本发明公开了一种基于阵列波导光栅(AWG)的具有实时温度补偿功能的光纤光栅波长解调系统和心动检测装置及应用，属于光电检测领域。所述波长解调系统由ASE宽带光源、光隔离器、3dB耦合器、阵列波导光栅、温度补偿光栅、光探测器阵列和用于实现波长解调算法的信号处理单元组成，可实现光纤光栅反射波长的解调。相比其它基于阵列波导光栅的波长解调系统，本发明具有解调通道自动选择和实时温度补偿的功能。所述波长解调系统与光纤光栅心动传感器组成心动检测装置，可用于人体心动信号的实时监测。上述波长调解系统具有结构简单、体积小、成本低、检测精度高、解调速度快等特点，基于该解调系统的人体心动检测装置可应用于光纤传感智能服装的研制，实现人体心动信号的实时、长期监测，对心血管等疾病的发现和救治具有十分重要的意义。
1.一种波长解调系统，其特征在于：由ASE宽带光源、光隔离器、3dB耦合器、阵列波导光栅、温度补偿光栅、光探测器阵列和用于实现波长解调算法的信号处理单元组成，其中ASE宽带光源依次与光隔离器、3dB耦合器的第一端口相连接，所述耦合器的第三、四端口分别与光纤光栅心动传感器和温度补偿光栅相连接，所述耦合器的第二端口依次与阵列波导光栅、光探测器阵列和信号处理单元输入端口线路连接，所述温度补偿光栅和阵列波导光栅处于同一温度场。
2.根据权利要求1所述的波长解调系统，其特征在于：所述信号处理单元由I/V变换电路、放大电路、MCU芯片组成，其中I/V变换电路依次与放大电路和MCU芯片的模/数转换输入端口线路连接，所述MCU芯片通过数/模转换输出端口和串行通信接口输出解调信号。
3.根据权利要求2所述的波长解调系统，其特征在于：所述I/V变换电路和放大电路共同构成信号调理电路，该信号调理电路所选运算放大器型号为OPA129、OPA4227或OPA2227。
4.根据权利要求2所述的波长解调系统，其特征在于：所述MCU芯片型号为STM32F103ZET6。
5.根据权利要求1-4之一所述的波长解调系统，其特征在于：所述信号处理单元是通过下述方法实现波长解调的：光纤光栅的反射光经耦合器传输至AWG，与光纤光栅中心波长相邻的AWG通道输出光传入光探测器，光探测器将光强信号转换为电流信号后进入调理电路，调理电路输出电压信号由MCU芯片进行采样并执行具有温度补偿功能的AWG波长解调算法，计算出被测光栅的中心波长。
6.根据权利要求1-4之一所述的波长解调系统，其特征在于：用一根裸光纤光栅作为温度补偿光栅，将其贴于AWG表面使之与AWG处于同一温度场，利用该补偿光栅获取AWG的温度，根据AWG的温度对波长解调公式中的相关系数进行修正，从而消除由于AWG的温度变化对解调结果的影响，提高波长检测的准确性。
7.根据权利要求1-4之一所述的波长解调系统，其特征在于：所述波长解调系统是通过下述方法实现温度补偿的：传感光栅中心波长解调公式为：
其中，λB为传感光栅中心波长，ρ为传感光栅对应AWG相邻输出通道输出光强比的自然对数值，T为AWG的温度，M为常数，与器件参数有关，N为补偿系数，其取值与AWG的温度有关，补偿光栅的反射光经耦合器、AWG和调理电路输出至信号处理单元，计算得到补偿光栅所对应的AWG两通道输出光强比的自然对数值ρ’，将ρ’带入通过实验获得的T与ρ’的关系式得到当前AWG的温度，再将T带入N(T)的计算公式得到公式(1)中的N值，从而实现对解调结果的实时温度补偿；
其中，a1、a2、a3与器件参数有关，可通过实验获得；
8.一种应用权利要求1-7之一所述波长解调系统的人体心动检测装置，其特征在于：
3dB耦合器的3端口连接光纤光栅心动传感器，将光纤光栅心动传感器放置在人体心动检测部位，通过检测光纤光栅心动传感器输出波长的变化实现人体心动信号的检测。
9.根据权利要求8所述的人体心动检测装置，其特征在于：所述信号处理单元通过下述方法实现传感光栅解调通道的自动选择：选取在心动检测过程中可能与光纤光栅心动传感器中心波长相交的三个AWG输出通道，信号处理单元每次对该三路通道输出光强进行采样，选择其中光强较大的相邻两路通道作为传感光栅波长解调通道，根据波长解调公式和温度补偿算法计算光纤光栅心动传感器的中心波长，获取人体心动信息，从而避免由于光纤光栅心动传感器初始波长变化范围过大造成解调算法失效。
10.权利要求8-9之一所述的人体心动检测装置在智能服装中的应用。
具有温度补偿的AWG波长解调系统和心动检测装置及应用
技术领域
[0001] 本发明涉及光纤光栅传感技术领域，尤其是基于阵列波导光栅(AWG)的波长解调系统和心动检测装置及应用。
背景技术
[0002] 智能服装指能够对人体外部环境或内部状态变化进行感知，而且通过反馈机制，能实时地对这种变化做出反应的服装。利用内部集成的传感器，智能服装可对人体多种生理参数进行实时监测，且不影响穿着者的正常活动，是理想的移动式生理参数监护平台。智能服装技术在健康监护、远程医疗、军事体育、航空航天等领域具有广阔的应用前景。
[0003] 智能服装相关理论和技术已成为国外重要的研究课题，从相关资料中可知，目前研究的主要方向集中在新型的生理参数测量方法、小型化和微型化传感器设计方法、传感器及其处理单元织入服装方法等方面，具有代表性的智能服装原型有欧洲的VTAM、WEALTHY、MagIC、MyHeart原型和美国的LifeShirt原型。我国在健康监护型智能服装领域的研究刚刚起步，主要利用电学传感器检测人体生理参数，在传感器设计制作、传感器植入服装方法等方面与国外尚有一定差距。
[0004] 光纤光栅(FBG)具有体积小、重量轻、灵敏度高、抗电磁干扰、易于组网等优点，因此，光纤光栅是智能服装中最具优势和潜力的传感元件之一。光纤光栅是一种波长调制型的光纤传感器，当外界温度或轴向应变发生变化时，光纤光栅的反射中心波长也将随之发生线性漂移，通过检测反射波长的变化可以实现对外界物理量的检测。能够检测光纤光栅反射波长的设备称为波长解调仪或波长解调系统，为实现智能服装中基于光纤光栅的人体生理参数的检测，波长解调系统的研究至关重要。
[0005] 与其它解调系统相比，基于AWG的波长解调系统，具有体积小、结构简单、解调速度快、可实现分布式测量等特点，适合应用于智能服装中进行光纤光栅反射波长的解调，实现对人体生理参数的检测。 但AWG的输出特性受到温度的影响，各通道输出谱的中心波长存在温度漂移现象，导致解调结果产生较大误差，影响测量精度。因此如何进行温度补偿是AWG波长解调系统实现高精度测量的关键。目前国内外报道的有关AWG温度补偿的方法有：波导嵌入补偿、双金属片应力补偿、热膨胀移动输入波导位置补偿、负热光系数波导材料温度补偿等，但这些方法大多是通过AWG芯片结构上的设计来实现的，成本较高。
[0006] 本发明提出了一种具有实时温度补偿功能的AWG波长解调方法，对传统AWG波长解调系统结构进行改进，通过增加温度补偿光栅，实现对传感光栅波长解调结果的实时温度补偿，提高了波长解调精度。利用所提出的波长解调系统与光纤光栅心动传感器构成人体心动检测装置，该装置能够对光纤光栅心动传感器所对应的解调通道进行自动选择，避免了因光纤光栅心动传感器初始波长变化范围过大造成解调方法失效的问题。该心动检测装置可应用于光纤传感智能服装，实现人体心动信号的实时监测。
发明内容
[0007] 本发明所要解决的技术问题在于提供一种具有温度补偿的AWG波长解调系统。
[0008] 本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种应用上述波长解调系统的心动检测装置。
[0009] 本发明所要解决的另一技术问题在于提供上述心动检测装置的应用。
[0010] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
[0011] 如附图1所示，一种波长解调系统，由ASE宽带光源、光隔离器、3dB耦合器、阵列波导光栅、温度补偿光栅、光探测器阵列和用于实现波长解调算法的信号处理单元组成，其中ASE宽带光源依次与光隔离器、3dB耦合器的第一端口相连接，所述耦合器的第三、四端口分别与光纤光栅心动传感器和温度补偿光栅相连接，所述耦合器的第二端口依次与阵列波导光栅、光探测器阵列和信号处理单元输入端口线路连接，所述温度补偿光栅和阵列波导光栅处于同一温度场。
[0012] 优选的，上述波长解调系统，所述信号处理单元由I/V变换电路、 放大电路、MCU芯片组成，其中I/V变换电路依次与放大电路和MCU芯片的模/数转换输入端口线路连接，所述MCU芯片通过数/模转换输出端口和串行通信接口输出解调信号。
[0013] 优选的，上述波长解调系统，所述I/V变换电路和放大电路共同构成信号调理电路，该信号调理电路所选运算放大器型号为OPA129、OPA4227或OPA2227。
[0014] 优选的，上述波长调解系统，所述MCU芯片型号为STM32F103ZET6。
[0015] 优选的，上述波长调解系统，所述信号处理单元是通过下述方法实现波长解调的：光纤光栅的反射光经耦合器传输至AWG，AWG的解调通道(与光纤光栅中心波长相邻的AWG通道)输出光传入光探测器，光探测器将光强信号转换为电流信号后进入调理电路，调理电路输出电压信号由MCU芯片进行采样并执行具有温度补偿功能的AWG波长解调算法，计算出被测光栅的中心波长。
[0016] 优选的，上述波长解调系统，用一根裸光纤光栅作为温度补偿光栅，将其贴于AWG表面使之与AWG处于同一温度场，利用该补偿光栅获取AWG的温度，根据AWG的温度对波长解调公式中的相关系数进行修正，从而消除由于AWG的温度变化对解调结果的影响，提高波长检测的准确性。
[0017] 优选的，上述波长调解系统，是通过下述方法实现温度补偿的：
[0018] 传感光栅中心波长的解调公式为：
[0019] λB=M·ρ+N(T) (1)
[0020] 其中，λB为传感光栅中心波长，ρ为传感光栅对应AWG相邻输出通道(即解调通道)输出光强比的自然对数值，T为AWG的温度，M为常数，与器件参数有关，N为补偿系数，其取值与AWG的温度有关，补偿光栅的反射光经耦合器、AWG和调理电路输出至信号处理单元，计算得到补偿光栅所对应的AWG两相邻通道输出光强比的自然对数值ρ’，将ρ’带入通过实验获得的T与ρ’的关系式得到当前AWG的温度，再将T带入N(T)的计算公式得到公式(1)中的N值，从而实现对解调结果的实时温度补偿。
[0021] 一种应用上述波长调解系统的心动检测装置，该装置能够实现传 感光栅解调通道的自动选择，实现对人体心动信号的实时监测。
[0022] 优选的，上述心动检测装置，附图1中的3dB耦合器的3端口连接光纤光栅心动传感器，通过检测光纤光栅心动传感器的波长变化实现人体心动信号的检测。
[0023] 优选的，上述心动检测装置，所述信号处理单元通过下述方法实现传感光栅解调通道的自动选择：选取在心动检测过程中可能与光纤光栅心动传感器中心波长相交的三个AWG输出通道，信号处理单元每次对该三路通道输出光强进行采样，选择其中光强较大的相邻两路通道作为传感光栅波长解调通道，根据波长解调公式和温度补偿算法计算光纤光栅心动传感器的中心波长，获取人体心动信息，从而避免由于光纤光栅心动传感器初始波长变化范围过大造成解调算法失效。
[0024] 上述心动检测装置在智能服装中的应用。
[0025] 本发明的有益效果：本发明所述波长解调系统结构简单、体积小、解调速度快，具有实时温度补偿功能，避免AWG温度变化对解调结果的影响，提高了波长检测精度。应用上述波长调解系统的心动检测装置能够实现人体心动信号的检测，能够根据光纤光栅心动传感器的波长变化自动选择AWG的解调通道，具有体积小、成本低、检测灵敏度高、实用性强等特点；应用上述心动检测装置的智能服装能够对人体心动信号进行实时监测，实现对心血管疾病的早期发现，从而使患者得到及时救治，降低死亡风险，在临床治疗和居家健康监护等方面具有重要的意义。另外，上述智能服装还可以应用于军事与航天、娱乐与通讯、安全与保卫等领域，具有较高的经济效益。
附图说明
[0026] 图1是波长解调系统原理框图；
[0027] 图2是信号处理单元的组成框图；
[0028] 图3是心动检测装置实测人体心动信号波形图。
具体实施方式
[0029] 下面结合具体实施例对本发明所述技术方案作进一步的说明。
[0030] 实施例1
[0031] 如附图1所示，一种波长解调系统，由ASE宽带光源、光隔离器、3dB耦合器、阵列波导光栅、温度补偿光栅、光探测器阵列和用于实现波长解调算法的信号处理单元组成，其中ASE宽带光源依次与光隔 离器、3dB耦合器的第一端口相连接，所述耦合器的第三、四端口分别与光纤光栅心动传感器和温度补偿光栅相连接，所述耦合器的第二端口依次与阵列波导光栅、光探测器阵列和信号处理单元输入端口线路连接，如附图2所示，光电探测器输出信号进入I/V变换电路，I/V变换电路依次与放大电路和MCU芯片内部模/数转换模块输入端口线路连接，所述MCU芯片内部数/模转换模块与缓冲电路线路连接，以模拟电压形式输出解调信号，所述MCU芯片内部串口模块与电平转换电路线路连接，以数字形式输出解调信号。
[0032] 所述波长解调系统的工作原理如下：
[0033] AWG波长解调算法要求传感光栅中心波长的变化在AWG相邻两个通道传输谱的中心波长之间。通过对相邻两个AWG输出通道的光强信息进行计算，得到对应传感光栅的中心波长。
[0034] 具体算法如下：
[0035] 传感光栅的反射谱函数为：
[0036] RFBG(λ)=R0exp[-4(ln2)×(λ-λB)2/ΔλB2] (2)
[0037] 其中，R0为传感光栅反射率，λB为传感光栅中心波长，ΔλB为传感光栅半峰值带宽(FWHM)。
[0038] 与传感光栅中心波长相邻的AWG两输出通道设为通道i和i+1，通道i的传输谱函数为：
[0039] TAWG(i，λ)=Tiexp[-4(ln2)×(λ-λi)2/Δλi2] (3)[0040] 其中，Ti为通道i的最大透射系数，λi为通道i的中心波长，Δλi为通道i的半峰值带宽。设通道间隔Δλ=Δλi+1-Δλi，且相等。
[0041] 则通道i的输出光强Pi可表示为：
[0042]
[0043] 其中，S(λ)为光源输出功率谱，假设在AWG带宽内输出功率为常数S0，Li为光路衰减系数。
[0044] 同理，通道i+1的输出光强Pi+1可表示为：
[0045]
[0046] 假设Δλi+1-Δλi＜＜ΔλB，AWG各通道传输系数、半峰值带宽均相等，则通道i+1和通道i输出光强比值的自然对数ρ可表示为：
[0047]
[0048] 可见，ρ与传感光栅反射波长呈线性关系，通过计算ρ可以逆推出传感光栅的反射波长。经整理，AWG波长解调公式为：
[0049]
[0050] 其中，M为常数，与AWG输出谱和被测光栅反射谱半峰值带宽、AWG通道间隔有关。N与被测光栅解调通道的中心波长有关，由于AWG输出通道中心波长随温度变化而改变，因此N随AWG的温度T而变化。在本发明的温度补偿算法中，将N称为补偿系数，根据AWG的温度实时调节参数N，从而实现温度补偿。
[0051] 实施例2
[0052] 如附图1所示，所述波长解调系统利用温度补偿光栅实现温度补偿，避免AWG温度变化对传感光栅解调结果的影响。将温度补偿光栅贴于AWG表面，通过温度补偿光栅对应的AWG相邻通道光强比的自然对数值ρ’可计算出AWG的温度T，实验结果表明T与ρ’满足如下关系式：
[0053] T=a1+a2ρ′+a3ρ′2 (8)
[0054] 其中，a1、a2、a3与器件参数有关，可通过实验获得。公式(7)中的系数N与T为线性关系，其表达式为：
[0055] N=b1+b2T (9)
[0056] 其中，b1、b2取值可通过实验获得。将T带入公式(9)即可计算出解调公式(7)当前的补偿系数N，然后将被测光栅对应的AWG相邻通道光强比的自然对数值ρ和补偿系数N带入公式(7)，计算出被 测光栅的中心波长，实现对AWG温度变化引起波长测量误差的实时补偿，提高检测精度。
[0057] 实施例3
[0058] 为验证所提出的温度补偿算法的正确性，利用上述波长解调系统对光纤光栅传感器的中心波长进行检测，改变AWG温度和被测光栅中心波长，记录加入补偿算法和未加入补偿的解调结果，实验结果如表1所示(其中，FBG为被测光栅波长的准确值，FBG1为未加入温度补偿算法时的解调结果，FBG2为加入温度补偿算法时的解调结果，误差1为未加入补偿算法时的解调误差，误差2为加入补偿算法后的解调误差)。在该实验结果中，未加温度补偿算法的解调结果平均误差为11.1pm，加入温度补偿算法后的解调结果平均误差为2.7pm，从而证明了所提出的温度补偿算法能够有效地提高AWG波长解调系统的检测精度，减小由于AWG温度变化引入的波长误差。
[0059] 表1温度补偿算法验证实验测量数据
[0060]FBG(nm) FBG1(nm) FBG2(nm) 误差1(pm) 误差2(pm)
1548.1233 1548.1197 1548.1249 3.6 1.6
1548.2449 1548.2413 1548.2419 3.6 3
1548.2909 1548.2764 1548.2877 14.5 3.2
1548.2934 1548.2790 1548.2926 14.4 0.8
1548.3074 1548.2934 1548.3028 14 4.6
1548.3125 1548.3011 1548.3093 11.4 3.2
1548.3346 1548.3186 1548.3321 16 2.5
[0061] 应用例
[0062] 利用上述心动检测装置进行人体心动信号实测，并对解调出的心动信号进行小波消噪处理，最终得到的心动信号如附图3所示。实验结果表明：所述光纤光栅心动检测装置能够实现人体心动信号的正确采集，波长解调信号经小波消噪算法处理后可得到信噪比较好的心动信号，从而实现对人体心动信号的实时检测。
[0063] 上述参照实施例对该具有温度补偿的AWG波长解调系统和心动检测装置及应用进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。
