專利名稱：基于硬件尋峰的高速光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖光柵解調(diào)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于硬件尋峰的高速光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，光纖光柵傳感器以其抗電磁干擾、耐腐蝕、高絕緣性、便于分布式測量等優(yōu)點(diǎn)，在土木工程、石油化工、航空航天、醫(yī)療、船舶工業(yè)等領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用，成為傳感領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展較快的技術(shù)之一。FBG (Fiber Bragg Grating,光纖布喇格光柵)可以封裝成各種傳感器，用于溫度、應(yīng)變和壓力等物理量的檢測。然而隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及安全監(jiān)測的需要，提出了利用FBG檢測振動(dòng)信息的要求，這就要求光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)能夠高速率、寬范圍、高分辨率的測量FBG反射波長的變化量?，F(xiàn)有的高速光纖光柵的解調(diào)系統(tǒng)如圖I所示，包括多路光柵傳感器、高速掃頻光輸出及光通路模塊、光電轉(zhuǎn)換模 塊、AD采樣模塊、軟件尋峰控制模塊、電源模塊和上位機(jī)。光纖光柵根據(jù)傳感信號(hào)的不同，反射回特定波長的光，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換部分轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，脈沖峰值對(duì)應(yīng)反射光波長。而現(xiàn)有的信號(hào)解調(diào)的方案大都是采用AD采樣然后軟件尋峰方案。而軟件尋峰方法存在許多問題，現(xiàn)在國內(nèi)AD采樣芯片的極限速度在200M左右，由于光柵反射脈沖寬度僅有200pm到300pm，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后，經(jīng)DA采樣的點(diǎn)數(shù)僅為200點(diǎn)左右，而利用200采樣點(diǎn)對(duì)脈沖峰值進(jìn)行分析會(huì)引入很大誤差。DA采樣法的另一問題是采樣窗口過小，當(dāng)光強(qiáng)變化較大時(shí)，會(huì)給峰值采樣帶來很大的問題，而采用對(duì)數(shù)電路等方法處理信號(hào)又會(huì)使脈沖封頂變得不明顯。高速光纖光柵傳感系統(tǒng)主要應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)設(shè)備等高速振動(dòng)場合傳感量的檢測，高速光纖光柵解調(diào)的難點(diǎn)在于速度快、數(shù)據(jù)量大、以及時(shí)常伴有大范圍光強(qiáng)變化。而這些是上述傳統(tǒng)解調(diào)方案所無法解決的。峰值檢測部分是高速光纖光柵光柵解調(diào)的關(guān)鍵，在提高檢測精度、檢測速度的同時(shí)，必須降低噪聲，排除轉(zhuǎn)換波形不規(guī)則及光強(qiáng)變化等帶來的干擾。而光纖光柵解調(diào)技術(shù)為光纖傳感推廣應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。高速光纖光柵傳感系統(tǒng)主要應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)設(shè)備等高速振動(dòng)場合傳感量的檢測，高速光纖光柵解調(diào)的難點(diǎn)在于速度快、數(shù)據(jù)量大、以及時(shí)常伴有大范圍光強(qiáng)變化。而這些是傳統(tǒng)解調(diào)方案所無法解決的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述技術(shù)問題，提供一種基于硬件尋峰的高速光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能提聞電路的穩(wěn)定性，并有效地提聞了解調(diào)精度，排除了光強(qiáng)變化對(duì)波長解調(diào)的干擾。為實(shí)現(xiàn)此目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的基于硬件尋峰的高速光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)，包括光柵傳感器、高速掃頻光輸出及光通路模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊、上位機(jī)，其中，光柵傳感器通過高速掃頻光輸出及光通路模塊與光電轉(zhuǎn)換模塊連接，其特征在于它還包括光學(xué)器件驅(qū)動(dòng)模塊、信號(hào)采集處理模塊、硬件微分模塊以及信號(hào)調(diào)理模塊，其中，所述光電轉(zhuǎn)換模塊的信號(hào)輸出端通過所述信號(hào)調(diào)理模塊連接所述硬件微分模塊的信號(hào)輸入端，所述硬件微分模塊的信號(hào)輸出端連接所述信號(hào)采集處理模塊的信號(hào)采集端，所述信號(hào)采集處理模塊的第一控制信號(hào)輸出端連接所述信號(hào)調(diào)理模塊的調(diào)理增益倍數(shù)控制端，所述信號(hào)采集處理模塊的第二控制信號(hào)輸出端連接所述光學(xué)器件驅(qū)動(dòng)模塊的掃頻光源頻率及偏置控制端，所述信號(hào)采集處理模塊的第三控制信號(hào)輸出端連接所述硬件微分模塊的比較電壓控制端，所述信號(hào)采集處理模塊還通過局域網(wǎng)連接所述上位機(jī)，所述光學(xué)器件驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)高速掃頻光輸出及光通路模塊輸出高速掃頻光信號(hào)。所述光電轉(zhuǎn)換模塊包括光信號(hào)轉(zhuǎn)電流信號(hào)單元和電流信號(hào)轉(zhuǎn)電壓信號(hào)單元，所述信號(hào)調(diào)理模塊包括差動(dòng)放大器、可編程增益放大器和低通濾波器，所述硬件微分模塊包括類微分電路和高速比較器，其中，光信號(hào)轉(zhuǎn)電流信號(hào)單元、電 流信號(hào)轉(zhuǎn)電壓信號(hào)單元、差動(dòng)放大器、可編程增益放大器、低通濾波器、類微分電路以及高速比較器依序連接，所述光信號(hào)轉(zhuǎn)電流信號(hào)單元的信號(hào)輸入端接收高速掃頻光輸出及光通路模塊中光通路內(nèi)的光信號(hào)，高速比較器輸出方波信號(hào)給信號(hào)采集處理模塊，所述高速比較器的比較電壓控制端連接信號(hào)采集處理模塊的第三控制信號(hào)輸出端，所述可編程增益放大器的調(diào)理增益倍數(shù)控制端連接信號(hào)采集處理模塊的第一控制信號(hào)輸出端。所述類微分電路包括電阻R1、電阻R2、電阻R3、電容Cl以及運(yùn)算放大器A，所述低通濾波器的信號(hào)輸出端通過電容Cl連接運(yùn)算放大器A的同相輸入端，運(yùn)算放大器A的同相輸入端還通過電阻Rl接地GND，所述運(yùn)算放大器A的反相輸入端通過電阻R2接地，所述運(yùn)算放大器A的輸出端連接高速比較器的信號(hào)輸入端，所述運(yùn)算放大器A反相輸入端還通過電阻R3連接運(yùn)算放大器A的輸出端。所述高速掃頻光輸出及光通路模塊包括第一光隔離器、第二光隔離器、連接在第一光隔離器和第二光隔離器之間的光源、與第二光隔離器輸出端連接的第一光耦合器、連接在第一光耦合器和第一光隔離器之間的法布里珀羅濾波器，第一光耦合器還連接有第二光耦合器，所述第二光耦合器連接有第三光耦合器，第三光耦合器連接有第四光耦合器和第五光耦合器，第四光耦合器連接光信號(hào)轉(zhuǎn)電流信號(hào)單元和一個(gè)光柵傳感器，第五光耦合器連接光信號(hào)轉(zhuǎn)電流信號(hào)單元和另一個(gè)光柵傳感器。所述第二光耦合器還連接有第六光耦合器，所述第六光耦合器連接有梳狀濾波器和透射光柵，所述梳狀濾波器和透射光柵均連接光信號(hào)轉(zhuǎn)電流信號(hào)單元。所述光學(xué)器件驅(qū)動(dòng)模塊包括光源驅(qū)動(dòng)及恒溫單元和法布里珀羅濾波器驅(qū)動(dòng)模塊，其中，所述光源驅(qū)動(dòng)及恒溫單元的信號(hào)輸出端連接光源，法布里珀羅濾波器驅(qū)動(dòng)模塊的信號(hào)輸出端連接法布里珀羅濾波器，所述法布里珀羅濾波器驅(qū)動(dòng)模塊的信號(hào)輸入端連接信號(hào)采集處理模塊的第二控制信號(hào)輸出端。所述信號(hào)采集處理模塊為FPGA(Field — Programmable Gate Array,現(xiàn)場可編程門陣列)。所述法布里珀羅濾波器驅(qū)動(dòng)模塊通過輸出三角波驅(qū)動(dòng)法布里珀羅濾波器。本發(fā)明通過設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理模塊、硬件微分模塊、信號(hào)采集處理模塊和光學(xué)器件驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)了脈沖信號(hào)峰值的硬件尋峰，從而提高了電路的穩(wěn)定性，并有效地提高了解調(diào)精度，排除了光強(qiáng)變化對(duì)波長解調(diào)的干擾。特別是設(shè)計(jì)的類微分電路，進(jìn)一步保證了脈沖信號(hào)峰值尋峰的準(zhǔn)確性。


圖I為現(xiàn)有高速光纖光柵的解調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；圖3為本發(fā)明中高速掃頻光輸出及光通路模塊的結(jié)構(gòu)框圖；圖4為本發(fā)明中光學(xué)器件驅(qū)動(dòng)模塊的結(jié)構(gòu)框圖；圖5為本發(fā)明中光電轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)調(diào)理模塊和硬件微分模塊的結(jié)構(gòu)框圖；圖6為本發(fā)明中類微分電路的電路圖； 圖7為本發(fā)明中光信號(hào)轉(zhuǎn)換后的脈沖波形圖；圖8為本發(fā)明中信號(hào)調(diào)理后的波形圖；圖9為本發(fā)明中類微分電路輸出波形圖。其中，I一光柵傳感器、2—高速掃頻光輸出及光通路模塊、2. I—光源、2. 2—第一光隔離器、2. 3—第二光隔離器、2. 4—第一光耦合器、2. 5—法布里珀羅濾波器、2. 6—第二光率禹合器、2. 7一第三光稱合器、2. 8一第四光稱合器、2. 9一第五光稱合器、2. 10一第六光率禹合器、2. 11一梳狀濾波器、2. 12一透射光柵、3—光電轉(zhuǎn)換模塊、3. I一光信號(hào)轉(zhuǎn)電流信號(hào)單兀、3. 2一電流/[目號(hào)轉(zhuǎn)電壓/[目號(hào)單兀、4一上位機(jī)、5—/[目號(hào)調(diào)理模塊、5. I一差動(dòng)放大器、5. 2—可編程增益放大器、5. 3—低通濾波器、6—光學(xué)器件驅(qū)動(dòng)模塊、6. I—光源驅(qū)動(dòng)及恒溫單元、6. 2—法布里珀羅濾波器驅(qū)動(dòng)模塊、7—信號(hào)采集處理模塊、8—硬件微分模塊、8. I—類微分電路、8. 2—高速比較器。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明如圖2所示的基于硬件尋峰的高速光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)，包括光柵傳感器I、高速掃頻光輸出及光通路模塊2、光電轉(zhuǎn)換模塊3、上位機(jī)4，其中，光柵傳感器I通過高速掃頻光輸出及光通路模塊2與光電轉(zhuǎn)換模塊3連接，它還包括光學(xué)器件驅(qū)動(dòng)模塊6、信號(hào)采集處理模塊7、硬件微分模塊8以及信號(hào)調(diào)理模塊5，其中，光電轉(zhuǎn)換模塊3的信號(hào)輸出端通過信號(hào)調(diào)理模塊5連接硬件微分模塊8的信號(hào)輸入端，硬件微分模塊8的信號(hào)輸出端連接信號(hào)采集處理模塊7的信號(hào)采集端，信號(hào)采集處理模塊7的第一控制信號(hào)輸出端連接信號(hào)調(diào)理模塊5的調(diào)理增益倍數(shù)控制端，信號(hào)采集處理模塊7的第二控制信號(hào)輸出端連接光學(xué)器件驅(qū)動(dòng)模塊6的掃頻光源頻率及偏置控制端(該控制端即后續(xù)提到的法布里珀羅濾波器驅(qū)動(dòng)模塊6. 2)，信號(hào)采集處理模塊7的第三控制信號(hào)輸出端連接硬件微分模塊8的比較電壓控制端，信號(hào)采集處理模塊7還通過局域網(wǎng)連接上位機(jī)4，光學(xué)器件驅(qū)動(dòng)模塊6驅(qū)動(dòng)高速掃頻光輸出及光通路模塊2輸出高速掃頻光信號(hào)。上述技術(shù)方案中，如圖5所示，光電轉(zhuǎn)換模塊3包括光信號(hào)轉(zhuǎn)電流信號(hào)單元3. I和電流信號(hào)轉(zhuǎn)電壓信號(hào)單元3. 2，信號(hào)調(diào)理模塊5包括差動(dòng)放大器5. I、可編程增益放大器5. 2和低通濾波器5. 3，硬件微分模塊8包括類微分電路8. I和高速比較器8. 2，其中，光信號(hào)轉(zhuǎn)電流信號(hào)單元3. I、電流信號(hào)轉(zhuǎn)電壓信號(hào)單元3. 2、差動(dòng)放大器5. I、可編程增益放大器5. 2、低通濾波器5. 3、類微分電路8. I以及高速比較器8. 2依序連接，光信號(hào)轉(zhuǎn)電流信號(hào)單元3. I的信號(hào)輸入端接收高速掃頻光輸出及光通路模塊2中光通路內(nèi)的光信號(hào)，高速比較器8. 2輸出方波信號(hào)給信號(hào)采集處理模塊7，高速比較器8. 2的比較電壓控制端連接信號(hào)采集處理模塊7的第三控制信號(hào)輸出端，可編程增益放大器5. 2的調(diào)理增益倍數(shù)控制端連接信號(hào)采集處理模塊7的第一控制信號(hào)輸出端。上述技術(shù)方案中，如圖6所示，所述類微分電路8. I包括電阻R1、電阻R2、電阻R3、電容Cl以及運(yùn)算放大器A，低通濾波器5. 3的信號(hào)輸出端通過電容Cl連接運(yùn)算放大器A的同相輸入端，運(yùn)算放大器A的同相輸入端還通過電阻Rl接地GND，所述運(yùn)算放大器A的反相輸入端通過電阻R2接地，所述運(yùn)算放大器A的輸出端連接高速比較器8. 2的信號(hào)輸入端，所述運(yùn)算放大器A反相輸入端還通過電阻R3連接運(yùn)算放大器A的輸出端。上述技術(shù)方案中，如圖3所示，所述高速掃頻光輸出及光通路模塊2包括第一光 隔離器2. 2、第二光隔離器2. 3、連接在第一光隔離器2. 2和第二光隔離器2. 3之間的光源2. I、與第二光隔離器2. 3輸出端連接的第一光稱合器2. 4、連接在第一光稱合器2. 4和第一光隔離器2. 2之間的法布里珀羅濾波器2. 5，所述第一光耦合器2. 4還連接有第二光耦合器2. 6，第二光耦合器2. 6連接有第三光耦合器2. 7，第三光耦合器2. 7連接有第四光耦合器
2.8和第五光稱合器2. 9,第四光稱合器2. 8連接光信號(hào)轉(zhuǎn)電流信號(hào)單兀3. I和一個(gè)光柵傳感器I，第五光稱合器2. 9連接光信號(hào)轉(zhuǎn)電流信號(hào)單兀3. I和另一個(gè)光柵傳感器I。上述技術(shù)方案中，第二光稱合器2. 6還連接有第六光稱合器2. 10,第六光稱合器
2.10連接有梳狀濾波器2. 11和透射光柵2. 12，梳狀濾波器2. 11和透射光柵2. 12均連接光信號(hào)轉(zhuǎn)電流信號(hào)單元3. I。該結(jié)構(gòu)作為高速掃頻光輸出的矯正和基準(zhǔn)。上述技術(shù)方案中，如圖4所示，光學(xué)器件驅(qū)動(dòng)模塊6包括光源驅(qū)動(dòng)及恒溫單元6. I和法布里珀羅濾波器驅(qū)動(dòng)模塊6. 2，其中，所述光源驅(qū)動(dòng)及恒溫單元6. I的信號(hào)輸出端連接光源2. 1，法布里珀羅濾波器驅(qū)動(dòng)模塊6. 2的信號(hào)輸出端連接法布里珀羅濾波器2. 5，所述法布里珀羅濾波器驅(qū)動(dòng)模塊6. 2的信號(hào)輸入端連接信號(hào)采集處理模塊7的第二控制信號(hào)輸出端。上述技術(shù)方案中，信號(hào)采集處理模塊7為FPGA。同時(shí)配置NIOS II軟核，運(yùn)行uC/OS II系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍AD、DA以及多路脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)的控制，實(shí)現(xiàn)輕量級(jí)TCP/IP協(xié)議棧以及UART、USB等接口驅(qū)動(dòng)。該基于SOPC技術(shù)的系統(tǒng)平臺(tái)，極大的精簡了最小系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，同時(shí)提高了系統(tǒng)可靠性，降低了功耗與成本。以FPGA為核心的系統(tǒng)，主要擴(kuò)展了 JTAG、USB,LAN,UART接口，擴(kuò)展了 SDRAM、FLASH等資源、擴(kuò)展了 AD、DA、脈沖計(jì)數(shù)等外部接口，形成了高度專用的最小系統(tǒng)。通過在FPGA芯片內(nèi)配置NIOS II軟核，運(yùn)行uC/OS II系統(tǒng)，控制DA輸出改進(jìn)三角波驅(qū)動(dòng)法布里拍羅濾波器2. 5,同時(shí)控制另外的DA輸出相應(yīng)電壓控制光電轉(zhuǎn)換部分的信號(hào)增益以及比較電壓，對(duì)光電轉(zhuǎn)換之后的脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)硬件尋峰，然后將峰值數(shù)據(jù)打包通過TCP/IP協(xié)議發(fā)送至遠(yuǎn)端的PC機(jī)。USB接口和UART接口主要用于輔助系統(tǒng)設(shè)置(如IP地址、其他相關(guān)設(shè)置參數(shù)等)。上述技術(shù)方案中，法布里珀羅濾波器驅(qū)動(dòng)模塊6. 2通過輸出三角波驅(qū)動(dòng)法布里珀羅濾波器2. 5。上述技術(shù)方案中，高速掃頻光輸出及光通路模塊2、光電轉(zhuǎn)換模塊3、光學(xué)器件驅(qū)動(dòng)模塊6、信號(hào)采集處理模塊7、硬件微分模塊8和信號(hào)調(diào)理模塊5均集成在嵌入式采集平臺(tái)上。上述技術(shù)方案中，嵌入式采集平臺(tái)和上位機(jī)4由電源模塊供電。
上述技術(shù)方案中，上位機(jī)4為PC機(jī)。本發(fā)明的工作過程為嵌入式采集平臺(tái)控制光源2. I發(fā)出寬帶光后，經(jīng)過由三角波驅(qū)動(dòng)的法布里珀羅濾波器2. 5的濾波后變?yōu)楦咚賿哳l光。高速掃頻光經(jīng)過光耦合器送入到光柵傳感器1，光電轉(zhuǎn)換模塊3中的光電二極管接收光柵傳感器I的反射光信號(hào)，利用光電轉(zhuǎn)換模塊3將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理模塊5和硬件微分模塊8后將信號(hào)峰值轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)，信號(hào)采集處理模塊7對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行采集標(biāo)定，轉(zhuǎn)換為光信號(hào)波長。嵌入式采集平臺(tái)中的信號(hào)采集處理模塊7通過局域網(wǎng)，將解調(diào)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳輸至上位機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理與顯示。采用嵌入式&PC機(jī)的架構(gòu)，既充分利用了嵌入式平臺(tái)的高效、體積小、功耗低、便攜等優(yōu)點(diǎn)，又充分展示了 PC機(jī)平臺(tái)強(qiáng)大處理功能以及其易用性、易開發(fā)性等優(yōu)點(diǎn)。兩者之間的采用局域網(wǎng)互聯(lián)方式，通用性強(qiáng)，而且其物理層 易于修改從而能適應(yīng)不同的工業(yè)場合，實(shí)現(xiàn)高效遠(yuǎn)距離組網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。下面結(jié)合波形介紹本發(fā)明的信號(hào)處理過程首先對(duì)輸入光信號(hào)采用光電二極管轉(zhuǎn)換成電路信號(hào)，通過運(yùn)算放大器將電電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，如圖7所示，其中脈沖峰值對(duì)應(yīng)光柵波長值。信號(hào)調(diào)理模塊5，主要對(duì)信號(hào)的幅值噪聲進(jìn)行調(diào)整。首先差動(dòng)放大器5. I將單端電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)并為每一路信號(hào)制造一個(gè)單獨(dú)的接地端以消除其他幾路信號(hào)對(duì)該路信號(hào)信噪比的影響，再將信號(hào)通過可編程增益放大器5. 2進(jìn)行可編程放大，其放大倍數(shù)由信號(hào)采集處理模塊7輸出的一路DA電壓精確控制，以方便用戶對(duì)放大倍數(shù)的控制。尋峰電路要求信號(hào)噪聲盡可能低，所以在放大之后將使用雙二階低通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，以降低信號(hào)的噪聲，為下一步硬件尋峰處理做準(zhǔn)備。圖8為經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后的波形。最后，通過類微分電路8. I實(shí)現(xiàn)硬件尋峰，類微分電路8. I會(huì)將信號(hào)的峰值點(diǎn)轉(zhuǎn)變成零值點(diǎn)，然后信號(hào)通過一個(gè)電壓由另一路DA精確可調(diào)的高速比較器8. 2，得到與光學(xué)信號(hào)波長峰值時(shí)間相關(guān)的脈沖信號(hào)，脈沖下降沿對(duì)應(yīng)波長的峰值信息。信號(hào)采集處理模塊7將對(duì)已調(diào)理的脈沖信號(hào)的下降沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，測量起始時(shí)間到脈沖信號(hào)下降沿的時(shí)間間隔，采用特殊插值方法還原傳感器波長偏移。由上述給出的具體類微分電路8. I推得以下公式
,t/(K -K) VJi1r '七；2(公式 D
dt R^R2 +11)其中V1為輸入電壓，Vtl為輸出電壓，C為電容Cl容值，HR3為對(duì)應(yīng)電阻值。令
n RA IL+R,)
Rw- ' R 3;得微分方程
dV, dV0 F0= +(公式 2) ch dt RuX解微分方程得
_ tt 廠Vi =(公式 3)
° J d!由Vtl的表達(dá)式可以看出，輸出波形的零點(diǎn)由輸入脈沖的頂點(diǎn)以及CRw的值決定，而當(dāng)CRw確定時(shí),輸出波形零點(diǎn)僅由輸入脈沖頂點(diǎn)確定，即僅由光纖光柵的中心波長確定。我們知道光纖傳感的最大干擾，來自光強(qiáng)變化引入的干擾。而光強(qiáng)變化將導(dǎo)致輸入脈沖V1幅值等比例變化，由Vtl的表達(dá)式我們可以看出當(dāng)V1等比例變化時(shí)Vci零點(diǎn)保持不變，而當(dāng)由于傳感量變化使輸入波形相位發(fā)生變化時(shí)，Vtl的零點(diǎn)會(huì)跟蹤V1頂點(diǎn)的變化。通過過零比較電路，就實(shí)現(xiàn)了對(duì)光纖光柵波長的跟蹤檢測。類微分電路8. I有效地排除了光強(qiáng)變化對(duì)光柵波長檢測的干擾，準(zhǔn)確的提取出了輸入脈沖所含有的光纖光柵波長信息。相對(duì)于普通微分電路由于提高了輸入阻抗，使電路更為穩(wěn)定，有效防止了普通微分電路容易產(chǎn)生自激的缺點(diǎn)。類微分電路的輸出波形如圖9所示。

上述硬件微分模塊8采用類微分方法有效地提取光纖光柵的波長信息，并加入了信號(hào)調(diào)理和濾波單元，使電路噪聲更小，更加精確穩(wěn)定。本說明書未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種基于硬件尋峰的高速光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)，包括光柵傳感器(I)、高速掃頻光輸出及光通路模塊(2 )、光電轉(zhuǎn)換模塊(3 )、上位機(jī)(4 )，其中，光柵傳感器(I)通過高速掃頻光輸出及光通路模塊(2)與光電轉(zhuǎn)換模塊(3)連接，其特征在于它還包括光學(xué)器件驅(qū)動(dòng)模塊(6)、信號(hào)采集處理模塊(7)、硬件微分模塊(8)以及信號(hào)調(diào)理模塊(5)，其中，所述光電轉(zhuǎn)換模塊(3)的信號(hào)輸出端通過所述信號(hào)調(diào)理模塊(5)連接所述硬件微分模塊(8)的信號(hào)輸入端，所述硬件微分模塊(8)的信號(hào)輸出端連接所述信號(hào)采集處理模塊(7)的信號(hào)采集端，所述信號(hào)采集處理模塊(7)的第一控制信號(hào)輸出端連接所述信號(hào)調(diào)理模塊(5)的調(diào)理增益倍數(shù)控制端，所述信號(hào)采集處理模塊(7)的第二控制信號(hào)輸出端連接所述光學(xué)器件驅(qū)動(dòng)模塊(6 )的掃頻光源頻率及偏置控制端，所述信號(hào)采集處理模塊(7 )的第三控制信號(hào)輸出端連接所述硬件微分模塊(8)的比較電壓控制端，所述信號(hào)采集處理模塊(7)還通過局域網(wǎng)連接所述上位機(jī)(4)，所述光學(xué)器件驅(qū)動(dòng)模塊(6)驅(qū)動(dòng)高速掃頻光輸出及光通路模塊(2)輸出高速掃頻光信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于硬件尋峰的高速光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于所述光電轉(zhuǎn)換模塊(3 )包括光信號(hào)轉(zhuǎn)電流信號(hào)單元(3. I)和電流信號(hào)轉(zhuǎn)電壓信號(hào)單元(3. 2 )，所述信號(hào)調(diào)理模塊(5)包括差動(dòng)放大器(5. I)、可編程增益放大器(5. 2)和低通濾波器(5. 3)，所述硬件微分模塊(8)包括類微分電路(8. I)和高速比較器(8. 2)，其中，所述光信號(hào)轉(zhuǎn)電流信號(hào)單元(3. I)、電流信號(hào)轉(zhuǎn)電壓信號(hào)單元(3. 2)、差動(dòng)放大器(5. I)、可編程增益放大器(5. 2)、低通濾波器(5. 3)、類微分電路(8. I)以及高速比較器(8. 2)依序連接，所述光信號(hào)轉(zhuǎn)電流信號(hào)單元(3. I)的信號(hào)輸入端接收高速掃頻光輸出及光通路模塊(2)中光通路內(nèi)的光信號(hào)，高速比較器(8. 2)輸出方波信號(hào)給信號(hào)采集處理模塊(7)，所述高速比較器(8. 2)的比較電壓控制端連接信號(hào)采集處理模塊(7)的第三控制信號(hào)輸出端，所述可編程增益放大器(5. 2)的調(diào)理增益倍數(shù)控制端連接信號(hào)采集處理模塊(7)的第一控制信號(hào)輸出端。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于硬件尋峰的高速光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于所述類微分電路(8. I)包括電阻R1、電阻R2、電阻R3、電容Cl以及運(yùn)算放大器A，所述低通濾波器(5. 3)的信號(hào)輸出端通過電容Cl連接運(yùn)算放大器A的同相輸入端，運(yùn)算放大器A的同相輸入端還通過電阻Rl接地GND，所述運(yùn)算放大器A的反相輸入端通過電阻R2接地，所述運(yùn)算放大器A的輸出端連接高速比較器(8. 2)的信號(hào)輸入端，所述運(yùn)算放大器A反相輸入端還通過電阻R3連接運(yùn)算放大器A的輸出端。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于硬件尋峰的高速光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于所述高速掃頻光輸出及光通路模塊(2)包括第一光隔離器(2. 2)、第二光隔離器(2. 3)、連接在第一光隔離器(2. 2)和第二光隔離器(2. 3)之間的光源(2. I)、與第二光隔離器(2. 3)輸出端連接的第一光耦合器(2. 4)、連接在第一光耦合器(2. 4)和第一光隔離器(2. 2)之間的法布里珀羅濾波器(2. 5)，所述第一光耦合器(2. 4)還連接有第二光耦合器(2. 6)，所述第二光耦合器(2. 6)連接有第三光耦合器(2. 7)，所述第三光耦合器(2. 7)連接有第四光耦合器(2. 8)和第五光耦合器(2. 9)，所述第四光耦合器(2. 8)連接光信號(hào)轉(zhuǎn)電流信號(hào)單元(3. I)和一個(gè)光柵傳感器(I),所述第五光稱合器(2. 9)連接光信號(hào)轉(zhuǎn)電流信號(hào)單兀(3. I)和另一個(gè)光柵傳感器(I)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于硬件尋峰的高速光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于所述第二光耦合器(2. 6)還連接有第六光耦合器(2. 10)，所述第六光耦合器(2. 10)連接有梳狀濾波器(2. 11)和透射光柵(2. 12)，所述梳狀濾波器(2. 11)和透射光柵(2. 12)均連接光信號(hào)轉(zhuǎn)電流信號(hào)單元(3. I)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于硬件尋峰的高速光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于所述光學(xué)器件驅(qū)動(dòng)模塊(6)包括光源驅(qū)動(dòng)及恒溫單元(6. I)和法布里珀羅濾波器驅(qū)動(dòng)模塊(6. 2)，其中，所述光源驅(qū)動(dòng)及恒溫單元(6. I)的信號(hào)輸出端連接光源(2. 1)，法布里珀羅濾波器驅(qū)動(dòng)模塊(6. 2)的信號(hào)輸出端連接法布里珀羅濾波器(2. 5)，所述法布里珀羅濾波器驅(qū)動(dòng)模塊(6. 2)的信號(hào)輸入端連接信號(hào)采集處理模塊(7)的第二控制信號(hào)輸出端。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于硬件尋峰的高速光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于所述信號(hào)采集處理模塊(7)為FPGA。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于硬件尋峰的高速光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于所述法布里珀羅濾波器驅(qū)動(dòng)模塊(6. 2)通過輸出三角波驅(qū)動(dòng)法布里珀羅濾波器(2. 5)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于硬件尋峰的高速光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)，其中，光柵傳感器和光電轉(zhuǎn)換模塊之間連接高速掃頻光輸出及光通路模塊，光電轉(zhuǎn)換模塊連接信號(hào)調(diào)理模塊，信號(hào)調(diào)理模塊連接硬件微分模塊，硬件微分模塊連接信號(hào)采集處理模塊，信號(hào)采集處理模塊的第一控制信號(hào)輸出端連接信號(hào)調(diào)理模塊，信號(hào)采集處理模塊的第二控制信號(hào)輸出端連接光學(xué)器件驅(qū)動(dòng)模塊，信號(hào)采集處理模塊的第三控制信號(hào)輸出端連接硬件微分模塊，信號(hào)采集處理模塊連接上位機(jī)，光學(xué)器件驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)高速掃頻光輸出及光通路模塊輸出高速掃頻光信號(hào)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了脈沖信號(hào)峰值的硬件尋峰，從而提高了電路的穩(wěn)定性，并有效地提高了解調(diào)精度，排除了光強(qiáng)變化對(duì)波長解調(diào)的干擾。
文檔編號(hào)G01D5/38GK102788604SQ20121024843
公開日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2012年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月18日
發(fā)明者劉泉, 周祖德, 唐智浩, 李政穎, 趙猛 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)