[0001] 本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于可调激光器阵列的MOMES及FBG融合传感系统。

[0002] 新一代信息技术的快速发展使传感技术在未来信息科技领域中愈发关键，其中光纤传感作为重要分支，在重大科学工程研究中扮演着重要角色。

[0003] 然而，光纤传感市场占比较小，导致其激光器大多基于通讯激光器调整驱动电路后使用，这些激光器标准波段窄且无法定制，限制了光纤光栅FBG和MOMES传感器的解调能力。FBG传感器基于反射光谱寻峰感知变化，其优势在于波分复用技术，但测量结构力学参数时易断裂。而MOMES传感器基于干涉式，测量干涉光谱波谷间距变化，具有较大变化空间，适合大量程、高精度测量，但串联难度大。两者均需激光器连续发射扫频光进行探测，原理基于光谱感知，但现有系统因解调单一性，无法同时接入两种传感器并完成解调，需两套系统分别解调后再集成，导致数据无法绝对同步、成本高、系统复杂等问题，限制了应用场景。

[0015] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。

[0016] 实施例一：如图1所示，本发明提供了一种基于可调激光器阵列的MOMES及FBG融合传感系统，包括多波长可调谐激光器阵列光源、多路平面光波导分路耦合器、MOMES传感器、FBG传感器阵列、光电探测器、对数放大器、模数转换器、FPGA兼容算法平台、上位机显示平台。

[0017] 具体而言，多波长可调谐激光器阵列光源由多个独立可调谐的激光器组成，每个激光器能够输出不同波长的光信号。采用多波长可调谐调Q光纤激光器，包括带有尾纤的半导体激光器、波分复用器、单模的掺铒光纤、光纤隔离器、光纤耦合器、光纤偏振控制器和调谐装置。

[0018] 多路平面光波导分路耦合器能够将多波长可调谐激光器阵列光源输出的光信号进行分路，并耦合到不同的传感器通道中。采用平面光波导结构，具有多个输入端口和多个输出端口，能够将输入的光信号均匀分配到各个输出端口。该耦合器具有低损耗、高稳定性等优点，能够确保光信号在传输过程中的质量和稳定性。

[0019] MOMES传感器利用微光机电技术实现对光信号的探测和转换。采用微光机电结构，能够将接收到的光信号转换为电信号输出。具有灵敏度高、响应速度快等优点，能够实现对光信号的精确探测和转换。

[0020] FBG传感器阵列由多个FBG传感器组成，能够实现对不同物理量的分布式测量。采用光纤布拉格光栅结构，每个FBG传感器能够测量特定波长的光信号，并将其转换为电信号输出。该阵列具有测量精度高、抗干扰能力强等优点，能够实现对多个物理量的同时测量。

[0021] 光电探测器能够实现对光信号的探测和转换，将光信号转换为电信号输出。采用光电效应原理，能够将接收到的光信号转换为电流信号输出。该探测器具有灵敏度高、响应速度快等优点，能够实现对光信号的精确探测和转换。

[0022] 对数放大器实现对输入信号的对数放大，提高信号检测的精度。包括级联放大器、求和电路和增益放大电路。增益放大电路用于对输入信号进行增益放大，得到第一信号；第一放大器用于对输入信号进行放大，得到第二信号；第二放大器用于对第二信号进行放大，得到第三信号；求和电路用于对第一信号、第二信号和第三信号求和。该放大器具有系统误差小、信号检测精度高等优点。

[0023] 模数转换器实现对模拟信号的数字化转换，将模拟信号转换为数字信号输出。包括电容阵列、比较器以及逻辑控制电路。电容阵列包括第一电容阵列以及第二电容阵列；逻辑控制电路被配置为对第一电容阵列中的每个电容施加预设的基准控制信号，且根据比较器上一次比较动作的结果调整当前比较动作中对第二电容阵列施加的控制信号。该转换器具有转换精度高、稳定性好等优点。

[0024] FPGA兼容算法平台实现对采集到的数字信号进行处理和分析，提取出有用的信息。采用FPGA芯片作为处理核心，能够实现对数字信号的快速处理和分析。具有处理速度快、算法灵活等优点，能够实现对不同应用场景的适应和优化。

[0025] 上位机显示平台实现对处理后的数据进行可视化展示，方便用户进行监控和分析。采用图形化界面设计，能够实时显示传感器采集到的数据以及处理后的结果。该平台具有操作简便、直观易懂等优点，能够为用户提供良好的使用体验。

[0026] 多波长可调谐激光器阵列光源的激光器输出接口连接至多路平面光波导分路耦合器的输入端；多路平面光波导分路耦合器的输出端先连接FBG传感器阵列，并在FBG传感器阵列末端连接MOMES传感器；多路平面光波导分路耦合器返回端顺序连接光电探测器、对数放大器、模数转换器；模数转换器输出的数字信号传输至FPGA兼容性算法平台。

[0027] 多波长可调谐激光器阵列光源由矩阵式多波长可调谐激光器阵列及其硬件控制电路组成，用于产生波长可连续快速变化的宽带扫频光信号，并按照固定频率步长间隔的信号按波长由小到大进行顺序输出，输入多路平面光波导分路耦合器的输入端。

[0028] 多路平面光波导分路耦合器内部有M组1×2分路器，入射光先被分成M路，再同时由M路1×2分路器输出，其中一路输出先接FBG传感器阵列，并在FBG传感器阵列末端连接MOMES传感器，符合FBG反射条件的光先被FBG传感器阵列连续反射，形成连续的FBG反射谱，进入末端的MOMES传感器形成连续的干涉光谱，另一路输出至光电探测器，光电探测器接收到连续的FBG串反射谱以及MOMES传感器干涉光谱，接收到的光信号首先转换为电流信号，接着由对数放大器放大，再进行模拟信号到数字信号的转换，最后由FPGA兼容算法平台处理。

[0029] FPGA兼容算法平台将一组包含反射、干涉谱型的数据并行进行寻找波峰以及波谷，波峰的频移即为FBG传感器阵列受到温度、应变变化的影响，法布里‑珀罗干涉谱反射信号为一组连续的波谷光谱，波谷的中心波长间距即为自由光谱范围，即可通过计算转换为法布里‑珀罗谐振腔，谐振腔腔长的变化进一步转换为应变、温度的变化，最后由上位机显示平台实时显示处理。

[0030] 如图2所示，本发明提供用于产生宽带快速连续扫频激光信号的i×j矩阵式结构的可调多波长分布式反馈激光器阵列芯片的结构示意图及4×6激光器阵列芯片图。

[0031] i×j矩阵式多波长激光器阵列光源目的是用于产生波长连续快速变化的宽带扫频光信号，并按照一定固定频率步长间隔的信号按波长由小到大进行顺序输出。以4×6芯片为例，激光器阵列结构由4×6串并联矩阵式分布高密度单片集成的24个多波长DFB单元激光器阵列构成，再经过两级级联的2合1的Y分支有源合波波导结构合并至一根光波导输出，并在芯片出光的最前端集成一个SOA用于均衡最终输出的扫频光功率。各单元激光器波长按2nm波长间隔设计激射光栅波长 （ =1520 nm， =1522 nm， =1524 nm， =1526 nm， =1528 nm， =1530 nm， =1532 nm， =1534 nm， =1536 nm， =
1538 nm， =1540 nm， =1542 nm， =1544 nm， =1546 nm， =1548 nm， =
1550 nm， =1552 nm， =1554 nm， =1556 nm， =1558 nm， =1560 nm， =
1562 nm，， =1564 nm， =1566 nm），再通过搭配的激光器硬件控制电路按波长大小控制对应的单元激光器以完成波长扫描（ ：1520 nm～1522 nm， ：1522～1524 nm， ：
1524～1526 nm， ：1526～1528 nm， ：1528～1530 nm， ：1530～1532 nm， ：1532～1534 nm， ：1534～1536 nm， ：1536～1538 nm， ：1538～1540 nm， ：1540～
1542 nm， ：1542～1544 nm， ：1544～1546 nm， ：1546～1548 nm， ：1548～1550 nm， ：1550～1552 nm， ：1552～1554 nm， ：1554～ 1556 nm， ：1556～1558 nm，：1558～1560 nm， ：1560～1562 nm， ：1562～1564 nm， ：1564～1566 nm， ：
1566～1568 nm），覆盖2nm波长间隔再顺次切换下一个波长相邻的单元激光器继续扫描，以此类推可顺次完成覆盖从1520～1568nm的48nm波长范围的快速连续扫频光信号的输出；随后为了便于后续探测采集系统进行扫频光信号的实时同步采集，再将经过线性波长输出调理后的可调激光器信号连续扫描，但是其按照5Ghz（约等于8pm）固定频率间隔输出触发信号给采集系统匹配同步采集。

[0032] 如图3所示，本发明提供同一通道中光纤光栅FBG及微光机电MOMES光谱图。

[0033] FPGA兼容算法平台，主要用于同时兼容解调MOMES干涉型、FBG反射型传感器，MOMES干涉型传感器与FBG反射型传感器具有不同的光谱特征，用于计算传感器物理量参数也不同，FBG的反射光谱主要取决于光栅周期和反向耦合模的有效折射率neff，何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起光栅布喇格波长的漂移，反应在光谱上就是峰谷的移动，本实施例选定22个与阵列激光器匹配波段的光栅，在单通道内串联，设计波长为 =1524.5 nm， =1527.2 nm， =1529.1 nm， =1531.0 nm， =1532.9 nm， =
1535.1 nm， =1537.0 nm， =1539.1 nm， =1541.2 nm， =1543.2 nm， =
1545.3 nm， =1547.3 nm， =1549.2 nm， =1551.1 nm， =1553.2 nm， =
1555.2 nm， =1557.2 nm， =1559.4 nm， =1561.3 nm， =1563.2 nm， =
1565.0 nm， =1567.0 nm，如此设计主要是考虑传感器有一定的量程范围，量程范围即对应波长移动范围，微光机电MOMES传感器是干涉型传感器，规定频率间隔的扫频光进入光纤，一部分光在第一个反射面处被反射，另一部分光继续传播进 F‑P 腔的腔体，并在第二个反射端面发生部分反射，反射回的光会有一部分再次到达光纤端面，与第一个端面的反射光发生干涉。当封装的传感器感知外接应变、温度变化时，F‑P 腔的有效腔长将发生变化，干涉光谱随之改变，自由光谱范围由腔长决定，本专利采用传感器腔长约为280um左右，在48nm带宽范围内，能观测到 12个波谷，即11个自由光谱范围，理论上11个自由光谱范围的频率间距是相同的，为了进一步提高精度，在计算时取11个自由光谱范围的平均值。

[0034] 如图4所示，本发明提供兼容性算法软件流程图。

[0035] FPGA兼容算法平台主要目的为利用FPGA并行计算功能实现波峰、相邻波谷间距的解调，上位机发送开始指令后多波长阵列激光器进入扫描状态，按照5Ghz间距（即约等于40pm）输出触发信号，FPGA芯片通过驱动模数转换芯片，同时等待激光器阵列的触发同步数据，每接收一次触发对应一次模数转换，即采集一次固定间距光频率的数据，激光器阵列输出的第一个波长为197225Ghz(1520.050nm)， =197220Ghz， =197215Ghz， =
197210Ghz，………， =191145Ghz（1568.403nm），每完成1216次采集即一个扫频周期，即构成一个完整包含FBG传感器阵列反射数据以及MOMES传感器干涉数据的光谱，其次在数据采集前，FPGA开辟大于通道×24Mbit的FIFO空间，每完成一次采集后将数据实时传输至两路FPGA_FIFO资源中，同时并行将两路含有光谱数据的FIFO资源并行进行释放，其中阵列FBG传感器的光谱数据按照设置的寻峰阈值将高于阈值的数据寻找最大点 ，将最大点左右偏移各4个采样点的数据记做寻峰所需的数据( ， ， ，
， ， ， ， ， )，另一路按照设置的
阈值将低于阈值的数据寻找最小点 ，将最小点左右偏移各4个采样点的数据记做寻峰所需的数据（ ， ， ， ， ，
， ， , ），最后将两路包含若干波峰以及若
干波谷采样点的数据并行进行二项式拟合，得到的波长数据为 =1524.495 nm，=1527.167 nm， =1529.108 nm， =1531.011 nm， =
1532.921 nm， =1535.081 nm， =1537.032 nm， =1539.105 nm，
=1541.197 nm， =1543.208 nm， =1545.302 nm， =
1547.350 nm， =1549.180 nm， =1551.113nm， =1553.231 nm，
=1555.203 nm， =1557.265 nm， =1559.495 nm， =
1561.384 nm， =1563.167 nm， =1565.034 nm， =1567.038 nm，
实测波峰数据与设计光栅的参数的偏差是因为刻写光栅过程中的光栅受力、温度变化导致，偏差在0.1nm左右，一组波峰数据的频移代表相应FBG传感器阵列传感器的变化，得到连续的波谷数据为 =1520.051 nm， =1524.201  nm， =
1528.379 nm， =1532.575  nm， =1536.792 nm， =
1541.041nm， =1545.299 nm， =1549.592 nm， =1553.892 
nm， =1558.239 nm， =1562.586 nm， =1566.982 nm，波
谷间距为4.150nm、4.178nm、4.196nm、4.217nm、4.249nm、4.258nm、4.293nm、4.300nm、
4.347nm、4.347nm、4.396nm，求平均后为4.266nm，即自由光谱范围。

[0036] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。