基于多域混合復(fù)用的分布式光纖傳感器及其調(diào)制解調(diào)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于多域混合復(fù)用的分布式光纖傳感器及其調(diào)制解調(diào)方法，該光纖傳感器包括數(shù)據(jù)處理及控制裝置（1）、光源模塊、光纖傳感單元（13）、濾波器（4）、濾波器控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和光環(huán)形器（9），數(shù)據(jù)處理及控制裝置（1）與光源模塊、濾波器控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊均相連，光環(huán)形器（9）與光源模塊、光纖傳感單元（13）、濾波器（4）均相連，數(shù)據(jù)處理及控制裝置（1）與濾波器（4）之間接有濾波器控制模塊，濾波器（4）的輸出端還通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊與數(shù)據(jù)處理及控制裝置（1）的輸入端相連。該發(fā)明具有大容量、低成本、解調(diào)速度快、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，適用于大規(guī)模分布式傳感復(fù)用。
【專利說(shuō)明】基于多域混合復(fù)用的分布式光纖傳感器及其調(diào)制解調(diào)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖傳感【技術(shù)領(lǐng)域】，通過(guò)拓展光纖中光信號(hào)的多域特性來(lái)實(shí)現(xiàn)大容量光纖傳感，并針對(duì)這種傳感方法專門設(shè)計(jì)嵌入式解調(diào)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖傳感廣泛應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害、海洋、大型結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域監(jiān)測(cè)，其抗電磁特性、緊湊結(jié)構(gòu)、傳感精度高、可擴(kuò)展性高等特性使其受到越來(lái)越大的關(guān)注。光纖傳感由于其解調(diào)系統(tǒng)比較昂貴，因此提高單纖復(fù)用數(shù)量可以明顯降低單個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的解調(diào)成本，擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。
[0003]美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室T.A.Berkoff等人在論文“HYBRID TIME AND WAVELENGTHDIVISION MULTIPLEXED FIBER BRAGG GRATING SENSOR ARRAY”Proc.SPIE2444, SmartStructures and Materialsl995: Smart Sensing, Processing, and Instrumentation, 288(April20, 1995) ;do1:10.1117/12.207684”中提出時(shí)分、波分復(fù)用概念，但是其時(shí)分信號(hào)解調(diào)無(wú)法達(dá)到實(shí)時(shí)性，并且解調(diào)精度過(guò)低導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行頻分復(fù)用。
[0004]申請(qǐng)?zhí)枮?01110420315.8，名稱為“基于微結(jié)構(gòu)光纖法布里-珀羅諧振腔的準(zhǔn)分布式傳感器”的專利申請(qǐng)?zhí)岢隽瞬ǚ?、頻分復(fù)用，其使用光譜分析儀，價(jià)格昂貴，只能實(shí)現(xiàn)二維復(fù)用，由于光譜分析儀的解調(diào)周期長(zhǎng)，且光譜分析儀不能提供外部控制接口，無(wú)法進(jìn)行TDM (時(shí)分復(fù)用)復(fù)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:提供一種基于多域混合復(fù)用的分布式光纖傳感器及其調(diào)制解調(diào)方法，該發(fā)明具有大容量、低成本、解調(diào)速度快、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，適用于大規(guī)模分布式傳感復(fù)用。
[0006]本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的方案如下:基于多域混合復(fù)用的分布式光纖傳感器，包括數(shù)據(jù)處理及控制裝置、光源模塊、光纖傳感單元、濾波器、濾波器控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和光環(huán)形器，數(shù)據(jù)處理及控制裝置與光源模塊、濾波器控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊均相連，光環(huán)形器與光源模塊、光纖傳感單元、濾波器均相連，數(shù)據(jù)處理及控制裝置與濾波器之間接有濾波器控制模塊，濾波器的輸出端還通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊與數(shù)據(jù)處理及控制裝置的輸入端相連。
[0007]進(jìn)一步地，數(shù)據(jù)處理及控制裝置采用包括ARM處理器與現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列的片上系統(tǒng)。
[0008]進(jìn)一步地，光源模塊包括相連的寬帶光源和摻餌光纖放大器，數(shù)據(jù)處理及控制裝置與寬帶光源相連，摻餌光纖放大器與光環(huán)形器相連。
[0009]進(jìn)一步地，濾波器采用法布里-珀羅濾波器。
[0010]進(jìn)一步地，濾波器控制模塊包括相連的數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊和運(yùn)算放大器模塊，數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊與數(shù)據(jù)處理及控制裝置相連，運(yùn)算放大器模塊與濾波器相連。[0011]進(jìn)一步地，數(shù)據(jù)采集模塊包括相連的光電探測(cè)器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，光電探測(cè)器與濾波器相連，模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與數(shù)據(jù)處理及控制裝置相連。
[0012]進(jìn)一步地，數(shù)據(jù)處理及控制裝置還接有電源模塊、顯示平臺(tái)和SD存儲(chǔ)卡。
[0013]進(jìn)一步地，光纖傳感單元包括K*M*N個(gè)法布里-珀羅諧振腔對(duì)，其中K為時(shí)域復(fù)用個(gè)數(shù)、M為波域復(fù)用個(gè)數(shù)、N為頻域復(fù)用個(gè)數(shù)。
[0014]基于多域混合復(fù)用的分布式光纖傳感器的調(diào)制解調(diào)方法，其調(diào)制方法包括:數(shù)據(jù)處理及控制裝置發(fā)送脈沖電信號(hào)，脈沖電信號(hào)為占空比為1/K的方波，脈沖電信號(hào)個(gè)數(shù)為I/ (FT)，其中K為時(shí)域復(fù)用個(gè)數(shù)，F(xiàn)為濾波器的頻率，T為脈沖電信號(hào)時(shí)域?qū)挾?，脈沖電信號(hào)驅(qū)動(dòng)寬帶光源輸出一定時(shí)序關(guān)系的脈沖光信號(hào)，寬帶光源的輸出連接摻館光纖放大器，經(jīng)放大后的光信號(hào)連接到光環(huán)形器的第一輸入端口，通過(guò)第二輸出端口輸出到光纖傳感單元，所述光纖傳感單元由K組傳感光纖通過(guò)光纖進(jìn)行時(shí)域區(qū)分，每組傳感光纖里面有M組不同波長(zhǎng)的傳感陣列進(jìn)行波域區(qū)分，每個(gè)傳感陣列里面有N組不同腔長(zhǎng)的法布里-珀羅諧振腔對(duì)進(jìn)行頻域區(qū)分。
[0015]進(jìn)一步地，解調(diào)方法包括:
[0016]所述放大后的光信號(hào)進(jìn)入光纖傳感單元后，K組反射光脈沖通過(guò)光環(huán)形器的第三輸出端口輸出，每組反射光脈沖內(nèi)包含不同法布里-珀羅諧振腔對(duì)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)和頻率信息；
[0017]所述反射光脈沖進(jìn)入濾波器后，由數(shù)據(jù)處理及控制裝置和濾波器控制模塊在濾波器的有效解調(diào)區(qū)域，根據(jù)濾波器的最小步進(jìn)電壓AV線性增加壓電陶瓷電壓，從而驅(qū)動(dòng)濾波器輸出中心波長(zhǎng)線性增加的窄光脈沖(3dB帶寬為pm級(jí))；濾波器(4)通過(guò)某波段的窄帶光脈沖掃描到某時(shí)域的反射光脈沖后，下一個(gè)時(shí)域的反射光脈沖繼續(xù)由該波段的窄帶光脈沖來(lái)進(jìn)行掃描；然后改變?yōu)V波器(4)輸出的窄帶光脈沖的波段再次掃描下一個(gè)時(shí)域分段的反射光脈沖，直至分I/ (FT)段掃描完寬帶光源(7)的全波長(zhǎng)范圍,從而獲取所有的反射光脈沖光譜信息；
[0018]濾波器輸出的不同波長(zhǎng)的反射光脈沖光信號(hào)經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)字采樣，進(jìn)入數(shù)據(jù)處理及控制裝置，數(shù)據(jù)處理及控制裝置將收到的整個(gè)傳感周期的數(shù)字采樣結(jié)果緩存到其上的存儲(chǔ)裝置中，不同時(shí)域信號(hào)進(jìn)入存儲(chǔ)裝置的一級(jí)地址，不同波域信號(hào)進(jìn)入存儲(chǔ)裝置的二級(jí)地址；所述一級(jí)地址的范圍是按照所有時(shí)域范圍的最大數(shù)字采樣數(shù)量來(lái)配置，所述二級(jí)地址的范圍是按照某一時(shí)域內(nèi)的所有波域范圍的最大數(shù)字采樣數(shù)量來(lái)配置；
[0019]數(shù)據(jù)處理及控制裝置完成一個(gè)時(shí)域、波域解調(diào)周期后，根據(jù)一級(jí)、二級(jí)地址來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)并行讀取，不同時(shí)域、波域信號(hào)并行進(jìn)入數(shù)據(jù)處理及控制裝置的快速傅里葉變換陣列，輸出所有法布里-珀羅諧振腔對(duì)的頻譜信息，并與數(shù)據(jù)處理及控制裝置的只讀存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的原始頻譜信息進(jìn)行對(duì)比，從而完成解調(diào)過(guò)程。
[0020]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比主要有以下優(yōu)勢(shì):
[0021]1.采用時(shí)分、波分、頻分三維復(fù)用技術(shù)，與現(xiàn)有的二維復(fù)用相比，可以顯著提高復(fù)用容量，滿足單纖大容量傳感需求。
[0022]2.通過(guò)片上系統(tǒng)SOC完成主要控制和數(shù)據(jù)處理，單芯片完成解調(diào)，不用專門的數(shù)據(jù)采集卡或者計(jì)算機(jī)處理器，低功耗、低成本、結(jié)構(gòu)緊湊、處理速度快，有利于大規(guī)模應(yīng)用推廣。
[0023]3.可擴(kuò)展性強(qiáng)，提高FP濾波器精度或者光源帶寬，可以成倍提高傳感容量。
[0024]4.ns級(jí)的時(shí)鐘技術(shù)，通過(guò)參數(shù)配置可以精確定位光纖傳感單元位置，從而實(shí)現(xiàn)傳感單元的分布式傳感。
[0025]5.對(duì)FP濾波器進(jìn)行分段控制，解決時(shí)域?qū)崟r(shí)性(us級(jí))要求和波域解調(diào)的慢速(ms級(jí))矛盾。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1是多域光纖傳感和解調(diào)系統(tǒng)框圖。
[0027]圖2是片上系統(tǒng)SOC內(nèi)部功能框圖。
[0028]圖3是光纖傳感陣列。
[0029]圖4是時(shí)分復(fù)用有效解調(diào)區(qū)域。
[0030]圖5是FP濾波器分段解調(diào)方法。
[0031]圖中:1.片上系統(tǒng)SOC ;2.DA模塊；3.運(yùn)放模塊；4.FP濾波器；5.光電探測(cè)器；
6.AD模塊；7.寬帶光源；8.光放大器；9.光環(huán)形器；10.電源模塊；11.顯示平臺(tái)；12.SD存儲(chǔ)卡；13.光纖傳感單元。
【具體實(shí)施方式】
[0032]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有的二維復(fù)用技術(shù)的容量限制，提出時(shí)域、波域、頻域三維復(fù)用，并針對(duì)時(shí)域解調(diào)實(shí)時(shí)性和波域頻域解調(diào)周期長(zhǎng)的沖突，設(shè)計(jì)了多域光纖傳感及其解調(diào)系統(tǒng)軟硬件、光纖傳感單元和算法，可以極大地提高復(fù)用容量，實(shí)現(xiàn)單纖大規(guī)模傳感復(fù)用。
[0033]一種多域混合復(fù)用的分布式光纖傳感及其解調(diào)裝置，由片上系統(tǒng)(S0C)、光源模塊、光纖傳感單元、濾波器控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊構(gòu)成。
[0034]所述片上系統(tǒng)SOC是ARM處理器與FPGA (現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)融合的芯片，包含時(shí)鐘控制單元、數(shù)據(jù)處理單元、結(jié)果上報(bào)單元，數(shù)據(jù)處理單元的輸出接入結(jié)果上報(bào)單元的輸入，時(shí)鐘控制單元與其余兩個(gè)單元均相連。該SOC能進(jìn)行同步控制、鋸齒波發(fā)生、光脈沖驅(qū)動(dòng)、信號(hào)處理等功能。
[0035]所述同步控制功能，主要是控制光源模塊脈沖光的發(fā)送和接收之間的時(shí)間相位信息，同時(shí)通過(guò)光纖傳感位置分布確定鋸齒波的時(shí)域波形。
[0036]所述光源模塊，由寬帶光源、EDFA (摻餌光纖放大器)光放大器、光環(huán)形器構(gòu)成，片上系統(tǒng)SOC發(fā)送脈沖電信號(hào),驅(qū)動(dòng)寬帶光源輸出一定時(shí)序關(guān)系的脈沖光信號(hào)，寬帶光源的輸出連接EDFA光放大器，經(jīng)放大后的光信號(hào)連接到光環(huán)形器的輸入端口 1，通過(guò)端口 2輸出到光纖傳感單元。
[0037]所述光纖傳感單元由η組傳感光纖通過(guò)光纖進(jìn)行時(shí)域區(qū)分，每組傳感光纖里面有m組不同波長(zhǎng)的傳感陣列，每個(gè)傳感陣列里面有k組不同腔長(zhǎng)的光柵對(duì)。
[0038]所述光信號(hào)進(jìn)入傳感光纖后，η組反射光脈沖通過(guò)光環(huán)形器3端口輸出，每組反射光脈沖內(nèi)包含不同傳感單元對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)和頻率信息。
[0039]所述反射光信號(hào)的脈沖長(zhǎng)度取決于光纖時(shí)分距離L，因此脈沖長(zhǎng)度為us級(jí)，進(jìn)入FP (法布里-珀羅)濾波器后，片上系統(tǒng)SOC和濾波器控制模塊控制FP濾波器的PZT (壓電陶瓷)電壓，在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)掃描US級(jí)的脈沖信號(hào)后,等待下一次此時(shí)域光信號(hào),改變波長(zhǎng)范圍再次掃描，直至掃描完寬譜光源的全波長(zhǎng)范圍。
[0040]所述濾波器控制模塊由片上系統(tǒng)SOC、DA (數(shù)/模)模塊和運(yùn)放模塊構(gòu)成，通過(guò)設(shè)定片上系統(tǒng)SOC內(nèi)部參數(shù)，控制運(yùn)放模塊的電壓輸出，從而驅(qū)動(dòng)FP濾波器產(chǎn)生中心波長(zhǎng)線性增加的窄光脈沖，對(duì)光信號(hào)進(jìn)行濾波。
[0041]所述數(shù)據(jù)采集模塊由光電探測(cè)器和AD (模/數(shù))模塊構(gòu)成，F(xiàn)P濾波器輸出的不同波長(zhǎng)的光信號(hào)經(jīng)過(guò)ro (光電二極管)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)AD模塊的數(shù)字采樣，進(jìn)入片上系統(tǒng)SOC，SOC將收到的整個(gè)傳感周期結(jié)果緩存到片上Block RAM (塊隨機(jī)存儲(chǔ)器)或SD存儲(chǔ)卡12中，并根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、拼接，最終區(qū)分出時(shí)域、波域信息并進(jìn)行FFT (快速傅立葉變換)變換，F(xiàn)FT變換后的歸一化頻率對(duì)應(yīng)光柵對(duì)的腔長(zhǎng)，解調(diào)出的腔長(zhǎng)偏移對(duì)應(yīng)傳感參量變化。
[0042]所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊由一顆SD (安全數(shù)碼卡)卡構(gòu)成，由于傳感解調(diào)是在嵌入式芯片完成，解調(diào)系統(tǒng)只上報(bào)結(jié)果信息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)2字節(jié)，在一秒刷新率、1000個(gè)節(jié)點(diǎn)的情況下，SG的存儲(chǔ)芯片可以存儲(chǔ)46天的數(shù)據(jù)。
[0043]所述數(shù)據(jù)上報(bào)模塊，可以通過(guò)網(wǎng)線、Wif1、2G/3G/4G模塊將傳感結(jié)果信息上報(bào)到數(shù)據(jù)中心或者服務(wù)器。
[0044]下面結(jié)合具體實(shí)施進(jìn)一步詳述本發(fā)明。
[0045]一種基于時(shí)分、波分、頻分三維混合復(fù)用技術(shù)的大容量光纖微結(jié)構(gòu)傳感系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)計(jì)光纖傳感單元的分布結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)解調(diào)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的時(shí)域、波域、頻域區(qū)分，從而極大提高光纖傳感容量，該傳感系統(tǒng)包括:片上系統(tǒng)(SOC)UDA模塊2、運(yùn)放模塊3、FP濾波器4、光電探測(cè)器5、AD模塊6、寬帶光源7、光放大器8、光環(huán)形器9、電源模塊10、顯示平臺(tái)11、SD存儲(chǔ)卡12、光纖傳感單元13。
[0046]所述片上系統(tǒng)SOCl和寬帶光源7、光放大器8、光環(huán)形器9構(gòu)成光發(fā)送單元。片上系統(tǒng)SOCl和DA模塊2、運(yùn)放模塊3、FP濾波器4構(gòu)成波長(zhǎng)掃描單元。片上系統(tǒng)SOCl和光環(huán)形器9、光電探測(cè)器5、AD模塊6構(gòu)成光接收單元。片上系統(tǒng)SOCl內(nèi)部實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘控制單元、數(shù)據(jù)處理單元、結(jié)果上報(bào)單元。
[0047]所述片上系統(tǒng)SOCl內(nèi)部使用精準(zhǔn)時(shí)鐘控制的脈沖信號(hào)發(fā)生器來(lái)驅(qū)動(dòng)寬帶光源7，和時(shí)鐘控制單元控制的鋸齒波發(fā)生器來(lái)驅(qū)動(dòng)FP濾波器4，最后將采集到的反射光信號(hào)通過(guò)光電探測(cè)器5和AD模塊6進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，最終將數(shù)據(jù)結(jié)果通過(guò)數(shù)據(jù)線或者無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上報(bào)到顯示平臺(tái)11并存儲(chǔ)到SD卡。
[0048]所述的片上SOC系統(tǒng)，以ns級(jí)的切換速度控制輸出電脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)寬帶光源7，輸出脈沖光信號(hào)經(jīng)過(guò)光放大器8后進(jìn)入光環(huán)形器9的端口 I，并從光環(huán)形器的端口 2入射到光纖傳感單元13，每個(gè)傳感單元反射回弱光信號(hào)。
[0049]所述光纖傳感單元13，其反射光信號(hào)具有不同的時(shí)域、波長(zhǎng)、頻率特性，時(shí)域間隔T為us級(jí)，經(jīng)過(guò)光環(huán)形器9，入射到FP濾波器4進(jìn)行濾波采樣，F(xiàn)P濾波器的頻率為F，一個(gè)解調(diào)周期為1/F為ms級(jí)，因此需要FP濾波器對(duì)多個(gè)光脈沖分時(shí)分段進(jìn)行重復(fù)波長(zhǎng)掃描，完成一個(gè)自由光譜范圍(FSR)波長(zhǎng)掃描需要分段重復(fù)次數(shù)為I/(FT)。
[0050]所述FP濾波器4分時(shí)分段進(jìn)行波長(zhǎng)掃描，通過(guò)片上系統(tǒng)SOCl發(fā)送自定義鋸齒波，數(shù)字信號(hào)輸出到DA模塊2產(chǎn)生O?Vpp的模擬電壓信號(hào)，運(yùn)放模塊3將其放大A倍到O?(A*Vpp)來(lái)控制FP濾波器，F(xiàn)P濾波器4的輸出信號(hào)，通過(guò)光纖連接到光電探測(cè)器5進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，電信號(hào)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換后進(jìn)入SOCl進(jìn)行信號(hào)解調(diào)，AD的隨路時(shí)鐘作為解調(diào)主時(shí)鐘來(lái)區(qū)分時(shí)分?jǐn)?shù)據(jù)。
[0051]所述的脈沖信號(hào)發(fā)生器、鋸齒波發(fā)生器和信號(hào)解調(diào)主時(shí)鐘，SOCl芯片內(nèi)部脈沖信號(hào)發(fā)生器、鋸齒波發(fā)生器和信號(hào)解調(diào)主時(shí)鐘之間進(jìn)行嚴(yán)格的ns級(jí)同步，來(lái)保證時(shí)域、波域、頻域解調(diào)的精確度，提高主時(shí)鐘頻率和FP濾波器的掃描精度，可以成倍提高傳感單元的復(fù)
用數(shù)量。
[0052]片上系統(tǒng)SOCl芯片需要將接收到的數(shù)字信號(hào)用高速差分線傳輸進(jìn)內(nèi)部BlockRAM或者外掛DDR進(jìn)行緩存，不同時(shí)域信號(hào)進(jìn)入一級(jí)地址范圍，不同波域信號(hào)進(jìn)入二級(jí)地址范圍，完成一個(gè)時(shí)域、波域解調(diào)周期后，不同時(shí)域、波域信號(hào)并行進(jìn)入快速傅里葉變換(FFT)陣列，F(xiàn)FT變換需要C個(gè)時(shí)鐘周期，可以u(píng)s級(jí)速度輸出所有傳感單元的頻譜信息，并與片上系統(tǒng)SOC內(nèi)部ROM存儲(chǔ)的原始頻譜信息進(jìn)行對(duì)比，上報(bào)少字節(jié)的結(jié)果信息給數(shù)據(jù)中心，從而在低成本片上系統(tǒng)SOC完成大容量信息的快速解調(diào)，低成本和緊湊型結(jié)構(gòu)有利于分布式傳感應(yīng)用。
[0053]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0054]本系統(tǒng)由光路、模擬電路和數(shù)字電路構(gòu)成，如圖1所示，主要包括片上系統(tǒng)S0C1、DA模塊2、運(yùn)放模塊3、FP濾波器4、光電探測(cè)器5、AD模塊6、寬帶光源7、光放大器8、光環(huán)形器9、電源模塊10、顯示平臺(tái)11、SD存儲(chǔ)卡12、光纖傳感單元13。片上系統(tǒng)SOCl和寬帶光源7、光放大器8、光環(huán)形器9構(gòu)成光發(fā)送單兀。片上系統(tǒng)SOCl和DA模塊2、運(yùn)放模塊3、FP濾波器4構(gòu)成波長(zhǎng)掃描單兀。片上系統(tǒng)SOCl和光環(huán)形器9、光電探測(cè)器5、AD模塊6構(gòu)成光接收單元。片上系統(tǒng)SOCl內(nèi)部由時(shí)鐘控制單元、數(shù)據(jù)處理單元、結(jié)果上報(bào)單元構(gòu)成，如圖2所示。
[0055]所述波長(zhǎng)傳感陣列由不同腔`長(zhǎng)、不同中心波長(zhǎng)的光柵對(duì)構(gòu)成，根據(jù)時(shí)域、波域、頻域特性進(jìn)行刻寫，以一組時(shí)域(K)、波域(M)、頻域(N)上K*M*N個(gè)傳感單元的復(fù)用為實(shí)施案例進(jìn)行分析本發(fā)明工作原理，如圖3所示，一個(gè)光纖傳感單元由一對(duì)弱反射率光柵構(gòu)成，光柵中心波長(zhǎng)一致，這一對(duì)光柵構(gòu)成一個(gè)弱反射率法布里-珀羅(FP)腔，光柵對(duì)之間的距離為d決定FP腔的自由光譜范圍(FSR)。設(shè)每個(gè)光柵對(duì)之間的距離為H，H?d。所述腔長(zhǎng)d按照步進(jìn)Ad(大小為d+H)復(fù)用N組，即圖中的Dp D2、…Dn，n=N。在M組波分復(fù)用情況下，即每N組光柵對(duì)的中心波長(zhǎng)分別為λ P λ2、…Xm，m=M。一個(gè)傳感陣列長(zhǎng)度約為M*N*H。每個(gè)時(shí)分距離為L(zhǎng)，即每?jī)蓚€(gè)傳感陣列之間的時(shí)分距離依次為U、L2、…Lk_2、Lu、Lk，k=K。
[0056]K組時(shí)分區(qū)域情況下，即圖4的1\、T2,…Tk_2、Tm Tk對(duì)應(yīng)圖5的TDM1' TDM2,...TDMk,脈沖光信號(hào)進(jìn)入傳感光纖后,會(huì)反射回K組光信號(hào),每組光信號(hào)由K個(gè)波長(zhǎng)疊加而成。圖4中的Zn1LlriAJn1LkA^圖5的2niL/c為光纖帶來(lái)的時(shí)域延遲，圖4中的2nlCl/C為相鄰波域傳感器反射光信號(hào)時(shí)域延時(shí)。如果光脈沖寬度τ Un1L1^1Zc,則第二組時(shí)域光信號(hào)會(huì)和第一組時(shí)域光信號(hào)混疊，只有當(dāng)光脈沖寬度T〈2niLk/c，才能獲得有效解調(diào)區(qū)域。其中Ii1為光纖有效折射率，c為光速。
[0057]所述有效解調(diào)區(qū)域內(nèi)，進(jìn)行波長(zhǎng)解調(diào)，目前商用化的FP濾波器解調(diào)頻率為F，一個(gè)波長(zhǎng)解調(diào)周期為1/F，如果對(duì)應(yīng)1/F的光脈沖寬度，在當(dāng)前商用化FP濾波器解調(diào)頻率F為上千Hz的情況下，需要幾千km的光纖時(shí)分距離，在實(shí)際應(yīng)用中，如此長(zhǎng)距離的光纖首先帶來(lái)極大的損耗，其次成本高昂，根本無(wú)法投入應(yīng)用，因此需要將1/F的光脈沖進(jìn)行切片分段，如圖5所示，每個(gè)光脈沖段解調(diào)一段波長(zhǎng)信息，下一個(gè)光脈沖到來(lái)時(shí)解調(diào)下一段波長(zhǎng)信息。
[0058]所述波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)如圖1所示，寬帶光源帶寬S，片上系統(tǒng)SOC發(fā)送周期脈沖信息，脈沖寬度為Tl，重復(fù)頻率為f，對(duì)應(yīng)地，可以容納f/F組時(shí)分復(fù)用傳感單元，光纖時(shí)分距離CTl/2n可以滿足時(shí)域區(qū)分，其中C為FFT變換需要的時(shí)鐘周期。調(diào)整光放大器增益使得光放大器的輸出光功率為P，光信號(hào)經(jīng)過(guò)光環(huán)形器進(jìn)入傳感單元，弱反射傳感單元反射率設(shè)計(jì)為R，反射信號(hào)光功率約為PR。
[0059]所述反射信號(hào)與FP濾波器相連接，F(xiàn)P濾波器的波長(zhǎng)選擇受PZT兩端壓差控制，片上系統(tǒng)SOC通過(guò)DA模塊和運(yùn)放模塊控制PZT的壓差(最大Vpp)，從而實(shí)現(xiàn)FP濾波器在帶寬S的范圍上，以FP的掃描精度為步進(jìn)進(jìn)行掃描(Scan Period)。圖5中的V表示PZT的調(diào)制電壓值，T表示調(diào)制電壓對(duì)應(yīng)的時(shí)間，λ pp為FP濾波器輸出的峰值波長(zhǎng)，Λ V為PZT的調(diào)制電壓改變步進(jìn)，Λλ為FP濾波器的輸出波長(zhǎng)步進(jìn)，V/λ為PZT的調(diào)制電壓值或者輸出波長(zhǎng)，(ν+Δν)/(λ+Δ λ)為鋸齒波輸出下一個(gè)點(diǎn)的調(diào)制電壓值或者輸出波長(zhǎng)，Vpp/λ ρρ為峰值調(diào)制電壓值或者峰值波長(zhǎng)，'、V2、…VifVi (即Vpp)分別表示分成i段后的每段對(duì)應(yīng)最大調(diào)制電壓值，P1^ P2、-P17(FT)分別表示每一個(gè)分段內(nèi)對(duì)對(duì)應(yīng)的k組時(shí)域信號(hào)進(jìn)行重復(fù)解調(diào)，其中k=i=l/(FT)。
[0060]輸出光信號(hào)通過(guò)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)入AD模塊，模數(shù)轉(zhuǎn)換后片上系統(tǒng)SOCl芯片需要將接收到的數(shù)字信號(hào)用高速差分線傳輸進(jìn)內(nèi)部Block RAM或者外掛DDR (雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器)進(jìn)行緩存，不同時(shí)域信號(hào)進(jìn)入一級(jí)地址范圍，不同波域信號(hào)進(jìn)入二級(jí)地址范圍，完成一個(gè)時(shí)域、波域、頻域解調(diào)周期后，不同時(shí)域、波域信號(hào)并行進(jìn)入快速傅里葉變換(FFT)陣列，F(xiàn)FT變換需要C個(gè)時(shí)鐘周期，可以u(píng)s級(jí)速度輸出所有傳感單元的頻譜信息，并與片上系統(tǒng)SOC內(nèi)部ROM (只讀內(nèi)存)存儲(chǔ)的原始頻譜信息進(jìn)行對(duì)比，最終通過(guò)獲知光柵對(duì)的腔長(zhǎng)信息，將腔長(zhǎng)變化與片上系統(tǒng)SOC內(nèi)存儲(chǔ)的初始化信息進(jìn)行對(duì)比，可以感知監(jiān)測(cè)參量的變化， 監(jiān)測(cè)參量包括溫度、壓力、振動(dòng)等，但不僅限于這些參量。上報(bào)少字節(jié)的結(jié)果信息給數(shù)據(jù)中心，從而在低成本片上系統(tǒng)SOC完成大容量信息的快速解調(diào)，所述參量變化結(jié)果可以存儲(chǔ)在SD卡，同時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上報(bào)到數(shù)據(jù)中心進(jìn)行監(jiān)控。
[0061]按照時(shí)域復(fù)用K組，波域復(fù)用M組，頻域復(fù)用N組，可以實(shí)現(xiàn)K*M*N個(gè)傳感單元的單纖復(fù)用及解調(diào)，可以達(dá)到幾千個(gè)傳感單元的復(fù)用規(guī)模，同時(shí)通過(guò)調(diào)整傳感單元參數(shù)和提高FP濾波器及光電探測(cè)器精度，每個(gè)域的復(fù)用數(shù)量還可以提升，從而大幅度提升系統(tǒng)的復(fù)用容量。
[0062]實(shí)例說(shuō)明:
[0063]寬帶光源和FP濾波器帶寬都為1510nm-1590nm，F(xiàn)P濾波器的掃描頻率為800Hz，片上系統(tǒng)SOC發(fā)送周期脈沖信息，脈沖寬度為lus，頻率為50kHz，對(duì)應(yīng)地，可以容納20組時(shí)分復(fù)用傳感單元，光纖時(shí)分距離Ikm左右可以滿足時(shí)域區(qū)分。調(diào)整光放大器增益使得光放大器的輸出光功率為-1OdBm,光信號(hào)經(jīng)過(guò)光環(huán)形器進(jìn)入傳感單元，傳感單元反射率設(shè)計(jì)為1%，反射信號(hào)光功率約為 -30dBm。
[0064]所述一個(gè)解調(diào)周期1/800=1.25ms,每個(gè)IOpm采樣點(diǎn)的采樣時(shí)間
1.25*106ns/8000=156.25ns，對(duì)FPGA的三角波驅(qū)動(dòng)控制精度為最小64MHz，三角波共分為8000個(gè)點(diǎn)，每個(gè)Cycle(周期)為15.625ns。TDM FFP光脈沖時(shí)間取決于光纖時(shí)分距離，假設(shè)12.5us, 1.25 公里光纖時(shí)分距離，1.25ms/12.5us=100，8*103/100=80，每個(gè)三角波分為 100份進(jìn)行處理，每份80個(gè)點(diǎn)，如果要縮短光纖時(shí)分距離，則需要增加份數(shù)，減少每周期采樣點(diǎn)數(shù)。假設(shè)16V三角波，8k個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)2mV，從O開始，160mV時(shí)是第一段數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA三角波計(jì)數(shù)停止，采集80個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)；第二個(gè)光脈沖到來(lái)時(shí)采集下80個(gè)點(diǎn)，時(shí)域I區(qū)間總的解調(diào)時(shí)間為 12.5us*105 (TDM 組數(shù))=1.25*103ms。
[0065]80nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，每個(gè)中心波長(zhǎng)占用4nm寬度，M=80/4=20組；頻域上，腔長(zhǎng)d的范圍為0-2cm，步進(jìn)為1mm，IOpm的FP濾波器解調(diào)精度可以實(shí)現(xiàn)頻域解調(diào)，因此復(fù)用組數(shù)N=2cm/lmm=20組,最終單纖傳感系統(tǒng)可復(fù)用數(shù)量達(dá)到20*20*20=8000組傳感單元。
【權(quán)利要求】
1.基于多域混合復(fù)用的分布式光纖傳感器，其特征在于:包括數(shù)據(jù)處理及控制裝置(1)、光源模塊、光纖傳感單元(13)、濾波器(4)、濾波器控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和光環(huán)形器(9)，數(shù)據(jù)處理及控制裝置(1)與光源模塊、濾波器控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊均相連，光環(huán)形器(9)與光源模塊、光纖傳感單元(13)、濾波器(4)均相連，數(shù)據(jù)處理及控制裝置(1)與濾波器(4)之間接有濾波器控制模塊，濾波器(4)的輸出端還通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊與數(shù)據(jù)處理及控制裝置(1)的輸入端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于:數(shù)據(jù)處理及控制裝置(1)采用包括ARM處理器與現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列的片上系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于:光源模塊包括相連的寬帶光源(7)和摻餌光纖放大器(8 )，數(shù)據(jù)處理及控制裝置(1)與寬帶光源(7 )相連，摻餌光纖放大器(8 )與光環(huán)形器(9)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于:濾波器(4)采用法布里-珀羅濾波器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于:濾波器控制模塊包括相連的數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊(2 )和運(yùn)算放大器模塊(3 )，數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊(2 )與數(shù)據(jù)處理及控制裝置(1)相連，運(yùn)算放大器模塊(3)與濾波器(4)相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于:數(shù)據(jù)采集模塊包括相連的光電探測(cè)器(5 )和模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(6 )，光電探測(cè)器(5 )與濾波器(4 )相連，模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(6 )與數(shù)據(jù)處理及控制裝置(1)相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于:數(shù)據(jù)處理及控制裝置(1)還接有電源模塊(10)、顯示平臺(tái)(11)和SD存儲(chǔ)卡(12)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于:光纖傳感單元(13)包括K*M*N個(gè)法布里-珀羅諧振腔對(duì)，其中K為時(shí)域復(fù)用個(gè)數(shù)、M為波域復(fù)用個(gè)數(shù)、N為頻域復(fù)用個(gè)數(shù)。
9.基于多域混合復(fù)用的分布式光纖傳感器的調(diào)制解調(diào)方法，其特征在于調(diào)制方法包括:數(shù)據(jù)處理及控制裝置(1)發(fā)送脈沖電信號(hào)，脈沖電信號(hào)為占空比為1/K的方波，脈沖電信號(hào)個(gè)數(shù)為1/ (FT)，其中K為時(shí)域復(fù)用個(gè)數(shù)，F(xiàn)為濾波器(4)的頻率，T為脈沖電信號(hào)時(shí)域?qū)挾?，脈沖電信號(hào)驅(qū)動(dòng)寬帶光源(7)輸出一定時(shí)序關(guān)系的脈沖光信號(hào)，寬帶光源(7)的輸出連接摻餌光纖放大器(8)，經(jīng)放大后的光信號(hào)連接到光環(huán)形器(9)的第一輸入端口，通過(guò)第二輸出端口輸出到光纖傳感單兀(13),所述光纖傳感單兀(13)由K組傳感光纖通過(guò)光纖進(jìn)行時(shí)域區(qū)分，每組傳感光纖里面有M組不同波長(zhǎng)的傳感陣列進(jìn)行波域區(qū)分，每個(gè)傳感陣列里面有N組不同腔長(zhǎng)的法布里-珀羅諧振腔對(duì)進(jìn)行頻域區(qū)分。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于解調(diào)方法包括: 所述放大后的光信號(hào)進(jìn)入光纖傳感單元(13)后，K組反射光脈沖通過(guò)光環(huán)形器(9)的第三輸出端口輸出，每組反射光脈沖內(nèi)包含不同法布里-珀羅諧振腔對(duì)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)和頻率信息； 所述反射光脈沖進(jìn)入濾波器(4)后，由數(shù)據(jù)處理及控制裝置(1)和濾波器控制模塊在濾波器(4)的有效解調(diào)區(qū)域，根據(jù)濾波器(4)的最小步進(jìn)電壓AV線性增加壓電陶瓷電壓，從而驅(qū)動(dòng)濾波器(4)輸出中心波長(zhǎng)線性增加的窄帶光脈沖；濾波器(4)通過(guò)某波段的窄帶光脈沖掃描到某時(shí)域的反射光脈沖后，下一個(gè)時(shí)域的反射光脈沖繼續(xù)由該波段的窄帶光脈沖來(lái)進(jìn)行掃描；然后改變?yōu)V波器(4)輸出的窄帶光脈沖的波段再次掃描下一個(gè)時(shí)域分段的反射光脈沖，直至分I/ (FT)段掃描完寬帶光源(7)的全波長(zhǎng)范圍,從而獲取所有的反射光脈沖光譜信息； 濾波器(4)輸出的不同波長(zhǎng)的反射光脈沖光信號(hào)經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器(5)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(6)的數(shù)字采樣，進(jìn)入數(shù)據(jù)處理及控制裝置(I )，數(shù)據(jù)處理及控制裝置(I)將收到的整個(gè)傳感周期的數(shù)字采樣結(jié)果緩存到其上的存儲(chǔ)裝置中，不同時(shí)域信號(hào)進(jìn)入存儲(chǔ)裝置的一級(jí)地址，不同波域信號(hào)進(jìn)入存儲(chǔ)裝置的二級(jí)地址；所述一級(jí)地址的范圍是按照所有時(shí)域范圍的最大數(shù)字采樣數(shù)量來(lái)配置，所述二級(jí)地址的范圍是按照某一時(shí)域內(nèi)的所有波域范圍的最大數(shù)字采樣數(shù)量來(lái)配置； 數(shù)據(jù)處理及控制裝置(I)完成一個(gè)時(shí)域、波域解調(diào)周期后，根據(jù)一級(jí)、二級(jí)地址來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)并行讀取，不同時(shí)域、波域信號(hào)并行進(jìn)入數(shù)據(jù)處理及控制裝置(I)的快速傅里葉變換陣列，輸出所有法布里-珀羅諧振腔對(duì)的頻譜信息，并與數(shù)據(jù)處理及控制裝置(I)的只讀存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的原始頻譜信息進(jìn)行對(duì)比，從而完成解調(diào)過(guò)程。
【文檔編號(hào)】G01D5/36GK103837179SQ201410064876
【公開日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2014年2月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月25日
【發(fā)明者】孫琪真, 程建偉, 李曉磊, 劉德明 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)