专利名称：一种分布式实时光纤光栅波长解调系统及方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种分布式实时光纤光栅波长解调系统 及方法。
背景技术：
光纤传感技术是随着光纤的出现和光纤通信的发展而逐渐形成的一门热门技术， 该技术是以光为载体，光纤为传输介质，对被测参量进行监测。光纤传感技术与传统的电学 传感器相比，具有轻质、耐腐蚀、耐高温，抗电磁干扰，也不产生电磁干扰等优点。此外，光纤 传感器集传感和传输于一体，能够实现多路复用和分布式测量。分布式光纤传感主要有四类，分别为1)基于瑞利散射的传感器；2)基于布里渊 效应的传感器；3)基于拉曼散射的传感器；4)偏振模耦合分布式光纤传感器。其中前三者 均是依靠光时域反射原理进行探测，后者则是利用外差方法进行信号解调。这些传感方法 有一些缺点，如测量精度与空间分辨率存在制约关系，检测信号一般比较微弱，解调运算复 杂，器件成本较高。上述四种方案应用范围较窄，例如瑞利散射适用于应变探测，而拉曼散 射主要用于温度监测。以光纤光栅为媒质的传感器可以依靠光栅布拉格波长的变化量对多种参量进行 测量，如应变和温度等，因此得到广泛的应用。然而，如何精确的解调出波长，实时监测光纤 光栅布拉格波长的变化是这种传感器实用化的关键和难点。国内外多家研究机构和公司提 出了不同波长解调技术，但所有的方法都需要占用一路传感通道用于标准波长定位，这种 预先设定的标准波长导致方案可移植性差；还有利用高速电光开光实现分布式测量，但配 置复杂，成本较高。上述方案均采用宽光谱的超辐射发光二极管加光纤法布里_帕罗滤波 器，或是半导体光放大器加光纤法布里_帕罗滤波器作为扫频光源，前者较弱的谱密度限 制了测量通道数，后者光源配置复杂，并且由于压电陶瓷的电滞和磁滞效应导致波长重复 性较差，需要增加一路参考光路。

发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明提出一种基于新型传感光源进行光纤光栅波长 解调的系统和方法，可以精确的解调出波长，实时监测光纤光栅布拉格波长的变化。为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案—种分布式实时光纤光栅波长解调系统，包括可调谐半导体激光器、IXN分路器、传感通道、光电转换模块、信号处理模块，其 中可调谐半导体激光器的控制芯片中存储有输出波长与外部激励源的对应关系编 制成的波长_激励信号对应关系查询表；可调谐半导体激光器根据信号处理模块的控制信号选定输出的起始波长和波长 间隔，可调谐半导体激光器的输出端连接IXN分路器，将光功率等分传送至N个传感通
3道；传感通道的反射光路经IXN分路器输送到光电转换模块，光电转换模块将通道 电信号发送至信号处理模块。使用可调谐半导体激光器作为传感光源，输出波长与外部激励源的关系编成波长 查询表预先载入激光器控制芯片，激光器依波长顺序按序激射，激光器的输出波长精确可 知。当可调谐半导体激光器的输出波长与布拉格波长重合时，根据反馈信号强度和激 光器输出波长的对应关系查询表，实现传感系统的波长实时解调。所述N个传感通道的每一个都由不同布拉格波长的传感光栅串接组成。所述光电转换模块由PIN同轴探测器、放大/整形电路构成。所述信号处理模块包括数据锁存器、处理器芯片，处理器芯片根据片选信号选择 数据锁存器。所述处理器芯片根据波长_电流对应关系查询表解调出波长，并进一步将解调数 据通过以太网控制器上传到上位机。一种分布式实时光纤光栅波长解调方法，包括以下步骤①将可调谐半导体激光器的输出波长和外部激励源编制成“波长_激励信号”对 应关系查询表，并载入可调谐半导体激光器的控制芯片中，表中按波长顺序排列；②可调谐半导体激光器的控制芯片根据外部指令选择扫描起始波长和波长间隔， 并根据波长顺序进行激射；③将可调谐半导体激光器的输出光经过分路器传送给由不同布拉格波长的光纤 光栅连成的传感光缆；④当激光器输出波长与光纤光栅布拉格波长重合时，此时反馈信号强度最大。因 此波长解调可以依据反馈信号强度和激光器输出波长的对应关系实现传感系统的波长实 时解调本发明具有以下优点和积极效果1)本发明采用大功率、输出波长可控的可调谐半导体激光器，激光器的大功率和 节省出来的参考通道，有利于进一步扩大传感探测范围；2)本发明由于激光器具有已知的扫描波长，不需要增加额外的标准波长定位，可 以简化解调算法。


图1是本发明提供的分布式实时光纤光栅波长解调系统的结构示意图。图2是本发明提供的波长解调系统中光电转换模块的示意图。图3是本发明提供的波长解调系统中信号处理模块的示意图。
具体实施例方式下面以具体实施例结合附图对本发明作进一步说明本发明提供的分布式实时光纤光栅波长解调系统，如图1所示，该系统包括可调 谐半导体激光器1、1XN分路器2、传感通道、光电转换模块4、信号处理模块5。
其中，采用可调谐半导体激光器1作为传感光源，本实施例中，激光器输出波长的 调节通过控制注入电流的大小来实现。将激光器的波长控制电流进行扫描，同时测量激光 器输出波长，根据激光器输出谱线的质量进行筛选，挑选出符合传感需要的波长，将此时输 出波长对应的电流值编制成“波长_电流”对应关系查询表，表中按波长大小顺序排列载入 可调谐半导体激光器控制芯片中。可调谐半导体激光器1的输出端连接IXN分路器2，将光功率等分传送至N个传 感通道。N个传感通道的每一个都由不同布拉格波长的传感光栅3串接组成，假设每个通道 各有M个传感光栅，就可以同时对MXN个点进行探测，达到分布式传感的目的。同时将激 光器输出波长信息也将发送至信号处理模块以做解调用。传感通道的反射光经1 X N分路器2输送到光电转换模块4转换为电信号；光电转 换模块4将放大整形后的电信号输送至信号处理模块5进行波长解调和上传至上位机。可调谐半导体激光器1根据信号处理模块5的控制信号选定输出的起始波长和波 长间隔。图2所示为波长解调系统中光电转换模块的示意图，各个传感通道的反射信号先 输入至PIN同轴探测器6，再经放大/整形电路7将通道电信号发送至信号处理模块5。当半导体激光器的输出波长与传感光栅3的布拉格波长相等时，此时发射率最 大，即反馈回光电转换模块的信号强度最强。因此通过判断信号反馈强度并与此时半导体 激光器输出波长值比较，就可以解调出波长。图3所示为波长解调系统中信号处理模块的示意图，信号处理模块5首先将各通 道电信号引入数据锁存器8，处理器芯片9再根据片选信号选择数据锁存器，从而区分各个 传感通道，实现不同测试点的波长解调，如果将传感系统的波长变化量与实际探测物理量 建立对应关系，就可以实现对不同参量的实时测量，通过这种方式可以节省芯片的I/O地 址；处理器芯片根据反馈信号强度和激光器输出波长的对应关系解调出波长，并可进一步 将解调数据通过以太网控制器10上传到上位机11。本发明同时提供了分布式实时光纤光栅波长解调方法，该方法包括以下步骤步骤1 将激光器的波长控制电流进行扫描，同时测量激光器输出波长，根据激光 器输出谱线的质量进行筛选，挑选出符合传感需要的波长，将此时输出波长对应的电流值 编制成“波长_电流”对应关系查询表，表中按波长大小顺序排列载入可调谐半导体激光器 控制芯片中。步骤2 可调谐半导体激光器的控制芯片根据外部指令选择扫描起始波长和波长 间隔，激光器依波长大小顺序输出，并将波长信息发送至信号处理模块已做解调用；步骤3 将可调谐半导体激光器的输出光经过分路器传送给由不同布拉格波长的 光纤光栅连成的传感光缆，光纤光栅的反射信号经光电转换模块转为电信号，在送至信号 处理模块进行解调；步骤4 由于当激光器输出波长与光纤光栅布拉格波长重合时，反馈信号强度最 大。因此信号处理模块通过监控信号强度并与该时刻激光器输出波长进行比较就可以实现 传感系统的波长实时解调。当可调谐半导体激光器的输出波长与布拉格波长重合时，根据 反馈信号强度和激光器输出波长的对应关系，实现传感系统的波长实时解调。以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人
5员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换或变型，因此所有等同的 技术方案，都落入本发明的保护范围。
权利要求
一种分布式实时光纤光栅波长解调系统，其特征在于，包括可调谐半导体激光器、1×N分路器、传感通道、光电转换模块、信号处理模块，其中可调谐半导体激光器的控制芯片中存储有输出波长与外部激励源的对应关系编制成的“波长 激励信号”对应关系查询表；可调谐半导体激光器根据信号处理模块的控制信号选定输出的起始波长和波长间隔，可调谐半导体激光器的输出端连接1×N分路器，将光功率等分传送至N个传感通道；传感通道的反射光路经1×N分路器输送到光电转换模块，光电转换模块将通道电信号发送至信号处理模块。
2.根据权利要求1所述的分布式实时光纤光栅波长解调系统，其特征在于使用可调谐半导体激光器作为传感光源，输出波长与外部激励源的关系编成波长查询 表预先载入激光器控制芯片，激光器依波长顺序按序激射，激光器的输出波长精确可知。
3.根据权利要求2所述的分布式实时光纤光栅波长解调系统，其特征在于当可调谐半导体激光器的输出波长与布拉格波长重合时，根据反馈信号强度和激光器 输出波长的对应关系查询表，实现传感系统的波长实时解调。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的分布式实时光纤光栅波长解调系统，其特征在于所述N个传感通道的每一个都由不同布拉格波长的传感光栅串接组成。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的分布式实时光纤光栅波长解调系统，其特征在于所述光电转换模块由PIN同轴探测器、放大/整形电路构成。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的分布式实时光纤光栅波长解调系统，其特征在于所述信号处理模块包括数据锁存器、处理器芯片，处理器芯片根据片选信号选择数据 锁存器。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的分布式实时光纤光栅波长解调系统，其特征在于所述处理器芯片根据波长_电流对应关系查询表解调出波长，并进一步将解调数据通 过以太网控制器上传到上位机。
8.一种分布式实时光纤光栅波长解调方法，其特征在于，包括以下步骤①将可调谐半导体激光器的输出波长和外部激励源编制成“波长_激励信号”对应关 系查询表，并载入可调谐半导体激光器的控制芯片中；②可调谐半导体激光器的控制芯片根据外部指令选择扫描起始波长和波长间隔；③将可调谐半导体激光器的输出光经过分路器传送给由不同布拉格波长的光线光栅 连成的传感光缆；④当可调谐半导体激光器的输出波长与布拉格波长重合时，根据反馈信号强度和激光 器输出波长的对应关系查询表，实现传感系统的波长实时解调。
全文摘要
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种分布式实时光纤光栅波长解调系统及方法。本发明的系统包括可调谐半导体激光器、1×N分路器、传感通道、光电转换模块、信号处理模块，可调谐半导体激光器的控制芯片中存储有输出波长与外部激励源的对应关系编制成的波长-电流对应关系查询表；本发明的方法将可调谐半导体激光器的输出波长和外部激励源编制成“波长-电流”对应关系查询表，并载入可调谐半导体激光器的控制芯片中，可调谐半导体激光器的控制芯片根据外部指令选择扫描起始波长和波长间隔。本发明采用大功率、输出波长可控的可调谐半导体激光器，解调算法简单，探测范围大，具有良好的应用前景。
文档编号G01D5/26GK101975594SQ201010298980
公开日2011年2月16日 申请日期2010年10月8日 优先权日2010年10月8日
发明者董雷, 钱磊 申请人:武汉理工光科股份有限公司