本發(fā)明屬于光纖光柵傳感領(lǐng)域，能夠為壓電陶瓷型光纖光柵解調(diào)儀提供一種頻率和通道的擴展方法。在不增加任何器件的情況下將解調(diào)頻率或者工作通道數(shù)增加一倍。

背景技術(shù)：

壓電陶瓷型可調(diào)諧波長濾波器利用法布里—珀羅結(jié)構(gòu)，通過壓電陶瓷改變兩個反射鏡之間的距離實現(xiàn)可變的波長輸出；為實現(xiàn)波長的線性輸出，一般采用線性度較好的三角波電壓驅(qū)動壓電陶瓷，其中三角波上升階段對應(yīng)的是法布里—珀羅腔由長變短的過程，三角波下降階段對應(yīng)的是法布里—珀羅腔由短變長的過程，如圖1所示。

在過去的光纖光柵解調(diào)儀中，由于上升階段和下降階段中壓電陶瓷所表現(xiàn)出的遲滯效應(yīng)不一致也不對稱，因此一般選擇上升階段進行修正和解調(diào)，而將下降階段的數(shù)據(jù)完全丟棄。這種處理方式并不聰明而且十分浪費。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于針對現(xiàn)有技術(shù)中無法有效利用下降沿中數(shù)據(jù)的缺陷，提供一種在不增加任何器件的情況下將解調(diào)儀的工作頻率或?qū)⒔庹{(diào)儀的工作通道數(shù)提高一倍的光纖光柵解調(diào)儀擴展方法及系統(tǒng)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

提供一種光纖光柵解調(diào)儀頻率、通道擴展方法，包括以下步驟：

寬譜光源通過頻率為f的壓電陶瓷型可調(diào)諧波長濾波器后，進入第一待測光柵通道和第二待測光柵通道，不同的待測光柵通道連接不同的待測光柵；

若為通道擴展模式，則在驅(qū)動波的上升階段，輸出第二待測光柵通道的光信號，采集該第二待測光柵通道的上升沿光信號并進行修正和解調(diào)；在驅(qū)動波的下降階段，輸出第一待測光柵通道的光信號，采集該第一待測光柵通道的下降沿光信號并進行修正和解調(diào)；

若為頻率擴展模式，則始終輸出其中一個待測光柵通道的光信號，采集該待測光柵通道的上升沿和下降沿光信號，并進行修正和解調(diào)，解調(diào)后的信號的頻率為2f；

根據(jù)不同擴展模式，分別輸出解調(diào)后的信號。

本發(fā)明所述的方法中，通過雙邊沿交叉解調(diào)方法對采集的信號進行解調(diào)。

本發(fā)明所述的方法中，通過非線性修正方法對采集的信號進行修正。

本發(fā)明所述的方法中，所述驅(qū)動波為與驅(qū)動壓電陶瓷型可調(diào)諧波長濾波器工作的三角波同步的矩形波，矩形波上升沿對應(yīng)了三角波的上升階段，矩形波的下降沿對應(yīng)了三角波的下降階段。

本發(fā)明還提供了一種光纖光柵解調(diào)儀頻率、通道擴展系統(tǒng)，包括：

光源；

壓電陶瓷型可調(diào)諧波長濾波器，用于將通過的光源的光轉(zhuǎn)換為時域上的掃頻光；

光學(xué)柵格生成器，用于選擇通過的掃頻光，輸出標(biāo)準(zhǔn)光譜信號；

兩個待測光柵通道，連接不同的光柵，輸出不同的待測光譜信號；

光電轉(zhuǎn)換模塊，用于將標(biāo)準(zhǔn)光譜信號和待測光譜信號轉(zhuǎn)換成電信號，并根據(jù)不同的擴展模式控制輸出信號，在通道擴展模式下，并在驅(qū)動波的控制下，上升沿和下降沿分別輸出不同待測光柵通道的信號，在頻率擴展模式下，僅輸出其中一個待測光柵通道的信號；

數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集光電轉(zhuǎn)換模塊輸出的信號；

信號解調(diào)模塊，用于將數(shù)據(jù)采集模塊采集的信號進行分組、修正、解調(diào)和輸出。

本發(fā)明所述的系統(tǒng)中，光電轉(zhuǎn)換模塊包含一個多路模擬開關(guān)，該多路模擬開關(guān)包括兩個輸入端口、一個地址總線控制端口和一個輸出端；每個輸入端口分別輸入一路待測光柵通道的待測信號；

通過地址總線控制端口的輸入信號選擇輸出兩路路待測信號中的一路或者兩路同時輸出。

本發(fā)明所述的系統(tǒng)中，地址總線控制端口的輸入信號為與驅(qū)動壓電陶瓷型可調(diào)諧波長濾波器工作的三角波同步的矩形波，矩形波上升沿對應(yīng)了三角波的上升階段，矩形波的下降沿對應(yīng)了三角波的下降階段。

本發(fā)明所述的系統(tǒng)中，光學(xué)柵格生成器為透射型光學(xué)器件，寬譜光進入后與透射峰波長重合的光可以通過，其他波長的光則被吸收。

本發(fā)明所述的系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集模塊中包含一個A/D采樣芯片和一個FPGA控制芯片，A/D采樣芯片將模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA控制芯片在與驅(qū)動壓電陶瓷型可調(diào)諧波長濾波器工作的三角波同步的矩形波的控制下采集A/D轉(zhuǎn)換后的信號。

本發(fā)明所述的系統(tǒng)中，光源為半導(dǎo)體環(huán)形腔激光器SOA。

本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：本發(fā)明提出了一種對光譜信號上升階段、下降階段分別修正和解調(diào)的方法，配合硬件電路，可以實現(xiàn)在不增加任何器件的情況下將解調(diào)儀的工作頻率或?qū)⒔庹{(diào)儀的工作通道數(shù)提高一倍，從而在相同的成本下，實現(xiàn)更優(yōu)秀的性能。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中：

圖1是的法布里—珀羅腔的電壓—腔長變化曲線。

圖2是本發(fā)明提供的系統(tǒng)框圖。

圖3是本發(fā)明提供的模擬開關(guān)圖。

圖4是本發(fā)明提供的流程圖。

包括光源1，壓電陶瓷型可調(diào)諧波長濾波器2，光學(xué)格柵生成器3，光電采集模塊4，數(shù)據(jù)采集模塊5，數(shù)據(jù)處理及修正模塊6。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明針對傳統(tǒng)光纖光柵解調(diào)儀的上升階段解調(diào)、下降階段丟棄的方式，提出了一種效率更高的上升、下降階段同時解調(diào)的方法，從而在不加任何器件的情況下將解調(diào)頻率或者工作通道數(shù)增加了一倍。

如圖2所示，本發(fā)明實施例的光纖光柵解調(diào)儀的通道、頻率擴展系統(tǒng)包括光源1、壓電陶瓷型可調(diào)諧波長濾波器2、光學(xué)柵格生成器31、兩個待測光柵通道32和光電轉(zhuǎn)換模塊4、采集模塊5和信號解調(diào)模塊6。光源1通過壓電陶瓷型可調(diào)諧波長濾波器2后變成時域上的掃頻光，再經(jīng)過光學(xué)柵格生成器31和待測光柵通道32后，輸出標(biāo)準(zhǔn)光譜和待測光譜，光學(xué)柵格生成器31的光譜波長值可以通過光譜儀精確測得，并作為之后解調(diào)修正的參考。標(biāo)準(zhǔn)和待測光譜信號通過光電轉(zhuǎn)換模塊4轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，光電轉(zhuǎn)換模塊4中包含有一個多路模擬開關(guān)，通過地址總線控制可以選擇輸出2路待測信號中的一路或者兩路同時輸出。光電轉(zhuǎn)換模塊4輸出的信號被數(shù)據(jù)采集模塊5采集，然后送到數(shù)據(jù)處理模塊6進行分組、修正和解調(diào)。

光源1為系統(tǒng)提供原始光信號，光譜帶寬一般大于50nm，其輸出光譜范圍不應(yīng)超過可調(diào)諧波長濾波器2的波長調(diào)諧范圍。

可調(diào)諧波長濾波器2為系統(tǒng)提供掃頻光信號和與驅(qū)動壓電陶瓷型可調(diào)諧波長濾波器工作的三角波同步的矩形波。

光學(xué)柵格生成器31為透射型光學(xué)器件，寬譜光進入后與透射峰波長重合的光可以通過，其他波長的光則被吸收。該器件用于產(chǎn)生波長固定、間隔基本一致的多個透射峰，這些透射峰的波長值可以通過光譜儀精確測量，測量所得的數(shù)據(jù)被存入儀表內(nèi)作為解調(diào)時的參考；不同的待測光柵通道可以連接不同的待測光柵，待測光柵的波長不能超過光源1的光譜覆蓋范圍。

光電轉(zhuǎn)換模塊4將光學(xué)柵格生成器31和待測光柵通道輸出的光信號轉(zhuǎn)換為電信號供數(shù)據(jù)采集模塊5采集。光電轉(zhuǎn)換模塊4中包含一個多路模擬開關(guān)，通過地址總線控制可以選擇輸出兩路路待測信號中的一路或者兩路同時輸出，如圖3所示。當(dāng)?shù)刂肺籄₀為高時，模擬開關(guān)的輸出OUT為CH2中的信號，當(dāng)?shù)刂肺籄₀為低時，模擬開關(guān)的輸出OUT為CH1中的信號。一般情況下，地址位A₀將會連接一個與驅(qū)動三角波相位一致的方波信號，方波上升沿對應(yīng)了三角波的上升階段，方波的下降沿對應(yīng)了三角波的下降階段；因此，該模擬開關(guān)在三角波的上升階段會輸出CH2中的數(shù)據(jù)，在三角波的下降階段會輸出CH1中的數(shù)據(jù)，然后將兩組數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)采集模塊5和數(shù)據(jù)處理模塊6進行分析解調(diào)，一路A/D采集通道可以同時解調(diào)兩路待測光柵通道的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)了待測光柵通道的擴展。也可以將地址位A₀固定連接高電平，此時模擬開關(guān)的輸出OUT永遠(yuǎn)是CH2的數(shù)據(jù)，但CH1的數(shù)據(jù)也可不經(jīng)過開關(guān)直接輸出，三角波上升階段和下降階段輸出的都是同一待測光柵通道中的數(shù)據(jù)，將兩個階段的數(shù)據(jù)分成兩組送入數(shù)據(jù)采集模塊5和數(shù)據(jù)處理模塊6進行分析解調(diào)，即可實現(xiàn)解調(diào)頻率的翻倍即頻率的擴展。

數(shù)據(jù)采集模塊5中包含一個A/D采樣芯片和一個FPGA控制芯片，A/D芯片將光電轉(zhuǎn)換模塊4輸出的模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換后由與驅(qū)動三角波相位一致的方波信號控制FPGA芯片進行采集，方波信號的上升沿和下降沿都會進行數(shù)據(jù)采集，F(xiàn)PGA會將上升沿采集的數(shù)據(jù)D_u和下降沿采集的數(shù)據(jù)D_d分開保存。

數(shù)據(jù)處理及修正模塊6將數(shù)據(jù)采集模塊5收集到的數(shù)據(jù)進行上下沿交叉解調(diào)并修正，根據(jù)不同的設(shè)置(通道擴展或是頻率擴展)最終給出符合需求的解調(diào)結(jié)果。數(shù)據(jù)處理及修正模塊6中用到的處理方法詳見之前申請人申請的專利，其公開號為105278206A(申請?zhí)?01510796200.7)。

通道擴展和頻率擴展模式前端的工作流程基本相同：寬譜光源1通過頻率為f的壓電陶瓷型可調(diào)諧波長濾波器2被調(diào)制成時域上的掃頻光，之后進入光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)具和待測光柵通道32，經(jīng)過光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)具的光譜波長由光譜儀精確測量，且將測量值D_s作為參考存儲在FPGA芯片中。FPGA在三角波上升沿期間采集到的數(shù)據(jù)D_u，包括標(biāo)準(zhǔn)光譜數(shù)據(jù)D_u-s和待測光譜數(shù)據(jù)D_u-m；在下降沿期間采集到的數(shù)據(jù)D_d，同樣包括標(biāo)準(zhǔn)光譜數(shù)據(jù)D_d-s和待測光譜數(shù)據(jù)D_d-m。至此以后將分為通道擴展和頻率擴展兩種模式進行介紹。

通道擴展模式：在通道擴展模式下，多路模擬開關(guān)的地址位A₀連接的是與三角波相位保持同步的矩形方波，因此三角波上升沿期間矩形波的值為‘1’，三角波下降沿期間矩形波的值為‘0’。參照圖3可知，三角波上升沿期間開關(guān)的輸出OUT為CH2的數(shù)據(jù)，三角波下降沿期間開關(guān)的輸出OUT為CH1的數(shù)據(jù)。因此FPGA采集OUT腳時，D_u-s、D_u-m為CH2的數(shù)據(jù)，D_d-s、D_d-m為CH1的數(shù)據(jù)，之后將D_u-m參考D_u-s進行解調(diào)得到CH2的波長，將D_d-m參考D_d-s進行解調(diào)得到CH1的波長，CH1、CH2的解調(diào)頻率與壓電陶瓷型可調(diào)諧波長濾波器的調(diào)制頻率一致均為f，一路A/D采集通道可得到兩路待測光柵通道的波長，實現(xiàn)了通道的擴展。

頻率擴展模式：在頻率擴展模式下，多路模擬開關(guān)的地址位A₀連接的是一個高電平，參考圖3可知，無論是上升沿還是下降沿，OUT輸出都是CH2的數(shù)據(jù)，而CH1也可不通過模擬開關(guān)直接輸出。因此FPGA采集OUT腳時，D_u-s、D_u-m、D_d-s、D_d-m都是CH2的數(shù)據(jù)，D_u-m參考D_u-s進行解調(diào)可得到一組CH2的波長，D_d-s參考D_d-m進行解調(diào)可得到另一組CH2的波長，因此在頻率為f的壓電陶瓷型可調(diào)諧波長濾波器的調(diào)制下可得到頻率為2f的解調(diào)結(jié)果，實現(xiàn)了頻率的擴展。

本發(fā)明實施例的光纖光柵解調(diào)儀頻率、通道擴展方法，包括以下步驟：

S1、寬譜光源通過頻率為f的壓電陶瓷型可調(diào)諧波長濾波器后，進入第一待測光柵通道和第二待測光柵通道，不同的待測光柵通道連接不同的待測光柵；

S2、若為通道擴展模式，則在驅(qū)動波的上升階段，輸出第二待測光柵通道的光信號，采集該第二待測光柵通道的上升沿光信號并進行修正和解調(diào)；在驅(qū)動波的下降階段，輸出第一待測光柵通道的光信號，采集該第一待測光柵通道的下降沿光信號并進行修正和解調(diào)；

S3、若為頻率擴展模式，則始終輸出其中一個待測光柵通道的光信號，采集該待測光柵通道的光信號的上升沿和下降沿，并進行修正和解調(diào)，解調(diào)后的信號的頻率為2f；

S4、根據(jù)不同擴展模式，分別輸出解調(diào)后的信號。

其中步驟S3中的修正和調(diào)節(jié)方法可采用之前申請人申請的專利中的方法，公開號為105278206A(申請?zhí)?015107962007)，在此不贅述。

進一步地，本發(fā)明一個具體實施例，如圖4所示，寬譜光源1通過頻率為f壓電陶瓷型可調(diào)諧波長濾波器2進入待測光柵通道。FPGA芯片將上升沿采集到的數(shù)據(jù)D_u和下降沿采集到的數(shù)據(jù)D_d分開保存并進行修正和解調(diào)。解調(diào)完成后，系統(tǒng)會判斷是否為通道擴展模式，若不是則會默認(rèn)為頻率擴展模式。當(dāng)系統(tǒng)為通道擴展模式時(模擬開關(guān)地址位A₀與同步矩形波相連)，F(xiàn)PGA將上升沿的解調(diào)結(jié)果作為CH1的數(shù)據(jù)，將下降沿的解調(diào)結(jié)果作為CH2的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)了通道擴展。當(dāng)系統(tǒng)為頻率擴展模式時(模擬開關(guān)地址位A₀與高電平相連)，F(xiàn)PGA將上升沿和下降沿的解調(diào)結(jié)果都作為CH1的數(shù)據(jù)，可輸出頻率為2f的解調(diào)結(jié)果，從而實現(xiàn)了頻率擴展。

本實施例中選用半導(dǎo)體環(huán)形腔激光器SOA作為光源。選用光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)具作為光學(xué)柵格生成器31，標(biāo)準(zhǔn)具具有波長穩(wěn)定性好等優(yōu)點。光電采集模塊中光電轉(zhuǎn)換電路由同軸探測器、對數(shù)放大器構(gòu)成；數(shù)據(jù)采集模塊由高速A/D采集芯片和FPGA芯片構(gòu)成，數(shù)據(jù)處理及修正模塊采用ARM9處理器實現(xiàn)。

綜上，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1)本發(fā)明在不增加任何器件的情況下，可以實現(xiàn)通道的擴展，降低了A/D采集芯片所需的通道數(shù)，為多通道光纖光柵解調(diào)儀降低了成本。

2)本發(fā)明在不增加任何器件的情況下，可以實現(xiàn)采集頻率的翻倍，為高速光纖光柵解調(diào)儀提供了更加簡單的方案，可用于震動、聲音等領(lǐng)域的測量。

3)本發(fā)明可將通道擴展和頻率擴展集成一體化，便于用戶根據(jù)不同需求進行選擇。

以上實施例僅供說明本發(fā)明之用，而非對本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變換或變型，因此所有等同的技術(shù)方案，都落入本發(fā)明的保護范圍。