CN101169334A - 一种强度调制型光纤传感器的复用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种强度调制型光纤传感器的复用方法。宽带光源(1)经可调谐法珀滤波器(3)后变成波长扫描光，经耦合器4分光后一路进入传感器阵列，反射光由探测器(7，8)探测，另一路作为参考光由探测器6探测。每一个传感器组包括两个波长不相同的光纤光栅(12，14)，以及一个强度调制型传感器(13)，两个光纤光栅分别串联在强度传感器的两端。通过参考通道(6)去除光源不平坦的影响，通过测量两个光纤光栅反射率比值的变化，测量出强度传感器(13)的光强度的变化，通过不同波长的光纤光栅来实现强度传感器的复用。本发明能进一步通过增加耦合器的数量实现强度调制型光纤传感器的大规模复用与组阵。

Description

一种强度调制型光纤传感器的复用方法

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，特别涉及了一种强度调制型光纤传感器的复用方法以及实现该方法的技术。

背景技术

目前常用的强度调制型光纤传感器的复用技术主要是以光纤的背向散射光或前向散射光损耗时域检测技术为基础的光时域分布式检测法。时域分布式的典型代表是基于光时域反射仪(OTDR)的传感器复用监测和基于布里渊光时域反射仪(BOTDR)的复用方法。基于光时域反射仪(OTDR)的传感器在使用时始终有一段盲区，从光纤两端测出的衰减值有差别，且能够达到的分辨率不够高。而基于布里渊光时域反射仪(BOTDR)的传感器由于布里渊频移很小，且其线宽很窄，这就要求激光器具有极高的频率稳定性和极窄的(约kHz)可调线宽，对光滤波器也有极高的要求。因此该系统在制造和使用上既复杂又昂贵。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提出一种强度调制型光纤传感器复用的方法，同时提供了实现该方法的技术。该方法对光源性能要求低，抗干扰能力强，测量分辨率高，不存在类似OTDR系统的盲区。

本发明的技术方案

(1)选用波长范围覆盖光纤光栅反射谱的光源；入射光经过隔离器进入可调谐F-P滤波器；入射光经过可调谐F-P滤波器滤波后，进入耦合器(4)，并被分成等光强的两束光，其中的一束被光电探测器接收并送至信号采集处理系统上，得到原始光源的光谱形状；另一束光经过另一耦合器(5)后又分成两束等光强的光，这两束光也分别经过耦合器(10、11)进入两个传感器组通道；

(2)光纤光栅将位于光纤光栅中心波长λ₁₁λ₁₂……λ_n1λ_n2处的光反射回耦合器，反射光被光电探测器接收后传送至信号采集处理系统上，得到信号光谱；

(3)信号光谱与原始光谱相除，去除掉光谱轮廓不均匀对测量的影响，得到光谱在波长λ₁₁λ₁₂……λ_n1λ_n2处的损耗，而通过测量λ₁₁与λ₁₂，λ₂₁与λ₂₂……λ_n1与λ_n2之间的损耗差，即得到各对应光纤传感器所在位置的损耗。

在每个传感器组中，有两个波长相邻的光纤光栅和一个强度调制型光纤传感器，每个传感器组中的光纤光栅分别串联在强度调制型传感器的两端。进入传感器组通道的光经过反射后获得分立的光谱，波长分别为λ₁₁λ₁₂……λ_n1λ_n2。其中在同一个传感器组中的两个光纤光栅波长不相同，其中一个波长的光(如λ₁₁)直接被光纤光栅反射，而另一个波长(如λ₁₂)则经过了传感器后才被光纤光栅反射，因此波长λ₁₂携带了传感器的强度调制信息，而λ₁₁则是作为一个对比波长。由于光源光谱并不是均匀的，因此需要将采集到的λ₁₁λ₁₂信号光谱与原有的光源光谱相除，去除掉光源光谱不平坦的影响，而λ₁₁λ₁₂之间的损耗差就是其对应传感器所在位置的损耗。同样的，波长为λ₂₁λ₂₂……λ_n1λ_n2也可以通过以上方法处理，获得对应传感器的损耗。并且，不同的传感器组之间不会有干扰，因为传感器的损耗变化仅仅与其两端的光纤光栅反射回的光强对比有关，而与其他传感器组的状态无关。所以这种方法可以实现强度调制型传感器的独立分布式测量，而且对外界的温度，湿度等因素有很强的抗干扰性。

实现上述方案的设备为：宽带光源1经过隔离器2后与可调谐F-P滤波器3的输入端相连，可调谐F-P滤波器3的输出端与光纤耦合器4的一端光信号连接，光纤耦合器4的另一输出端分别与光电探测器6和另一个光纤耦合器5相连。光电探测器6的输出端连接到信号采集处理系统9上。光纤耦合器5的两个输出端分别与光纤耦合器10、11的输入端相连。光纤耦合器10、11另一路输入端经过光电探测器7、8连接到信号采集处理系统9上。耦合器分别串联多个传感器组。每个传感器组里包括两个波长接近但不相同的光纤光栅，以及一个强度调制型传感器，其中光纤光栅分别串联在强度调制型传感器的两端。

本发明的有益效果

本发明主要用于多个强度调制型光纤传感器的复用和多路复用。由于光纤光栅波长稳定，利用这种两个不同波长之间的损耗对比的测量方法，在实现复用的同时，可以达到很高的精度和分辨率。而且对外界的温度，湿度等因素有很强的抗干扰性。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图，其中：1-宽带光源  2-隔离器  3-可调谐F-P滤波器  4-光纤耦合器  5-光纤耦合器  6-光电探测器  7、8-光电探测器  9-信号采集处理系统  10、11-光纤耦合器  12、14-光纤光栅  13-强度调制型传感器；

图2为光源发出的光谱示意图；

图3为以一组传感器为例，原始光源扫描光谱图；

图4为以一组传感器为例，强度调制型传感器无损耗时的光谱(归一化光谱)；

图5为以一组传感器为例，强度调制型传感器有损耗时的光谱。

具体实施方式

如图1所示，以一组传感器组为例，宽带光源1(如ASE光源)经过隔离器2进入可调谐F-P滤波器3。经过滤波器滤波后，输出的光连接到光纤耦合器4的输入端，光纤耦合器4的输出端分别连接光电探测器6和光纤耦合器5。光电探测器6的输出端连接到信号采集处理系统9上。光纤耦合器5的两个输出端分别与光纤耦合器10、11的输入端相连。光纤耦合器10、11另一路输入端经过光电探测器7、8连接到信号采集处理系统9上。耦合器10、11的输出端与传感器组连接。传感器组里包括两个中心波长接近但不相同的光纤光栅12与14，以及一个强度调制型传感器13，光纤光栅分别串联在强度调制型传感器的两端。将上述传感器组放置在待测环境中，其他部分可以放置在外部的监测中心。

选用波长范围覆盖光纤光栅反射谱的ASE光源1，原光谱形状如图2所示；通过滤波器3后，变成波长扫描式光谱，如图3所示。此光信号进入传感器组后，被不同中心波长的光纤光栅反射。传感器组反射回来的反射信号包括两个不同波长的光信号，其中放置在传感头前的光栅反射的信号作为参考信号，放置在传感头后的光栅反射的信号则携带了传感信息。这两个不同波长的光信号经过探测器接收后，与光电探测器6接收到的原始信号相除，归一化。如果传感头无损耗，则归一化后两波长处的功率变化应该相同，如图4所示；若传感头处有损耗，则归一化后两波长的功率变化会有一差值，而这差值就是传感头处所产生的损耗，如图5所示。通过观察传感头损耗的变化就可以对其所处的环境物理量的变化进行监测。

由于传感器组中两个光栅位置放置的不同，导致反射回的光信号一个没有携带传感头的损耗信息，而另一个则反映了传感头处的损耗情况。因此可以将没有携带传感头的损耗信息的信号作为参考信号，而另一个作为传感信号。另外，由于原始光源的不稳定性，需要将两个信号进行归一化，归一化后的两个反射谱之间的损耗差才是真正反映了传感头处所产生的损耗。

由图1可以看出，采用这种结构，传感器组之间不会存在互相干扰的问题，而且对外界其他因素对光栅的影响，如温度，湿度，振动等等，都有很强的抗干扰性。所以，此方法能

实现强度调制型传感器的大规模复用以及分布式测量，且具有传感精度高，制作复杂度低，信号解调简单等优点。

Claims (4)

1.一种强度调制型光纤传感器的复用方法，其特征在于该方法包含以下步骤：

(1)选用波长范围覆盖光纤光栅反射谱的光源；入射光经过隔离器进入可调谐F-P滤波器；入射光经过可调谐F-P滤波器滤波后，进入耦合器(4)，并被分成等光强的两束光，其中的一束被光电探测器接收并送至信号采集处理系统上，得到原始光源的光谱形状；另一束光经过另一耦合器(5)后又分成两束等光强的光，这两束光也分别经过耦合器(10、11)进入两个传感器组通道；

(2)光纤光栅将位于光纤光栅中心波长λ₁₁λ₁₂……λ_n1λ_n2处的光反射回耦合器，反射光被光电探测器接收后传送至信号采集处理系统上，得到信号光谱；

(3)信号光谱与原始光谱相除，得到光谱在波长λ₁₁λ₁₂……λ_n1λ_n2处的损耗，而通过测量λ₁₁与λ₁₂，λ₂₁与λ₂₂……λ_n1与λ_n2之间的损耗差，即得到各对应光纤传感器所在位置的损耗；

在每个传感器组中，有两个波长相邻的光纤光栅和一个强度调制型光纤传感器，每个传感器组中的光纤光栅分别串联在强度调制型传感器的两端；进入传感器组通道的光经过反射后获得分立的光谱，波长分别为λ₁₁λ₁₂……λ_n1λ_n2；其中在同一个传感器组中的两个光纤光栅波长不相同，其中一个波长的光(如λ₁₁)直接被光纤光栅反射，而另一个波长(如λ₁₂)则经过了传感器后才被光纤光栅反射，因此波长λ₁₂携带了传感器的强度调制信息，而λ₁₁则是作为一个对比波长；由于光源光谱并不是均匀的，因此需要将采集到的λ₁₁λ₁₂信号光谱与原有的光源光谱相除，去除掉光源光谱不平坦的影响，而λ₁₁λ₁₂之间的损耗差就是其对应传感器所在位置的损耗；同样的，波长为λ₂₁λ₂₂……λ_n1λ_n2也可以通过以上方法处理，获得对应传感器的损耗；并且，不同的传感器组之间不会有干扰，因为传感器的损耗变化仅仅与其两端的光纤光栅反射回的光强对比有关，而与其他传感器组的状态无关；所以这种方法可以实现强度调制型传感器的独立分布式测量，而且对外界的温度，湿度等因素有很强的抗干扰性。

2.采用权利要求1方法所使用的设备，其特征在于：该设备中宽带光源(1)接光隔离器(2)的输入端口，光隔离器(2)的输出通过可调谐法珀滤波器(3)滤波接光纤耦合器(4)的输入端口，光纤耦合器(4)的一路输出经过光电探测器(6)连接到信号采集处理系统(9)上；光纤耦合器(4)另一路输出则接至光纤耦合器(5)的输入端口；光纤耦合器(5)的两个输出端分别与光纤耦合器(10，11)的输入端相连；光纤耦合器(10，11)另一路输入端经过光电探测器(7、8)连接到信号采集处理系统(9)上；耦合器(10，11)分别串联多个传感器组；每一个传感器组里包括两个波长不相同的光纤光栅，以及一个强度调制型传感器，其中两个光纤光栅分别串联在强度传感器的两端。

3.采用权利要求1方法所使用的设备，其特征在于：同一个传感器通道上的光纤光栅有不同的波长。

4.采用权利要求1方法所述的光纤传感器，其特征在于：所述的光纤传感器是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的损耗折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的强度调制型光纤传感器。

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