本发明涉及一种基于波长偏移的光纤光栅逐个锁定解调系统，它包括单片机、布拉格光纤光栅波偏装置、布拉格光纤光栅标记装置、牵引轮、准直器、解调仪和计算机，其中，计算机的数据通信端连接单片机的数据通信端连接，单片机的布拉格光纤光栅波偏控制信号输出端连接布拉格光纤光栅波偏装置的控制信号输入端，单片机的布拉格光纤光栅标记控制信号输出端连接布拉格光纤光栅标记装置的信号输入端，准直器的一端接入布拉格光纤光栅传感阵列的起始端，另一端连接解调仪的光信号通信端。本发明可以在线对所刻写的FBG进行质量检测，具有解调速度快、系统容量大。
1.一种基于波长偏移的光纤光栅逐个锁定解调系统，其特征在于：它包括单片机(1)、布拉格光纤光栅波偏装置(3)、布拉格光纤光栅标记装置(7)、牵引轮(5)、准直器(6)、解调仪(4)和计算机(2)，其中，计算机(2)的数据通信端连接单片机(1)的数据通信端，单片机(1)的布拉格光纤光栅波偏控制信号输出端连接布拉格光纤光栅波偏装置(3)的控制信号输入端，单片机(1)的布拉格光纤光栅标记控制信号输出端连接布拉格光纤光栅标记装置(7)的信号输入端，布拉格光纤光栅波偏装置(3)用于使布拉格光纤光栅传感阵列(8)的布拉格光纤光栅产生波长偏移，布拉格光纤光栅标记装置(7)用于对布拉格光纤光栅传感阵列(8)中刻写的布拉格光纤光栅进行标记；
所述牵引轮(5)用于对石英棒进行在线拉制形成布拉格光纤光栅传感阵列(8)，准直器(6)的一端用于接入布拉格光纤光栅传感阵列(8)的起始端，准直器(6)的另一端用于连接解调仪(4)的光信号通信端，解调仪(4)的电信号通信端连接计算机(2)的解调仪通信接口。
2.根据权利要求1所述的基于波长偏移的光纤光栅逐个锁定解调系统，其特征在于：所述布拉格光纤光栅波偏装置(3)通过调节布拉格光纤光栅传感阵列(8)的温度和/或应力和/或应变实现布拉格光纤光栅传感阵列(8)的布拉格光纤光栅产生波长偏移。
3.根据权利要求1所述的基于波长偏移的光纤光栅逐个锁定解调系统，其特征在于：所述布拉格光纤光栅传感阵列(8)为全同FBG阵列或非全同FBG阵列。
4.一种利用权利要求1所述系统的光纤光栅逐个锁定解调方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：计算机(2)控制单片机(1)，从而控制布拉格光纤光栅波偏装置(3)设置布拉格光纤光栅传感阵列(8)的布拉格光纤光栅波长偏移值，并使布拉格光纤光栅的波长按该偏移值偏移，解调仪(4)从计算机(2)获取布拉格光纤光栅波长偏移值，解调仪(4)通过该布拉格光纤光栅波长偏移值调整解调仪(4)内部扫描光源的扫描波长范围和扫描间隔，其中，扫描波长范围需要包含布拉格光纤光栅的中心波长，扫描间隔为预设间隔；
步骤2：开启牵引轮(5)，使得牵引轮(5)开始在线拉制光栅操作，逐步使石英棒形成布拉格光纤光栅传感阵列(8)，在线拉制光栅操作过程中，根据布拉格光纤光栅传感阵列(8)中各个光栅距离解调仪(4)的位置调制解调仪扫描频率，从而保证解调仪(4)采集范围内包含布拉格光纤光栅传感阵列(8)中各个光栅的时域反射信号；
步骤3：解调仪(4)输出扫描波长范围内的窄带光信号，并将该窄带光信号调制成光脉冲信号输出，光脉冲信号通过准直器(6)后进入布拉格光纤光栅传感阵列(8)；
步骤4：当布拉格光纤光栅传感阵列(8)中的各个光栅拉制到布拉格光纤光栅波偏装置(3)对应位置时，布拉格光纤光栅波偏装置(3)使得布拉格光纤光栅传感阵列(8)中对应的光栅的中心波长发生漂移，使该光栅的波长从布拉格光纤光栅传感阵列波长重叠区偏移一段距离，达到在波长域可见，解调仪对布拉格光纤光栅传感阵列(8)中该光栅的反射谱段进行锁定，所述光脉冲信号在该光栅的反射谱段区域进行扫描；
步骤5：解调仪(4)采集光脉冲信号在布拉格光纤光栅传感阵列(8)中反射回的时域信号，并根据反射回的时域信号拼接出反射光谱，再根据反射光谱和OTDR原理对布拉格光纤光栅传感阵列(8)中的当前布拉格光纤光栅波偏装置(3)对应的光栅进行定位；
步骤6：对已经定位的上述光栅的反射光谱进行解调，对解调后的反射光谱进行光栅信号质量评估处理，即可确定对应光栅的质量参数，计算机(2)根据上述质量参数确定上述光栅是否合格；
步骤7：随着牵引轮(5)的牵引，该布拉格光纤光栅传感阵列(8)进一步移动，当布拉格光纤光栅传感阵列(8)中已经经过质量检查的上述光栅运动到标记位时，布拉格光纤光栅标记装置(7)根据计算机(2)确定的光栅是否合格的结果，对该光栅进行质量标记。
5.根据权利要求4所述的光纤光栅逐个锁定解调方法，其特征在于：通过步骤4～步骤7的方法对布拉格光纤光栅传感阵列(8)中的所有光栅进行质量标记。
6.根据权利要求4所述的光纤光栅逐个锁定解调方法，其特征在于：在逐步使石英棒形成布拉格光纤光栅传感阵列(8)的过程中，随着光栅个数的增加，解调仪(4)监测的范围随之变化，解调仪(4)对新刻写的光纤光栅的位置、光谱及波长信息进行监控解调。
7.根据权利要求4所述的光纤光栅逐个锁定解调方法，其特征在于：所述步骤4中，布拉格光纤光栅波偏装置(3)通过调节布拉格光纤光栅传感阵列(8)的温度和/或应力和/或应变，使得布拉格光纤光栅传感阵列(8)中对应的光栅的中心波长发生漂移。
8.根据权利要求4所述的光纤光栅逐个锁定解调方法，其特征在于：所述扫描波长范围包含光纤光栅原始中心波长以及波长偏移后的中心波长。
9.根据权利要求4所述的光纤光栅逐个锁定解调方法，其特征在于：所述扫描间隔为
基于波长偏移的光纤光栅逐个锁定解调系统及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及准分布式光纤传感检测技术领域，具体涉及一种基于波长偏移的光纤光栅逐个锁定解调系统及方法。
背景技术
[0002] 光纤传感器具有抗电磁干扰、电绝缘性能好、耐腐蚀、传输损耗小等特点，具有其他传感器所无法比拟的优势及应用范围。随着FBG技术的发展，FBG传感器已由单点检测逐步发展为多点准分布或者全分布检测，FBG的复用组网，使得众多传感单元可以共享一套波长解调设备，极大地降低了单个传感器的成本，提高了传感器的性价比，推动FBG传感技术在大型结构安全、航空航天、国防军事以及环境监测等领域的应用。FBG复用组网的广范围应用，增加了大容量光栅阵列的应用需求，加大了FBG的生产任务，目前对于生产的大容量FBG阵列，都是在生产结束后通过分段，逐段的分别解调以检测FBG的刻写质量，这种方法十分不方便，不仅耗时耗人力，而且不能及时发现生产的问题造成较大浪费；因此设计一种在线监测FBG阵列(光栅个数高达数万个)的刻写质量参数的装置至关重要。
[0003] 当前，为了提高FBG传感阵列的复用容量，主要有如下几种方法：波分复用(WDM)、时分复用(TDM)、空分复用(SDM)，以及这几种复用方式的组合复用方法。上述几种技术在很大程度提高了FBG传感阵列的复用容量，使FBG传感器复用组网成为可能，但都存在自身的缺点。WDM复用技术由于各FBG传感器占用一定的光谱范围，单根光纤上复用数量受光源宽度和测量范围限制，复用数量较少；TDM技术中，单根光纤不受光源带宽的影响，复用容量较大，但是由于各FBG传感器工作波长区间重叠而存在信号串扰，低反射率的FBG可以有效降低串扰的影响，但反射率越低，传感信号越微弱，信噪比越低，将会使得后续解调十分困难；SDM技术需要光开关切换通道，实现不同传感阵列选择，由于光开关存在插入损耗，空分复用级联层次越多插入损耗越大，通道间的寻址时间越长，系统配置复杂。
[0004] 当前，FBG阵列传感阵列解调方法包括基于光时域反射(OTDR)解调技术以及光频域反射(OFDR)解调技术。差分压缩(专利号2014100788296.9“大容量弱光栅传感网络高速解调方法和装置”)的数据传输方法，实现了大容量高速FBG解调系统对大数据量的高效率传输，在4KHz解调速率下，FBG静态信号数据压缩率达到了16.56％，FBB传感器串联数量可达到512个。光放大终继(专利号201310450293.9“基于光放大中继的超大容量光纤光栅传感系统”)的超大量FBG传感系统能够克服现有的时分复用的FBG传感系统中的阴影效应及信号串扰对解调的不良影响，提高了对大容量、长距离光FBG阵列(Fiber Bragg Grating，光纤光栅)的检测，FBG数目可以达到1000个以上。上述几种方法可以满足一般的应用要求，但在线光纤光栅刻写现场，FBG生产可能接连拉制几天，刻写的FBG长度有50Km以上，个数达数万个之多，针对这种大容量FBG阵列的解调以在线实时监测光栅刻写的质量，上述几种方法难于满足要求，并且暂时也没有公开的技术可以解决该问题。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题，提出一种基于波长偏移的光纤光栅逐个锁定解调系统及方法，本发明可以在线对所刻写的FBG进行质量检测，具有解调速度快、系统容量大、稳定性好、装置结构简单等特点。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明公开的一种基于波长偏移的光纤光栅逐个锁定解调系统，其特征在于：它包括单片机、布拉格光纤光栅波偏装置、布拉格光纤光栅标记装置、牵引轮、准直器、解调仪和计算机，其中，计算机的数据通信端连接单片机的数据通信端，单片机的布拉格光纤光栅波偏控制信号输出端连接布拉格光纤光栅波偏装置的控制信号输入端，单片机的布拉格光纤光栅标记控制信号输出端连接布拉格光纤光栅标记装置的信号输入端，布拉格光纤光栅波偏装置用于使布拉格光纤光栅传感阵列的布拉格光纤光栅产生波长偏移，布拉格光纤光栅标记装置用于对布拉格光纤光栅传感阵列中刻写的布拉格光纤光栅进行标记；
[0007] 所述牵引轮用于对石英棒进行在线拉制形成布拉格光纤光栅传感阵列，准直器的一端用于接入布拉格光纤光栅传感阵列的起始端，准直器的另一端用于连接解调仪的光信号通信端，解调仪的电信号通信端连接计算机的解调仪通信接口。
[0008] 一种利用上述系统的光纤光栅逐个锁定解调方法，它包括如下步骤：
[0009] 步骤1：计算机控制单片机，从而控制布拉格光纤光栅波偏装置设置布拉格光纤光栅传感阵列的布拉格光纤光栅波长偏移值，并使布拉格光纤光栅的波长按该偏移值偏移，解调仪从计算机获取布拉格光纤光栅波长偏移值，解调仪通过该布拉格光纤光栅波长偏移值调整解调仪内部扫描光源的扫描波长范围和扫描间隔，其中，扫描波长范围需要包含布拉格光纤光栅的中心波长，扫描间隔为预设间隔；
[0010] 步骤2：开启牵引轮，使得牵引轮开始在线拉制光栅操作，逐步使石英棒形成布拉格光纤光栅传感阵列，在线拉制光栅操作过程中，根据布拉格光纤光栅传感阵列中各个光栅距离解调仪的位置调制解调仪扫描频率，从而保证解调仪采集范围内包含布拉格光纤光栅传感阵列中各个光栅的时域反射信号；
[0011] 步骤3：解调仪输出扫描波长范围内的窄带光信号，并将该窄带光信号调制成光脉冲信号输出，光脉冲信号通过准直器后进入布拉格光纤光栅传感阵列；
[0012] 步骤4：当布拉格光纤光栅传感阵列中的各个光栅拉制到布拉格光纤光栅波偏装置对应位置时，布拉格光纤光栅波偏装置使得布拉格光纤光栅传感阵列中对应的光栅的中心波长发生漂移，使该光栅的波长从布拉格光纤光栅传感阵列波长重叠区偏移一段距离，达到在波长域可见，解调仪对布拉格光纤光栅传感阵列中该光栅的反射谱段进行锁定，所述光脉冲信号在该光栅的反射谱段区域进行扫描；
[0013] 步骤5：解调仪采集光脉冲信号在布拉格光纤光栅传感阵列中反射回的时域信号，并根据反射回的时域信号拼接出反射光谱，再根据反射光谱和OTDR原理对布拉格光纤光栅传感阵列中的当前布拉格光纤光栅波偏装置对应的光栅进行定位；
[0014] 步骤6：对已经定位的上述光栅的反射光谱进行解调，对解调后的反射光谱进行光栅信号质量评估处理(参考文献：王远干等.中国激光.2005,03)，即可确定对应光栅的质量参数，计算机根据上述质量参数确定上述光栅是否合格；
[0015] 步骤7：随着牵引轮的牵引，该布拉格光纤光栅传感阵列进一步移动，当布拉格光纤光栅传感阵列中已经经过质量检查的上述光栅运动到标记位时，布拉格光纤光栅标记装置根据计算机确定的光栅是否合格的结果，对该光栅进行质量标记。
[0016] 本发明的原理为：FBG随着牵引轮的牵引移动，当运动到波偏装置处时，波偏装置通过调节FBG的温度或者应力应变等参数，使得FBG对应的中心波长发生漂移，使得其波长从传感阵列波长重叠区偏移一段距离，达到在波长域可见，解调仪对该FBG反射谱段进行锁定，窄带光源在该FBG反射谱段附近进行快速扫描，同时数据采集模块采集FBG的光时域反射信号从而拼接出反射光谱，再根据数据采集模块采集到的信号以及OTDR原理实现对FBG的定位，最后运用一定的解调算法进行解调，从而快速检测出质量参数。随着牵引轮的牵引，该FBG进一步移动，当其运动到标记装置处，单片机根据解调仪传输给计算机处理后的结果，根据FBG是否质量合格，选择对应的标记颜色。FBG移动过程中，最终其对应的中心波长和FBG阵列其它光栅中心波长相等。
[0017] 本发明提出基于波长偏移的光纤光栅逐个锁定解调技术，通过简单的在牵引轮前加装波偏装置和标记装置，就可以逐一对所刻写的光FBG的质量进行检测，并进行相应的标记。该方法很容易地解决了之前无法对大容量数量巨大的FBG阵列进行解调的问题，可以在线对所刻写的FBG进行质量检测，具有解调速度快、系统容量大、稳定性好、装置结构简单等特点。
附图说明
[0018] 图1为本发明的结构示意图；
[0019] 图2为本发明光纤光栅阵列经过波偏装置前后波长变化示意图；
[0020] 图2中，λ1为原始中心波长，λ2为波长偏移后的中心波长，且有λ1≠λ2。
[0021] 其中，1—单片机、2—计算机、3—布拉格光纤光栅波偏装置、4—解调仪、5—牵引轮、6—准直器、7—布拉格光纤光栅标记装置、8—布拉格光纤光栅传感阵列。
具体实施方式
[0022] 以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
[0023] 本发明的一种基于波长偏移的光纤光栅逐个锁定解调系统，如图1所示，它包括单片机1、布拉格光纤光栅波偏装置3(光纤加热装置或光纤拉力装置)、布拉格光纤光栅标记装置7、牵引轮5、准直器6、解调仪4(解调仪4包括光源模块、光调制模块、数据采集模块、核心控制模块)和计算机2，其中，计算机2的串口数据通信端连接单片机1的数据通信端，单片机1的布拉格光纤光栅波偏控制信号输出端连接布拉格光纤光栅波偏装置3的控制信号输入端，单片机1的布拉格光纤光栅标记控制信号输出端连接布拉格光纤光栅标记装置7的信号输入端，布拉格光纤光栅波偏装置3用于使布拉格光纤光栅传感阵列8的布拉格光纤光栅产生波长偏移，布拉格光纤光栅标记装置7用于对布拉格光纤光栅传感阵列8中刻写的布拉格光纤光栅进行标记；
[0024] 所述牵引轮5用于对石英棒进行在线拉制形成布拉格光纤光栅传感阵列8(布拉格光纤光栅传感阵列8由数万个FBG构成，每个FBG的中心波长相同或者不同)，准直器6的一端用于接入布拉格光纤光栅传感阵列8的起始端，准直器6的另一端用于连接解调仪4的光信号通信端，解调仪4的电信号通信端连接计算机2的解调仪通信接口。
[0025] 上述技术方案中，所述布拉格光纤光栅波偏装置3通过调节布拉格光纤光栅传感阵列8的温度和/或应力和/或应变实现布拉格光纤光栅传感阵列8的布拉格光纤光栅产生波长偏移。
[0026] 上述技术方案中，所述布拉格光纤光栅传感阵列8为全同FBG阵列或非全同FBG阵列。这里的非全同FBG阵列代指的是几种中心波长FBG的重复循环阵列。全同FBG阵列为各个光栅的中心波长相同。
[0027] 上述技术方案中，布拉格光纤光栅波偏装置3通过单片机1控制，波长漂移值可以设置，为了使漂移后FBG的中心波长和其它FBG的中心波长完全不重叠，其波长偏移值为500pm～800pm；布拉格光纤光栅标记装置7通过单片机1控制，通过向FBG喷射油性墨水对FBG做标记，油性墨水有两种颜色，分别根据计算机2的处理结果自动判断喷射标记的颜色，质量合格和不合格的分别喷射不同的墨水。
[0028] 一种利用上述系统的光纤光栅逐个锁定解调方法，它包括如下步骤：
[0029] 步骤1：计算机2控制单片机1，从而控制布拉格光纤光栅波偏装置3设置布拉格光纤光栅传感阵列8的布拉格光纤光栅波长偏移值，并使布拉格光纤光栅的波长按该偏移值偏移，解调仪4通过网口从计算机2获取布拉格光纤光栅波长偏移值，解调仪4通过该布拉格光纤光栅波长偏移值调整解调仪4内部扫描光源的扫描波长范围和扫描间隔，其中，扫描波长范围需要包含布拉格光纤光栅的中心波长，扫描间隔为预设间隔；
[0030] 步骤2：开启牵引轮5，使得牵引轮5开始在线拉制光栅操作，逐步使石英棒形成布拉格光纤光栅传感阵列8，在线拉制光栅操作过程中，根据布拉格光纤光栅传感阵列8中各个光栅距离解调仪4的位置调制解调仪扫描频率，从而保证解调仪4采集范围内包含布拉格光纤光栅传感阵列8中各个光栅的时域反射信号；
[0031] 步骤3：解调仪4输出扫描波长范围内的窄带光信号，并将该窄带光信号调制成光脉冲信号输出，光脉冲信号通过准直器6后进入布拉格光纤光栅传感阵列8；
[0032] 步骤4：当布拉格光纤光栅传感阵列8中的各个光栅拉制到布拉格光纤光栅波偏装置3对应位置时，布拉格光纤光栅波偏装置3使得布拉格光纤光栅传感阵列8中对应的光栅的中心波长发生漂移，使该光栅的波长从布拉格光纤光栅传感阵列波长重叠区偏移一段距离，达到在波长域可见，如图2所示，解调仪对布拉格光纤光栅传感阵列8中该光栅的反射谱段进行锁定，所述光脉冲信号在该光栅的反射谱段区域进行扫描；
[0033] 步骤5：解调仪4采集光脉冲信号在布拉格光纤光栅传感阵列8中反射回的时域信号，并根据反射回的时域信号拼接出反射光谱，再根据反射光谱和OTDR原理对布拉格光纤光栅传感阵列8中的当前布拉格光纤光栅波偏装置3对应的光栅进行定位；
[0034] 步骤6：对已经定位的上述光栅的反射光谱进行解调，对解调后的反射光谱进行光栅信号质量评估(对光栅信号的中心波长、强度和旁瓣进行评估)处理，即可确定对应光栅的质量参数，计算机2根据上述质量参数确定上述光栅是否合格；
[0035] 步骤7：随着牵引轮5的牵引，该布拉格光纤光栅传感阵列8进一步移动，当布拉格光纤光栅传感阵列8中已经经过质量检查的上述光栅运动到标记位时，布拉格光纤光栅标记装置7根据计算机2确定的光栅是否合格的结果，对该光栅进行质量标记。
[0036] 通过步骤4～步骤7的方法对布拉格光纤光栅传感阵列8中的所有光栅进行质量标记。FBG经过加热装置后，移动过程中其温度逐渐下降，最终其对应的中心波长将会等于加热前对应的中心波长，和FBG阵列其它FBG中心波长相等。
[0037] 上述技术方案中，在逐步使石英棒形成布拉格光纤光栅传感阵列8的过程中，随着光栅个数的增加，解调仪4监测的范围随之变化，解调仪4对新刻写的光纤光栅的位置、光谱及波长信息进行监控解调。
[0038] 上述技术方案中，所述步骤4中，布拉格光纤光栅波偏装置3通过调节布拉格光纤光栅传感阵列8的温度和/或应力和/或应变，使得布拉格光纤光栅传感阵列8中对应的光栅的中心波长发生漂移。
[0039] 上述技术方案中，所述扫描间隔为20pm。扫描波长范围要根据所检测的光栅中心波长来决定，扫描波长范围应该包含原始中心波长以及波长偏移后的中心波长，比如1550nm的光栅，波偏装置使得该光栅偏移了500pm，该光栅波长变为1550.5nm，则扫描波长范围应该包括1550～1550.5nm。
[0040] 发明通过波偏装置调节光纤光栅的温度或者应力和应变等参数，使新刻写的待测光栅反射波长脱离之前所有光栅反射波长所覆盖的阴影区，达到在波长域独立可见；再根据偏移后的待测光栅光谱中心波长和谱宽，使得光源仅在覆盖待测光栅光谱的较窄范围内扫描，同时在解调算法上根据光纤长度的变化快速锁定光栅所处位置，实现对选定光栅光谱相关特征的快速鉴别和光谱位置的定位，从而锁定单个光纤光栅反射光谱并对其快速解调；单片机根据解调后得到的光栅质量参数，控制标记装置对光栅进行相应标记。本发明解决了受传输损耗以及光谱阴影限制而无法对连续生产刻写光栅质量进行在线监测的技术难题，能够实现逐一对所刻写大容量光纤光栅阵列进行解调并进行相应标记，从而可以连续在线监测所刻写光栅的质量，具有解调速度快、系统容量大、稳定性好、装置结构简单等特点。
[0041] 本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
