[发明专利]多通道高精度光纤光栅传感解调装置及其解调方法

说明书

技术领域

本发明属于光纤光栅传感领域，该解调装置和方法可用于各种基于光纤光栅的应变、温度、压力等传感器的解调应用，应用场合包括航天、航空、石化、土木和电力。

背景技术

光纤光栅传感系统是以光为载体，光纤为媒介。除了具有尺寸小、重量轻、带宽宽、灵敏度高、抗电磁干扰能力强和耐腐蚀能力强等优点外，而且是对波长绝对编码、不受光功率波动影响、集传感与传输于一体、易于制作以及埋入材料内部，已实现应力、应变、温度等多种物理量的测量。相比传统电传感系统，该技术在强电磁干扰、易燃易爆或热真空等严酷环境下更具优势。

尽管光纤光栅传感系统理论上只依赖于光纤光栅波长，但信号的强度会影响到光纤光栅光谱的信噪比，进而影响到波长提取。因此传感系统中需要各传感器返回的光信号具有相同的幅值大小。一种可行的办法是采用平坦化的光源和反射率性能一致的光纤光栅传感器来实现，解决基于可调谐法布里-珀罗滤波器的光谱扫描技术信号衰减大和信道受限的问题。

但在实际的应用场合，每个光纤光栅在安装布线后，反射谱幅值会发生变化，尤其随着测量环境改变，例如在超低温环境下，当布线弯曲过大，固定胶恶化和光纤涂覆层材料变形均会导致光纤传输损耗和光纤光栅反射谱幅值产生不可预期的动态变化，使各通道中的多个反射幅值差异增大，出现一些光纤光栅的反射峰无法检测而失效的困难。

发明内容

本发明目的是为了解决现有技术中存在的不足，提出一种信号功率动态自平坦的多通道高精度光纤光栅传感解调装置及其解调方法。该光纤光栅解调装置以光纤光栅的反射信号幅值作为动态反馈，补偿光源光功率的非平坦和系统布设使用中光损耗的动态不可预期的变化，从能有效提高光纤光栅传感器的长期检测能力和检测精度。

为了解决上述技术问题，本发明多通道高精度光纤光栅传感解调装置予以实现的第一种技术方案是：该装置包括宽带光源、固定光衰减器、光隔离器、可调谐FP滤波器、光放大器、光纤耦合器、光纤FP标准具、电控可调光衰减器、1×N光开关、多个光纤无源器件、光纤光栅传感器阵列、第一光电探测器、第二光电探测器、采集卡和计算机；其中：

宽带光源：采用C波段ASE光源、C+L波段ASE光源和SLD光源中任何一种，输出功率在0.5mW～10mW；

固定光衰减器：用来调节光源输出光功率，以达到可调谐FP滤波器对入口功率的限制范围；

光隔离器：防止从光源输出的光反射回光源，以减小对光源造成伤害；

可调谐FP滤波器：通过对其驱动电压的调节从宽带光源中滤出波长变化的窄光谱信号，从而形成高稳定度的可调谐激光输出，可调谐FP滤波器的谱宽在10pm～200pm，自由谱范围为100nm～200nm；

光放大器：采用与光源工作波段匹配的光放大器，光放大器选用光纤放大器或半导体光放大器，经过光放大器放大可调谐激光输出光功率，从而形成10mW的可调谐激光输出；

光纤耦合器：将经过光放大器5输入的激光分成两束；一束光依次通过光纤FP标准具、光电探测器和采集卡后传输给计算机进行波长校正处理，另一束光依次通过电控可调光衰减器、1×N光开关和光纤无源器件后传输给由多个串联的、不同反射波长的光纤光栅传感器构成的光纤光栅传感器阵列；

光纤FP标准具：用于输出等光频间隔的梳状光谱线，光频间隔在10GHz～100GHz；

电控可调光衰减器：用于动态实时调节每一个光纤光栅波长对应的光功率衰减量，从而在每一个光纤光栅波长下获得动态补偿的、幅值稳定的传感信号光功率；

1×N光开关：通过控制其驱动板，实现光在N路的相应切换，N的数值选自2，4，8，16，32，64，128中的一个；

多个光纤无源器件：将光源发出的光传输到待检测物体并收集反射信号光，光纤无源器件采用光纤环形器或光纤耦合器；

光纤光栅传感器阵列：用于感知外界待测量物体引起的参量变化，并将其编码到光纤光栅反射波长上；所述光纤光栅传感阵列的搭建采用时分复用结构。

第一光电探测器和第二光电探测器：第一光电探测器设置在光纤FP标准具与采集卡之间，第二光电探测器设置在每个光纤无源器件与采集卡之间，第一光电探测器和第二光电探测器均分别用于将输入的光信号转化为电压模拟信号；

采集卡：采集由第一光电探测器和第二光电探测器得到的电压模拟信号，并输出控制可调谐FP滤波器的模拟信号、1×N光开关的数字信号和电控可调光衰减器的模拟信号；

计算机：通过对采集卡的控制，实现多通道光纤光栅的解调计算、显示和存储。