高信噪比高精度的光纤传感解调系统及其实现方法

1.本发明属于光纤温度传感器领域，尤其涉及一种高信噪比高精度的光纤传感解调系统及其实现方法。


背景技术：

2.光纤光栅(fiberbragg gratin，fbg)传感器具有无源性、抗干扰强、耐腐蚀强等特点，适合于隧道、管廊等惧电环境进行分布式测量。信号解调是光纤光栅传感器应用的核心技术，传统的方法是对光信号传输过程中折射率受温度影响引起的波长偏移进行解调，具有较高的安全性。但是波长的偏移需用光谱仪观察，以至于系统体积大、成本高，限制了实用化的推广。很研究提出用相位解调代替波长解调。相位干涉解调法是利用参考光与传感光在发生干涉后产生一定的相位差，通过光电探测器检测干涉光的光强来获得相位信息，具有灵敏度高、抗干扰性强等优点。但是干涉相位解调法需要严格的干涉条件和复杂的算法，存在动态范围小、解调速度慢、结构复杂、制作困难等问题，难以大批量生产。相比前二者，光强解调法是将传感光与参考光的相对波长偏移转换为光强，通过测量输出光谱的光强变化实现解调，比如sagnac边缘滤波法和重叠谱功率监测法。sagnac边缘滤波法系统结构简单，制作成本较低，但其原理是采用干涉滤波，系统的稳定性仍受干涉条件的制约。重叠谱功率监测法是通过监测两路光纤光栅的重叠谱的功率大小来实现解调，系统简单易实现，但是传统的功率监测的是直流信号，抗噪声差，易受光源及光路干扰，解调精度低。为了提高抗噪声能力和精度，传感头需采用增敏型光纤光栅，而增敏型光纤光栅的封装结构特殊，不仅价格贵，而且灵活性低，不适合弯曲或者在液体中浸泡应用。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于解决现有结构存在的使用光谱仪、光功率计、直流光强解调等解调方法存在的价格昂贵、不实用、抗噪能力差等问题，提供一种高信噪比高精度的光纤传感解调系统及其实现方法，该系统抗噪声能力强，解调精度高，避免了光谱仪、光功率计和解调仪的使用，具有结构简单、直观、成本低、便携等优点。
4.为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种高信噪比高精度的光纤传感解调系统，包括光路解调单元、光电转换电路单元和信号处理单元；所述光路解调单元利用两fbg的反射谱的功率与波长偏移成线性关系来大小实现温度变化的监测；所述光电转换电路单元将所述光路解调单元的输出转换为电压信号并传输给信号处理单元；所述信号处理单元根据电压信号，并基于电压-温度关系显示出温度监控情况。
5.在本发明一实施例中，光路解调单元包括作为参考光纤光栅的光纤光栅fbga、作为传感光纤光栅的光纤光栅fbgb、用于将光源调制诚脉冲光的声光调制器aom、用于光纤光栅fbga透射光和入射光分流的第一3口环形器、用于将光纤光栅fbgb的反射光接入光电接收子模块rosa的第二3口环形器；
6.光电转换电路单元包括用于将光纤光栅fbgb的反射光转为电流信号的光电接收
子模块rosa，并通过串接电阻转为电压信号；
7.信号处理单元包括用于采集电压信号的锁相环pll、集成显示的mcu，以及一与mcu通过无线通信连接的用于显示温度状况信息的上位机。
8.在本发明一实施例中，所述声光调制器aom一端连接宽带光源ase，另一端接第一3口环形器1端口；第一3口环形器2端口接光纤光栅fbga一端，3端口接光纤光栅fbgb一端；第二3口环形器1端口接光纤光栅fbga一端，2端口接光纤光栅fbgb一端，3端口接光电接收子模块rosa一端；光纤光栅fbga作另一端用帽套住；光纤光栅fbgb另一端用帽套住；光接收子模块rosa另一端接锁相环pll一端；锁相环pll另一端接mcu。
9.在本发明一实施例中，宽带光源ase产生的连续光源经过声光调制器aom的调制后变为脉冲光，在忽略传输损耗的前提下，当光纤光栅fbga和光纤光栅fbgb处于相同的温度环境时，光纤光栅fbgb反射回来的光强不变；当光纤光栅fbgb受到温度影响时，反射光强随着温度变化；通过测量反射光功率与温度的对应关系，标定传感关系式，即可实现温度状况监测；光强经光电接收子模块rosa转为电信号，其频率与脉冲光调制的频率一致。
10.在本发明一实施例中，所述宽带光源ase产生中心波长为1540nm-1560nm、功率20mw的光源。
11.在本发明一实施例中，所述脉冲光频率为10khz。
12.在本发明一实施例中，所述光纤光栅fbga、光纤光栅fbgb均为啁啾光纤光栅。
13.在本发明一实施例中，光纤光栅fbga、光纤光栅fbgb的带宽均为10nm，光纤光栅fbga的中心波长为1550nm，光纤光栅fbgb的中心波长为1555nm。
14.在本发明一实施例中，所述锁相环pll为双相锁相pll环。
15.本发明还提供了一种基于上述所述的高信噪比高精度的光纤传感解调系统的实现方法，在重叠谱功率监测的基础上，通过光路解调单元将连续光源调制成某一频率的脉冲光，传感后的光强经光电转换电路单元转换为电压电信号后由信号处理单元中的锁相环检测信号强度，锁相环输出是一个与相位无关的直流量，只需保持参考信号与脉冲光调制的频率一致，即可在锁相环输出端解调出待测电压信号的幅值，而后基于电压-温度关系即可显示出温度监控情况。
16.相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明在重叠谱功率监测的基础上，将连续光源调制成某一频率的脉冲光，传感后的光强经光电探测器转换为脉冲信号后由锁相环检测信号强度。得益于锁相环可以在噪声中提取微弱信号的优点，提出的新系统不仅抗噪声强、动态范围广、精度高，而且采用普通fbg作为传感头，成本低、灵活性好。同时，系统使用的锁相环采用的是双相锁相结构，输出是一个与相位无关的直流量，只需保持参考信号与脉冲光源一样的频率，即可在输出端解调出待测信号的幅值。相对基于波长扫描和相位检测的解调方法，监测功率变化更加直接有效。相对sagnac的光强解调方法，基于锁相环的检测方式具有信噪比高、精度高、稳定性好等优点。系统避免了光谱仪、光功率计和解调仪的使用，具有结构简单、直观、成本低、便携等优点。
附图说明
17.图1为本发明实施例的系统示意图。
18.图2为本发明实施例的反射谱与温度变化示意图。
19.图3为本发明实施例的锁相环提取微弱信号示意图。
20.图4为本发明实施例的锁相电压-温度特性曲线。
21.图5为本发明实施例的系统信噪比对比图。
22.图6为本发明的解调结果图。图7为系统实际的温度实时跟踪曲线图。
具体实施方式
23.下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。为让本专利申请的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
24.如图1所示，本发明提供了一种高信噪比高精度的光纤传感解调系统，包括：光路解调单元、光电转换电路单元和信号处理单元。光路解调单元包括两路光纤光栅fbga及fbgb、一个声光调制器aom和2个3口环形器，利用两fbg的反射谱的功率与波长偏移成线性关系来大小实现温度变化的监测；光电转换电路单元由光电接收子模块rosa串接电阻实现电流转电压信号。信号处理单元包括双相锁相pll环和集成显示的mcu构成，将锁相后的电压通过无线方式传给上位机，上位机根据标定的电压-温度关系显示温度状况。
25.在本实施例中，宽带光源ase用于产生中心波长为1540nm-1560nm、功率20mw的光源；
26.在本实施例中，声光调制器用于将连续光源调制成10khz的脉冲光，一端连接ase，另一端接3口环形器1。
27.在本实施例中，3口环形器1用于啁啾光纤光栅fbga透射光和入射光的分流，1端口接aom，2端口接啁啾光纤光栅fbga，3端口接啁啾光纤光栅fbgb。
28.在本实施例中，3口环形器2用于将fbgb的反射光接入rosa。3口环形器2的1端口接fbga，2端口接啁啾光纤光栅fbgb，3端口接rosa。
29.在本实施例中，啁啾光纤光栅fbga作为参考光纤光栅，一端接3口环形器1的2端口，另一端用帽套住，悬空不接。
30.所述啁啾光纤光栅fbgb作为传感光纤光栅，一端接3口环形器2的2端口，另一端用帽套住，悬空不接。
31.在本实施例中，光接收子模块rosa用于将fbgb的反射光转为电流信号，串接电阻后转为电压信号，供锁相环pll采集。一端接3口环形器2的3端口，另一端接锁相环pll。
32.在本实施例中，锁相环pll用于将10khz的信号锁定后提取出来，可以有效地抑制光电噪声，提高系统信噪比。锁相环pll为双相锁相环，内置有信号源和相乘滤波器。信号源用于产生参考信号和具有90度相位偏移的另一路参考信号，可以设定参考信号的频率。相乘滤波器用于将两路参考信号分别与输入信号相乘滤波后得到直流信号。pll的一端接rosa，另一端接mcu，mcu内集成有显示模块。
33.在本实施例中，mcu将锁相输出电压通过无线的方式传到上位机。
34.在本实施例中，上位机根据实验标定的电压-温度关系显示出温度监控情况。
35.在本实施例中，光源经过aom调制后从环形器1的1口到达2口，2口接fbga，环形器1的3口接环形器2的1口。光信号经fbga反射后经过环形器2的2口入射到fbgb，fbgb的反射光经过环形器2的3口入射到rosa。rosa将转换后的电流经串接电流转为电压后给锁相环。当
fbga和fbgb处于相同的温度环境时，fbgb的反射光谱不变。当fbga处于某一固定温度状态，而fbgb受到了温度影响，则fbgb的中心波长会发生偏移(长波或者短波方向)。图2是反射谱的示意图，其中fbga作为参考光纤光栅，fbgb作为传感光纤光栅。由于光纤光栅波长偏移的正温度特性，中心波长往长波方向移动。当fbgb的中心波长大于fbga时，重叠谱变小，如图2(b)所示；反之，重叠谱变大，如图2(c)所示。
36.假设fbgb的带宽是b
t
，受温度影响引起的波长偏移量为δλb，则fbga与fbgb的反射谱宽度为或者是波长偏移量δλb对应的光功率变化量δp
t
为偏移内各点波长λ对应的光功率p(λ)之和，即
[0037][0038]
其中k＝a1p
ibi
，ai是三端口环形器的损耗因子，pi是入射到fbgb的总功率，bi是入射光带宽。当入射光带宽和功率一定时，k是常数，因此光功率的变化与波长的偏移量成正比。由于光纤光栅的波长偏移与温度成正比，因此光功率的变化与温度成正比，温度的大小可以通过测量光功率值进行标定。
[0039]
受环形器和光电探测器的影响，传感信号一般是淹没在噪声中的微弱信号，锁相放大器可以将微弱信号从噪声中提取出来并对其进行准确测量。传统的锁相环是基于相敏检测技术(psd)(phase-sensitive detection)，利用与待测信号有相同频率和固定相位关系的参考信号作为基准，提取出与参考信号有关的信号分量，过滤掉参考频率以外的噪声分量。本系统使用双相锁相环，输出的是与信号的相位无关的直流信号，参考信号只需和待测信号的频率保持一致，而不需要同步，实现示意图如图3所示。
[0040]
系统中的光信号是脉冲型，经过光电转换后得到的信号是脉冲信号。假设脉冲信号经过傅里叶分解后为其中ai、w、分别是输入信号的幅值、频率和相位。两路参考信号分别为s
r1
(t)＝a
r sin(wt+δ)和s
r2
(t)＝a
r cos(wt+δ)，其中ar、w、δ分别是参考信号的幅值、频率和相位。输入信号与两路参考信号分别进入乘法器后得到s
psd1
(t)和s
psd2
(t)，则
[0041][0042][0043]spsd1
(t)与s
psd2
(t)各自经过低通滤波器后得到s
lpf1
(t)和s
lpf2
(t)：
[0044][0045][0046]
对s
lpf1
(t)及s
lpf2
(t)进行平方后开方得到s
out
(t)：
[0047][0048]
由此可知，s
out
(t)是一个与信号的频率和相位无关的直流信号，参考信号只需和待测信号的频率保持一致，而不需要同步。设定参考信号的幅值为1v，数据处理时将采集的数据乘以即可得到待测信号的幅值。
[0049]
在本实施例中，根据图1的示意图进行实物测试搭建测试。实验中，采用恒温水箱水浴加热的方式。温度从10℃连续加热到90℃，每隔5s采样一次，使用标准的电子温度传感器实时将水箱中温度与锁相电压同步发送给上位机。在实验中，信号源用于产生脉冲信号和参考信号。我们将占空比为50％的10khz的脉冲信号设置为调制信号，并将参考信号的幅度设置为1v。锁相采样的电压与温度的关系如图4所示。从图4中可知，加热过程和冷却过程的线性拟合非常接近，因此我们只在图4中表示了加热过程的线性拟合。其中，线性适应度的r平方约为0.99935，所提出的传感器的温度系数(tc)为0.796mv/℃。
[0050]
当电压温度系数如此之小时，很难从噪声中准确识别采样电压。可能需要温度敏感的光纤光栅作为传感器头。然而，该系统的成本、灵活性和温度范围受到其特殊封装结构的限制。在该系统中，当传感器头是普通光纤光栅时，我们使用一种pll从噪声中提取采样电压。通过与直流光强信号解调系统的对比实验，验证了该系统的抗噪声性能。结果如图5所示，图5(a)显示了噪声随温度的变化，而图5(b)显示了信噪比随温度变化。如图5(a)所示，中间的线条代表改进后的系统，最大噪声值为0.11mv，上下波动起伏较大的线条代表之前的系统，，其最大噪声值是0.0188v。可以看出，pll极大地抑制了所提出系统的噪声。
[0051]
在本实施例中，mcu将数据发送到pc远程监控终端。图6显示了系统的测量温度。温度在10℃至90℃的范围内连续测量，包括加热和冷却。如图6所示，加热过程和冷却过程基本一致，因此我们在图6中只表示了加热过程的线性拟合数据。线性适应度的r平方为0.99985，斜率为1.00187。测试温度值接近设定温度，最大标准偏差约为0.4981℃，表明该传感器具有较高的精度。图7显示了系统实际的温度实时跟踪曲线图，可以看出，解调温度能高精度低噪声地跟踪设定温度。
[0052]
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种高信噪比高精度的光纤传感解调系统，其特征在于，包括光路解调单元、光电转换电路单元和信号处理单元；所述光路解调单元利用两fbg的反射谱的功率与波长偏移成线性关系来大小实现温度变化的监测；所述光电转换电路单元将所述光路解调单元的输出转换为电压信号并传输给信号处理单元；所述信号处理单元根据电压信号，并基于电压-温度关系显示出温度监控情况。2.根据权利要求1所述的高信噪比高精度的光纤传感解调系统，其特征在于，光路解调单元包括作为参考光纤光栅的光纤光栅fbga、作为传感光纤光栅的光纤光栅fbgb、用于将光源调制诚脉冲光的声光调制器aom、用于光纤光栅fbga透射光和入射光分流的第一3口环形器、用于将光纤光栅fbgb的反射光接入光电接收子模块rosa的第二3口环形器；光电转换电路单元包括用于将光纤光栅fbgb的反射光转为电流信号的光电接收子模块rosa，并通过串接电阻转为电压信号；信号处理单元包括用于采集电压信号的锁相环pll、集成显示的mcu，以及一与mcu通过无线通信连接的用于显示温度状况信息的上位机。3.根据权利要求2所述的高信噪比高精度的光纤传感解调系统，其特征在于，所述声光调制器aom一端连接宽带光源ase，另一端接第一3口环形器1端口；第一3口环形器2端口接光纤光栅fbga一端，3端口接光纤光栅fbgb一端；第二3口环形器1端口接光纤光栅fbga一端，2端口接光纤光栅fbgb一端，3端口接光电接收子模块rosa一端；光纤光栅fbga作另一端用帽套住；光纤光栅fbgb另一端用帽套住；光接收子模块rosa另一端接锁相环pll一端；锁相环pll另一端接mcu。4.根据权利要求3所述的高信噪比高精度的光纤传感解调系统，其特征在于，宽带光源ase产生的连续光源经过声光调制器aom的调制后变为脉冲光，在忽略传输损耗的前提下，当光纤光栅fbga和光纤光栅fbgb处于相同的温度环境时，光纤光栅fbgb反射回来的光强不变；当光纤光栅fbgb受到温度影响时，反射光强随着温度变化；通过测量反射光功率与温度的对应关系，标定传感关系式，即可实现温度状况监测；光强经光电接收子模块rosa转为电信号，其频率与脉冲光调制的频率一致。5.根据权利要求2所述的高信噪比高精度的光纤传感解调系统，其特征在于，所述宽带光源ase产生中心波长为1540nm-1560nm、功率20mw的光源。6.根据权利要求2所述的高信噪比高精度的光纤传感解调系统，其特征在于，所述脉冲光频率为10khz。7.根据权利要求2所述的高信噪比高精度的光纤传感解调系统，其特征在于，所述光纤光栅fbga、光纤光栅fbgb均为啁啾光纤光栅。8.根据权利要求2所述的高信噪比高精度的光纤传感解调系统，其特征在于，光纤光栅fbga、光纤光栅fbgb的带宽均为10nm，光纤光栅fbga的中心波长为1550nm，光纤光栅fbgb的中心波长为1555nm。9.根据权利要求2所述的高信噪比高精度的光纤传感解调系统，其特征在于，所述锁相环pll为双相锁相pll环。10.一种基于权利要求1-9任一所述的高信噪比高精度的光纤传感解调系统的实现方法，其特征在于，在重叠谱功率监测的基础上，通过光路解调单元将连续光源调制成某一频
率的脉冲光，传感后的光强经光电转换电路单元转换为电压电信号后由信号处理单元中的锁相环检测信号强度，锁相环输出是一个与相位无关的直流量，只需保持参考信号与脉冲光调制的频率一致，即可在锁相环输出端解调出待测电压信号的幅值，而后基于电压-温度关系即可显示出温度监控情况。

技术总结
本发明涉及一种高信噪比高精度的光纤传感解调系统及其实现方法。包括光路解调单元、光电转换电路单元和信号处理单元；光路解调单元包括作为参考光纤光栅的光纤光栅FBGA、作为传感光纤光栅的光纤光栅FBGB、用于将光源调制诚脉冲光的声光调制器AOM、用于光纤光栅FBGA透射光和入射光分流的第一3口环形器、用于将光纤光栅FBGB的反射光接入光电接收子模块ROSA的第二3口环形器；光电转换电路单元包括用于将光纤光栅FBGB的反射光转为电流信号的光电接收子模块ROSA，通过串接电阻转为电压信号；信号处理单元包括用于采集电压信号的锁相环PLL和集成显示的MCU。本系统抗噪声能力强，解调精度高，避免了光谱仪、光功率计和解调仪的使用，具有结构简单、成本低、便携等优点。便携等优点。便携等优点。


技术研发人员：黄淑燕 胡晓华 张昊 陈伟娟 黄幼萍
受保护的技术使用者：福建江夏学院
技术研发日：2023.07.03
技术公布日：2023/10/7