面窗口关闭；当用户鼠标按下“数据回放模块界面”之后，程序将打开数据回放模块界面窗口，同时将功能分配模块界面窗口关闭；当用户点击“退出系统”按键之后，程序会关闭系统主界面；

解调模块程序具体流程如下：

解调模块是分布式LPGP复用解调系统的核心模块，这部分完成了对分布式LPGP的谐振波长和温度的解调，解调模块由光路切换子模块、数据通讯与处理子模块、温度解调子模块和数据显示子模块组成，光路切换、数据通讯与处理、温度解调、数据显示是解调模块设计的关键部分，光路切换子模块由计算机、单片机和可控光开关配合完成，实现对LPGP光路的循环切换，数据通讯与处理子模块由计算机和光谱仪配合完成，计算机发送控制命令至光谱仪，光谱仪对分布式LPGP波长、透射率的采集并传输回计算机进行数据处理，温度解调子模块完成对LPGP谐振波长的解调和LPGP温度的解调，数据显示与存储子模块实现对采集到的LPGP波长透射率和温度显示及存储；

数据回放模块程序具体流程如下：

先用读取带分隔符电子表格VI分别打开存储LPGP路径中表格文件，再用数值和字符串格式读取电子表格中的温度数据和时间字符串，通过扫描字符串函数和日期/时间至秒转换函数将时间字符串转化为时间标识，最后将转换完成的时间标识即可与温度数据捆绑输入XY图中进行显示；

数据回放模块实现完成对历史数据的调用，并将历史数据中的温度和随时间的变化关系绘制在XY图中，便于操作人员的查询和观看。