1、基于双波长光纤激光传感器的窄带宽远程通信系统设计 李鑫 郑州升达经贸管理学院信息工程系 摘 要： 提出运用基于偏振外差双波长光纤激光传感器的窄带宽远程通信系统。阐述光纤传感光波理论与光波频谱性质, 根据光纤激光传感器工作前提条件, 获知该条件可以影响激光信号光束输出质量及纵模特性, 通过缩短光纤激光器谐振腔长度及高反射率光栅可得到单纵模性质的输出激光光束, 并结合紫外光写制技术初步完成双光波光纤激光传感器通信系统传感元件设计。在窄带宽环境下以TCP 网络协议为基础, 利用 RT-Thread 嵌入式实时操作系统, 按名称访问设备管理方式, 运用应用程序通过设备对象提供的标准接口获取访问底层设备
2、数据, 结合 Lw IP 协议栈使传感器数据进入到缓存区域中, 实现远程通信系统设计。实验证明运用系统能够有效提升通信传输敏感度。关键词： 双波长; 光纤激光传感器; 窄带宽; 通信系统; 作者简介：李鑫 (1980-) , 女, 河南周口人, 硕士研究生, 副教授, 研究方向:计算机网络及网络安全。收稿日期：2017-01-30Design of Narrow Bandwidth Remote Communication System Based on Dual Wavelength Fiber Laser SensorLi Xin Zhengzhou Institute of Econom
3、ic and Trade Management, Department of Information Engineering; Abstract： This paper proposed the narrow bandwidth of the remote communication system based on polarization heterodyne dual wavelength fiber laser sensor. This optical fiber sensor and the wave theory of light spectrum properties, accor
4、ding to the condition of fiber laser sensor, obtains the condition can affect the signal beam quality and laser output characteristics of the longitudinal mode, the output laser beam to shorten the fiber laser cavity length and high reflectivity of the grating can be obtained in single longitudinal
5、mode properties, combined with UV writing technology initially completed double light sensor communication system for fiber laser sensor design; in the narrow band environment based on TCP network protocol based on the RT-Thread embedded real-time operating system, according to the name of the acces
6、s equipment management, standard interface application provided by the device object access device data, combined with the Lw IP protocol stack of the sensor data into the cache in the area, design and implementation of remote communication system. Experiments show that the system can effectively im
7、prove the sensitivity of communication transmission.Keyword： dual wavelength optical fiber laser sensor; narrow bandwidth; communication system; Received： 2017-01-30现代化科学研究进程中, 通信技术、传感技术和计算机技术被称为当代信息技术的三大产业。随着物联网技术运用更加宽泛, 已渗透至社会生活领域中各个方面。传感器可测得各待定因素信息, 它成为度量物联网性能指标之一, 应用前景较为广泛。传感器功能性优劣, 将直接影响物联网工作优良
8、。光纤激光传感器由于稳定性及抗干扰能力强, 采集信息准确, 因此它具备较强实用性, 可广泛应用于各个行业1-3。光纤激光传器一般是将稀土掺杂到光纤中, 将它作为工作导波介质或增益介质, 构成介质封闭腔结构生成激光4-7。该类型激光器具有明显优势:成本低, 体积小, 结构优良;抗干扰性能强;增益及转换频率容易;兼容性佳且光束质量高。文献8提到上世纪 60 年代提出光纤激光器概念并得到验证, 并在 60 年代中期时获得了许多以玻璃光纤为基础的光放大器及激光输出器等, 但由于玻璃光纤耗损严重, 在最初提出几年内发展并不顺利。文献9提到 90 年代时, 光纤激光器技术得到飞速发展, 将稀土离子掺加光纤
9、作为激光增益介质, 在多个领域中得到广泛应用。光纤激光传感器具有重要实际应用价值, 文中提出设计基于双波长光纤激光传感器的窄带宽远程通信系统。以光纤传感光波理论和光频谱特性为基础, 依据光纤激光器提供的工作条件, 可知上述条件对激光信号光束输出质量及纵模性质存在影响, 采用缩短激光器谐振腔长度方式调整光束输出。在窄带宽环境下, 运用 RT-Thread 嵌入式实时操作系统, 根据名称访问模式获取底层网络数据后, 结合 Lw IP 协议栈实现远程通信过程。1 双波长光纤激光器的窄带宽远程通信系统1.1 双波长光纤激光器传感技术光纤通信技术发展迅速, 为更好地了解光纤传播技术, 需要先介绍双波长光
10、纤激光器的工作原理及写制技术10-12。光纤指的是光导纤维, 原料是玻璃或者是塑料制品纤维。在光纤中传输光波 E 可作如下表述:式中:光波幅度由 E0表示;频率由 表示;初始相位由 表示。在光纤中传输光波为电磁波, 不同波长相对应波段具有不同作用。双波长布拉格光纤激光器是由与波长匹配的光纤光栅及谐振腔构成。光纤光栅本质上是滤波器, 在光束信号射入光栅后, 符合布拉格波长条件后产生反射现象。可描述折射率周期分布特性为:式中:光纤平均折射变化率由 n eff表示;相对位移由 (z) 表示。光纤激光器在工作中必须使激光器内部产生振动, 前提条件为内部光程完成一次后相位要与初始状态相同, 差值是相位整
11、数变化值, 则:式中:变化相位值由 表示 ;波长由 0表示;光程由 表示。光在内部实现往返过程时, 光强信号也呈现不断变化趋势, 光强条件要求反射光强 I1大于入射光强 I0, 即:式中:光强比例由 e 表示;增益系数由 G 表示;谐振腔体长度由 L 表示;能量损耗由 A 表示。以光波导理论为基础阐释双光波光纤激光传感器工作原理。为有效避免模式竞争情况, 保证单纵模输出特性, 可设计缩短光纤激光器腔体长度。先对光纤激光器速率方程进行表述:式中:d 表示常数;两种模式光波函数由 E1, 2 (z) 表示;饱和条件下激光腔体内部增益系数由 表示;腔体内部光传输往返损耗由 表示;总光强函数由 Isa
12、t (z) 表示;模式 1 和模式 2 光强函数分别由 I1 (z) 、I 2 (z) 表示;反射率由 Rn表示。为保证单纵模输出, 通过写制高反射率光栅表述有效长度 Leff与反射率的对应关系为:式中:光栅长度由 Lg表示。以光纤传感光波导论及激光器工作前提条件为基础, 通过缩短激光器谐振腔长度及写制技术保证光束单纵模输出性质及输出质量。1.2 激光传感器窄带宽远程通信系统设计过程窄带宽远程通信系统包括数据源与硬件资源两个部分, 数据源主要是双波长光纤激光传感器的激光信号传输部分, 硬件资源则是将原始激光信号转化、储存及管理等处理部分。首先, 进行底层网络驱动, DM9000A 网络设备驱动
13、程序由设备初始化及数据发送接收两部分构成。初始化结束后, DM9000A 为等待数据传输或接收数据状态。处理器发送数据时, TCP 数据包通过以太网数据帧形式写入到 DM9000A 缓存区域, 以一定数据长度对应寄存器后进行发送过程;处理器接收数据时, 将数据帧存入内部 SRAM 中, 通过 CPU 对接收数据进行处理。其次初始化 RT-Thread 操作系统, 初始化流程包括系统相关硬件, 定时器及调度器等系统构件, 系统设备和系统中各个应用线程等。最后采用 Lw IP 协议栈, 通过启动该协议栈, 实现与操作系统对接及启动TCP/IP 线程任务。RT-Thread 操作系统可同时实现多任务
14、调度管理, 上层应用程度能够运用 Lw IP协议栈, 采用调用 Lw IP API 完成网络通信, 使用 TCP/IP 应用层协议, 进行客户端/服务器数据交换过程。具体光纤传感器通信系统数据传输过程示意图如图1。2 实验与数据结果分析为验证该系统传感器稳定性及系统通信能力, 现进行如下实验。(1) 实验 1。在实际应用中, 通信领域特定环境对激光传感器要求严格, 因为受到电压及电磁环境影响, 光纤中光信号传播在不同程度上也受到影响, 在磁场测量实验环境下, 以侧压力角度 0, 30, 40及 50为实验条件, 比较运用偏振外差技术的双波长光纤激光传感器输出拍频信号与非线混频技术的光纤激光传感
15、器输出拍频信号稳定性差异。具体在不同侧压力角度条件下, 光束输出情况如图 25 所示。以不同侧压力角度为实验条件, 分别观察在 0, 30, 40及 50时两种不同技术下光纤传感器输出拍频信号, 从图 25 可看出, 不同角度文中基于偏振外差技术的双波长光纤激光传感器输出拍频信号较为稳定, 而基于非线混频技术的光纤激光传感器输出拍频信号, 在侧压力角度逐渐上升过程中, 光束信号输出稳定性持续呈现不稳定状态。通过上述拍频信号稳定性差异图可看出, 在各种角度不同条件下, 文中基于偏振外差技术的双波长光纤激光传感器性能持续保持稳定, 因此输出拍频信号也稳定, 为窄带宽通信系统发送与接收数据提供技术支
16、持。图 1 光纤传感器通信系统数据传输过程 Fig.1 Data transmission process of optical fiber sensor communication system 下载原图图 2 侧压力角度 0拍频信号稳定性差异 Fig.2 Stability of side pressure angle 0 beat frequency signal 下载原图图 3 侧压力角度 30拍频信号稳定性差异 Fig.3 Stability of side pressure angle 30 beat frequency signal 下载原图(2) 实验 2。为验证双波长光纤激光
17、传感器的窄带宽远程通信系统性能, 通过模拟双波长光纤激光传感器信号, 统计系统接收 8 组信号耗时, 并与实际接收信号耗时进行比较。具体激光传感器发出信号耗时数据统计如表 1 所示。图 4 侧压力角度 40拍频信号稳定性差异 Fig.4 Stability of side pressure angle 40 beat frequency signa 下载原图图 5 侧压力角度 50拍频信号稳定性差异 Fig.5 Stability of side pressure angle 50 beat frequency signa 下载原图表 1 激光传感器输出信号接收耗时 Table 1 Time
18、consuming of output signal of laser sensor 下载原表 表 1 为运用文中基于双波长光纤激光传感器的窄带宽远程通信系统接收传感器发送信号数据统计, 与实际接收信号耗时比较, 信号接收所用时间基本相一致, 表明该系统在接收传感器传输信号时通信性能较好。3 结论光纤传感技术随着光纤通信技术兴起而快速发展, 文中提出应用偏振外差技术设计双波长光纤激光传感器的窄带宽远程通信系统。基于光波理论与光波频谱特性, 根据光纤激光传感器工作的前提条件, 可知上述条件对激光信号光束输出质量及纵模特性产生影响, 通过减小光纤激光器谐振腔长度获取单纵模性质高质量输出激光光束。以
19、窄带宽环境下 TCP 网络协议为基础, 采用 RT-Thread嵌入式实时操作系统, 以名称访问设备为管理方式, 利用应用程序对设备对象提供的标准接口进行底层设备数据访问, 采用 Lw IP 协议栈使传感器数据传输缓存区域中, 完成远程通信系统设计。参考文献1杜岩, 马玉春, 朱晓静.基于物联网和激光传感器的智能监控系统研究J.激光杂志, 2016, 37 (1) :9-11. 2凤祥云, 孙海艳, 张万臣.基于光纤通信技术的物联网传感器系统J.激光杂志, 2016, 37 (7) :131-134. 3祁漫宇, 丁炯, 杨遂军, 等薄膜热电偶温度传感器动态标定的仿真研究J.计算机仿真, 20
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