CN106918390B - 一种用于光纤振动传感的接收端光功率控制*** - Google Patents

一种用于光纤振动传感的接收端光功率控制*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于光纤振动传感的接收端光功率控制***，光源的光出射端口通过振动传感光纤与分光器相连，分光器的第二分光支路与光探测器光路相连，光探测器将光信号强度转换为光强模拟电信号，放大器用于放大光强模拟电信号，模数转换器将放大后的光强模拟电信号转换为用于表示光强的数字信号，阈值判定器用于判断用于表示光强的数字信号是否低于预设正常光功率阈值，如果是则增大输出调节数字；光功率调节模块将所述调节数字转换成模拟信号；驱动电路模块根据模拟信号调节光源的驱动电流强度从而调节光源的输出光功率。本发明提供了一种在低成本振动传感***中即可在光探测器端获得相对稳定的接收光功率的***。

Description

一种用于光纤振动传感的接收端光功率控制***
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，更具体地，涉及一种用于光纤振动传感的接收端光功率控制***。
背景技术
在一般光纤振动传感***中，一般采用固定出射光光功率的设计。采用固定的出射光光功率可以保证光源输出功率稳定。但是，在光纤振动传感***的安装部署过程中，传感光纤不同的耦合形式以及传感光纤的长度，都会造成光信号在光纤链路中不同程度的损耗。这样即便是出射光功率完全相同的两套光纤振动传感设备，在不同的安装部署环境中也很难得到相同的入射(接收)光功率。
接收光功率是光纤振动传感***中一个用于检测振动发生与否的重要参考量。这一参考量发生变化可能造成多种问题：1、光功率大于光探测器探测范围或光功率低于光探测器探测范围；2、光功率发生变化影响同一振动检测***中的振动检测结果；3、光功率不同使得不同的光纤振动检测***可能得到不一致的振动检测结果。
为了满足远距离的传感需求，这些光纤振动传感***往往采用较大的光功率，并在光探测器后端采用多级放大器来适应不同安装环境中的光功率损耗。但在一些低成本光纤传感***中，多级放大部件的成本过高。所以需要一种相对简易的方法使得低成本振动传感***即可在光探测器端获得相对稳定的接收光功率。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于光纤振动传感的接收端光功率控制***，其目的在于提供一种在低成本振动传感***中可在光信号接收端获得相对稳定的接收光功率的***，由此解决现有技术中低成本振动传感***中无法在光探测器端获得相对稳定的接收光功率的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于光纤振动传感的接收端光功率控制***，包括光源、分光器、光探测器、放大器、模数转换器、第一阈值判定器、光功率调节模块以及驱动电路模块，其中：
所述光源的光出射端口通过振动传感光纤与分光器相连；
所述分光器用于将所述光源的出射光至少分为两条分光支路，其中所述分光器的第一分光支路与光纤振动传感检测器光路相连，所述分光器的第二分光支路与所述光探测器光路相连；
所述光探测器的输出与所述放大器的输入相连，所述光探测器用于检测所述第二分光支路的光信号强度，并将所述光信号强度转换为光强模拟电信号；
所述放大器的输出与所述模数转换器的输入相连，所述放大器用于放大所述光强模拟电信号，使放大后的光强模拟电信号的电压强度处于模数转换器的电压测量范围内；
所述模数转换器的输出与所述第一阈值判定器的输入相连，所述模数转换器用于将所述放大后的光强模拟电信号转换为用于表示光强的数字信号；
所述第一阈值判定器的输出与所述光功率调节模块的输入相连，所述第一阈值判定器用于判断所述用于表示光强的数字信号是否低于预设正常光功率阈值，如果是则增大输出调节数字；
所述光功率调节模块的输出与所述驱动电路模块相连，所述光功率调节模块用于将所述调节数字转换成模拟信号；
所述驱动电路模块的输出与所述光源相连，所述驱动电路模块用于根据所述模拟信号来调节所述光源的驱动电流强度从而调节光源的输出光功率。
本发明的一个实施例中，所述光功率控制***还包括驱动电流监测模块和第二阈值判定器，其中，所述驱动电流监测模块的输入与所述驱动电路模块的输出相连，所述驱动电流监测模块的输出与第二阈值判定器相连；所述驱动电流监测模块用于获取所述驱动电路模块输出的驱动电流，所述第二阈值判定器用于判断所述驱动电路模块输出的驱动电流是否大于所述光源的额定驱动电流，如果是则减小所述第二阈值判定器的输出调节数字。
本发明的一个实施例中，在驱动电流上升的过程中，所述第一阈值判定器还用于在调节光功率之前存储调节前接收端光功率，并在调节后获取调节后接收端光功率，并判断所述调节后接收端光功率是否小于调节前接收端光功率，如果是则减小所述第一阈值判定器的输出调节数字。
本发明的一个实施例中，所述第一阈值判定器在接收到的光强值低于设定阈值的预设比例时启动光功率调节。
本发明的一个实施例中，所述光功率调节模块为数字电位器，或者数字滑动变阻器，或者数模转换器。
本发明的一个实施例中，所述分光器为一分二的分光器。
本发明的一个实施例中，所述分光器的分光比例为90％:10％，且10％接入光探测器光路，另90％接入光纤振动传感检测器光路。
本发明的一个实施例中，所述光源为FP激光器，或者DFB激光器，或者LED光源与起偏器的组合。
本发明的一个实施例中，所述光功率控制***还包括存储模块，所述存储模块与所述第一阈值判定器通信连接，用于存储所述调节前接收端光功率。
本发明的一个实施例中，所述启动光功率调节的预设比例为30％。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)本发明提供的用于光纤振动传感的接收端光功率控制***，通过光探测器探测光源发出的光信号的强度，并通过阈值判断器判断所述光强是否低于预设光强阈值，如果是则增大输出调节数字，通过光功率调节模块和驱动电路模块调节光源的驱动电流，以增大光源的出射光光功率，从而保证接收端光功率的相对稳定；该光功率控制***结构简单，成本低廉；可以用于低成本光纤振动传感***以校准接收光功率；且可降低光功率强度的变化给光纤振动检测精度与一致性带来的负面影响；提供了一种在低成本振动传感***中在光信号接收端获得相对稳定的接收光功率的方案；
(2)本发明提供的用于光纤振动传感的接收端光功率控制***，通过驱动电流监测模块监测光源的驱动电流，在光源的驱动电流超过其正常工作电流上限时通过光功率调节模块和驱动电路模块对光源的驱动电流进行回调，即减小光源的驱动电流；从而可以保护光源的驱动电流调节不会超过光源的正常工作电流上限，在传感光纤链路尚未连接完成或其他极端情形下防止光源工作状态不稳定或寿命缩短甚至报废；
(3)本发明提供的用于光纤振动传感的接收端光功率控制***，在提升驱动电流的过程中，通过记录驱动电流提升前的接收光功率，将驱动电流提升后的接收光功率与提升前接收光功率比较，确定驱动电流提升操作是否回滚；可以降低温度对驱动电流提升效果的负面影响；
(4)本发明提供的用于光纤振动传感的接收端光功率控制***，在光功率低于正常光功时启动步进式光功率调整程序，步进调节光功率时主动迟滞了步进间隔时间，从而降低了功率调整的频率，避免了频繁调整光功率引入的噪声。同时小的步进保证了功率调整到正常光功率的精度；
(5)本发明提供的用于光纤振动传感的接收端光功率控制***，在接收到的光强值低于设定阈值的预设比例时启动光功率调节，可以避免频繁启动调节造成光功率波动。
附图说明
图1是本发明实施例中一种用于光纤振动传感的接收端光功率控制***的结构示意图；
图2是本发明实施例中另一种用于光纤振动传感的接收端光功率控制***的结构示意图；
图3是本发明实施例中另一种用于光纤振动传感的接收端光功率控制***的结构示意图；
图4是本发明实施例中一种驱动电路模块、驱动电流监测模块以及光源的电路结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，为本发明实施例中一种用于光纤振动传感的接收端光功率控制***的结构示意图，包括光源、分光器、光探测器、放大器、模数转换器、第一阈值判定器、光功率调节模块以及驱动电路模块，其中：
所述光源的光出射端口通过振动传感光纤与分光器相连；具体地，所述光源可以选用FP(Fabry–Pérot，法布里珀罗)激光器，或者DFB(Distributed Feedback Laser，分布式反馈激光器)激光器，或者LED光源(Light Emitting Diode，发光二极管)与起偏器的组合。
所述分光器用于将所述光源的出射光至少分为两条分光支路，其中所述分光器的第一分光支路与光纤振动传感检测器光路相连，所述分光器的第二分光支路与所述光探测器光路相连；具体地，所述分光器可以将出射光分为二份或者多份，通常优选一分二的分光器；所述分光器可以是任意比例的分光器，只需要将光源的出射光一分为二即可。例如分光比例可以是50：50，也可以是90:10。优选90:10，且10％接入光探测器光路，另90％接入光纤振动传感检测器光路，用于通过检测光强的变化实现光纤振动的传感检测。
所述光探测器的输出与所述放大器的输入相连，所述光探测器用于检测所述第二分光支路的光信号强度，并将所述光信号强度转换为光强模拟电信号。
所述放大器的输出与所述模数转换器的输入相连，所述放大器用于放大所述光强模拟电信号，使放大后的光强模拟电信号的电压强度处于模数转换器的电压测量范围内。
所述模数转换器的输出与所述第一阈值判定器的输入相连，所述模数转换器用于将所述放大后的光强模拟电信号转换为用于表示光强的数字信号。
所述第一阈值判定器的输出与所述光功率调节模块的输入相连，所述第一阈值判定器用于判断所述用于表示光强的数字信号是否低于预设正常光功率阈值，如果是则增大输出调节数字，从而增大光源光功率。具体地，如果所述用于表示光强的数字信号低于预设正常光功率阈值，则所述第一阈值判定器输出的调节数字增加T；所述T根据调节精度和调节步长确定，例如可以为1，也可以为2，也可以为其他值；在调节过程中，所述T也可以是变化的，例如当所述用于表示光强的数字信号低于预设正常光功率阈值较多时，所述T可以取值稍大(即调节步长较大)，当所述用于表示光强的数字信号接近预设正常光功率阈值较多时，所述T可以取值较小，使整个调节过程先快后慢，在保证调节速度的前提下也能保证调节精度，不至于使得某次的调节结果超出预设正常光功率阈值太多；
进一步地，因为光纤传感链路的光功率总体呈现衰减趋势，且短时来看光功率相对比较稳定。所以光功率调节为向更高光功率方向调节。为避免频繁启动调节造成光功率波动，实施中启动光功率调节的阈值为30％，即第一阈值判定器接收到的光强值低于设定阈值的30％就启动光功率调节。启动光功率调节后，第一阈值判定器不断判定光功率有没有大于设定阈值(例如取值为300mW)，如果没有就以步长1(或者其他认定值)增加第一阈值判定器的调节数字输出。光功率大于300mW即停止本次光功率调节。
所述光功率调节模块的输出与所述驱动电路模块相连，所述光功率调节模块用于将所述调节数字转换成模拟信号；其中，所述光功率调节模块可以有三种实现方式：数字电位器，或者数字滑动变阻器，或者数模转换器(Digital to Analog Converter，DAC)，其作用为修改驱动电路模块的驱动电压或驱动电流(惯常且规范的方式)，方式是通过向驱动电路模块提供可变的电压或电阻。其中数字电位器既可以提供电阻也可以提供电压，数字滑动变阻器只能提供电阻，DAC只能提供电压。
所述驱动电路模块的输出与所述光源相连，所述驱动电路模块用于根据所述模拟信号调节所述光源的电压或电流强度从而调节光源的输出光功率。对驱动电路模块的驱动可以有两种实现方式：电压驱动或电流驱动(惯常且规范的方式)，主要作用为提供更高的驱动能力。光源可以通过电流也可以通过电压调节光功率。光功率调节从标称功率到最小阈值电流对应的光功率，功率调节比例可达百分之九十。另外，对光源的功率调节基本可以看做是线性的，但是分辨率受限于数字电位器、数字滑动变阻器或DAC的位宽。
进一步地，在一些模拟的光功率调节方案中，只能对光源的驱动电流进行调整，但受限于检测能力不能判定驱动电流是否超出光源的额定驱动电流，可能造成光源的损坏。
为了实现上述目的，如图2所示，本发明另一实施例中还提供了一种用于光纤振动传感的接收端光功率控制***，在图2所示***的基础上增加了驱动电流监测模块和第二阈值判定器，所述驱动电流监测模块的输入与所述驱动电路模块的输出相连，所述驱动电流监测模块的输出与第二阈值判定器相连；所述驱动电流监测模块用于获取所述驱动电路模块输出的驱动电流，所述第二阈值判定器用于判断所述驱动电路模块输出的驱动电流是否大于所述光源的额定驱动电流，如果所述驱动电路模块输出的驱动电流大于所述光源的额定驱动电流，则需要减小所述驱动电路模块输出的驱动电流，具体可通过减小所述第二阈值判定器的输出调节数字，从而通过光功率调节模块减小所述驱动电路模块的驱动电流。
需要说明的是，所述第一阈值判定器和第二阈值判定器是从功能上划分成两个模块，具体地在实施过程中，所述第一阈值判定器和第二阈值判定器在物理上可以为能同时实施光强阈值判定和电流阈值判定的一个实体模块，也可以为分别实现光强阈值判定和电流阈值判定的两个实体模块。
另外，光源在工作的过程中会发热，由于散热条件的限制可能会有热能的蓄积。正是由于温度因素的影响，光源的功率和驱动电流只在一定的温度范围内呈现正向关系。在一些散热受限的环境里，驱动电流上升到某个值时，光源功率可能开始下降。为保证光源功率调节的有效性，需要对这种特殊变化进行侦测，并采取驱动电流的回调操作。这一功能是模拟光功率调节电路无法实现的。
为了实现上述目的，在驱动电流上升的过程中，可以在调节光功率之前存储调节前接收端光功率，并在调节后获取调节后接收端光功率，如果调节后接收端光功率小于调节前接收端光功率，则可认为光源的功率和驱动电流已经进入了负向关系的区间内，需要对驱动电流进行回调操作，此时可减小所述第一阈值判定器的输出调节数字，从而通过光功率调节模块减小所述驱动电路模块的驱动电流。具体地，可以设置一个存储模块来存储所述调节前接收端光功率，该存储模块可以是单独的物理存储单元，也可以是集成在所述第一阈值判定器中的存储单元。
进一步地，如图3所示，为本发明实施例中另一种用于光纤振动传感的接收端光功率控制***的结构示意图，该光纤振动传感的光功率控制***主要用于双偏振态振动检测。在本发明实施例中，分光器采用10：90的一分二分光器，光功率调节模块采用数字滑动变阻器，光源采用FP激光器，其中：光源功率≥500微瓦、阈值电流7.5mA±0.6mA，输出功率300微瓦，放大器放大约10000倍，模数转换器位宽12bit，数字滑动变阻器输入位宽8位。驱动电路模块以电压调节光源光功率。光源采用1550nm波长的FP激光器，光探测器的灵敏度为0.98±0.02mA/mW。
进一步地，如图4所示，为本发明实施例中一种驱动电路模块、驱动电流监测模块以及光源的电路结构示意图，该电路结构的实现方式为，一个NPN三极管的集电极与光源相连，NPN三极管的发射极通过第一电阻接地，NPN三极管的基极通过第二电阻与光功率调节模块相连；NPN三极管、第一电阻和第二电阻共同组成本电路结构中的驱动电路模块；驱动电流监测模块与NPN三极管的发射极相连；本发明实施例中，所述电源可以采用发光二极管，其正极接3.3V的电源，阈值电流为8mA；所述NPN三极管可以选用C8050，所述第一电阻的阻值为50Ω，第二电阻为可调。驱动电流监测模块可以通过采集电流值或电压值判断所述光源的驱动电流是否超过额定阈值电路。
另外，进一步地如图1所示，还可以在所述模数转换器处获取光功率数字参考量，供其他功能模块使用。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于光纤振动传感的接收端光功率控制***，其特征在于，包括光源、分光器、光探测器、放大器、模数转换器、第一阈值判定器、光功率调节模块以及驱动电路模块，其中：
所述光源的光出射端口通过振动传感光纤与分光器相连；
所述分光器用于将所述光源的出射光至少分为两条分光支路，其中所述分光器的第一分光支路与光纤振动传感检测器光路相连，所述分光器的第二分光支路与所述光探测器光路相连；
所述光探测器的输出与所述放大器的输入相连，所述光探测器用于检测所述第二分光支路的光信号强度，并将所述光信号强度转换为光强模拟电信号；
所述放大器的输出与所述模数转换器的输入相连，所述放大器用于放大所述光强模拟电信号，使放大后的光强模拟电信号的电压强度处于模数转换器的电压测量范围内；
所述模数转换器的输出与所述第一阈值判定器的输入相连，所述模数转换器用于将所述放大后的光强模拟电信号转换为用于表示光强的数字信号；
所述第一阈值判定器的输出与所述光功率调节模块的输入相连，所述第一阈值判定器用于判断所述用于表示光强的数字信号是否低于预设正常光功率阈值，如果是则增大输出调节数字；在驱动电流上升的过程中，所述第一阈值判定器还用于在调节光功率之前存储调节前接收端光功率，并在调节后获取调节后接收端光功率，并判断所述调节后接收端光功率是否小于调节前接收端光功率，如果是则减小所述第一阈值判定器的输出调节数字以取消光功率调节操作；
所述光功率调节模块的输出与所述驱动电路模块相连，所述光功率调节模块用于将所述调节数字转换成模拟信号；
所述驱动电路模块的输出与所述光源相连，所述驱动电路模块用于根据所述模拟信号来调节所述光源的驱动电流强度从而调节光源的输出光功率。
2.如权利要求1所述的用于光纤振动传感的接收端光功率控制***，其特征在于，还包括驱动电流监测模块和第二阈值判定器，其中，所述驱动电流监测模块的输入与所述驱动电路模块的输出相连，所述驱动电流监测模块的输出与第二阈值判定器相连；所述驱动电流监测模块用于获取所述驱动电路模块输出的驱动电流，所述第二阈值判定器用于判断所述驱动电路模块输出的驱动电流是否大于所述光源的额定驱动电流，如果是则减小所述第二阈值判定器的输出调节数字。
3.如权利要求1或2所述的用于光纤振动传感的接收端光功率控制***，其特征在于，所述第一阈值判定器在接收到的光强值低于设定阈值的预设比例时启动光功率调节。
4.如权利要求1或2所述的用于光纤振动传感的接收端光功率控制***，其特征在于，所述光功率调节模块为数字电位器，或者数字滑动变阻器，或者数模转换器。
5.如权利要求1或2所述的用于光纤振动传感的接收端光功率控制***，其特征在于，所述分光器为一分二的分光器。
6.如权利要求5所述的用于光纤振动传感的接收端光功率控制***，其特征在于，所述分光器的分光比例为90％:10％，且10％接入光探测器光路，另90％接入光纤振动传感检测器光路。
7.如权利要求1或2所述的用于光纤振动传感的接收端光功率控制***，其特征在于，所述光源为FP激光器，或者DFB激光器，或者LED光源与起偏器的组合。
8.如权利要求1所述的用于光纤振动传感的接收端光功率控制***，其特征在于，还包括存储模块，所述存储模块与所述第一阈值判定器通信连接，用于存储所述调节前接收端光功率。
9.如权利要求3所述的用于光纤振动传感的接收端光功率控制***，其特征在于，所述预设比例为30％。
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