本發(fā)明涉及光學解調領域，更具體涉及一種光纖光柵解調系統(tǒng)及解調儀。
背景技術：
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光纖布拉格光柵(FBG)是國際上新興的一種在光纖通訊、光纖傳感等光電子處理領域有著廣泛應用前景的基礎性光纖器件。當前FBG的制作與應用研究成為世界各國光纖技術研究的熱點和重點。作為傳感元件，光纖光柵將被感測信息轉化為其反射波長的移動，即波長編碼，因而不受光源功率波動和其系統(tǒng)損耗的影響。另外，光纖光柵具有可靠性好、抗電磁干擾、抗腐蝕等特點，易于將多個光纖光柵串聯(lián)在一根光纖上構成光纖光柵陣列，實現(xiàn)分布式傳感，這是其他傳感元件所不及的。FBG傳感器的關鍵就在于精確的檢測Bragg反射波長的微小移動，即對波長編碼信號進行解調。
從解調的光波信號來看，光纖光柵傳感信號的解調方案包括強度解調、相位解調、頻率解調、偏振解調和波長解調等。其中，波長解調技術具有將感測的信息進行波長編碼，中心波長處窄帶反射，不必對光纖連接器和耦合器損耗及光源輸出功率起伏進行補償?shù)葍?yōu)點，得到了廣泛應用。
在傳感過程中，光源發(fā)出的光波由傳輸通道經連接器進入傳感光柵，傳感光柵在外場(主要是應力和溫度)的作用下，對光波進行調制；接著，帶有外場信息的調制光波被傳感光柵反射(或者透射)，由連接器進入接收通道而被探測器接收解調并輸出。由于探測器接收的光譜包含了外場作用的信息，因而從探測器檢測出的光譜分析及相關變化，即可獲得外場信息的細致 描述。
從檢測方式可以分為反射式和透射式檢測。目前比較典型的主要有以下幾種波長檢測方案：光譜儀和多波長計檢測法，邊緣濾波檢測法，可調諧濾波檢測法，匹配光柵檢測法，波長可調諧光源解調法等。
光纖布拉格光柵解調的直接方法有采用光譜儀或者多波長計等設備來直接讀取，但是這些儀器價格昂貴，體積龐大，一般適用于實驗室。多波長計對波長的測試非常精確，分辨率可以達到0.0004nm，能看到系統(tǒng)的噪聲平臺，但是在功率測量方面不如光譜分析儀，采用波長計解調也有價格昂貴的特點，一般適用于實驗室。
邊緣濾波檢測法基于光強檢測，適用于動態(tài)、靜態(tài)測量，具有較好的線性輸出，測量范圍與探測器的分辨率成正比。該方案的優(yōu)點在于采用了較好的補償措施，能夠有效抑制光源輸出功率的起伏，連接干擾和微彎等不利因素，且系統(tǒng)反應迅速，成本較低，使用方便。不足之處是系統(tǒng)使用了體積光學濾波元件，其測量精度受到濾波器準直和穩(wěn)定性的嚴重影響，故削弱了其便攜性。并且，該系統(tǒng)也無法消除因耦合器分光比的起伏變化，光纖中的雙折射等因素對測量結果的影響.
匹配光柵解調結構簡單，造價低廉，精度高，光路中耦合器數(shù)量較多，光損耗較大；參考光柵在壓電體作用下掃描的區(qū)域較窄，要求傳感光柵與參考光柵嚴格匹配，測量范圍較小，一般限于幾個納米，無法滿足較寬波段傳感信號解調的要求。
可調諧F-P濾波解調方法體積小，測量精度高，可用于分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)。但是它的缺點在于重復性相對較差，濾波損耗較大，目前高性能 的F-P腔主要依賴國外進口，系統(tǒng)成本偏高。
可調諧激光光源方法輸出為極窄帶的脈沖光源，通過不斷調整光源的中心波長來掃描光纖光柵的反射輸出，從而得到在光纖光柵工作帶寬范圍內的反射光譜，通過對反射譜的分析計算獲得光纖光柵的中心波長，從而完成波長解調。這種方法能夠輸出更高功率的光信號，同時可獲得很高的信噪比和分辨力，顯著提高了光纖傳感器的使用數(shù)量限制和應用距離。由于可事先對光源進行定標，避免了現(xiàn)場使用龐大昂貴的光譜儀，使現(xiàn)場檢測簡單方便。
技術實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的是提供一種光纖光柵解調系統(tǒng)及解調儀，以克服現(xiàn)有技術中存在的上述問題。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：一種光纖光柵解調系統(tǒng)，包括：
控制器，控制可調諧激光光源裝置、采集裝置和數(shù)據(jù)分析處理；
采集裝置，接收可調諧光光源裝置的脈沖觸發(fā)信號同時對信號處理電路進行數(shù)據(jù)采集并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至控制器；
可調諧光光源裝置，根據(jù)控制器的控制調整激光光源波長并將激光光源發(fā)送至耦合器；在波長切換時輸出脈沖觸發(fā)信號至采集裝置；
耦合器，接收可調諧光光源裝置的信號并為與所述耦合器串接的光纖光柵傳感器提供光信號；
光電轉換器，接收所述光纖光柵傳感器通過所述耦合器反射的光信號并轉換為電信號；
信號處理電路，接收光電轉換模塊發(fā)送的電信號并進行處理且將處理數(shù) 據(jù)發(fā)送至所述采集裝置。
所述可調諧光光源裝置設有同步觸發(fā)輸出端口，并通過該同步觸發(fā)輸出端口向所述采集裝置發(fā)送所述脈沖觸發(fā)信號。
所述采集裝置設有與所述的同步觸發(fā)輸出端口相匹配的同步觸發(fā)輸入端口；并通過該同步觸發(fā)輸入端口接收所述脈沖觸發(fā)信號。
所述采集裝置每接收一個所述脈沖觸發(fā)信號就進行一次數(shù)據(jù)采集。
所述耦合器為3dB耦合器，并設有兩個分光端口和合路端口；所述合路端口串接若干光纖光柵傳感器。
所述激光光束通過其中一個所述分光端口進入，并通過所述合路端口傳送至所述光纖光柵傳感器；所述光纖光柵傳感器的反射光通過另一個所述分光端口輸出至所述光電轉換器。
所述光纖光柵傳感器為光纖布拉格光柵傳感器；每個所述光纖光柵傳感器的中心波長的偏移范圍均不相同。
所述中心波長的計算過程為：
在初始狀態(tài)下對各個光纖光柵傳感器進行光譜掃描；
假設光纖光柵傳感器數(shù)量為n，按照反射光譜為各個光纖光柵傳感器設定初始中心波長以及中心波長偏移范圍，確保各傳感器的工作波長范圍無交叉重疊；
進行實時掃描和中心波長變化跟蹤。
所述實時掃描和中心波長變化跟蹤過程包括：
i、進行實時掃描并存儲數(shù)據(jù)，將得到的光譜根據(jù)初始預定義的波長區(qū)間進行劃分，每個劃分的區(qū)間對應相應所述光纖光柵傳感器的反射光譜；
ii、從第一個區(qū)間開始計算，設置i＝0；
iii、在i區(qū)間內尋找峰值(λiC,Pimax)，并計算P-3dB＝Pimax-3dBm；
iv、在反射峰左側，從峰值(λiC,Pimax)開始，將各功率值Pm與P-3dB進行比較，一旦出現(xiàn)P-3dB≥Pm，則記錄區(qū)間值A(λm，Pm)和B(λm+1，Pm+1)，在A和B之間利用線性插值法計算出P-3dB對應的波長λL；
v、在反射峰右側，從峰值(λiC,Pimax)開始，將各波長對應的功率值Pm與P-3dB進行比較，當出現(xiàn)P-3dB≥Pm，則記錄區(qū)間值A(λm，Pm)和B(λm-1，Pm-1)，在A和B之間利用線性插值法計算出P-3dB對應的波長λR；
vi、計算所述光纖光柵傳感器i對應的中心波長λiC＝(λL+λR)/2并輸出；
vii、當i<n-1時，則設置i＝i+1,則跳至步驟iii，直至完成n個所述光纖光柵傳感器中心波長的計算；當i＝n-1時,若接收到停止命令則結束尋找，否則跳至步驟i進行實時跟蹤測量；
其中，m是指光譜數(shù)據(jù)表中的索引值，λ為波長，P為功率值。
本發(fā)明提供的一種光纖光柵解調儀，包括如上述技術方案所述的光纖光柵解調系統(tǒng)
和最接近的現(xiàn)有技術比，本發(fā)明提供技術方案具有以下優(yōu)異效果
1、本發(fā)明提供的技術方案能夠輸出更高功率的光信號，同時可獲得很高的信噪比和分辨力；
2、本發(fā)明提供的技術方案顯著提高了光纖傳感器的使用數(shù)量限制和應用距離；
3、本發(fā)明提供的技術方案由于可事先對光源進行定標，避免了現(xiàn)場使用龐大昂貴的光譜儀，使現(xiàn)場檢測簡單方便；
4、本發(fā)明提供的技術方案可同時解調多個測試點，采用PC控制，具有速度快、精度高、動態(tài)范圍大等特點。
附圖說明
圖1為本發(fā)明技術方案提供的系統(tǒng)結構示意圖。
具體實施方式
下面結合實施例對發(fā)明作進一步的詳細說明。
實施例1：
本例的發(fā)明提供了一種光纖光柵解調系統(tǒng)及解調儀，所述系統(tǒng)包括：
控制器，控制可調諧激光光源裝置、采集裝置和進行數(shù)據(jù)分析處理；
采集裝置，通過同步觸發(fā)輸出端口接收可調諧激光光源裝置的脈沖觸發(fā)信號同時對信號處理電路進行數(shù)據(jù)采集并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至控制器；
可調諧光光源裝置，根據(jù)控制器的控制調整激光光源波長并將激光光源發(fā)送至耦合器；在波長切換時輸出脈沖觸發(fā)信號至采集裝置；
耦合器，接收可調諧光光源裝置的信號并為與所述耦合器串接的光纖光柵傳感器提供光信號；
光電轉換器，接收所述光纖光柵傳感器通過所述耦合器反射的光信號并轉換為電信號；
信號處理電路，接收光電轉換模塊發(fā)送的電信號并進行處理且將處理數(shù)據(jù)發(fā)送至所述采集模塊。
本實施例的系統(tǒng)如附圖1所示；所述控制器為上位機，由上位機控制可調諧激光光源、數(shù)據(jù)采集以及進行數(shù)據(jù)分析處理?？烧{諧激光光源具有同步觸發(fā)輸出端口，波長切換時輸出脈沖觸發(fā)信號，所述采集裝置為采集卡，所 述采集卡具有與之配合的同步觸發(fā)輸入端口，二者通過同步電纜相互連接，所述采集卡每接收一個脈沖觸發(fā)信號則進行一次數(shù)據(jù)采集。
為可調諧激光光源設置掃描起始波長、終止波長和步進，開啟激光光源，啟動光源掃描。激光束通過3dB耦合器的一個分光端口進入，到達其合路端口串接的n個光纖布拉格光柵傳感器，n的數(shù)量根據(jù)測量的動態(tài)范圍和光源的波長范圍確定，必須保證每個光柵傳感器之間的工作波長范圍無交叉重疊，從而避免判斷錯誤。各光纖布拉格光柵傳感器的反射光通過3dB耦合器的另一個分光端口接至光電轉換裝置，所述光電轉換裝置為光電探測器，此光電探測器輸出的電流信號接入對應的信號處理電路，通過采集卡進行數(shù)據(jù)采集從而捕獲該分光器合路端串聯(lián)的n個光纖布拉格光柵傳感器的反射光信息，即反射光譜。
每個光纖布拉格光柵傳感器的響應波長都有一定的帶寬，當輸入激光波長為其響應波長時，則被反射回來，其中反射光能量最高的波長點為光纖光柵傳感器的中心波長；而其它波長的光則透過傳感器繼續(xù)往前傳播。當光纖布拉格光柵傳感器外界物理量變化，其響應波長將在一定的范圍內偏移，中心波長發(fā)生變化，通過計算中心波長的變化即可對物理量的變化進行測量。同一通道上串聯(lián)的n個光纖布拉格光柵傳感器的中心波長的偏移范圍均不相同，因此可以準確判斷反射光譜中各反射峰各自對應的光柵傳感器。利用反射光譜即可計算當前各傳感器的中心波長及變化，進而跟蹤光柵傳感器測試點處物理量的變化。
每個光纖光柵傳感器都有特定的工作波長范圍，因此得到反射光譜后可立即判斷各反射峰所對應的傳感器，并且計算出當前的中心波長，中心波長 計算方法如下：
I、在初始狀態(tài)下對各傳感器進行光譜掃描。
II、假設傳感器數(shù)量為n，按照反射光譜為各光纖光柵傳感器設定初始中心波長以及中心波長偏移范圍，確保各傳感器的工作波長范圍無交叉重疊。
III、進行實時掃描和中心波長變化跟蹤
i、進行實時掃描并存儲數(shù)據(jù)，將得到的光譜根據(jù)步驟2預定義的波長區(qū)間進行劃分，每個劃分的區(qū)間對應相應傳感器的反射光譜。
ii、從第一個區(qū)間開始計算，設置i＝0。
iii、在i區(qū)間內尋找峰值(λiC,Pimax)，并計算P-3dB＝Pimax-3dBm。
iv、在反射峰左側，從峰值(λiC,Pimax)開始，將各功率值Pm(m是指光譜數(shù)據(jù)表中的索引值)與P-3dB進行比較，一旦出現(xiàn)P-3dB≥Pm，則記錄A(λm，Pm)和B(λm+1，Pm+1)，在A和B之間利用線性插值法計算出P-3dB對應的波長λL；
v、在反射峰右側，從峰值(λiC,Pimax)開始，將各波長對應的功率值Pm(m是指光譜數(shù)據(jù)表中的索引值)與P-3dB進行比較，一旦出現(xiàn)P-3dB≥Pm，則記錄A(λm，Pm)和B(λm-1，Pm-1)，在A和B之間利用線性插值法計算出P-3dB對應的波長λR；
vi、計算傳感器i對應的中心波長λiC＝(λL+λR)/2并輸出。
vii、當i<n-1時，則設置i＝i+1,并跳至步驟iii，直至完成n個傳感器中心波長的計算；當i＝n-1時,判斷是否接收到停止命令，若接收到停止命令 則結束程序，否則跳至步驟i進行實時跟蹤測量。其中，λ為波長，P為功率值，λiC為i區(qū)間內尋找峰值的中心波長，Pimax為i區(qū)間內尋找峰值的功率，dBm為分貝毫瓦，dB為功率的純計數(shù)單位，
通過上述步驟即可實時各監(jiān)測光柵傳感器中心波長的變化，若標定了中心波長對待測物理量的響應參數(shù)，那么即可實現(xiàn)光纖光柵解調的作用。
光纖傳感器測量系統(tǒng)光源采用寬帶激光光源或者連續(xù)可調諧激光光源兩種。采用寬帶激光光源的光纖傳感器測量系統(tǒng)最大缺點是光源輸出的光功率密度低，有效功率僅為其輸出總功率的千分之一以下，因而，該系統(tǒng)的光纖傳感器只能在近距離范圍內使用，且測量點數(shù)較少。為了順應光纖傳感器測量系統(tǒng)向著波分復用和光纖傳感網(wǎng)絡方向發(fā)展的趨勢，可調諧激光光源已成為光纖傳感器測量系統(tǒng)光源的新的選擇，它提高了系統(tǒng)的傳輸功率、分辨率和精度。
本發(fā)明提出一種光纖光柵解調解調儀，包括上述技術方案的調解系統(tǒng)，此類解調儀可同時解調多個測試點，采用PC控制，具有速度快、精度高、動態(tài)范圍大等特點。
最后應當說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非對其限制，所屬領域的普通技術人員盡管參照上述實施例應當理解：依然可以對本發(fā)明的具體實施方式進行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的本發(fā)明的權利要求保護范圍之內。