[发明专利]基于随机非等间隔采样的光纤光栅动态应变解调仪及方法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤光栅的解调技术，具体是一种基于随机非等间隔采样的光纤光栅动态应变解调仪及方法。

背景技术

光纤光栅能够将外界应变信号（如应力信号、应变信号、振动信号、温度变化信号等）转换成自身反射谱的中心波长变化信号。因此，通过将光纤光栅进行适当封装，便可制成光纤光栅传感器。光纤光栅传感器因其具有不受电磁辐射干扰、体积小、制作简单、波长敏感等特点，被广泛应用于远距离光学传感和光学通信领域。在实际应用中，为了保证光纤光栅传感器能够正常工作，必需对光纤光栅进行解调。目前，光纤光栅的解调技术主要分为：一、光谱分析技术。此种技术需要进行大量数学计算，因而其解调速度低、不适用于大带宽应变信号的测量。二、基于可调谐滤波器的波长扫描技术。此种技术波长分辨率高、测量范围宽、复用能力强，但其解调速度低、使用成本高、不适用于高速与高精度宽量程动态应变信号的同时测量。三、边缘滤波器技术。此种技术需要为每个光纤光栅配置专门的边缘滤波器和探测器，因而其使用不方便、使用成本高。四、非平衡M-Z干涉仪解调技术。此种技术存在零点漂移问题，因而其仅适用于动态应变信号的测量。五、强度调制型光纤光栅解调系统。此种技术解调速度高，但受自身非线性特性影响，其解调精度低。综上所述，现有光纤光栅的解调技术由于自身原理所限，普遍存在解调速度低、解调精度低、使用不方便、使用成本高、以及适用范围窄的问题。为此有必要发明一种全新的光纤光栅的解调技术，以解决现有光纤光栅的解调技术存在的上述问题。

发明内容

本发明为了解决现有光纤光栅的解调技术解调速度低、解调精度低、使用不方便、使用成本高、以及适用范围窄的问题，提供了一种基于随机非等间隔采样的光纤光栅动态应变解调仪及方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：基于随机非等间隔采样的光纤光栅动态应变解调仪，包括宽带光源、可调谐滤波器、光纤耦合器、隔离器、光纤光栅、标准具、第一光电探测器、第二光电探测器、第一信号放大调理电路、第二信号放大调理电路、多路同步A/D转换器、基于FPGA的解调控制电路、计算机、D/A转换器、以及高压驱动放大电路；其中，宽带光源的信号输出端与可调谐滤波器的信号输入端连接；可调谐滤波器的信号输出端与光纤耦合器的信号输入端连接；光纤耦合器的信号输出端与隔离器的信号输入端、光纤光栅的信号输入端、第一光电探测器的信号输入端连接；隔离器的信号输出端与标准具的信号输入端连接；标准具的信号输出端与第二光电探测器的信号输入端连接；第一光电探测器的信号输出端与第一信号放大调理电路的信号输入端连接；第二光电探测器的信号输出端与第二信号放大调理电路的信号输入端连接；第一信号放大调理电路的信号输出端、第二信号放大调理电路的信号输出端均与多路同步A/D转换器的信号输入端连接；多路同步A/D转换器的信号输出端与基于FPGA的解调控制电路的信号输入端连接；基于FPGA的解调控制电路的信号输出端与多路同步A/D转换器的信号输入端、计算机的信号输入端、D/A转换器的信号输入端连接；D/A转换器的信号输出端与高压驱动放大电路的信号输入端连接；高压驱动放大电路的信号输出端与可调谐滤波器的信号输入端连接。

基于随机非等间隔采样的光纤光栅动态应变解调方法（该方法在本发明所述的基于随机非等间隔采样的光纤光栅动态应变解调仪中完成），该方法是采用如下步骤实现的：

a.基于FPGA的解调控制电路产生扫描周期随机变化的三角波高压驱动信号，并将产生的三角波高压驱动信号输出至D/A转换器；D/A转换器将输入的三角波高压驱动信号进行数模转换，并将数模转换后的三角波高压驱动信号输出至高压驱动放大电路；高压驱动放大电路将输入的三角波高压驱动信号进行放大，并将放大后的三角波高压驱动信号输出至可调谐滤波器；

b.宽带光源向可调谐滤波器输出宽带光；可调谐滤波器根据输入的三角波高压驱动信号将输入的宽带光转换成扫描波长范围随机变化的可调谐激光，并将可调谐激光输出至光纤耦合器；光纤耦合器将输入的可调谐激光进行耦合，并将耦合后的可调谐激光输出至光纤光栅，同时通过隔离器将耦合后的可调谐激光输出至标准具；

c.光纤光栅根据输入的可调谐激光形成反射谱；第一光电探测器实时探测形成的反射谱，并将探测到的反射谱输出至第一信号放大调理电路；第一信号放大调理电路将输入的反射谱进行放大调理；同时，标准具根据输入的可调谐激光形成透射谱；第二光电探测器实时探测形成的透射谱，并将探测到的透射谱输出至第二信号放大调理电路；第二信号放大调理电路将输入的透射谱进行放大调理；