一种密集光纤光栅阵列解调的装置和方法
技术领域
本发明涉及光纤光栅解调技术研究领域，特别涉及一种密集光纤光栅阵列解调的装置和方法。
背景技术
光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)由于其对温度、应变的变化非常敏感，而成为业内一个非常重要的传感器件。目前，准分布式的光纤光栅温度解调技术被广泛的应用于石油输送管道、输电线、变电站、隧道、大型建筑、铁轨等多个领域，传统解调技术主要利用波分复用原理实现光纤光栅的解调，然而由于波长通道数目有限，目前单根光纤上能复用的光纤光栅数目最多为几十个，不适用很多需要海量传感器的应用。
为了克服上述问题，学术界和产业界开始研究密集光纤光栅阵列。目前学术界和产业界对于密集光纤光栅阵列的解调方式尚比较初步，已有的研究成果和专利有：发明专利申请号：201611039334.5《一种光纤光栅阵列周界入侵系统》，将高反射率的光纤光栅阵列分组，每组里面光纤光栅波长完全一致，只要组内有一个光纤光栅波长变化，就能在光谱上显示出来。这类方法一定程度上提高了单根传感光纤上能串联的光纤光栅数目，但是无法解调任意一条光纤光栅的变化，因此应用也是受限的；发明专利申请号201510297907.3《高分辨率密集光纤光栅布设方法》，提出了将多条错位刻写光纤光栅的光纤相互平行放置，且相邻光纤上的光纤光栅之间间隔适当的距离，从而提高整个光纤簇的光纤光栅数目和空间分辨率，属于空分复用加波分复用的方式，这种方法需要多条光纤才能实现密集阵列，数目越密集实现工艺越复杂。2012年文献“A Large Serial Time-DivisionMultiplexed Fiber Bragg Grating Sensor Network”提出了基于时分复用技术实现光纤光栅复用，2016年文献“Interrogation of a Sensor Array of Identical Weak FBGsUsing Dispersive Incoherent OFDR”，提出了基于频分复用技术实现光纤光栅复用，上述两个方法中实现了单一波长通道的光纤光栅解调，未结合波分复用技术进一步扩大光纤光栅传感器数目，另外上述两个方法需要在小范围内扫描激光器波长实现波长解调，扫描波长需要耗费一定时间，因此无法做到非常高速的解调。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种密集光纤光栅阵列解调的装置和方法，本发明结合时分复用、频分复用和波分复用技术以及空分复用技术，极大提高了单链上光纤光栅传感器的密集度。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种密集光纤光栅阵列解调的装置，包括上位机、控制采集板卡、用于发射不同波长的激光发射装置、m×n式光纤耦合器、1×2式光纤耦合器、光纤光栅阵列以及光探测器，所述m×n式光纤耦合器中，m≥1，n＞1；
所述激光发射装置、1×2式光纤耦合器分别与m×n式光纤耦合器连接，光纤光栅阵列中的N条传感光纤链路分别与1×2式光纤耦合器连接，1×2式光纤耦合器、控制采集板卡分别与光探测器连接，激光发射装置、上位机分别与控制采集板卡连接，所述光纤光栅阵列为光纤光栅链路多通道排列的复合结构，光纤单链上刻写有多个弱反射光纤光栅，排列形成光纤光栅阵列。
作为优选的技术方案，所述激光发射装置为激光器阵列，所述激光器阵列的各个激光器的激光波长处于不同波长通道内，相邻波长通道相互之间中心波长间隔在1纳米以上。
作为优选的技术方案，所述激光器阵列的各个激光器能够通过改变温度或电流等方式在小范围内改变波长，波长可调范围为各个激光器所处的波长通道范围。
作为优选的技术方案，所述激光发射装置为波长可调激光器，所述波长可调激光器的激光波长能够大范围改变波长，波长可调范围包含光纤光栅阵列上所有光纤光栅的波长。
作为优选的技术方案，所述光纤光栅为宽光谱弱反射光纤光栅，其最大反射率为1％，最小光谱半高全宽为0.5纳米。
作为优选的技术方案，所述光纤单链上的光纤光栅阵列分为多组，同一组内的光纤光栅的布拉格波长不同，处于不同波长通道上，其他组的光纤光栅布拉格波长是其重复；同一组内的光纤光栅在传感光纤上分布位置相互之间相邻，处在传感光纤上同段位置，不同组光纤光栅处于传感光纤上不同段位置。
一种密集光纤光栅阵列解调的装置的调解方法，该方法基于脉冲激光时分复用和波分复用的方法，具体为：
步骤一、光纤光栅阵列光谱标定：
(1)将所述光纤光栅阵列放置于已知温度和应变的标定环境中；
(2)控制激光器阵列中各个激光器依次发射脉冲激光，入射到传感光纤，脉冲光经各个光纤光栅反射形成反射光信号，再经过1×2式光纤耦合器由光探测器转换为电信号，不同位置的光纤光栅反射的时刻不同，可以区分光纤光栅阵列内各个光纤光栅的位置，通过控制采集板卡采集电信号的强度；
(3)逐个驱动激光器阵列中各个激光器在其可调范围内扫描改变波长并重复步骤(2)，获取到光纤光栅阵列中各个光纤光栅的光谱，并记录下来，同时记录各个光纤光栅所处的环境温度和应变值，实现光谱标定；
步骤二、光纤光栅阵列快速解调：
(4)将所述光纤光栅阵列放置于待测环境中；
(5)固定激光器阵列中各个激光的波长，让其处于传感光纤光栅的斜边上，通过时分复用工作方式获取各个光纤光栅反射强度，获取的各个光纤光栅反射强度与步骤一中记录的各个光纤光栅反射光谱比较，即可获得各个光纤光栅光谱漂移值，实现快速解调过程；
(6)每隔一段时间，暂停(5)，重复(3)进行光谱标定，获取到光纤光栅阵列中各个光纤光栅的最大反射值，以获取到的各个光纤光栅最大反射值作为各个光纤光栅布拉格波长的反射值，并依此修改(3)中记录的光纤光栅光谱，然后在重新进入步骤二；
(7)通过控制采集板卡采集不同通道的信号，最终实现多光纤链路的同时测量。
作为优选的技术方案，所述激光器阵列的各个激光器的强度被正弦调制，并且正弦调制的频率线性变化。
作为优选的技术方案，，所述激光器阵列的各个激光器为脉冲激光器。
一种密集光纤光栅阵列解调的装置的调解方法，该方法基于正弦调制激光的频分复用和波分复用方法，具体为：
步骤一、光纤光栅阵列光谱标定：
(1)将所述光纤光栅阵列放置于已知温度和应变的标定环境中；
(2)控制激光器阵列内各个激光器依次工作，激光器工作时其强度被正弦调制，并且正弦调制的频率线性变化。被调制的激光入射到传感光纤，经各个光纤光栅反射形成反射光信号，再经过1×2式光纤耦合器由光探测器转换为电信号，被调制激光被不同位置的光纤光栅反射，通过检测反射回的光信号的频率和本地的调制频率的频率差不同，可以区分光纤光栅阵列内各个光纤光栅的位置。通过控制采集板卡采集电信号的强度。采集到的信号经过频谱变换，获取频率和强度信息，并记录下来；
(3)逐个驱动激光器阵列中各个激光器在其可调范围内扫描变波长并重复步骤(2)；获取到光纤光栅阵列中各个光纤光栅的光谱，并记录下来，同时记录各个光纤光栅所处的环境温度和应变值，实现光谱标定；
步骤二、光纤光栅阵列快速解调：
(4)将所述光纤光栅阵列放置于待测环境中；
(5)固定激光器阵列中各个激光器的波长，让其处于传感光纤光栅的斜边上，通过频分复用工作方式获取各个光纤光栅反射强度，获取的各个光纤光栅反射强度与步骤一中记录的各个光纤光栅反射光谱比较，即可获得各个光纤光栅光谱漂移值，实现快速解调过程；
(6)每隔一段时间，暂停(5)，重复(3)进行光谱标定，获取到光纤光栅阵列中各个光纤光栅的最大反射值，以获取到的各个光纤光栅最大反射值作为各个光纤光栅布拉格波长的反射值，并依此修改(3)中记录的光纤光栅光谱，然后在重新进入步骤二；
(7)通过控制采集板卡采集不同通道的信号，最终实现多传感光纤链路的同时测量。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明适用于光纤光栅解调，与传统的光纤光栅解调系统相比，本发明的解调目标是密集弱反射光纤光栅形成的传感阵列。传感阵列内的光纤光栅按照特定方式排列，采用时分复用、频分复用和波分复用方式，将单链光纤上能复用的光纤光栅数目提高到了最大。
2、本发明采用将激光波长固定到光纤光栅光谱斜边的位置，检测反射强度的方法，实现了最高速度的解调。
3、本发明采用光纤结构，监测信号能传输很长的距离，可以做到远程在线监控。
4、本发明采用的光纤光栅比较容易实现多通道光纤链路并联，实现多点同时检测。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图；
图2是替换部分器件后的结构示意图
图3为本发明装置中光纤光栅阵列的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例
如图1所示，本实施例一种密集光纤光栅阵列解调的装置，包括上位机1、控制采集板卡2、激光器阵列3、m×n式光纤耦合器4、1×2式光纤耦合器5、光纤光栅阵列6、光探测器7，其中，激光器阵列3、1×2式光纤耦合器5分别与m×n式光纤耦合器4的输入端和输出端连接，光纤光栅阵列6与1×2式光纤耦合器5连接，光探测器7与1×2式光纤耦合器5连接，激光器阵列3、光探测器7和上位机1分别与控制采集板卡2连接。
如图1中所示，m×n式光纤耦合器4包括m个输入端和n和输出端，其中激光器阵列3的激光器3-1与m×n式光纤耦合器4的输入口4-1-1连接，激光器阵列3的激光器3-m依次与m×n式光纤耦合器4的输入口4-1-m连接。1×2式光纤耦合器5的5-1-1与m×n式光纤耦合器4的输出口4-2-1连接，1×2式光纤耦合器5的5-n-1依次与m×n式光纤耦合器4的输出口4-2-n连接。光纤光栅阵列6的光纤单链6-1与1×2式光纤耦合器5的5-1-2连接，光纤光栅阵列6的光纤单链6-n依次与1×2式光纤耦合器5的5-n-2连接。1×2式光纤耦合器5的5-1-3与光探测器7的输入端7-1连接，1×2式光纤耦合器5的5-n-3依次与光探测器7的输入端7-n连接。光探测器7的输出端与控制采集板卡2连接。控制采集板卡2与上位机1连接。
如图2中所示，激光器阵列3可以用波长可调激光器8代替，同时m×n式光纤耦合器4用1×n式光纤耦合器9代替。
如图3所示，光纤光栅阵列6的结构包括N条光纤单链6-n，光纤单链6-n上的光纤光栅阵列分为多组，光纤光栅6-n-k-m表示为第n条光纤单链上的第k组的第m个光纤光栅，同一组内的光纤光栅的布拉格波长不同，处于不同波长通道上，其他组的光纤光栅布拉格波长是其重复。
在本申请的另一个实施例中，所述的密集光纤光栅阵列6解调的装置的解调方法，分为两个子类，第一子类解调方法为基于脉冲激光时分复用+波分复用的方法，第二子类解调方法基于正弦调制激光的频分复用+波分复用方法。
在其中一个实施例中，一种密集光纤光栅阵列解调的装置的解调方法，采用时分复用+波分复用的第一子类解调方法，分为二个步骤，步骤一为光纤光栅阵列6光谱标定过程，步骤二为光纤光栅阵列6快速解调过程。
步骤一包括：
(1)将所述光纤光栅阵列6放置于已知温度和应变的标定环境中；
(2)控制激光器阵列3中各个激光器3-m依次发射脉冲激光，入射到传感光纤6-n，脉冲光经各个光纤光栅6-n-k-m反射形成反射光信号，再经过1×2式光纤耦合器5由光探测器7转换为电信号，不同位置的光纤光栅6-n-k-m反射的时刻不同，可以区分光纤光栅阵列6内各个光纤光栅6-n-k-m的位置，通过控制采集板卡2采集电信号的强度；
(3)逐个驱动激光器阵列3中各个激光器3-m在其可调范围内扫描改变波长并重复步骤(2)。获取到光纤光栅阵列6中各个光纤光栅6-n-k-m的光谱，并记录下来，同时记录各个光纤光栅6-n-k-m所处的环境温度和应变值，实现光谱标定；
步骤二包括：
(4)将所述光纤光栅阵列6放置于待测环境中；
(5)固定激光器阵列3中各个激光器3-m的波长，让其处于传感光纤光栅6-n-k-m的斜边上，通过时分复用工作方式获取各个光纤光栅6-n-k-m反射强度。获取的各个光纤光栅6-n-k-m反射强度与步骤一中记录的各个光纤光栅6-n-k-m反射光谱比较，即可获得各个光纤光栅6-n-k-m光谱漂移值，实现快速解调过程；
(6)每隔一段时间，暂停(5)，重复(3)进行光谱标定，获取到光纤光栅阵列6中各个光纤光栅6-n-k-m的最大反射值，以获取到的各个光纤光栅6-n-k-m最大反射值作为各个光纤光栅6-n-k-m布拉格波长的反射值，并依此修改(3)中记录的光纤光栅光谱，然后在重新进入步骤二；
(7)通过控制采集板卡2采集不同通道的信号，最终实现多光纤链路6-n的同时测量。
在另一个实施例中，一种密集光纤光栅阵列解调的装置的解调方法，采用频分复用+波分复用的第二子类解调方法，分为二个步骤，步骤一为光纤光栅阵列6光谱标定过程，步骤二为光纤光栅阵列6快速解调过程。
步骤一包括：
(1)将所述光纤光栅阵6列放置于已知温度和应变的标定环境中；
(2)控制激光器阵列3内各个激光器3-m依次工作，激光器3-m工作时其强度被正弦调制，并且正弦调制的频率线性变化。被调制的激光入射到传感光纤，经各个光纤光栅6-n-k-m反射形成反射光信号，再经过1×2式光纤耦合器5由光探测器7转换为电信号，被调制激光被不同位置的光纤光栅6-n-k-m反射，通过检测反射回的光信号的频率和本地的调制频率的频率差不同，可以区分光纤光栅阵列6内各个光纤光栅6-n-k-m的位置。通过控制采集板卡2采集电信号的强度。采集到的信号经过频谱变换，获取频率和强度信息，并记录下来；
(3)逐个驱动激光器阵列3中各个激光器3-m在其可调范围内扫描变波长并重复步骤(2)。获取到光纤光栅阵列6中各个光纤光栅6-n-k-m的光谱，并记录下来，同时记录各个光纤光栅6-n-k-m所处的环境温度和应变值，实现光谱标定；
步骤二包括：
(4)将所述光纤光栅阵列6放置于待测环境中；
(5)固定激光器阵列3中各个激光器3-m的波长，让其处于传感光纤光栅6-n-k-m的斜边上，通过频分复用工作方式获取各个光纤光栅6-n-k-m反射强度。获取的各个光纤光栅6-n-k-m反射强度与步骤一中记录的各个光纤光栅6-n-k-m反射光谱比较，即可获得各个光纤光栅光谱6-n-k-m漂移值，实现快速解调过程；
(6)每隔一段时间，暂停(5)，重复(3)进行光谱标定，获取到光纤光栅阵列6中各个光纤光栅6-n-k-m的最大反射值，以获取到的各个光纤光栅6-n-k-m最大反射值作为各个光纤光栅6-n-k-m布拉格波长的反射值，并依此修改(3)中记录的光纤光栅光谱，然后在重新进入步骤二；
(7)通过控制采集板卡采集2不同通道的信号，最终实现多传感光纤链路6-n的同时测量。
本实施例中，控制采集板卡2、激光器阵列3、m×n式光纤耦合器4、1×2式光纤耦合器5、光探测器7为成熟产品，光纤光栅阵列6中光纤单链上制作不同波长光纤光栅为成熟技术，上位机1检测到的光谱与光纤光栅温度和应变传感的数据解调算法为现有技术。
本发明不仅可以检测待测环境变化并追踪定点，还可以通过控制采集板卡采集不同通道的信号，实现多传感光纤链路的同时测量。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
