一种光传感系统及方法与流程

1.本技术涉及光传感技术领域，具体而言，涉及一种光传感系统及方法。


背景技术：

2.光传感系统测量待测物理量的原理为：外界物理量对光传感器进行调制处理，使光传感器所反射光信号的特性参数变化(例如：特性参数可以为波长、光强及功率等)。之后通过解调模块解调出光传感器所反射光信号的特性参数的变化，从而基于上述特性参数的变化确定待测物理量的测量值。
3.其中，在波长调制型光传感系统中，外界物理量在对光传感器进行调制处理后，会使光传感器所反射光信号的中心波长变化。因此，为便于获得待测物理量的测量值，解调模块必须精准解调出光传感器所反射光信号的中心波长的微小变化。现有技术中，常用的解调方式为，先通过可调滤波器将光传感器所反射光信号的中心波长的变化，转变为光信号的强度变化。之后通过光电探测器将光信号的强度变化转变为电信号的变化，并最终实现通过上述电信号的变化，确定光传感器所反射光信号的中心波长的变化。示例性的，电信号可以为电流信号。
4.然而，上述方式中，为保证解调精度，需保证光电探测器对于不同波长的光信号的响应度是一致的，即如公式(1)所示，需保证不同波长的光信号在入射至光电探测器中时，入射光强与输出电流的比值为一个定值。
5.r(λ)＝i(λ)/p(λ) (1)
6.其中，p(λ)为波长λ时的入射光强，i(λ)为光电探测器在入射光强作用p(λ)下的电流大小。
7.但是，由于在制备过程中引入的不可控缺陷，以及，半导体材料在不同波长下吸收系数的差异，会导致实际应用中光电探测器在不同波长下存在响应度差异，即相同强度不同波长的光信号入射至光电探测器后，会产生不同大小的电流。此种情况极大地降低了解调模块的解调精度，严重影响了光传感系统的测量精度。


技术实现要素：

8.本技术的目的在于提供一种光传感系统及方法，提升了对待测物理量的测量精度。
9.本技术的实施例是这样实现的：
10.一方面，本技术提供一种光传感系统，包括测量模块、探测模块及处理模块；其中，探测模块包括耦合器、第一光源器、光放大器、滤波器及光电探测器；测量模块用于对待测物理量进行测量，并根据测量情况输出传感光信号；耦合器与测量模块连接；第一光源器与耦合器连接，用于发射预设波长的探测光信号；光放大器与耦合器连接，用于通过耦合器接收传感光信号及探测光信号，并对传感光信号及探测光信号进行放大处理；滤波器与光放大器连接，用于将放大后的传感光信号滤除，并输出放大后的探测光信号；光电探测器与滤
波器连接，用于将放大后的探测光信号转变为电信号；处理模块与光电探测器连接，用于接收电信号，并根据电信号的值的变化情况，确定待物理量的测量值。
11.于一实施例中，测量模块包括第二光源器、解调器、环形器及传感单元；其中，第二光源器用于发射光源信号；解调器与第二光源器连接；环形器与解调器及耦合器连接；传感单元与环形器连接，用于通过环形器接收光源信号，基于光源信号对待测物理量进行测量，并根据测量情况输出传感光信号。
12.于一实施例中，所述传感单元包括一个光纤光栅传感器，光纤光栅传感器与环形器连接。
13.于一实施例中，传感单元为一个光传感阵列，传感单元包括多个顺次连接的光传感器；其中，耦合器具有第一输入端、第二输入端及输出端；环形器具有第一端口、第二端口及第三端口，且第二端口与第一端口及第三端口连接；第二光源器的输出端与解调器的输入端连接；第一端口与解调器的输出端连接，第二端口与光传感器阵列中第一个光传感器连接；第一输入端与第三端口连接，第二输入端与第一光源器的输出端连接；耦合器的输出端与光放大器的输入端连接；光放大器的输出端与滤波器的输入端连接；滤波器的输出端与光电探测器的输出端连接；光电探测器的输出端与处理模块的输入端连接。
14.于一实施例中，传感单元为一光传感阵列，包括多个顺次连接的光传感器；光传感系统还包括驱动电路；其中，驱动电路与解调器连接，用于向解调器输出驱动电压，使解调器在传感单元的反射波长的范围内来回扫描，从而改变传感光信号的光强值；其中，传感光信号由光传感阵列中任一光传感器输出；光放大器还用于在传感光信号的光强值达到最大时，减小对探测光信号的放大倍数，从而使电信号的值达到最小；其中，当解调器的透射波长与传感光信号的波长重合时，传感光信号的光强值达到最大；处理模块还用于在电信号的值达到最小时，基于驱动电路输出的驱动电压值，确定待测物理量的测量值。
15.于一实施例中，处理模块包括数据采集单元及数据处理单元；其中，数据采集单元与光电探测器连接；数据处理单元与数据采集单元连接，用于通过数据采集单元接收电信号，并根据电信号的值的变化情况，确定待测物理量的测量值。
16.于一实施例中，光放大器为半导体光放大器，或者，掺铒光纤放大器。
17.于一实施例中，解调器为法布里珀罗可调谐滤波器，或者，可调谐光纤光栅滤波器；滤波器为带通滤波器。
18.另一方面，本技术提供一种光传感方法，包括：
19.测量模块根据对待测物理量的测量情况输出传感光信号；
20.探测模块接收到传感光信号，以及，接收到第一光源器发射的预设波长的探测光信号后，光放大器对传感光信号及探测光信号进行放大处理；滤波器接收放大后的传感光信号及放大后的探测光信号，并将放大后的传感光信号滤除；光电探测器接收放大后的探测光信号，并将放大后的探测光信号转变为电信号；
21.处理模块接收到电信号后，根据电信号的值的变化情况，确定待测物理量的测量值。
22.于一实施例中，探测模块接收到传感光信号，以及，接收到第一光源器发射的预设波长的探测光信号后，光放大器对传感光信号及探测光信号进行放大处理，包括：
23.当光放大器检测到传感光信号的光强值达到最大时，减小对探测光信号的放大倍
数，从而使得光电探测器输出的电信号的值到达最小；其中，驱动电路向解调器输出驱动电压，使解调器在传感单元的反射波长范围内来回扫描，当扫描到解调器的透射波长与传感光信号的波长重合时，传感光信号的光强值达到最大；
24.处理模块接收电信号，并根据电信号的值的变化情况，确定待测物理量的测量值，包括：
25.当处理模块检测到电信号的值达到最小时，基于驱动电压的值，确定待测物理量的测量值。
26.本技术与现有技术相比的有益效果是：本技术中的光传感系统包括探测模块、测量模块及处理模块；测量模块用于对待测物理量进行测量，并根据测量情况输出传感光信号；探测模块与测量模块连接，用于接收传感光信号，以及，探测模块中第一光源器发射的预设波长的探测光信号，并用于同时对传感光信号及探测光信号进行放大处理，进一步的，还用于将经过放大后的探测光信号转换为电信号进行输出；处理模块与探测模块连接，用于接收电信号，并根据电信号的值的变化情况，确定待测物理量的测量值。
27.相比现有技术中，通过不同波长的传感光信号的光强变化，确定传感光信号中心波长变化的解调方式；本技术中，通过固定波长的探测光信号的光强变化，确定传感光信号中心波长变化的解调方式，有效消除了光电探测器对于不同波长光信号的响应度差异，充分保证了解调精度，提升了光传感系统的测量精度。
附图说明
28.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
29.图1为本技术一实施例示出的光传感系统的结构示意图；
30.图2为本技术一实施例示出的光传感系统的结构示意图；
31.图3为本技术一实施例示出的探测模块中传感光信号及探测光信号的流转示意图；
32.图4为本技术一实施例示出的光放大器中交叉增益调制效应的示意图；
33.图5为本技术一实施例示出的光传感方法的流程示意图。
34.图标：
35.1-光传感系统；10-测量模块；11-第二光源器；12-解调器；13-环形器；14-传感单元；15-光传感器；20-探测模块；21-第一光源器；22-耦合器；23-光放大器；24-滤波器；25-光电探测器；30-处理模块；31-数据采集单元；32-数据处理单元；40-驱动电路。
具体实施方式
36.术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，并不表示排列序号，也不能理解为指示或暗示相对重要性。
37.此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构
一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
38.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“左”、“右”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
39.在本技术的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。
40.下面将结合附图对本技术的技术方案进行清楚、完整地描述。
41.请参照图1，其为本技术一实施例示出的光传感系统1的结构示意图。如图1所示，本技术中的光传感系统1包括测量模块10、探测模块20及处理模块30；探测模块20包括耦合器22、第一光源器21、光放大器23、滤波器24及光电探测器25。测量模块10用于对待测物理量进行测量，并根据测量情况输出传感光信号；示例性的，待测物理量可以为压力、温度、速度及加速度等；耦合器22与测量模块10连接；第一光源器21与耦合器22连接，用于发射预设波长的探测光信号；光放大器23与耦合器22连接，用于通过耦合器22接收传感光信号及探测光信号，并对传感光信号及探测光信号进行放大处理，示例性的，光放大器23可以半导体光放大器23(soa)，或者，掺铒光纤放大器。滤波器24与光放大器23连接，用于将放大后的传感光信号滤除，并输出放大后的探测光信号；光电探测器25与滤波器24连接，用于将放大后的探测光信号转变为电信号，示例性的，光电探测器25可以为铟镓砷光电二极管探测器、硅探测器、硫化镉探测器、光电倍增管及雪崩二极管中的任意一种；处理模块30与滤波器24连接，用于接收上述电信号，并根据电信号的值的变化情况，确定待测物理量的测量值。
42.具体的，如图1所示，耦合器22包括第一输入端d、第二输入端e及输出端f；测量模块10的输出端与耦合器22的第一输入端d连接；第一光源器21的输出端与耦合器22的第二输入端e连接；耦合器22的输出端f与光放大器23的输入端连接；光放大器23的输出端与滤波器24的输入端连接；滤波器24的输出端与光电探测器25的输入端连接；光电探测器25的输出端与处理模块30的输入端连接。
43.于一操作过程中，光传感系统1在对待测物理量进行测量时，测量模块10根据对待测物理量的测量情况输出传感光信号至探测模块20。探测模块20中的光放大器23在接收到上述传感光信号，以及，第一光源器21实时发射的预设波长的探测光信号后，会同时对传感光信号及探测光信号进行放大处理，并在放大结束后输出放大后的传感光信号及探测光信号至滤波器24。滤波器24接收到放大后的传感光信号及探测光信号后，会将放大后的传感光信号滤除，只将放大后的探测光信号输出至光电探测器25中。光电探测器25在接收到放大后的探测光信号后，将探测光信号转变为电信号输出至处理模块30，从而使得处理模块30在接收到电信号后，能够根据电信号的值的变化情况，确定待测物理量的测量值。
44.因此，可以看出，相比现有技术中，通过监测不同波长的传感光信号的光强变化，确定传感光信号中心波长变化的解调方式；本技术中，通过检测固定波长的探测光信号的光强变化，确定传感光信号中心波长变化的解调方式，有效消除了光电探测器25对于不同波长的光信号的响应度差异，充分保证了解调精度，提升了光传感系统1的测量精度。
45.请参照图2，其为本技术一实施例提供的光传感系统1的结构示意图。如图2所示，本技术中的测量模块10包括第二光源器11、解调器12、环形器13及传感单元14。其中，第二光源器11用于发射光源信号，示例性的，第二光源器11可以为ase类型的激光器，或者，sled类型的激光器；解调器12与第二光源器11连接，示例性的，解调器12可以为法布里珀罗可调谐滤波器24(fiber fabry-perot tunable filter)，或者，可调谐光纤光栅滤波器24；环形器13与解调器12、耦合器22及传感单元14连接；具体的，如图2所示，环形器13具有第一端口a、第二端口b及第三端口c，且第二端口b与第一端口a及第三端口c连接。第二光源器11的输出端与解调器12的输入端连接；环形器13的第一端口a与解调器12的输出端连接；环形器13的第二端口b与传感单元14连接；环形器13的第三端口c与耦合器22第一输入端d连接；其中，传感单元14用于通过环形器13接收光源信号，基于光源信号对待测物理量进行测量，并根据测量情况输出传感光信号。
46.在一实施例中，如图4所示，传感单元14为一光传感阵列，包括多个顺次连接的光传感器15；示例性，每个光传感器15均可以为光纤光栅传感器。则此时，环形器13的第二端口b与光传感阵列中第一个光纤光栅传感器连接。
47.在另一实施例中，传感单元14包括一个光纤光栅传感器，且环形器13的第二端口b与光纤光栅传感器连接。
48.如图2所示，光传感系统1还包括驱动电路40；其中，驱动电路40的输出端与解调器12的输入端连接，用于向解调器12输出驱动电压，使解调器12在传感单元14的反射波长范围内来回扫描，从而改变传感光信号的光强值。处理模块30还包括数据采集单元31及数据处理单元32；其中，数据采集单元31的输入端31与光电探测器25的输出端连接；数据处理单元32的输入端与数据采集单元31的输出端连接；数据处理单元32用于通过数据采集单元31接收光电探测器25输出的电信号，并根据电信号的值的变化情况，确定待测物理量的测量值。
49.在一实施例中，驱动电路40可以集成在数据处理单元32中，从而使得可以通过数据处理单元32向解调器12输出驱动电压。
50.下面详细讲解图2中所示意出的光传感系统1的工作原理：
51.光传感系统1在对待测物理量进行测量时，第二光源器11发射的光源信号经由环形器13的第一端口a及第二端口b进入传感单元14中。传感单元14中的任意一个光传感器15根据对待测物理量的测量情况，将传感光信号经由环形器13的第二端口b、第三端口c、耦合器22的第一输入端d以及输出端f反射至光放大器23中。同时，第一光源器21发射的具有预设波长的探测光信号也会经由耦合器22的第二输出端e及输出端f进入光放大器23中。此时，解调器12会在驱动电路40实时输出的驱动电压的驱动下，在传感单元14所反射光信号的中心波长的附近来回扫描，使传感光信号的光强发生变化。其中，当解调器12扫描到其透射波长与传感光信号的中心波长重合时，传感光信号的光强值达到最大。
52.光放大器23在接收到传感光信号及探测光信号后，会根据传感光信号及探测光信号的光强值，对传感光信号及探测光信号进行放大，并在放大结束时将放大后的传感光信号及探测光信号输出至滤波器24中。然而，因光放大器23本身具有交叉增益调制效应(如图4所示)，即具有强光强的传感光信号对放大器的增益进行调制后，放大器同时会对探测光信号进行增益调制。具体来说，当传感光信号的光强变大时，光放大器23的增益受到抑制而
突然下降，导致对探测光信号的放大倍数会突然减小；当传感光信号的光强变小时，由于光放大器23的增益没有受到抑制，探测光信号将被正常放大。因此，因交叉增益调制效应的存在，当传感光信号的光强值达到最大时，光放大器23会减小对探测光信号的放大倍数，使从光放大器23输出的探测光信号的光强值达到最小。
53.滤波器24在接收到上述放大后的传感光信号及探测光信号后，如图3所示，会将放大后的传感光信号滤除，仅将放大后的探测光信号发送至光电探测器25中。光电探测器25在接收到放大后的探测光信号后，将其转变为电信号，并在转换成功时将电信号发送至数据采集单元31。其中，当探测光信号的光强值达到最小时，上述电信号的值也达到最小。数据采集单元31在接收到上述电信号后，将其发送至数据处理单元32，从而使得数据处理单元32根据上述电信号的变化情况，确定待测物理量的测量值。具体的，当电信号的值达到最小时，数据处理单元32基于驱动电路40输出的驱动电压值，即可确定传感光信号的中心波长的偏移情况。之后，数据处理单元32通过一定的信号处理算法即可获得对待测物理量的测量值。
54.在一实施例中，除了利用光放大器23的交叉增益调制效应对探测光信号进行调制，还可以利用光放大器23的交叉相位调制效应或四波混频效应对探测光信号进行调制。
55.在一实施例中，本技术中基于半导体光放大器23(soa)的交叉增益调制效应的波长转换实现高精度解调的方法，除了适用于具体方案中描述的可调谐滤波解调法，同时还适用于衍射光栅解调法、可调谐激光器解调法、阵列波导光栅解调法等波长解调方法。
56.在一实施例中，本技术中仅描述了单通道的解调方法，如果需要拓展通道数量，可以通过在可调滤波器24后使用多路分光器实现光传感通道数量的增加。增加的通道光路结构与具体方案描述中相同仅是数量增加，不再赘述。
57.在一实施例中，本技术中采用的是采集光传感器15的反射光谱对探测光信号进行调制，在实际使用中可以使用光传感器15的透射谱来代替反射谱，对探测光信号进行调制。
58.请参照图5，其为本技术一实施例提供的光传感方法的流程示意图。如图5所示，该方法包括如下步骤s210-步骤s230。
59.步骤s210：测量模块10根据对待测物理量的测量情况输出传感光信号。
60.步骤s220：探测模块20接收到传感光信号，以及，接收到第一光源器21发射的预设波长的探测光信号后，光放大器23对传感光信号及探测光信号进行放大处理；滤波器24接收放大后的传感光信号及放大后的探测光信号，并将放大后的探测光信号滤除；光电探测器25接收放大后的探测光信号，并将放大后的探测光信号转变为电信号。
61.步骤s230：处理模块30接收到电信号后，根据电信号的值的变化情况，确定待测物理量的测量值。
62.在一实施例中，步骤s220包括：当所述光放大器23检测到所述传感光信号的光强值达到最大时，减小对所述探测光信号的放大倍数，从而使得所述光电探测器25输出的电信号的值到达最小；其中，驱动电路40向解调器12输出驱动电压，使所述解调器12在传感单元14的反射波长范围内来回扫描，当扫描到所述解调器12的透射波长与所述传感光信号的波长重合时，所述传感光信号的光强值达到最大。
63.在一实施例中，步骤s230包括：当所述处理模块30检测到所述电信号的值达到最小时，基于所述驱动电压的值，确定所述待测物理量的测量值。
64.具体的，本实施例中的光传感方法中每个步骤的具体工作原理，请参照上述对光传感系统1部分的讲解内容，此处不再赘述。
65.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。