[发明专利]基于扫频光源的光学传感器数字解调装置及方法

说明书

本发明公开了基于扫频光源的光学传感器数字解调装置及方法，装置包括顺序连接的扫频光源、光学传感器、光电探测器、比较器、数字定时器以及数字解调装置；扫频光源输出第一光信号；光学传感器接收第一光信号并输出携带传感信息的第二光信号；光电探测器将第二光信号转为第一电信号并输出；比较器接收第一电信号输出数字电平的第二电信号；数字定时器接收第二电信号输出第一数字信号；数字解调装置接收第一数字信号，通过分析第一数字信号中脉宽序列的特性来实现对传感信息的解调。本发明采用数字解调方式对光学传感器的光谱进行解调，传感信号数据量缩小几个数量级，从根本上解决了时域解调巨量数据的处理问题。

技术领域

本发明属于信号解调技术领域，具体涉及基于扫频光源的光学传感器数字解调装置及方法。

背景技术

利用光学技术可以对外界环境变量实现更高灵敏度的传感，通过解调光学传感器的光谱响应变化量可以得到外界参量的变化。对光学传感器光谱的解调一般可分为谱域解调和时域解调两种。谱域解调通常使用光谱仪对传感器件的光谱变化量进行直接测量，但谱域解调具有成本高，解调速度慢，分辨率低(常用光谱仪分辨率为0.02nm，即2.5GHz分辨率)等缺点，使得其在实际应用(比如可穿戴健康监测，随身安全工程监测等)中受到限制。另一种时域解调，基于频时映射技术，将光谱映射到时域再通过模数转换器采集得到传感信息，具有速度快，体积小等优点，缺点是硬件成本不低，算力成本高，难以在可穿戴监测应用场景中使用。其算力成本高的原因是时域的高速采集会在短时间内产生巨大的数据量，普通的低功耗芯片根本无法满足算力要求，即使是使用个人电脑也难以胜任，算力要求高还直接带来功耗高的问题，在可穿戴应用中难以实现。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有传感解调技术的缺点与不足，提出基于扫频光源的光学传感器数字解调装置及方法，直接对光学传感器频时映射后的时域信号进行数字解调，使得传感信号数据量直接缩小几个数量级，具有硬件成本低，算力成本低，体积小等优点，同时兼具时域解调所具有的解调速度快的优点。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于扫频光源的光学传感器数字解调装置，包括顺序连接的频时映射单元、比较器、数字定时器以及数字解调装置；

频时映射单元实现将光纤传感器的光谱响应映射到时域，包括扫频光源、光学传感器以及光电探测器；

扫频光源、光学传感器以及光电探测器通过光纤顺序连接，光电探测器、比较器、数字定时器以及数字解调装置通过射频线顺序连接；

扫频光源用于输出作为探测光的第一光信号；

光学传感器接收第一光信号并输出携带传感信息的第二光信号；

光电探测器用于将接收到的第二光信号转为第一电信号并输出；

比较器接收第一电信号，通过设定比较器的参考电压将第一电信号处理并输出为数字电平的第二电信号；

数字定时器接收第二电信号，对第二电信号的脉冲宽度进行测量，并将一个扫频周期内脉冲宽度大小的序列输出为第一数字信号；

数字解调装置接收第一数字信号，通过分析第一数字信号中的脉宽序列来实现对传感信息的解调；其中，数字解调装置的解调方法包括：

直接分析一个或多个脉宽信息来解调出外界参量的变化量；

利用神经网络算法对第一数字信号的部分或整体数据进行计算得到外界参量的变化量。

进一步的，扫频光源输出的第一光信号的波长随时间周期改变，作为探测光，实现对光学传感器光谱的频时映射。

进一步的，光学传感器光谱响应的变化反应了外界参量的变化，即传感器外界参量的改变将导致光学传感器光谱响应的改变，通过测量光谱响应的改变量就可解调出外界参量的变化量。