基于全息衍射空間成像的高精度光纖光柵傳感器陣列解調(diào)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于全息衍射空間成像的高分辨率與高精度光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)高精度監(jiān)測多個光纖光柵傳感器波長變化。包括：寬帶光源、耦合器、光開關(guān)、光纖光柵陣列、全息衍射空間成像單元、CCD光電探測單元、數(shù)據(jù)采集單元、針對成像光電信號的自適應(yīng)數(shù)?；旌蠟V波單元、數(shù)?；旌显肼暤窒c處理單元、數(shù)據(jù)迭代擬合與相關(guān)性分析處理單元以及電腦顯示與數(shù)據(jù)處理存儲單元，所述光纖光柵陣列由兩個以上的光纖光柵串聯(lián)而成；所述全息衍射空間成像單元由光束整形、全息衍射晶體、空間成像物鏡三個子單元依次連接構(gòu)成。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感器波長的高精度與高分辨率探測，穩(wěn)定性和重復(fù)性好，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，性價比高。
【專利說明】基于全息衍射空間成像的高精度光纖光柵傳感器陣列解調(diào)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種以全息衍射空間成像為基礎(chǔ)的高分辨率與高精度分布式光纖光柵傳感器陣列解調(diào)技術(shù)，用于實(shí)現(xiàn)高精度監(jiān)測多個光纖光柵傳感器波長變化。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著光纖光柵傳感技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(SHM)等工程中的應(yīng)用，由于結(jié)構(gòu)應(yīng)變較小，越來越需要具有高分辨率、高精度靈敏度高的光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)。目前用于光纖光柵解調(diào)的技術(shù)主要包括掃描濾波法，干涉儀法等等。但研究及工程實(shí)際表明，目前這些技術(shù)方法的傳感系統(tǒng)分辨率與精度有限，而實(shí)際工程有時需要更高測量分辨率與精度，例如在一些大型工程結(jié)構(gòu)如大跨橋梁、隧道等的長期健康監(jiān)測，由于應(yīng)變變化較小，往往要求傳感解調(diào)系統(tǒng)具有更高分辨率與精度，以準(zhǔn)確測量結(jié)構(gòu)損壞程度，這對結(jié)構(gòu)的長期健康監(jiān)測具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種利用全息衍射空間成像技術(shù)，結(jié)合數(shù)?；旌蠟V波與噪聲抵消技術(shù)，最后通過高收斂性迭代擬合算法，實(shí)現(xiàn)對光纖光柵波長信號的高分辨率與高精度解調(diào)的光纖光柵傳感器陣列解調(diào)系統(tǒng)，具有測量距離長，檢測速度快，穩(wěn)定性與可靠性好。
[0004]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種基于全息衍射空間成像的高分辨率與高精度光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，
其特征在于:包括寬帶光源、耦合器、光開關(guān)、光纖光柵陣列、全息衍射空間成像單元、C⑶光電探測單元、數(shù)據(jù)采集單元、針對成像光電信號的自適應(yīng)數(shù)?；旌蠟V波單元、數(shù)?；旌显肼暤窒c處理單元、數(shù)據(jù)迭代擬合與相關(guān)性分析處理單元、電腦顯示與數(shù)據(jù)處理存儲單兀；所述I禹合器包括第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端和第二輸出端，所述的光開關(guān)包括第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端和第二輸出端，所述的第一輸出端為多個并輸出端口，所述的第二輸入端為多個并輸入端口 ；所述光纖光柵陣列由兩個以上的光纖光柵串聯(lián)而成；所述全息衍射空間成像單元由光束整形、全息衍射晶體、空間成像物鏡三個子單元依次連接構(gòu)成；
所述寬帶光源的輸出端連接耦合器的第一輸入端，耦合器的第一輸出端連接所述光開關(guān)的第一輸入端，所述光開關(guān)的第二輸出端連接所述耦合器的第二輸入端；所述的光纖光柵陣列連接在所述光開關(guān)的每個并輸出端口和并輸入端口上；耦合器第二輸出端口連接所述全息衍射空間成像單元的輸入端，全息衍射空間成像單元的輸出端連接所述CCD光電探測單元的輸入端，所述CCD光電探測單元的輸出端依次串聯(lián)所述數(shù)據(jù)采集單元、針對成像光電信號的自適應(yīng)數(shù)?；旌蠟V波單元、數(shù)?；旌显肼暤窒c處理單元、數(shù)據(jù)迭代擬合與相關(guān)性分析處理單元、電腦顯示與數(shù)據(jù)處理存儲單元。[0005]本發(fā)明是一種以全息衍射空間成像為基礎(chǔ)的高分辨率與高精度分布式光纖光柵傳感器陣列解調(diào)技術(shù)，寬帶光源發(fā)出寬帶光，進(jìn)入耦合器的第一輸入端口，然后通過耦合器輸出端口進(jìn)入一具有多個并輸出端口的光開關(guān)，然后由光開關(guān)某一輸出端口進(jìn)入光纖光柵傳感器陣列并被反射，反射的脈沖光由光開關(guān)原路返回，通過耦合器第二輸出端口，進(jìn)入全息衍射空間成像單元，然后進(jìn)入CCD光電探測器。數(shù)據(jù)采集卡采集光電探測器的輸出信號，依次經(jīng)過針對成像光電信號的自適應(yīng)數(shù)?；旌蠟V波單元、數(shù)模混合噪聲抵消與處理單元，以及數(shù)據(jù)迭代擬合與相關(guān)性分析處理單元，最后在電腦顯示上顯示、分析與存儲檢測結(jié)果，以觀測光纖光柵傳感器的脈沖反射信號的變化。
[0006]本發(fā)明針對系統(tǒng)成像光電信號與噪聲信號特點(diǎn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)數(shù)模混合噪聲抵消與處理單元，通過相關(guān)性分析主通道的像光電信號與噪聲信號之和，以及參考通道的參考噪聲-即自適應(yīng)濾波器的噪聲信號經(jīng)時延和衰減后的信號，當(dāng)主通道混合信號與參考噪聲信號不相關(guān)時，自適應(yīng)濾波器將調(diào)整自動調(diào)整優(yōu)化參數(shù)。通過循環(huán)迭代使得噪聲得到最大程度的抵消，而輸出信號達(dá)到成像光電信號最佳估計(jì)，且均方值為最小。
[0007]自適應(yīng)數(shù)模混合濾波單元采用模擬和數(shù)字混合電路，通過迭代算法控制調(diào)節(jié)濾波器的權(quán)系數(shù)，模擬延遲由多個集成電路并行構(gòu)成橫向?yàn)V波器，通過乘法型模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)濾波器權(quán)系數(shù)與延遲的抽樣信號的相乘，通過積分器和抽樣保持電路實(shí)現(xiàn)模擬延遲輸出的加權(quán)和。通過主控單元控制，濾波器的權(quán)系數(shù)存儲在數(shù)字移位寄存器，并根據(jù)異或門輸出端上梯度估計(jì)值，以某一固定+2 μ或-2 μ進(jìn)行迭代后實(shí)時更新存儲。
[0008]本發(fā)明通過設(shè)計(jì)針對成像光電信號的自適應(yīng)數(shù)?；旌蠟V波單元、以及與之相匹配的數(shù)?；旌显肼暤窒c處理單元，高收斂性數(shù)據(jù)迭代擬合與相關(guān)性分析處理單元，通過軟硬件結(jié)合的噪聲與信號處理的方式，實(shí)現(xiàn)對光纖光柵波長高分辨率與高精度解析。光柵反射光信號進(jìn)入全息衍射空間成像模塊后首先經(jīng)過光束整形準(zhǔn)直子單元，然后依次通過全息衍射晶體及空間成像物鏡單元，使得不同波長的光柵信號成像于CCD光電探測器的不同像元點(diǎn)上，以實(shí)現(xiàn)對波長的解調(diào)。由于傳感器陣列光波長變化會導(dǎo)致各光波長經(jīng)全息空間衍射成像后在CCD探測器像素點(diǎn)發(fā)生變化，因此通過采用高密集度像素陣元的CCD探測器，結(jié)合光電探測單元的噪聲分析與處理，可以靈敏精確測得傳感器波長變化，因而與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn):
1.實(shí)現(xiàn)高分辨率與高精度光纖光柵傳感器波長監(jiān)測，其波長分辨率和精度可分別達(dá)到 0.1pm 和 0.2pm ；
2.可高速監(jiān)測幾十個到上百個光纖光柵波長變化；
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖2是本發(fā)明光纖光柵陣列的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]圖3是本發(fā)明全息衍射空間成像單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖4是數(shù)?；旌显肼暤窒c處理單元的原理框圖。
[0013]圖5是自適應(yīng)數(shù)?；旌蠟V波單元的原理框圖。
【具體實(shí)施方式】[0014]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細(xì)說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0015]如圖1所示，寬帶光源I發(fā)出寬帶光，進(jìn)入耦合器2的第一輸入端口，然后通過耦合器輸出端口進(jìn)入一具有多個并輸出端口的光開關(guān)3,然后由光開關(guān)某一輸出端口進(jìn)入光纖光柵傳感器陣列4并被反射，反射的脈沖光由光開關(guān)原路返回，通過耦合器2第二輸入端口，進(jìn)入全息衍射空間成像單元5，然后進(jìn)入C⑶光電探測器6。數(shù)據(jù)采集卡7采集光電探測器的輸出信號，依次經(jīng)過針對成像光電信號的自適應(yīng)數(shù)?；旌蠟V波單元8、噪聲抵消與處理單元9，以及高收斂性迭代擬合算法單元10，最后經(jīng)電腦顯示、分析與存儲11，觀測光纖光柵傳感器反射光波長的變化。
[0016]光纖光柵陣列4由多個光纖光柵串聯(lián)組成如圖2所75,光纖光柵13可通過相位掩模板或激光逐點(diǎn)刻寫制作而成，因此光纖光柵的反射波長可由相位掩模板的柵距或逐點(diǎn)寫入的步進(jìn)距離決定。
[0017]全息衍射空間成像單元5由光束整形12、全息衍射晶體13、空間成像物鏡14三個子單元依次連接構(gòu)成，如圖3所示。
[0018]寬帶光源I發(fā)出寬帶傳感光進(jìn)入I禹合器2第一輸入端口，由I禹合器2的輸出端口經(jīng)過光開關(guān)3進(jìn)入光纖光柵傳感器陣列4后被各光柵反射。反射光原路返回依次通過光開關(guān)3及耦合器2，經(jīng)耦合器2的第二輸入端口進(jìn)入全息衍射空間成像模塊5，然后進(jìn)入光電探測器6。數(shù)據(jù)采集卡7采集并放大CCD光電探測器6不同像元點(diǎn)的輸出電信號，根據(jù)輸出光電信號及噪聲特點(diǎn)，依次經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的針對成像光電信號的自適應(yīng)數(shù)?；旌蠟V波單元8、數(shù)模混合噪聲抵消與處理單元9，以及高收斂性迭代擬合算法單元10，對弱光電信號進(jìn)行處理與分析，實(shí)現(xiàn)對光纖光柵傳感器陣列4的高分辨率與高精度解析，最后電腦顯示、分析與存儲檢測結(jié)果11，以觀測光纖光柵傳感器的反射信號的變化。其中衍射空間成像模塊5由光束整形12、全息衍射晶體13、空間成像物鏡14三個子單元依次連接構(gòu)成。光柵反射光信號進(jìn)入全息衍射空間成像模塊5后首先經(jīng)過光束整形子單元12，然后依次通過全息衍射晶體13及空間成像子單元14，使得不同波長的光柵信號成像于CCD光電探測器6的不同像元點(diǎn)上，以實(shí)現(xiàn)對波長的解調(diào)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于全息衍射空間成像的光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于，包括:寬帶光源、耦合器、光開關(guān)、光纖光柵陣列、全息衍射空間成像單元、CCD光電探測單元、數(shù)據(jù)采集單元、針對成像光電信號的自適應(yīng)數(shù)?；旌蠟V波單元、數(shù)模混合噪聲抵消與處理單元、數(shù)據(jù)迭代擬合與相關(guān)性分析處理單元以及電腦顯示與數(shù)據(jù)處理存儲單元； 所述I禹合器包括第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端和第二輸出端，所述的光開關(guān)包括第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端和第二輸出端，所述的第一輸出端為多個并輸出端口，所述的第二輸入端為多個并輸入端口 ；所述光纖光柵陣列由兩個以上的光纖光柵串聯(lián)而成；所述全息衍射空間成像單元由光束整形、全息衍射晶體、空間成像物鏡三個子單元依次連接構(gòu)成； 所述寬帶光源的輸出端連接耦合器的第一輸入端，耦合器的第一輸出端連接所述光開關(guān)的第一輸入端，所述光開關(guān)的第二輸出端連接所述耦合器的第二輸入端；所述的光纖光柵陣列連接在所述光開關(guān)的每個并輸出端口和并輸入端口上；耦合器第二輸出端口連接所述全息衍射空間成像單元的輸入端，全息衍射空間成像單元的輸出端連接所述CCD光電探測單元的輸入端，所述CCD光電探測單元的輸出端依次串聯(lián)所述數(shù)據(jù)采集單元、針對成像光電信號的自適應(yīng)數(shù)?；旌蠟V波單元、數(shù)?；旌显肼暤窒c處理單元、數(shù)據(jù)迭代擬合與相關(guān)性分析處理單元、電腦顯示與數(shù)據(jù)處理存儲單元。
【文檔編號】G01J9/00GK103439009SQ201310393107
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月3日
【發(fā)明者】吳智深, 孫安 申請人:東南大學(xué), 江蘇綠材谷新材料科技發(fā)展有限公司