本發(fā)明屬于光纖傳感領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于多波長脈沖差分調(diào)制的光纖光柵陣列傳感解調(diào)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

光纖光柵傳感解調(diào)技術(shù)是光纖光柵傳感技術(shù)工程化研究的一個重要的研究領(lǐng)域。以光纖作為傳輸介質(zhì)，通過各種傳感復(fù)用技術(shù)大規(guī)模接入光纖光柵傳感單元陣列，從而實現(xiàn)大容量、高精度、長距離的準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)。由于光纖光柵傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、安全性高、抗電磁干擾、耐腐蝕等獨特優(yōu)勢，相較傳統(tǒng)的傳感系統(tǒng)，光纖光柵傳感系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)更加廣泛地應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、環(huán)境指標(biāo)監(jiān)測保護(hù)、電網(wǎng)安全運行維護(hù)、海洋資源勘探開發(fā)、國防安全等特殊領(lǐng)域中。目前，光纖光柵傳感系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)面臨著傳感解調(diào)容量有限、傳感解調(diào)速度較慢以及解調(diào)信噪比要求較高等難題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種基于多波長脈沖差分調(diào)制的光纖光柵陣列傳感解調(diào)系統(tǒng)，旨在解決傳統(tǒng)的光纖傳感解調(diào)系統(tǒng)中解調(diào)容量小、解調(diào)速度慢以及解調(diào)所需信噪比高的問題。

本發(fā)明提供了一種基于多波長脈沖差分調(diào)制的光纖光柵陣列傳感解調(diào)系統(tǒng)，包括：多波長激光光源、光電調(diào)制器、光纖光柵傳感鏈路和解調(diào)裝置；所述光電調(diào)制器的輸入端連接至多波長激光光源的輸出端，所述光纖光柵傳感鏈路的輸入端連接至所述光電調(diào)制器的輸出端，所述光纖光柵傳感鏈路的輸出端連接所述解調(diào)裝置；所述多波長激光光源用于產(chǎn)生多波長連續(xù)光；所述光電調(diào)制器用于對所述多波長連續(xù)光在時域進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制后獲得一定重復(fù)頻率與脈沖寬度的調(diào)制脈沖序列；所述光纖光柵傳感鏈路用于對調(diào)制脈沖序列進(jìn)行反射作用并輸出傳感信號光，其中，位于不同波長的調(diào)制脈沖序列將被不同工作波長的光纖光柵所反射，而相同波長的調(diào)制脈沖序列在被相同工作波長的光纖光柵反射同時，不同反射時刻將由對應(yīng)光纖光柵不同位置所決定；所述解調(diào)裝置用于對所述傳感信號光進(jìn)行解調(diào)并獲得傳感信息變化量以及傳感量變化位置。

更進(jìn)一步地，所述光纖光柵傳感鏈路包括：光環(huán)形器、光波分復(fù)用器、n個光延遲線和由n個光纖光柵構(gòu)成的光纖光柵陣列；所述光環(huán)形器的輸入端作為所述光纖光柵傳感鏈路的輸入端，所述光環(huán)形器的輸出端作為所述光纖光柵傳感鏈路的輸出端；所述光波分復(fù)用器的第一輸入輸出端連接至所述光環(huán)形器的輸入輸出端；所述光波分復(fù)用器具有n個第二輸入輸出端，每一個第二輸入輸出端均通過一個光延遲線和一個光纖光柵連接；n為大于等于2的正整數(shù)；所述光環(huán)形器用于接收調(diào)制好的多波長光并輸出返回的傳感信號光；所述光波分復(fù)用器用于將多波長脈沖光按照兩兩分組，分別進(jìn)入到不同傳感支路進(jìn)行檢測；所述光延遲線用于通過引入不同的延時，使得在解調(diào)時不同支路的返回脈沖出現(xiàn)在不同的時刻范圍內(nèi)，從而起到區(qū)分識別不同傳感支路的作用；所述光纖光柵陣列用于提供準(zhǔn)分布式傳感信息。

更進(jìn)一步地，所述光纖光柵陣列中每一路光纖光柵串具有相同的反射波長，且不同傳感支路上光纖光柵串的反射波長不相同。

更進(jìn)一步地，不同傳感支路上光纖光柵串的反射波長設(shè)置為入射該條傳感支路的兩個信號光波長之間。

更進(jìn)一步地，不同傳感支路上光纖光柵串的反射波長設(shè)置為相鄰兩個波長中間處。

更進(jìn)一步地，工作時，調(diào)制脈沖序列經(jīng)環(huán)形器后入射到光波分復(fù)用器中，波分復(fù)用器按照入射光的波長進(jìn)行兩兩分配，使得進(jìn)入到光纖光柵陣列中每一條支路上有兩個相鄰波長的脈沖調(diào)制光，且每條支路上的兩個相鄰波長脈沖調(diào)制光將經(jīng)過不同時延量的光延遲線，入射光經(jīng)過光纖光柵陣列反射后再次通過光波分復(fù)用器與光環(huán)形器后輸出傳感信號光。

更進(jìn)一步地，所述n為光源的波長數(shù)目的一半。

更進(jìn)一步地，所述解調(diào)裝置包括：依次連接在所述光纖光柵傳感鏈路的輸出端的光電探測器、數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)據(jù)處理單元；所述光電探測器用于接收所述傳感信號光并將其轉(zhuǎn)換為電信號；所述數(shù)據(jù)采集卡用于采集所述電信號；所述數(shù)據(jù)處理單元用于對電信號進(jìn)行處理后獲得每個脈沖的延時量。

本發(fā)明中通過脈沖光返回時間來確定傳感光柵單元所在位置，從而能夠在覆蓋較大范圍的傳感監(jiān)測區(qū)域中快速準(zhǔn)確的確定所傳感參量發(fā)生變化的實際對應(yīng)位置。通過相鄰波長的兩處脈沖光進(jìn)行強(qiáng)度差分計算，可以得到該反射光柵單元的波長漂移量。本發(fā)明采用多波長調(diào)制技術(shù)，將調(diào)制在多波長上的脈沖光作為傳感信號光，對比傳統(tǒng)常采用的自發(fā)輻射寬光譜光源，具有更高的功率譜密度，因而在接收時具有更高的信噪比。此外在不同傳感支路上使用不同的兩相鄰波長，通過波分復(fù)用技術(shù)可以對不同傳感支路反射光進(jìn)行并行處理，從而可以避免空間切換工作方式，提高傳感解調(diào)的速度。由于信噪比增加，使得傳感距離可以延長，繼而結(jié)合時分復(fù)用技術(shù)，使得同一條支路上可接入的傳感單位數(shù)目可以得到進(jìn)一步增加，從而增加整個光柵傳感陣列的解調(diào)容量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的基于多波長脈沖差分調(diào)制的光纖光柵陣列傳感解調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，1為多波長激光光源，2為光電調(diào)制器，3為光環(huán)形器，4為光波分復(fù)用器，5為光延遲線，6為光纖光柵陣列，7為光電探測器，8為數(shù)據(jù)采集卡，9為數(shù)據(jù)處理單元。

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(jìn)行進(jìn)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僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明提供的基于多波長脈沖差分調(diào)制的光纖光柵陣列傳感解調(diào)系統(tǒng)可以應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、環(huán)境指標(biāo)監(jiān)測保護(hù)、海洋資源勘探開發(fā)等領(lǐng)域。本發(fā)明提供的光纖光柵陣列傳感解調(diào)系統(tǒng)是一種大容量、高信噪比、快速的準(zhǔn)分布式光纖傳感解調(diào)方案，能夠克服傳統(tǒng)的光纖傳感解調(diào)方案中解調(diào)容量小、解調(diào)速度慢以及解調(diào)所需信噪比高的不足之處。

本發(fā)明中光纖傳感解調(diào)方案的多波長脈沖調(diào)制光由多波長激光光源配合光電調(diào)制器共同產(chǎn)生。多波長激光光源1用于產(chǎn)生具有0.4nm-2nm波長間隔的窄帶多波長光。光電調(diào)制器2用于將多波長連續(xù)光調(diào)制成0.4nm-2nm重復(fù)頻率與脈沖寬度的光脈沖序列。

光纖光柵傳感鏈路由光環(huán)形器3、光波分復(fù)用器4、光延遲線5、光纖光柵陣列6組成。光環(huán)形器3的作用是將調(diào)制好的多波長光傳遞到光纖光柵傳感鏈路，并將從鏈路中返回的傳感信號光傳遞到解調(diào)裝置。光波分復(fù)用器4的作用是將多波長脈沖光按照兩兩分組，分別進(jìn)入到不同傳感支路進(jìn)行檢測。光延遲線5的作用是通過引入不同的延時，使得在解調(diào)時不同支路的返回脈沖出現(xiàn)在不同的時刻范圍內(nèi)，從而起到區(qū)分識別不同傳感支路的作用。光纖光柵陣列6主要是作為傳感單元，提供準(zhǔn)分布式傳感信息。光纖光柵陣列中每一路光纖光柵串具有相同的反射波長，并且反射率較低，從而可以降低光柵間的多路徑串?dāng)_效應(yīng)。不同傳感支路上光纖光柵串的反射波長并不相同，該波長一般會設(shè)計在入射該條傳感支路的兩個信號光波長之間。作為本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，是將該波長選擇在相鄰兩個波長中間處，這樣可以保證在傳感參量沒有變化情況下，相鄰兩返回脈沖的強(qiáng)度差分為1，從而更好得起到歸一化標(biāo)定的作用。

解調(diào)裝置由光電探測器7、數(shù)據(jù)采集卡8及數(shù)據(jù)處理單元9構(gòu)成。光電探測器7作用是將返回的傳感信號光轉(zhuǎn)化成電信號。數(shù)據(jù)采集卡8作用是將轉(zhuǎn)化成的模擬電信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號。數(shù)據(jù)處理單元9的作用是將得到的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號通過數(shù)據(jù)算法分析，提取傳感光柵的位置信息以及傳感參量的變化信息。

本發(fā)明采用多波長調(diào)制的脈沖光作為傳感信號光，對比傳統(tǒng)的寬光譜光源具有更高的信噪比，可以對不同傳感支路反射光進(jìn)行并行處理，不僅可以增加傳感單元節(jié)點數(shù)目，增大傳感有效距離，同時也提高了解調(diào)的速度；同時，通過脈沖光返回時間可以來確定傳感光柵單元所在位置，從而能夠在覆蓋較大范圍的傳感監(jiān)測區(qū)域中快速準(zhǔn)確得確定所傳感參量發(fā)生變化的實際對應(yīng)位置；另外還通過相鄰波長的兩處脈沖光進(jìn)行強(qiáng)度差分計算，可以得到該反射光柵單元的波長漂移量。

本發(fā)明的解調(diào)方法是利用多波長調(diào)制光脈沖的時延和強(qiáng)度來實現(xiàn)準(zhǔn)分布式的傳感解調(diào)。基本原理解釋如下：多波長激光光源產(chǎn)生的光信號具有一定波長間隔的多個窄帶光波長。其經(jīng)過光電調(diào)制器調(diào)制后得到不同波長上的一定重復(fù)頻率與脈沖寬度的脈沖光序列。由光波分復(fù)用器將多波長脈沖光按照兩兩分組，分別進(jìn)入到不同傳感支路進(jìn)行檢測。其中進(jìn)入不同傳感支路的信號光將通過不同長度的光延遲線，從而引入特定的時延量，以便在探測接收時區(qū)分不同傳感支路的返回信號。光纖光柵陣列主要是作為傳感單元，提供準(zhǔn)分布式傳感信息。經(jīng)過光纖光柵陣列反射攜帶傳感信息的信號光再次經(jīng)光波分復(fù)用器與光環(huán)形器后，進(jìn)入到光電探測器完成光電轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)采集卡將得到的模擬電信號繼而轉(zhuǎn)化成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號，通過數(shù)據(jù)處理單元完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)算法分析，從中提取傳感光柵的位置信息以及傳感參量的變化信息。

該解調(diào)方案中，每一傳感支路的解調(diào)信號由兩個相鄰波長的脈沖序列構(gòu)成。不同支路的解調(diào)所用波長并不相同，從而可以解決不同支路間解調(diào)信號的串?dāng)_問題，使得不同支路同時進(jìn)行解調(diào)成為可能。對于同一傳感支路的不同光柵，通過類似于時域反射儀的數(shù)據(jù)處理，從返回脈沖相對于入射參考時刻的延時來判斷不同光柵的位置信息，該位置數(shù)值上由該延時量的一半乘上光在光纖中傳播的速度所得到；而光柵本身由于環(huán)境參量變化帶來的波長漂移信息則可通過分別位于兩個不同波長處相鄰脈沖的強(qiáng)度差分變化來獲取。

一般來講，單個支路上光柵工作的反射波長均位于相鄰兩個入射波長之間；n條支路，n為光源的波長數(shù)目的一半?；谠摻庹{(diào)原理，需要指出的是，多波長光源的波長數(shù)目、脈沖序列的功率強(qiáng)度以及光柵反射率大小將決定該傳感系統(tǒng)的容量。多波長數(shù)目將決定所能接入的傳感支路數(shù)目；而在光柵反射率不變條件下，脈沖強(qiáng)度越強(qiáng)，則單支路上可接入的光柵數(shù)目越多；同樣當(dāng)光柵反射率較小時，在相同入射脈沖強(qiáng)度下，單支路上可接入的光柵數(shù)目越多。整個傳感系統(tǒng)的容量由系統(tǒng)傳感支路數(shù)目乘上單支路上可接入的最多光柵數(shù)目所決定。而相鄰入射兩波長間隔將決定解調(diào)的靈敏度以及光柵波長漂移動態(tài)范圍；該波長間隔選擇較窄，將會提高解調(diào)靈敏度，但是動態(tài)范圍會變??；同理該波長間隔選擇較寬，則動態(tài)范圍會變大，而解調(diào)靈敏度會降低。因此該波長間隔的選擇需要在解調(diào)靈敏度與動態(tài)范圍之間找到平衡。

本發(fā)明的優(yōu)點是首次提出了一種基于多波長光源調(diào)制的大容量、高信噪比、快速的準(zhǔn)分布式光纖傳感解調(diào)方案。該方案通過波分復(fù)用和時分復(fù)用極大程度上對光柵傳感系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容；同時通過檢測相鄰波長上兩個脈沖功率強(qiáng)度并進(jìn)行差分處理從而提取光柵波長漂移信息，使得傳感多路同時并行解調(diào)成為可能，將會極大提升系統(tǒng)解調(diào)速度。另外，采用多波長光源兼具高信噪比的功能，能夠提升傳感系統(tǒng)的可靠性和覆蓋范圍。

傳統(tǒng)的光纖光柵陣列解調(diào)方式由于多采用寬光譜光源，使得不同傳感支路入射光無法區(qū)分，通常需要采用光開關(guān)的方式對不同的傳感支路進(jìn)行空間光路切換來實現(xiàn)。而本發(fā)明采用多波長傳感光源，并且在波長分配上嚴(yán)格按照不同傳感支路使用不同的兩個相鄰入射波長的方式來進(jìn)行傳感信息的處理，從而使得各條支路同時并行工作成為可能。

如圖1所示，本例中多波長脈沖調(diào)制光由多波長激光光源1和光電調(diào)制器2提供。其中，多波長激光光源1產(chǎn)生多波長連續(xù)光；光電調(diào)制器2對所產(chǎn)生的多波長連續(xù)光在時域進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，得到一定重復(fù)頻率與脈沖寬度的調(diào)制脈沖序列。該輸出多波長脈沖調(diào)制光光經(jīng)環(huán)形器3后入射到光波分復(fù)用器4中。波分復(fù)用器4按照入射光的波長進(jìn)行兩兩分配，使得進(jìn)入到光纖光柵陣列6中每一條支路上有兩個相鄰波長的脈沖調(diào)制光。并且每條支路上的兩個相鄰波長脈沖調(diào)制光將經(jīng)過不同時延量的光延遲線5。入射光經(jīng)過作為傳感單元的光纖光柵陣列6反射后再次通過光波分復(fù)用器4與光環(huán)形器3，被光電探測器7接收并轉(zhuǎn)換為電信號。之后再經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡8轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，在數(shù)據(jù)處理單元9中進(jìn)行分析計算。

數(shù)據(jù)處理單元9主要是存儲接收脈沖的時間和強(qiáng)度信息，并對照光電調(diào)制器2初始觸發(fā)時刻來計算處理獲得每個脈沖的延時量。其具體處理流程如下：首先對照不同支路上通過光纖延時線5引入的不同延時量，依據(jù)不同脈沖串的延時來確定正在處理的傳感信息究竟來自哪條支路。其次在相同一組脈沖串里，根據(jù)相鄰的兩個脈沖串所處的延時來進(jìn)一步確定正在處理的傳感信息究竟來自于同一支路的哪個傳感單元。最后根據(jù)相鄰的兩個脈沖串之間的強(qiáng)度差分變化來提取該傳感單元的波長漂移量，進(jìn)而可根據(jù)所傳感參量的物理變化特性來分析得到所傳感參量的變化量。

本發(fā)明采用多波長調(diào)制的脈沖光作為傳感信號光，對比傳統(tǒng)的寬光譜光源具有更高的信噪比，可以對不同傳感支路反射光進(jìn)行并行處理，不僅可以增加傳感單元節(jié)點數(shù)目，增大傳感有效距離，同時也提高了解調(diào)的速度。通過脈沖光返回時間可以來確定傳感光柵單元所在位置。而通過相鄰波長的兩處脈沖光進(jìn)行強(qiáng)度差分計算，可以得到該反射光柵單元的波長漂移量。

最后所應(yīng)說明的是，以上具體實施方式僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。