多波长强度调制光谱采样光纤法珀传感器高速测量系统

1.本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种多波长强度调制多波长强度调制光谱采样光纤法珀传感器高速测量系统及其方法。


背景技术：

2.光纤具有低损耗，高可靠性和制造成本低等特点，其制造出的光纤法布里-珀罗(法珀)干涉传感器具有尺寸小、性能好、质量轻、灵敏度高以及抗电磁干扰能力强等优点，在航空航天、工业测量、医学监测等领域中发挥着重要作用。对生命体征(如bcg信号等)监测产品、光纤麦克风等设备而言，其对接收的振动、声波等动态物理信号的进行高速测量具有重要意义。光纤法珀干涉传感器因其具有测量精度高、抗电磁干扰能力强、动态范围大的优势。是测量微小动态物理信号的理想手段之一。
3.光纤法珀干涉传感器解调的关键，是利用其光谱干涉信号求解光纤法珀传感器的腔长值，常见的光纤法珀传感器解调方法需要对包含几千个光谱数据的完整光谱进行采样与运算，导致光谱采样和信号的解调都面临数据量大、速度慢的问题。因此光纤法珀传感系统的整体测量速度难以超过1khz。这极大的制约了光纤法珀传感器在微小动态物理信号测量中的发展。
4.显然，光谱干涉信号在采集与处理时存在数据量大的特点，这是限制现有光纤法珀传感器测量系统的核心难题，其中，减少光谱数据采样的数据量是提升系统测量速度的一种重要方式，可以从光谱数据采样系统结构方面寻求突破，这是减少光纤法珀传感系统采样与处理数据量，进而提升传感速度、实现高速动态测量的关键环节。从数据的解调处理部分来看，由于重构干涉光谱需要采集连续的原始光谱数据，这就决定了解调计算时所需要处理的数据量是巨大的，为了保证解调精度，原始光谱数据一般要采集上千个，也就是说解调计算时所需要的数据也是上千个，这样大的数据量就要求相应的硬件或软件，或以一定措施降低数据量，这就是制约其解调速度的关键所在。
5.在光纤传感器中，大数据量的原始宽光谱干涉数据需要密集的光谱信号采样和与之数据量匹配的复杂处理计算，这是保证高精度解调的关键，但是大量的数据量与复杂的处理计算限制了系统的解调速度，因此，需要在不降低解调精度的前提下、减少重构干涉光谱所需的数据量，才能从根本上突破光纤法珀测量系统的速度瓶颈。


技术实现要素：

6.本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种多波长强度调制光谱采样光纤法珀传感器高速测量系统及方法。本发明的技术方案如下：
7.一种多波长强度调制光谱采样光纤法珀传感器高速测量系统，其包括：激光阵列、光纤耦合器、光纤环形器、光电探测器、多路锁相放大器和计算机，所述激光阵列与光纤耦合器相连接，光纤耦合器通过光纤与光纤环形器相连接，光纤环形器与光电探测器相连接，光电探测器与多路锁相放大器相连接，多路锁相放大器和计算机相连接连接，光纤法珀传
感器通过光纤与光纤环形器连接；其中，
8.所述激光阵列用于提供多路不同波长的激光，且每个波长有不同的强度调制频率，利用不同波长的激光对法珀传感器的光谱进行采样；所述光纤耦合器用于将多路不同波长的激光耦合进一根光纤进行传输，以实现多路信号同时传输；所述光纤环形器用于将耦合光束单向传递至光纤法珀传感器，同时将光纤法珀传感器返回的干涉信号单向传输给光电探测器；所述光纤法珀传感器用于接收声音、振动在内的动态物理信号并返回携带这些物理信号的干涉光谱；所述光电探测器用于将光纤法珀传感器通过光纤环形器传递来的干涉信号转换成电信号，并传输给多路锁相放大器；所述多路锁相放大器用于产生不同的调制频率，对激光阵列中的每个激光器进行强度调制，并对光电转换后的干涉信号根据不同调制频率进行波长分离，并将分离后的信号传输给计算机进行处理；所述计算机用于接收经过多路锁相放大器处理后的不同波长的干涉信号，重构出光纤法珀传感器的干涉光谱，并利用傅里叶变换解调算法实时计算出光纤法珀传感器的腔长大小。
9.进一步的，所述激光阵列采用垂直腔面发射激光器阵列vcsel，用于提供激光光源。
10.进一步的，所述光电探测器采用分立式带尾纤ingaas光电二极管探测器，用于将干涉光强转换为电压信号。
11.进一步的，所述光电探测器还将光电二极管输出的μa级电流信号放大为0～5v范围的电压信号。
12.进一步的，所述多路锁相放大器采用fpga进行设计。
13.进一步的，所述多路锁相放大器用于产生不同的调制频率，对激光阵列中的每个激光器进行强度调制，并对光电转换后的干涉信号根据不同调制频率进行波长分离，具体包括：
14.利用锁相放大器产生不同频率的正弦信号加载到半导体垂直腔面发射激光器阵列(vcsel)对每个激光器产生强度调制；
15.利用锁相放大器中的相敏检波器将波长分离。
16.进一步的，所述计算机用于接收经过多路锁相放大器处理后的不同波长的干涉信号，重构出光纤法珀传感器的干涉光谱，具体步骤为：
17.多路锁相放大器得到分离后的波长，利用波长对应的强度，将光强绘出图形，从而重构出干涉光谱。
18.一种基于任一项所述系统的测量方法，其包括以下步骤：
19.s1:利用激光阵列，输出多路不同波长的激光，并对每个波长的激光器进行不同调制频率的强度调制，经光纤耦合器和光纤环形器传输到光纤法珀传感器发生干涉；
20.s2：干涉信号经过光纤环形器进入光电探测器，将光纤法珀传感器输出的干涉信号转换为电信号；
21.s3：多路锁相放大器通过不同的内参考频率，将不同波长的干涉信号分离，并传输给计算机；
22.s4：计算机获得干涉信号的光谱后，利用傅里叶变换算法实时解调出传感器的腔长。
23.本发明的优点及有益效果如下：
24.本发明分别从光谱采集与数据处理的硬件系统结构入手，采用激光阵列多波长强度调制的方式减少重构光谱时所需的采样点数，大幅度减少数据采集与处理的资源占用，从而突破其速度瓶颈。本发明具有高速度、高精度、高灵敏度和长期稳定的优点，可广泛应用于测量声音、振动等参数。该技术在光纤传感器领域具有独特的技术创新和应用前景。
附图说明
25.图1是本发明提供优选实施例多波长强度调制多波长强度调制光谱采样光纤法珀传感器高速测量系统结构图。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
27.本发明解决上述技术问题的技术方案是：
28.如图1所示，本发明所述的多波长强度调制多波长强度调制光谱采样光纤法珀传感器高速测量系统及其方法，包括激光阵列、光纤耦合器、光纤环形器、光电探测器、多路锁相放大器和计算机等。
29.所述激光阵列与光纤耦合器相连接，光纤耦合器通过光纤与光纤环形器相连接，光纤环形器与光电探测器相连接，光电探测器与多路锁相放大器相连接，多路锁相放大器和计算机相连接连接，光纤法珀传感器通过光纤与光纤环形器连接；其中，
30.所述激光阵列用于提供多路不同波长的激光，且每个波长有不同的强度调制频率，利用不同波长的激光对法珀传感器的光谱进行采样；所述光纤耦合器用于将多路不同波长的激光耦合进一根光纤进行传输，以实现多路信号同时传输；所述光纤环形器用于将耦合光束单向传递至光纤法珀传感器，同时将光纤法珀传感器返回的干涉信号单向传输给光电探测器；所述光纤法珀传感器用于接收声音、振动在内的动态物理信号并返回携带这些物理信号的干涉光谱；所述光电探测器用于将光纤法珀传感器通过光纤环形器传递来的干涉信号转换成电信号，并传输给多路锁相放大器；所述多路锁相放大器用于产生不同的调制频率，对激光阵列中的每个激光器进行强度调制，并对光电转换后的干涉信号根据不同调制频率进行波长分离，并将分离后的信号传输给计算机进行处理；所述计算机用于接收经过多路锁相放大器处理后的不同波长的干涉信号，重构出光纤法珀传感器的干涉光谱，并利用傅里叶变换解调算法实时计算出光纤法珀传感器的腔长大小。
31.优选的，所述光纤耦合器、光纤环形器分别采用现有的通用器件。
32.优选的，所述多路锁相放大器用于产生不同的调制频率，对激光阵列中的每个激光器进行强度调制，并对光电转换后的干涉信号根据不同调制频率进行波长分离，具体包括：
33.利用锁相放大器产生不同频率的正弦信号加载到半导体垂直腔面发射激光器阵列(vcsel)对每个激光器产生强度调制；
34.利用锁相放大器中的相敏检波器将波长分离。
35.进一步的，所述计算机用于接收经过多路锁相放大器处理后的不同波长的干涉信号，重构出光纤法珀传感器的干涉光谱，具体步骤为：
36.多路锁相放大器得到分离后的波长，利用波长对应的强度，将光强绘出图形，从而重构出干涉光谱。
37.傅里叶变换解调算法采用的是现有通用的算法，因此在此不赘述。
38.一种基于任一项所述系统的测量方法，其包括以下步骤：
39.s1:利用激光阵列，输出多路不同波长的激光，并对每个波长的激光器进行不同调制频率的强度调制，经光纤耦合器和光纤环形器传输到光纤法珀传感器发生干涉；
40.s2：干涉信号经过光纤环形器进入光电探测器，将光纤法珀传感器输出的干涉信号转换为电信号；
41.s3：多路锁相放大器通过不同的内参考频率，将不同波长的干涉信号分离，并传输给计算机；
42.s4：计算机获得干涉信号的光谱后，利用傅里叶变换算法实时解调出传感器的腔长。
43.优选的，激光阵列采用垂直腔面发射激光器阵列(vcsel)用于为系统提供高质量的激光光源；
44.优选的，光电探测器采用分立式带尾纤ingaas光电二极管探测器，用于将干涉光强转换为电压信号；
45.优选的，信号处理电路用于将光电二极管输出的μa级电流信号放大为0～5v范围的电压信号；
46.优选的，多路锁相放大器采用fpga进行设计，fpga硬件并行的结构特点使其在进行复杂运算时更有优势，其性能更优，具有较高的实时性，也可以保证其动态范围与测量精度。
47.系统测量速度由系统中各器件带宽的最小值所决定的。其中光电探测器的带宽通常可达ghz级；模拟调理电路可以实现mhz级的信号放大和调理；多路锁相放大器需要实现多通道同步数据采集和和处理，研究表明该速率可以达到4mhz，。数据通讯采用千兆网络用于传输光谱信号的帧率可以达到1mhz。因此光谱采样硬件系统的整体速度可达1mhz。
48.上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。
49.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
50.以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

技术特征：
1.一种多波长强度调制光谱采样光纤法珀传感器高速测量系统，其特征在于，包括：激光阵列、光纤耦合器、光纤环形器、光电探测器、多路锁相放大器和计算机，所述激光阵列与光纤耦合器相连接，光纤耦合器通过光纤与光纤环形器相连接，光纤环形器与光电探测器相连接，光电探测器与多路锁相放大器相连接，多路锁相放大器和计算机相连接连接，光纤法珀传感器通过光纤与光纤环形器连接；其中，所述激光阵列用于提供多路不同波长的激光，且每个波长有不同的强度调制频率，利用不同波长的激光对法珀传感器的光谱进行采样；所述光纤耦合器用于将多路不同波长的激光耦合进一根光纤进行传输，以实现多路信号同时传输；所述光纤环形器用于将耦合光束单向传递至光纤法珀传感器，同时将光纤法珀传感器返回的干涉信号单向传输给光电探测器；所述光纤法珀传感器用于接收声音、振动在内的动态物理信号并返回携带这些物理信号的干涉光谱；所述光电探测器用于将光纤法珀传感器通过光纤环形器传递来的干涉信号转换成电信号，并传输给多路锁相放大器；所述多路锁相放大器用于产生不同的调制频率，对激光阵列中的每个激光器进行强度调制，并对光电转换后的干涉信号根据不同调制频率进行波长分离，并将分离后的信号传输给计算机进行处理；所述计算机用于接收经过多路锁相放大器处理后的不同波长的干涉信号，重构出光纤法珀传感器的干涉光谱，并利用傅里叶变换解调算法实时计算出光纤法珀传感器的腔长大小。2.根据权利要求1所述的多波长强度调制光谱采样光纤法珀传感器高速测量系统，其特征在于，所述激光阵列采用半导体垂直腔面发射激光器阵列(vcsel)，用于提供激光光源。3.根据权利要求1所述的多波长强度调制光谱采样光纤法珀传感器高速测量系统，其特征在于，所述光电探测器采用分立式带尾纤ingaas光电二极管探测器，用于将干涉光强转换为电压信号。4.根据权利要求3所述的多波长强度调制光谱采样光纤法珀传感器高速测量系统，其特征在于，所述光电探测器还将光电二极管输出的μa级电流信号放大为0～5v范围的电压信号。5.根据权利要求1所述的多波长强度调制光谱采样光纤法珀传感器高速测量系统，其特征在于，所述多路锁相放大器采用fpga进行设计。6.根据权利要求1所述的多波长强度调制光谱采样光纤法珀传感器高速测量系统，其特征在于，所述多路锁相放大器用于产生不同的调制频率，对激光阵列中的每个激光器进行强度调制，并对光电转换后的干涉信号根据不同调制频率进行波长分离，具体包括：1、利用锁相放大器产生不同频率的正弦信号加载到半导体垂直腔面发射激光器阵列(vcsel)对每个激光器产生强度调制；2、利用锁相放大器中的相敏检波器将波长分离。7.根据权利要求1所述的多波长强度调制光谱采样光纤法珀传感器高速测量系统，其特征在于，所述计算机用于接收经过多路锁相放大器处理后的不同波长的干涉信号，重构出光纤法珀传感器的干涉光谱，具体步骤为：多路锁相放大器得到分离后的波长，利用波长对应的强度，将光强绘出图形，从而重构出干涉光谱。

技术总结
本发明请求保护一种多波长强度调制光谱采样光纤法珀传感器高速测量系统，属于光纤传感技术领域。该系统包括激光阵列、光纤耦合器、光纤环形器、光纤法布里-珀罗(法珀)干涉传感器、光电探测器、多路锁相放大器和计算机；方法包括：利用激光阵列，输出多路不同波长的激光，并对每个波长的激光器进行不同调制频率的强度调制，经光纤耦合器和光纤环形器传输到光纤法珀传感器发生干涉；S2：干涉信号经过光纤环形器进入光电探测器，将光纤法珀传感器输出的干涉信号转换为电信号；S3:多路锁相放大器通过不同的内参考频率，将不同波长的干涉信号分离，并传输给计算机；S4：计算机获得干涉信号的光谱后，利用傅里叶变换算法实时解调出传感器的腔长。本系统具有高速度、(张尧政)高精度、高灵敏度和长期稳定的优点。灵敏度和长期稳定的优点。灵敏度和长期稳定的优点。


技术研发人员：毛雪峰 张尧政 冉羽巧 支阳 李映廷 熊珉 陈轩 周贺凯 朱梦瑶
受保护的技术使用者：重庆邮电大学
技术研发日：2023.05.08
技术公布日：2023/9/14