一种超弱光纤光栅波长解调模块的制作方法

1.本发明涉及光纤光栅传感领域，具体涉及一种超弱光纤光栅波长解调模块。


背景技术：

2.光纤光栅传感器由于其精度高、轻便、耐腐蚀、抗电磁干扰等一系列优点已被广泛应用于结构安全、安防监测等场合。超弱光纤光栅（以下简称“超弱光栅”）是对反射率低于0.1%光栅的统称，其单波长上可复用数千个光栅，极大地提升了光纤光栅的复用容量。随着超弱光栅的大规模制备技术成熟及普及，其大容量、高强度、制作简单等优势逐渐获得认可，在土木工程、轨道交通、火灾报警中获得迅速推广。
3.由于超弱光栅反射率极低，传统光纤光栅解调仪的光源功率低，经超弱光栅反射后信号微弱，这给波长解调带来困难。此外，大规模的超弱光纤光栅阵列时分复用后，如何对不同位置的超弱光栅进行精确定位也是一大难点。
4.中国专利“大容量弱光栅传感网络高速解调方法和装置（专利号：201410078296.9）”利用不同波长的光在色散补偿光纤中延时不同将单个脉冲中的不同波长进行区分，实现全同弱光栅的解调。但其装置需要利用较长的色散补偿光纤，采用高性能x86计算机进行高速计算，解调装置体积大，结构复杂成本高，低功耗和小型化困难。
5.中国专利“一种极弱光纤光栅传感系统及其查询方法（专利号：201210391578.5）”、中国专利“超大容量时分波分光纤光栅传感系统及其查询方法（专利号：201210390000.8）”、中国专利“弱光栅检测装置及其检测方法（专利号：201310295211.8）”主要是利用两个高速光开关对不同位置的弱光栅进行筛选，同时实现了弱光栅的精确定位。但该装置采用ccd光谱仪进行信号采集，需要配合x86计算机进行信号处理和解调，接口数据传输量大，效率不高，且核心模块依赖进口。
6.目前，底层数据采集 x86计算机处理是超弱光栅解调系统的主流技术方案，但存在数据掉包以及传输速度要求高等问题，系统的实时性差，整机的体积和功耗居高不下，难以满足野外或复杂工程环境监测的需要。此外，传统的超弱光栅解调装置多采用分立元件搭建，器件数量多，光纤与电缆交叉，连接可靠性差。
7.随着智能物联网技术的大规模推广，亟需一款体积小、功耗低且性能强大的超弱光栅解调模块，能够适应野外及各种复杂的工程应用场景。


技术实现要素：

8.针对现有的解调设备解调速度慢，体积大、功耗高，无法满足工程应用场景的问题。本发明提出了一种超弱光纤光栅波长解调模块，该解调模块以嵌入式系统为核心开发嵌入式板卡，将光源和光纤线路集成化，在底层完成单元配置、a/d转换、信号采集与处理、通信传输等工作，无需与x86计算机进行交互，直接解调超弱光栅传感器的位置和波长信息。以此同时，采用脉冲式波长扫描激光器取代光源和光调制器，对光学线路进行集成设计，简化了系统结构，大幅降低了解调仪的功耗和体积，提升了解调速度，为温度、应变、振
动等多参数解调以及野外监测提供了有效方案。
9.本发明采取的技术方案为：一种超弱光纤光栅波长解调模块，包括壳体，壳体内设有激光脉冲发生器、光学线路单元、嵌入式板卡，嵌入式板卡分别连接激光脉冲发生器、光学线路单元，激光脉冲发生器连接光学线路单元。
10.所述激光脉冲发生器，用于产生波长重复变化的激光脉冲；所述光学线路单元，用于对激光脉冲进行放大并输出，接收被测对象返回的光信号并完成光电转换后输出；所述嵌入式板卡，用于对所述激光脉冲发生器进行指令和参数设置，对所述光学线路单元进行配置；嵌入式板卡，用于光栅定位及波长实时解析，输出超弱光栅的波长及位置信息。
11.所述激光脉冲发生器为内置半导体电光调制器的波长扫描激光器，或者为波长扫描激光器与外置半导体电光调制器单板集成的器件。
12.所述激光脉冲发生器包括可输出脉冲的波长扫描激光器、第一电源接口、第一控制接口、第一输出光接口；所述波长扫描激光器能够根据所述嵌入式板卡的控制指令在1528nm~1568nm的波长范围内以相同的步距进行周期性的波长变换，嵌入式板卡由第一电信号接口接收模拟电信号，完成模数转换、光栅定位及波长实时解析，输出超弱光栅的波长及位置信息。
13.所述光学线路单元包括第一输入光接口、第二电源接口、第二控制接口、第一电信号输出接口、第二输出光接口；其中，第一输入光接口与第一输出光接口耦合；光学线路单元对光脉冲进行放大并输出，接收被测对象返回的光信号并完成光电转换后，由所述第一电信号接口输出；所述光学线路单元还包括增益均衡光放大器、光环形器、光开关、光电探测器，在同一块电路板上单板集成；第一输入光接口连接增益均衡光放大器，增益均衡光放大器连接光环形器，光环形器连接光开关，光开关连接第二输出光接口；光环形器连接光电探测器，光电探测器连接第一电信号输出接口。
14.所述增益均衡光放大器为edfa光放大器，用于放大光脉冲信号，并均衡不同波长的光功率，调整系统的动态范围。
15.所述光开关在控制信号的作用下，选择当前的光通道或自动切换光通道。
16.所述嵌入式板卡包括用于波长解调计算、位置定位及外设控制的嵌入式系统与采集电路，以及第三电源接口、第三控制接口、第四控制接口、第一电信号输入接口、第一通信接口；其中，第三控制接口与第一控制接口连接，嵌入式板卡通过所述第三控制接口对所述激光脉冲发生器进行指令和参数设置；第四控制接口与第二控制接口连接，嵌入式板卡通过第四控制接口对所述光学线路单元进行配置；第一电信号输入接口与第一电信号输出接口连接；所述嵌入式板卡包括包括信号处理及控制电路、光源控制接口电路、光学线路控制接口电路、高速模数转换电路、电源接口电路、通信接口电路；
第三控制接口连接光源控制接口电路，光源控制接口电路连接信号处理及控制电路；第四控制接口连接光学线路控制接口电路，光学线路控制接口电路连接信号处理及控制电路；第一电信号输入接口连接高速模数转换电路，高速模数转换电路连接信号处理及控制电路；第三电源接口连接电源接口电路，电源接口电路连接信号处理及控制电路，信号处理及控制电路连接通信接口电路，通信接口电路连接第一通信接口。
17.所述信号处理及控制电路采用高集成度的嵌入式系统，如单片机或fpga系统，也可以是arm和fpga的soc系统。
18.所述电源接口电路采用9v~24v宽压直流输入，在低功耗模式下只保持嵌入式最小系统工作，切断其它接口及单元的供电。
19.所述通信接口电路可以是千兆以太网，或usb，或wifi，或rs232等。
20.所述壳体采用铝合金一体铣削加工，直接对各单元的功率器件进行散热。
21.所述壳体包括与激光脉冲发生器、光学线路单元、嵌入式板卡固定连接的机械结构，以及第三光输出接口、第二通信接口、第四电源接口；其中，第三光输出接口与第二输出光接口连接；第四电源接口分别与第一电源接、第二电源接口、第三电源接口连接；第二通信接口与外设连接。
22.所述壳体通过第三光输出接口接入传感介质，壳体通过第四电源接口接收外部供电，通过第二通信接口与上位机交互。
23.超弱光纤光栅波长解调模块的传感方法，包括如下步骤：s1：模块上电，信号处理及控制处理电路完成自身的参数配置，依次启动其他单元的供电；s2：用户通过通信接口电路将起始波长、光通道、光功率等参数下发到嵌入式板卡；s3：嵌入式板卡通过光源控制接口电路对所述的激光脉冲发生器的扫描范围及周期进行配置；嵌入式板卡通过光学线路控制接口电路对增益均衡光放大器的增益进行设定；嵌入式板卡对光开关的当前通道或切换规律进行指定；s4: 嵌入式板卡通过光源控制接口电路检测激光脉冲发生器的同步信号，由高速模数转换电路对光学线路单元的模拟输出信号进行采集和a/d转换；s5:信号处理及控制电路实时检测高速模数转换电路输出的数字信号，根据反射信号在时域上的强度特征截取光栅的反射信号，按照光时域反射测距算法otdr确定每个超弱光纤光栅的位置，并保存初始值；s6：信号处理及控制电路根据s5获取的超弱光纤光栅的位置，连续采集高速模数转换电路的信号，实时解算每个光栅的峰值波长的变化；s7：根据预先校准传感器的温度或应变系数，计算对应超弱光纤光栅的温度或应变的感测值；s8：通过通信接口电路将感测值通过千兆以太网、usb、wifi、rs232等上传网络或上位机。
24.本发明一种超弱光纤光栅波长解调模块，技术效果如下：（1）、解调速度快，可应用于多参数解调：采用嵌入式系统进行高速信号处理及波长解调，并行处理效率高，解调速度快，目前解调速度超过200hz，远高于传统解调仪1hz的速度，既可以实现温度、应变等低频信号的解调，也为振动信号的解调提供了可能。
25.（2）、体积小，低功耗：超弱光纤光栅波长解调模块采用集成化较高的电路和光路单元，体积更小，约为4u机箱体积的1/10，重量减轻90%；采用嵌入式系统完成数据采集、处理、通信，将诸多光模块控制器集成到一张板卡上，功耗降低到13w以下，降幅80%。低功耗模式下，系统功率可以下降到5w以下。
26.（3）、结构简单，外制冷设计，可靠性好：根据器件的特性进行单元化设计，采用半导体集成或单板集成的方式构建激光脉冲发生器，对光学线路进行整合，采用嵌入式系统完成信号采集处理，简化了系统结构。铝壳体外制冷设计，导热效果好。避免了分立器件的多接头问题，模块可靠性好。
27.（4）、供电方便，适用于野外监测：采用9v~24v的宽压直流输入，满足野外太阳能供电的需求；模块支持众多物联网接口协议，可无缝接入智能物联网系统进行统一控制和远程采集，实现解调模块的远程控制，无人值守。
附图说明
28.图1为本发明的一种超弱光纤光栅波长解调模块的结构示意图。
29.图1中：1-激光脉冲发生器，2-光学线路单元，3-嵌入式板卡，4-壳体。
30.图2为本发明的一种超弱光纤光栅波长解调模块的激光脉冲发生器的结构示意图。
31.图2中：101-波长扫描激光器，102-第一电源接口，103-第一控制接口，104-第一输出光接口。
32.图3为本发明的一种超弱光纤光栅波长解调模块的光学线路单元示意图。
33.图3中：201-增益均衡光放大器，202-光环形器、203-光开关、204-光电探测器、205-第一输入光接口、206-第二电源接口、207-第二控制接口、208-第一电信号输出接口，209-第二输出光接口。
34.图4为本发明的一种超弱光纤光栅波长解调模块的嵌入式板卡示意图。
35.图4中：301-信号处理及控制电路、302-光源控制接口电路、303-光学线路控制接口电路、304-高速模数转换电路、305-电源接口电路、306-通信接口电路、307-第三电源接口、308-第三控制接口、309-第四控制接口、310-第一电信号输入接口，311-第一通信接口。
36.图5为本发明的一种超弱光纤光栅波长解调模块的壳体示意图。
37.图5中：401-与激光脉冲发生器、光学线路单元、嵌入式板卡固定连接的机械结构，402-第三光输出接口，403-第二通信接口，404-第四电源接口。
具体实施方式
38.本发明提供了一种超弱光纤光栅波长解调模块。以下结合附图，对实施例予以说明。
39.所述激光脉冲发生器1，包括可输出脉冲的波长扫描激光器101，以及第一电源接口102、第一控制接口103和第一输出光接口104；所述光学线路单元2，包括光脉冲放大、光路选择以及光电转换的器件，以及第一输入光接口205、第二电源接口206、第二控制接口207和第一电信号输出接口208、第二输出光接口209，其中，第一输入光接口205与第一输出光接口104耦合。
40.所述嵌入式板卡3，包括用于波长解调计算、位置定位及外设控制的嵌入式系统与采集电路，以及第三电源接口307、第三控制接口308、第四控制接口309、第一电信号输入接口310以及第一通信接口311。其中，第三控制接口308与第一控制接口103连接，第四控制接口309与第二控制接口207连接，第一电信号输入接口310与第一电信号输出接口208连接。
41.所述壳体4，包括与激光脉冲发生器、光学线路单元、嵌入式板卡固定连接的机械结构401，以及第三光输出接口402、第二通信接口403和第四电源接口404。其中，第三光输出接口402与第二光输出接口209连接。第四电源接口404分别与第一电源接口102、第二电源接口206、第三电源接口连接307连接。第二通信接口403与外设连接。
42.所述嵌入式板卡3通过第三控制接口308对所述激光脉冲发生器1进行指令和参数设置。嵌入式板卡3通过第四控制接口309对所述光学线路单元2进行配置。
43.所述激光脉冲发生1单元产生波长重复变化的激光脉冲；所述光学线路单元2对光脉冲进行放大并输出，接收被测对象返回的光信号并完成光电转换后，由所述第一电信号接口208输出；所述嵌入式板卡3由第一电信号接口接收模拟电信号，完成模数转换、光栅定位及波长实时解析，输出超弱光栅的波长及位置信息；所述的壳体4通过第三光输出接口402接入传感介质，通过第四电源接口404接收外部供电，通过第二通信接口403与上位机交互。
44.所述的激光脉冲发生器1选择内置半导体电光调制器的波长扫描激光器，半导体电光调制器采用波导集成的半导体光开关（soa）,波长扫描激光器可以根据所述嵌入式板卡的控制指令在1528nm~1568nm范围内以8pm的步距进行波长扫描，并调制成10ns~50ns的光脉冲后输出。
45.所述光学线路单元2包括增益均衡光放大器201、光环形器202、光开关203、光电探测器204，在同一块电路板上单板集成。其中，增益均衡光放大器21为edfa光放大器，用于放大光脉冲信号，增益输出峰值功率1000mw，内置光功率均衡器件，通过rs232串口调整增益大小。
46.所述的光开关203在控制信号的作用下选择当前的光通道或通道切换，一般默认4个光通道，最大可扩展到32通道。
47.所述嵌入式板卡3包括信号处理及控制处理电路301、光源控制接口电路302、光学线路控制接口电路303、高速模数转换电路304、电源接口电路305、通信接口电路306。
48.所述信号处理及控制处理电路301采用高集成度的嵌入式系统，选择赛灵思 zynq7020最小系统，内存1gbyte，带以太网芯片。
49.所述电源接口电路305采用9v~24v宽压直流输入，默认选择12v供电。
50.所述通信接口电路306可以是千兆以太网，预留usb，wifi，rs232等多种接口，并设计了tf存储卡用于数据存储。
51.所述的壳体4采用航空铝合金6061一体铣削加工，直接对各单元的功率器件进行散热。根据系统功耗，可外置直流风扇对壳体进行散热。
52.所述超弱光纤光栅波长解调模块的传感方法，具有如下步骤：s1：模块上电，zynq7020最小系统完成自身的参数配置，依次启动其他单元的供电；s2：用户通过wifi将起始波长、光通道、光功率等参数下发到zynq7020最小系统；s3：zynq7020最小系统通过光源的rs232接口电路对所述的激光脉冲发生器的扫描范围及周期进行配置；通过光学线路rs232接口电路对增益均衡光放大器的增益进行设定，对光开关的当前通道或切换规律进行指定；s4: zynq7020最小系统通过光源控制接口电路检测所述激光脉冲发生器1的同步信号，由高速模数转换电路对所述光学线路单元的模拟输出信号进行采集和a/d转换；s5: zynq7020最小系统实时检测高速模数转换电路输出的数字信号，根据被测对象反射信号的时域和强度特征，按照一定的算法对信号进行处理，确定每个超弱光纤光栅的位置和初始波长，并保存初始值；s6：zynq7020最小系统根据s5获取的超弱光纤光栅的位置，连续采集高速模数转换电路的信号，实时解算每个光栅的峰值波长的变化；s7：根据预先校准传感器的温度或应变系数，计算对应超弱光纤光栅的温度或应变的感测值；s8：通过通信接口电路306将感测值通过wifi上传网络或上位机。
53.综上所述，本发明公开的超弱光纤光栅波长解调模块，高度集成的嵌入式系统为核心开发嵌入式板卡，同时完成单元配置、a/d转换、信号采集与处理、通信传输等工作，无需额外配置x86计算机，直接解调超弱光栅传感器的位置和波长信息。与此同时，对光源和光学线路进行单元化集成，大幅降低了解调仪的功耗和体积，提升了解调速度，实现了温度、应变、振动等多参数解调以及传感设备的统一控制管理，在超弱光纤光栅工程监测领域具有重要的应用价值。