光纤光栅解调系统中长距离光延迟效应的解调方法
【专利摘要】本发明涉及一种光纤光栅解调系统中长距离光延迟效应的解调方法，用于消除长距离光缆传输带来的波长解调误差。本发明方法包括扫频速率切换解调、检测通道速率选择、FBG波长顺序矫正、FBG延迟校准参数计算和校准解调五个步骤，消除光延迟影响，得到FBG真实波长值。本发明方法能够保证基于扫频光源的光纤光栅解调系统数据的完整性、正确性，适用于长距离且分布特征不明的光纤光栅传感网络的远距离、大容量、高速的动态波长解调。
【专利说明】光纤光栅解调系统中长距离光延迟效应的解调方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光纤光栅解调【技术领域】，具体地指一种基于扫频光源的光纤光栅解调系统中长距离光延迟效应的解调方法。
【背景技术】
[0002]随着光纤传感技术的发展，光纤光栅传感器以其抗电磁干扰、耐腐蚀、高绝缘性、便于分布式测量等优点，在机械装备、土木工程、石油化工、航空航天、医疗、船舶工业等领域取得了广泛应用，成为传感领域发展较快的技术之一。FBG (Fiber Bragg Grating,光纤布喇格光栅)可以封装成温度、应变、压力、振动等传感器，应用在桥梁、大坝、隧道、港口翻车机和大型吊车以及石油化工等安全监测与健康诊断领域。在实际应用中，例如港口岸桥起重机、翻车机等在线监测系统中，系统要求需要部署数十个甚至成百上千个FBG传感器构成传感器阵列完成远距离、分布式、实时、多通路的在线监测。同时，必须能够对复杂的机械装备结构实现多参数动态信息的状态监测，例如高转速设备振动信号测量等，要求解调系统具有高解调速率和高分辨率。可见，光纤光栅解调系统必须满足远距离测量、高分辨率、高解调速率、大容量等性能要求。
[0003]通常，光纤光栅解调系统与FBG传感器之间会通过长距离的光缆连接，达到远程监控的目的。然而，基于扫频光源的光纤光栅解调系统，对FBG中心波长反射光接收时刻因长距离光缆传输耗时与发射时刻出现延迟滞后现象，使得FBG波长位置发生变化，给FBG中心波长解调带来不可忽略的误差影响。这种由长距离光缆引起的光延迟效应是使用扫频光源在光纤光栅解调过程中所不可避免的。因此，亟待研究一种技术方案以消除光延迟效应给波长解调带来的误差，能够实现校准计算出真实中心波长值，此外该技术方案能够自适应测量环境的变化，如光缆长度变化、环境温度与压力的变化、通道配置改变、FBG传感器部署位置更改等，保证传感系统数据的正确性、完整性。
【发明内容】
[0004]本发明目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种光纤光栅解调系统中长距离光延迟效应的解调方法，该方法针对使用扫频光源在光纤光栅解调过程中出现的光延迟效应，利用每个FBG传感器对应的延迟校准参数对传感器波长进行实时同步校准解调得到真实中心波长值，以消除光延迟效应的影响。
[0005]实现本发明目的采用的技术方案是一种光纤光栅解调系统中长距离光延迟效应的调解方法，该方法包括:
[0006](I)切换扫频速率获得各速率下参考通道和多路检测通道的峰值计数值数据，并根据标定算法完成各速率下波峰波长值的标定，以及“去噪平均”处理后得到算法计算所需的各波峰计数值与波长值相应解调数据；
[0007](2)选出各路检测通道所对应的两个扫频速率Rate 1、Rate II，在所述两个扫频速率下，检测通道不能发生“周期旋转”;[0008](3)在工作速率RateW下，对各检测通道是否发生“距离乱序”现象进行判断和顺序矫正，得到所述各检测通道中检测波峰排序与真实波长排序的对应关系；
[0009](4)利用所述各检测通道对应扫频速率Rate 1、Rate II下的解调数据完成全部FBG对应延迟校准参数ANfbg的计算；
[0010](5)解调系统至工作速率RateW，利用以上步骤计算得到的各ANfbg参数和对各检测通道FBG波长顺序矫正后得到的检测波峰排序与真实波长排序的对应关系对解调数据进行实时校准计算，得到真实中心波长值Xfbg输出，消除光延迟效应对波长解调的影响。
[0011]本发明具有以下优点:
[0012]本发明适用于分布式FBG传感网络的远距离、大容量、高速的动态波长解调，各检测通道对应光缆距离长度可互不相同。解调系统能够随工程实际测量场景和环境因素的变化实时更新FBG延迟校准参数,从而实现快速的自适应校准解调。延迟校准参数是测量环境中能够影响光信号传输延迟的众多因素的综合表述，包括了光缆距离长度，环境温度、压力等等。与传统通过光时域反射计(OTDR)测量距离来消除误差的方法相比，本发明操作简单，计算精度高，受环境影响小，且不会增加工程施工的难度和复杂度。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为基于扫频光源的光纤光栅解调系统原理框图。
[0014]图2为长距离光延迟效应示意图。
[0015]图3为“周期旋转”现象示意图。
[0016]图4为本发明方法流程图。
[0017]图5为本发明所涉及算法的流程图。
[0018]图6为单一 FBG解调判断扫频速率是否发生“周期旋转”的示意图。
[0019]图7为多FBG解调判断扫频速率是否发生“周期旋转”的示意图。
[0020]图8为“乱序”现象示意图。
[0021 ]图9为FBG波长校准参数计算示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地详细说明。
[0023]本发明是针对在使用基于扫频光源的光纤光栅解调系统的过程中，由于长距离光延迟效应产生调解误差而提出的一种解调方法。
[0024]本发明首先分析基于扫频光源的光纤光栅解调系统产生解调误差的原因。
[0025]如图1所示，基于扫频光源的光纤光栅解调系统包括:扫频光源模块、参考通道、多路检测通道、信号采集与处理模块和上位机软件系统。
[0026]扫频光源模块中的扫频激光源在波长扫描驱动电压控制下，随电压的变化输出不同波长的光，扫频光进入参考通道(梳状滤波器)和多路检测通道。参考通道用来提高解调系统的精度与稳定性，参考通道梳状滤波器透射光波峰与检测通道FBG反射光波峰由信号采集与处理模块进行检测和处理完成FBG传感器解调。扫频光源的波长扫描驱动电压信号频率决定了解调系统的解调速率。
[0027]扫频激光源的出光波长与波长扫描驱动电压 对应，同时，在光源使能控制信号作用下，只有前半周期有激光输出，而FBG反射波峰的检测则贯穿整个周期，如图2所示。参考通道透射波峰和检测通道FBG反射波峰信号被光电二极管检测采集后以峰值计数值N的形式表示其在一个驱动电压周期中的相对时间位置t，如图2中d所示。根据N对应的波长扫描驱动电压U标定出FBG反射中心波长值λ
[0028]FBG中心波长对应光信号在t°ut时刻发射，光信号在光缆中传输耗时τ，FBG反射光在tIn(tIn=t°ut+ τ )时刻被解调系统接收。t°ut与tIn分别对应扫描电压U°ut、UIn，对应峰值计数值为N°ut、Nln,如图2中b、C、d所示。则解调系统由Nln标定波长值λ Ιη与真实中心波长λ fbB卿λ °ut)之间存在波长误差Λ λ ( Δ λ = λ Ιη- λ aitX波长解调发生错误。以4kHz解调频率为例，Ikm的距离会带来约4000的计数差值(AN=NIn-N°ut)，造成约4nm的解调误差。由于在实际工程应用中，光缆距离可能会是几十甚至几百公里，因此，这种光延迟效应给基于扫频光源的解调系统带来了不可忽略的解调误差。
[0029]随传输光缆距离的增加，延迟时间τ会进一步增长，过长的延时会导致本扫描周期发射的光信号被FBG反射后却延迟在下个周期或第η (η>1)周期被接收到而造成“周期旋转”延迟。如图3所示，扫频速率为4kHz，λ out= λ *8=1290ηπι,光缆距离Lentjptie cable=23Km,延迟导致ΛΝ约为92000、Λ λ约为92nm，发射光在第二个周期被接收，而“周期旋转”延迟致使检测到Λ λ = λ Ιη- λ _=-8.。
[0030]本发明采用光源使能控制信号以控制扫频光源是否出光(H:有光输出；L:无光输出)；在一个工作周期中，波长扫描驱动电压上升阶段激光器输出扫频光，下降阶段无光输出；扩展峰值计数值Nmin?Nmax为0-100000，扩展波长解调范围λ min?λ -为lOOnm，以解决反射波峰出现在无光输出阶段而导致无法进行波长标定及校准计算的情况。图2中d图中虚线表示峰值计数值与波长解调范围的扩展部分。光延迟效应下的解调波长λΙη是带有误差的波长值，需要利用算法消除该误差得到真实中心波长值。如图4和图5所示，本发明基于扫频光源的光纤光栅解调系统中长距离光延迟效应的调解方法包括以下步骤:
[0031]S100、解调系统切换扫频速率进行数据记录与波长解调。解调系统根据具体工程需要设置多个扫频速率档位，其中包含了高扫频速率档位(几千Hz)和低扫频速率档位(几百Hz或更低)，工作速率RateW为最高速率。获得各速率下参考通道和多路检测通道解调的波峰峰值计数值数据。根据现有波长标定算法完成各速率下波峰波长值的标定，“去噪平均”等处理后得到算法计算所需的各波峰计数值与解调波长数据。多路检测通道可在光缆距离长度、FBG部署方案互不相同情况下进行同步解调。
[0032]多路检测通道可在光缆距离长度、FBG部署方案互不相同情况下进行同步解调。
[0033]S200、切换速率进行数据记录与波长解调完成后进行各检测通道速率选择。选出各检测通道对应扫频速率Rate I ,Rate II，在所述两个扫频速率下，检测通道不能发生“周期旋转”，具体步骤为:
[0034]当检测通道只解调单一 FBG传感器时，按速率从低到高的顺序，迭代对比各速率下峰值计数值，找到解调波长值(或峰值计数值)保持增长趋势的速率集合N (速率档位集合M表示，N C M)，选择集合N中最大速率为Rate II，次高速率为Rate I ,Rate I < Rate II。
[0035]如图6所示，检测通道解调一个FBG传感器(λ fbg=13IOnm)，光缆距离Lentjpticcable=45Km, 4kHz、2kHz、IkHz、500Hz 和 IOOHz 构成速率集合 M (4kHz 为工作速率)。从IOOHz开始迭代对比解调波长值(或峰值计数值)，100Hz、500Hz和IkHz下保持增长趋势(λ。Jtl5 λ ^NaiNa5NlkOJlJ 100Ηζ、500Ηζ和IkHz构成集合N。可以判断集合N中速率未发生“周期旋转”，其余速率发生。选择IkHz作为Rate II，选择500Hz为Rate I。
[0036]当检测通道解调多FBG传感器时，首先判断检测通道在各速率下是否发生“周期旋转”。方法是在某速率下按检测通道波峰计数值顺序依次计算两个相邻FBG波峰峰值计数值之差ANfbg的绝对值I ANfJ，取最大值I ANfbJmax与峰值计数值中值Nmid比较，若
ANfJmax≤Nmig，则发生“周期旋转”;反之则无。在各速率中找出发生“周期旋转”的最小速率，选择比之更小的两个速率档位依次作为Rate I > Rate II, Rate I < Rate II。
[0037]如图7所示，检测通道中接有五个FBG传感器(λ -1290.、λ 2=1300nm、λ 3=1310nm、λ 4=1320nm、λ 5=1325nm),光缆距离 Lentjptic cable=17Km, 4kHz、2kHz、IkHz、500Hz和IOOHz构成速率集合M(500Hz和100Hz解调结果不会发生“周期旋转”，图中未列出，4kHz为工作速率)。按照上述检测通道是否发生“周期旋转”的方法，可以判断:4kHz时发生“周期旋转”，2kHz、IkHz未发生。选择2kHz作为Rate II，选择IkHz为Rate I。
[0038]各检测通道在选出的扫频速率Rate 1、扫频速率Rate II后，从SlOO结果中获得Rate I ,Rate II和工作速率RateW (本实施例设为4kHz)下参考通道和检测通道峰值计数值数据与解调波长值数据，分别表示如下:
[0039]
【权利要求】
1.一种光纤光栅解调系统中长距离光延迟效应的解调方法，其特征在于: (1)切换扫频速率获得各速率下参考通道和多路检测通道的峰值计数值数据，并根据标定算法完成各速率下波峰波长值的标定，以及“去噪平均”处理后得到算法计算所需的各波峰计数值与波长值相应解调数据； (2)选出各路检测通道所对应的两个扫频速率Rate1、Rate II，在所述两个扫频速率下，检测通道不能发生“周期旋转”; (3)在工作速率RateW下，对各检测通道是否发生“距离乱序”现象进行判断和顺序矫正，得到所述各检测通道中检测波峰排序与真实波长排序的对应关系； (4)利用所述各检测通道对应扫频速率RateI ,Rate II下的解调数据完成全部FBG对应延迟校准参数ANfbg的计算； (5)解调系统至工作速率RateW，利用以上步骤计算得到的各ΛNfbg参数和对各检测通道FBG波长顺序矫正后得到的检测波峰排序与真实波长排序的对应关系对解调数据进行实时校准计算，得到真实中心波长值Xfbg输出，消除光延迟效应对波长解调的影响。
2.根据权利要求1所述光纤光栅解调系统中长距离光延迟效应的解调方法，其特征在于，步骤(1)包括: 设置多个扫频速率档位，其中工作速率RateW作为最高速率； 由高到低，解调系统切换所述扫频速率档位进行解调获得各速率下参考通道和各检测通道解调得到的波峰峰值计数值数据。
3.根据权利要求1所述光纤光栅解调系统中长距离光延迟效应的解调方法，其特征在于，步骤(2)包括: 分析检测通道在各速率下的解调数据，根据检测通道解调FBG传感器的情况，各检测通道选出不会发生“周期旋转”所对应的两个扫频速率Rate 1、Rate II，检测通道在对应Rate 1、Rate I1、工作速率RateW下FBG传感器解调波长值分别为
4.根据权利要求3所述光纤光栅解调系统中长距离光延迟效应的解调方法，其特征在于: 若检测通道只解调单一 FBG传感器，按速率从低到高的顺序，迭代对比各速率下峰值计数值，找到解调波长值保持增长趋势的速率集合N，N Q M，M表示速率档位集合，选择集合N中最大速率为Rate II，次高速率为
5.根据权利要求3所述光纤光栅解调系统中长距离光延迟效应的解调方法，其特征在于: 若检测通道解调多FBG传感器，首先按下式判断检测通道在各速率下是否发生“周期旋转”，
6.根据权利要求1所述光纤光栅解调系统中长距离光延迟效应的解调方法，其特征在于，所述步骤(3)包括: 若检测通道解调单一 FBG传感器则不存在“乱序”现象；若检测通道解调多FBG传感器且发生“周期旋转”，则工作速率RateW存在“距离乱序”，记录下峰值差值ANfbJ= ANfbJmax的两个波峰Nm与Nm+1，将峰值计数值比Nm小的全部波峰分为A组，峰值计数值比Nm+1大的全部波峰分为B组，A组波峰为真实波长较大的FBG传感器对应延迟波峰，B组为真实波长值较小的传感器对应延迟波峰，将两者按{B、A}的顺序拼接即为真实波长排序，从而找出检测波峰排序与真实波长排序的对应关系。
7.根据权利要求1所述光纤光栅解调系统中长距离光延迟效应的解调方法，其特征在于，步骤(4)包括: S401根据下式进行理想波长值λ Theo的计算，
8.根据权利要求1所述光纤光栅解调系统中长距离光延迟效应的解调方法，其特征在于，步骤(5)包括: 在工作速率RateW下利用Λ Nfbg以及FBG波长顺序矫正后得到的检测通道中检测波峰排序与真实波长排序的对应关系，对FBG计数值
【文档编号】G01D3/028GK103822646SQ201410074318
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年3月3日 优先权日:2014年3月3日
【发明者】刘泉, 李政颖, 刘牧野, 赵猛 申请人:武汉理工大学