一种基于光纤光栅的波长解调系统及方法与流程

本发明涉及光纤传感，尤其是涉及一种基于光纤光栅的波长解调系统及方法。

背景技术：

1、现有技术中，光纤光栅作为一种新型的光学无源器件，具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、耐腐蚀、易于复用等诸多优点，在光纤通信和光纤传感领域得到了广泛的应用，在光纤传感领域中，光纤光栅传感器可以用于测量温度、应变、压力、位移等物理量。然而，要准确获取这些物理量的信息，关键在于对光纤光栅反射或透射波长的精确解调。

2、传统的光纤光栅波长解调方法主要包括光谱仪法、边缘滤波法、匹配光栅法等。光谱仪法虽然精度较高，但设备昂贵、体积庞大，不适合实际工程应用；边缘滤波法虽然结构简单，但解调精度和动态范围有限；匹配光栅法需要精确匹配光栅参数，对制作工艺要求较高，且稳定性有待提高。随着科技的不断发展，对光纤光栅波长解调系统的性能提出了更高的要求，如更高的解调精度、更大的动态范围、更快的响应速度以及更低的成本等。然而，现有的解调系统在满足这些要求方面仍存在诸多不足，一方面，在一些复杂的环境中，如高温、高压、强电磁干扰等，现有解调系统的稳定性和可靠性难以保证，导致测量结果不准确。

3、另一方面，对于大规模的光纤光栅传感网络，现有解调系统的多路复用能力有限，难以实现对大量传感器的同时监测。此外，为满足现代工业自动化和智能化的发展需求，目前解调系统在与其他设备的兼容性和集成度方面也有待进一步提高，现阶段需要一种基于光纤光栅的波长解调系统及方法。

技术实现思路

1、为了解决解调系统中存在的稳定性差和多路复用能力有限的问题，本发明提供一种基于光纤光栅的波长解调系统及方法。

2、第一方面，本发明提供的一种基于光纤光栅的波长解调系统，采用如下的技术方案：

3、一种基于光纤光栅的波长解调系统，包括：

4、可调谐激光器单元、波长采集单元、控制单元和供能电源，所述供能电源连接控制单元，所述控制单元分别连接可调谐激光器单元和波长采集单元；

5、所述可调谐激光器单元依次连接光隔离器和分光器，所述分光器将可调谐激光器单元的单路光信号分成多路光信号，所述分光器输出端的多路光信号分别连接多个光纤耦合器，所述光纤耦合器的一端连接光栅传感器，所述光纤耦合器的另一端连接至波长采集模块，用于获取光栅传感器的波长变化信息。

6、进一步地，所述可调谐激光器单元包括可调谐激光器、温控芯片和对数放大器，所述温控芯片的热端和冷端分别通过导热线连接可调谐激光器，所述可调谐激光器的一端连接至激光器用对数放大器，用于对光信号的放大处理，所述可调谐激光器的另一端通过光隔离器连接至分光器。

7、进一步地，所述波长采集单元包括多个光电二极管和对数放大器，所述光电二极管的一端连接对数放大器，所述光电二极管的另一端连接至光纤耦合器，所述对数放大器通过模数转换器连接至控制模块，用于电信号的传输。

8、进一步地，所述控制单元包括第一主控芯片和第二主控芯片，所述第一主控芯片，所述第一主控芯片与第二主控芯片进行双向连接，用于可调谐激光器单元和波长采集单元的同步信号传输，所述第二主控芯片包括多个通讯接口，用于实现与外部设备的信息交互。

9、进一步地，所述控制单元分别连接可调谐激光器单元和波长采集单元，包括所述第一控制芯片的信号输出端连接温控芯片，所述第一控制芯片通过模数转换芯片连接至激光器用对数放大器，所述第一控制芯片通过spl通信接口连接至恒流源，所述第一控制芯片通过恒流源连接至可调谐激光器的调节区域。

10、进一步地，所述恒流源连接至可调谐激光器的调节区域，包括所述恒流源分为五路可编程电流源，所述五路可编程电流源分别连接至可调谐激光器的soa电极、左光栅反射区、右光栅反射区、相位区和增益区，用于实现可调谐激光器的波长控制。

11、进一步地，所述控制单元分别连接可调谐激光器单元和波长采集单元，还包括所述第二控制芯片通过fmc总线连接至模数转换器，用于接受光电二极管传递的电信号。

12、进一步地，所述恒流源内置驱动芯片，所述驱动芯片通过spl通信接口连接第一控制芯片。

13、第二方面，一种基于光纤光栅的波长解调方法，包括：

14、获取原始的多峰光纤光栅信号，并对获取的多峰光纤光栅信号进行预处理，包括利用小波基函数将原始的多峰光纤光栅信号分解为不同尺度和位置的小波系数，根据分治策略将多峰光纤光栅信号转换为单峰光纤光栅信号，对分解和转换后的光纤光栅信号进行小波阈值降噪处理，得到优化后的单峰光纤光栅信号，基于优化后的单峰光纤光栅信号进行波长解调。

15、进一步地，所述基于优化后的单峰光纤光栅信号进行波长解调，包括获取光栅传感器的工作波长范围区间，基于工作波长范围区间确定光源波长扫描范围区间，获取光源的光信号通过时间，并在通过时间内将光源波长依次设为多个扫描波长，多次测量多个扫描波长下的光纤光栅反射率并取平均值，基于多个反射率构建反射谱，确定其中心波长作为光纤光栅的波长。

16、综上所述，本发明具有如下的有益技术效果：

17、1、本发明采用光隔离器减少光路中的干扰，结合小波阈值降噪等信号处理手段，有效降低噪声对测量结果的影响，增强系统在复杂环境中的稳定性和可靠性，恒流源采用半导体激光器驱动芯片，优化激光光源控制，能够更精确地控制可调谐激光器的工作参数，为波长解调提供更优质的光源。

18、2、本发明通过分光器和多个光纤耦合器的使用，通过分光器将光信号分为多路，同时连接多个光纤耦合器和光栅传感器，能够实现对多个位置或多个参数的同时测量，大大提高了测量的效率，节省了时间和成本，使得系统能够同时监测多个光栅传感器，提高了监测效率和覆盖范围，增强了解调系统的多路复用能力。

技术特征：

1.一种基于光纤光栅的波长解调系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的波长解调系统，其特征在于，所述可调谐激光器单元包括可调谐激光器、温控芯片和对数放大器，所述温控芯片的热端和冷端分别通过导热线连接可调谐激光器，所述可调谐激光器的一端连接至激光器用对数放大器，用于对光信号的放大处理，所述可调谐激光器的另一端通过光隔离器连接至分光器。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的波长解调系统，其特征在于，所述波长采集单元包括多个光电二极管和对数放大器，所述光电二极管的一端连接对数放大器，所述光电二极管的另一端连接至光纤耦合器，所述对数放大器通过模数转换器连接至控制模块，用于电信号的传输。

4.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的波长解调系统，其特征在于，所述控制单元包括第一主控芯片和第二主控芯片，所述第一主控芯片，所述第一主控芯片与第二主控芯片进行双向连接，用于可调谐激光器单元和波长采集单元的同步信号传输，所述第二主控芯片包括多个通讯接口，用于实现与外部设备的信息交互。

5.根据权利要求4所述的一种基于光纤光栅的波长解调系统，其特征在于，所述控制单元分别连接可调谐激光器单元和波长采集单元，包括所述第一控制芯片的信号输出端连接温控芯片，所述第一控制芯片通过模数转换芯片连接至激光器用对数放大器，所述第一控制芯片通过spl通信接口连接至恒流源，所述第一控制芯片通过恒流源连接至可调谐激光器的调节区域。

6.根据权利要求5所述的一种基于光纤光栅的波长解调系统，其特征在于，所述恒流源连接至可调谐激光器的调节区域，包括所述恒流源分为五路可编程电流源，所述五路可编程电流源分别连接至可调谐激光器的soa电极、左光栅反射区、右光栅反射区、相位区和增益区，用于实现可调谐激光器的波长控制。

7.根据权利要求6所述的一种基于光纤光栅的波长解调系统，其特征在于，所述控制单元分别连接可调谐激光器单元和波长采集单元，还包括所述第二控制芯片通过fmc总线连接至模数转换器，用于接受光电二极管传递的电信号。

8.根据权利要求6所述的一种基于光纤光栅的波长解调系统，其特征在于，所述恒流源内置驱动芯片，所述驱动芯片通过spl通信接口连接第一控制芯片。

9.一种基于光纤光栅的波长解调方法，基于如权利要求1所述的解调系统，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述的一种基于光纤光栅的波长解调方法，其特征在于，所述基于优化后的单峰光纤光栅信号进行波长解调，包括获取光栅传感器的工作波长范围区间，基于工作波长范围区间确定光源波长扫描范围区间，获取光源的光信号通过时间，并在通过时间内将光源波长依次设为多个扫描波长，多次测量多个扫描波长下的光纤光栅反射率并取平均值，基于多个反射率构建反射谱，确定其中心波长作为光纤光栅的波长。

技术总结本发明涉及光纤传感技术领域，尤其是涉及一种基于光纤光栅的波长解调系统及方法。所述系统，包括可调谐激光器单元、波长采集单元、控制单元和供能电源，所述控制单元分别连接可调谐激光器单元和波长采集单元；所述可调谐激光器单元依次连接光隔离器和分光器，所述分光器将可调谐激光器单元的单路光信号分成多路光信号，所述分光器输出端的多路光信号分别连接多个光纤耦合器，所述光纤耦合器的一端连接光栅传感器，所述光纤耦合器的另一端连接至波长采集模块，用于获取光栅传感器的波长变化信息。本发明的技术方案结合小波阈值降噪等信号处理手段，有效降低噪声对测量结果的影响，增强系统在复杂环境中的稳定性和可靠性。技术研发人员：辛公锋,王昌,龙关旭,马乃轩,李长锋,尚志强,邵珠峰,张学斌,张泽军,武略,刘世伟受保护的技术使用者：山东高速集团有限公司创新研究院技术研发日：技术公布日：2024/11/21