CN101476900B - 一种时分复用的光纤传感装置 - Google Patents

Abstract

一种时分复用的光纤传感装置，本发明涉及一种光纤传感装置，它克服了波分复用的光纤传感解调技术由于光纤传感器使用不同的中心波长，波长解调设备复杂和系统受带宽限制所能设置的光纤传感器数量少的缺陷。它的装置包括：半导体光放大器、脉冲信号发生器、波长测量模块、光纤环和多个传感器，传感器、波长测量模块和脉冲信号发生器分别连通在半导体光放大器的反射信号输入端、放大信号输出端和受控端上。

Description

一种时分复用的光纤传感装置

技术领域

本发明涉及一种光纤传感装置，具体涉及一种可以提高单光纤连接光纤传感器数量的传感装置。

背景技术

光纤传感器是采用光纤光栅作为敏感元件的功能型光纤传感器，可以对温度、应变等物理量进行测量。它与传统传感器相比，具有重量轻、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点。除此之外，由于采用波长作为传感信号编码，可以组建光纤传感网络，传感器精度高、易于集成。因此，光纤传感技术成为目前国内外研究的热点。现在这类传感技术研究的关键问题就是如何设计出精度高、成本低、易于使用的解调系统。目前应用较广泛的光纤解调技术是基于波分复用的光纤传感解调系统，此技术已经十分成熟，但是由于采用波分复用技术，传感器数量受系统波长的带宽限制，而且每个光纤光栅传感器使用不同的中心波长，波长解调设备复杂，价格较高，因此，如何降低价格和增加解调仪器的性能成为推广光纤传感技术的一个关键问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种时分复用的光纤传感装置，以克服已有基于波分复用的光纤传感解调技术由于每个光纤传感器使用不同的中心波长，波长解调设备复杂和系统受带宽限制所能设置的光纤传感器数量少的缺陷。

它的装置包括：半导体光放大器、脉冲信号发生器、波长测量模块、光纤环和多个传感器，所述多个传感器通过一根光纤串联在一起，位于始端的传感器G1连通在光纤环的一端上，光纤环的另一端连通在半导体光放大器的反射信号输入端上，半导体光放大器的放大信号输出端连通在波长测量模块的输入端上，半导体光放大器的受控端连接在脉冲信号发生器的输出端上，所述多个传感器是低反射率的光纤光栅传感器且中心波长相同，本装置还包括一号耦合器和二号耦合器，二号耦合器为20:80耦合器，波长测量模块与二号耦合器的20％分光端相连通，二号耦合器的80％分光端与一号耦合器的一个分光端相连通，一号耦合器的另一个分光端与半导体光放大器的反射信号输入端相连通，一号耦合器的另一端与光纤环的一端相连通，二号耦合器的另一端与半导体光放大器的放大信号输出端相连通。

本发明的装置的另一种结构包括：半导体光放大器、脉冲信号发生器、波长测量模块、光纤环和多个传感器，所述多个传感器通过一根光纤串联在一起，位于始端的传感器连通在光纤环的一端上，光纤环的另一端连通在半导体光放大器的反射信号输入端上，半导体光放大器的放大信号输出端连通在波长测量模块的输入端上，半导体光放大器的受控端连接在脉冲信号发生器的输出端上，所述多个传感器是低反射率的光纤光栅传感器且中心波长相同，它还包括光学反射器件和耦合器，耦合器为20:80的耦合器，耦合器的一端连通半导体光放大器的放大信号输出端，耦合器的20％分光端连通波长测量模块的输入端，耦合器的80％分光端连通光学反射器件。

本发明的装置还有一种结构，它包括：半导体光放大器、脉冲信号发生器、波长测量模块、光纤环和多个传感器，所述多个传感器通过一根光纤串联在一起，位于始端的传感器连通在光纤环的一端上，光纤环的另一端连通在半导体光放大器的反射信号输入端上，半导体光放大器的放大信号输出端连通在波长测量模块的输入端上，半导体光放大器的受控端连接在脉冲信号发生器的输出端上，所述多个传感器是低反射率的光纤光栅传感器且中心波长相同，它还包括：三号耦合器和四号耦合器，四号耦合器为自身的两分光端相连所构成的反射镜，三号耦合器为20:80的耦合器，三号耦合器的一端连通半导体光放大器的放大信号输出端，三号耦合器的20％分光端连通波长测量模块的输入端，三号耦合器的80％分光端连通四号耦合器的另一端。

本发明使用时分复用技术，其实现方法为使用开关型半导体光放大器作为光开关，用脉冲信号控制半导体光放大器的导通与截止，从而有选择的使来自传感器的信号通过光放大器。调整开关时间间隔，从而实现了传感器的寻址。本发明采用时分复用技术，使用相同中心波长的传感器组成传感器阵列，传感器数量不受波长和系统带宽的限制，因此可以大量增加传感器数量。另外由于只需要对单波长的光信号进行测量，大大简化了波长解调设备的结构，降低了解调仪器价格。由此可见，本发明提供的装置具有简单、易于实现和成本低廉的优点，可以广泛应用到光纤传感领域。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，图2是本发明方法的原理示意图，图3是具体实施方式三的结构示意图，图4是具体实施方式五的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式的方法由以下步骤组成：一、利用半导体光放大器产生一个脉冲光信号进入传感器阵列；所述传感器阵列是由多个通过一根光纤串联在一起的传感器组成，所述传感器为低反射率的光纤光栅且多个光纤光栅的中心波长相同；二、脉冲光信号依次被各个传感器反射回半导体光放大器，通过控制半导体光放大器开关时间有选择的使某个传感器反射的光信号通过；三、通过半导体光放大器的信号被放大后，进入波长测量模块，实现被选定传感器的波长测量。

本实施方式的装置包括：半导体光放大器1、脉冲信号发生器2、波长测量模块3、光纤环4和多个传感器，所述多个传感器通过一根光纤串联在一起，位于始端的传感器G1连通在光纤环4的一端上，光纤环4的另一端连通在半导体光放大器1的反射信号输入端上，半导体光放大器1的放大信号输出端连通在波长测量模块3的输入端上，半导体光放大器1的受控端连接在脉冲信号发生器2的输出端上，所述多个传感器是低反射率的光纤光栅传感器且中心波长相同，所述多个传感器等距离排布。所述脉冲信号发生器2为可编程模块，采用DDS芯片合成信号技术，脉冲周期和宽度可调。所述半导体光放大器为开关型半导体光放大器，既可作光开关，又可作光放大器，其生产厂家和型号是美国INPHENIX公司的ISPAD1502。波长测量模块3生产厂家和型号是美国Bayspec公司C-band FBGA。光纤环4提供一定的光信号传播时间延迟。

本发明工作原理：

由一个可编程的电脉冲信号发生器驱动半导体光放大器，半导体光放大器产生一个较短的宽带光脉冲，进入光纤传感器阵列，当光脉冲到达光纤传感器阵列的某个传感器时，传感器将会反射部分光脉冲信号，此反射信号向半导体光放大器方向传播，通过半导体光放大器后信号被放大，进入波长测量模块，由此能够测量出某个传感器的波长。其它传感器反射的信号也会依次到达半导体光放大器，依次到达半导体光放大器的反射信号时间间隔由传感器之间距离决定，此时间间隔为光在两相邻传感器之间光传播所用时间的2倍。光在光纤中传播速度大约为200,000,000m/s，加上实际应用中传感器间隔距离受限制，因此反射脉冲信号的间隔时间为纳秒级，也就是说波长测量模块在下一个脉冲到来之前必须在纳秒级的时间完成波长测量，这对电子元器件是难以实现的。电脉冲信号发生装置产生脉冲宽度和周期可调的脉冲信号，用它产生的信号控制半导体光放大器实现光开关功能，截断未被选择的其它光信号的通过，仅允许被选择信号通过，从而实现了对传感器信号的选择。

使用时分复用技术可以有选择的准确测量某一传感器的信号，在不同的时刻测量不同的传感器，从而能够依次实现传感器阵列所有传感器的测量。

图2给出了时分复用的实现过程。脉冲信号发生器产生脉冲周期可调的脉冲信号，周期为T，脉冲宽度为T0，脉冲信号控制半导体光放大器的工作，由半导体光放大器发射的光脉冲信号P向光纤传感器阵列传播，在T1时刻，光脉冲P到达传感器G1，传感器G1将会反射部分信号，反射信号λ1向半导体光放大器方向传播。在T2，T3....TN时刻，光脉冲信号P沿光纤传感器阵列依次到达传感器G2，G3...GN，同时将反射信号λ2，λ3...λn，经过传感器反射的信号依次到达半导体光放大器。反射的相邻两个脉冲信号之间的时间间隔等于相邻两个传感器之间光脉冲信号传播时间Ts的2倍，由于传感器之间距离受限制，所以反射脉冲信号时间间隔较短，这对波长测量模块提出了较高要求。例如，两个相邻传感器距离为1米，那么它们反射的光脉冲信号时间间隔为10ns，波长测量模块必须在10ns之内测量出反射的脉冲信号，否则这两个脉冲信号无法区别开，这对于测量模块来说，达到这个测量速度十分困难。采用时分复用技术能解决这个问题，给每个传感信号的测量留出足够测量时间。其实现过程如下：脉冲信号发生器给半导体光放大器一个开关信号，产生一个光脉冲信号向光纤传感器阵列传播，发出脉冲信号后半导体光放大器处于关闭状态，等到达某一时刻T1，脉冲信号发生器驱动光放大器再次导通，在光放大器关闭状态这段时间内传感器反射的信号不能通过光放大器，只有在时间T1到T1+T0这段时间内传感器反射的脉冲信号才能通过光放大器，其中T0为脉冲信号宽度。如果脉冲信号发生器产生的脉冲宽度T0小于两个相邻传感器反射的信号时间间隔2TS，则在这段时间内只有一个传感器反射的信号能够通过光放大器，因此调整时间T1就可以实现使某一个传感器反射的信号通过光放大器，从而实现了传感器阵列上某一传感器的寻址。

具体实施方式二：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是在方法的步骤三中，被半导体光放大器放大后的光信号，部分被光学反射器件反射回传感器阵列，再由传感器阵列反射回来，经过半导体光放大器的放大后再被光学反射器件反射，如此反复多次直至半导体光放大器饱和；透射过光学反射器件的光信号进入波长测量模块，实现传感器波长测量。

由于传感器阵列是由多个串联在一起的传感器组成，因此每个传感器都必须是低反射率的光栅才能保证传递到远端传感器的信号不至于过分衰减。但是低反射率的传感器也使反射回波长测量模块的信号比较微弱，不利于波长信号的采集。因此本实施方式采用光学反射器件使光信号多次折返经过半导体光放大器，被半导体光放大器放大到满足波长测量模块采集的程度。

具体实施方式三：下面结合图3具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是：它的装置还包括一号耦合器9和二号耦合器10，二号耦合器10为20:80耦合器，波长测量模块3与二号耦合器10的20％分光端相连通，二号耦合器10的80％分光端与一号耦合器9的一个分光端相连通，一号耦合器9的另一个分光端与半导体光放大器1的反射信号输入端相连通，一号耦合器9的另一端与光纤环4的一端相连通，二号耦合器10的另一端与半导体光放大器1的放大信号输出端相连通。

在本实施例中，以寻址传感器G1为例，脉冲信号发生器2输出脉冲信号的周期为2T1，脉冲宽度为T0，其中T1为光脉冲从半导体光放大器到达传感器G1的时间。当半导体光放大器1被脉冲信号驱动时，发出宽度为T0的光脉冲，经一号耦合器9进入光纤环4，然后再进入光纤传感器阵列，当经过时间T1后，光脉冲到达传感器G1，传感器反射一部分光脉冲信号λ1，被反射的信号λ1向半导体光放大器1传播，再经过时间T1到达半导体光放大器1，此时刚好到达脉冲信号的周期2T1，半导体光放大器1在脉冲信号的驱动下再次导通，反射信号λ1通过半导体光放大器1并且信号被放大，二号耦合器10为20:80耦合器，其中波长测量模块与耦合器20％的分光端相连。经过二号耦合器10，大部分信号经过与一号耦合器9相连的光纤再次进入光纤传感器阵列，重复以上过程，被传感器G1反射的信号逐步被放大，直到信号达到半导体光放大器1的饱和输出；另一部分进入波长测量模块，实现了对传感器G1的波长测量。同理，把脉冲信号发生器的周期T依次调到2T2，2T3，....2TN，就能实现对传感器G2、G3....GN的测量，其中T2，T3，....TN分别是光脉冲从半导体光放大器到达传感器G2、G3....GN的时间。根据时分复用原理，可以对传感阵列的每个传感器进行波长测量。

具体实施方式四：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是：本实施方式的装置还包括光学反射器件5和耦合器6，耦合器6为20:80的耦合器，耦合器6的一端连通半导体光放大器1的放大信号输出端，耦合器6的20％分光端连通波长测量模块3的输入端，耦合器6的80％分光端连通光学反射器件5。光学反射器件5可以选用啁啾光栅。

在本实施例中，光学反射器件5通过耦合器6与半导体光放大器1相连，用2T1的脉冲信号驱动半导体光放大器1，经过光栅G1反射的信号在2T1时刻到达半导体光放大器，在脉冲信号发生器2的驱动下，半导体光放大器1再次导通，反射信号λ1通过半导体光放大器并且信号被放大，经过20:80的耦合器6，大部分信号进入啁啾光栅，经过啁啾光栅反射后信号进入半导体光放大器，再次经过光纤环4进入传感器阵列，重复以上过程。所以被光栅G1反射的信号逐步被放大，直到达到半导体光放大器的饱和输出，波长测量模块3通过耦合器6能测到具有稳定输出的光栅G1反射的信号。其中啁啾光栅到半导体光放大器之间光纤距离为0.5米，光信号从半导体光放大器到啁啾光栅往返时间小于5ns，脉冲信号的宽度T0为10ns，在半导体光放大器导通的状态下经过啁啾光栅反射的信号能再次通过半导体光放大器。

具体实施方式五：下面结合图4具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是它的装置还包括：三号耦合器11和四号耦合器8，四号耦合器8为自身的两分光端相连所构成的反射镜，三号耦合器11为20:80的耦合器，三号耦合器11的一端连通半导体光放大器1的放大信号输出端，三号耦合器11的20％分光端连通波长测量模块3的输入端，三号耦合器11的80％分光端连通四号耦合器8的另一端。在本实施例中，四号耦合器8到半导体光放大器的距离加上耦合器8两个分光端相连的光纤长度小于0.5米，在半导体光放大器导通的状态下，经过由耦合器8构成的反射镜反射的信号能再次通过半导体光放大器。

Claims (3)

1.一种时分复用的光纤传感装置，它包括：半导体光放大器(1)、脉冲信号发生器(2)、波长测量模块(3)、光纤环(4)和多个传感器，所述多个传感器通过一根光纤串联在一起，位于始端的传感器(G1)连通在光纤环(4)的一端上，光纤环(4)的另一端连通在半导体光放大器(1)的反射信号输入端上，半导体光放大器(1)的放大信号输出端连通在波长测量模块(3)的输入端上，半导体光放大器(1)的受控端连接在脉冲信号发生器(2)的输出端上，所述多个传感器是低反射率的光纤光栅传感器且中心波长相同，其特征在于它还包括一号耦合器(9)和二号耦合器(10)，二号耦合器(10)为20:80耦合器，波长测量模块(3)与二号耦合器(10)的20％分光端相连通，二号耦合器(10)的80％分光端与一号耦合器(9)的一个分光端相连通，一号耦合器(9)的另一个分光端与半导体光放大器(1)的反射信号输入端相连通，一号耦合器(9)的另一端与光纤环(4)的一端相连通，二号耦合器(10)的另一端与半导体光放大器(1)的放大信号输出端相连通。

2.一种时分复用的光纤传感装置，它包括：半导体光放大器(1)、脉冲信号发生器(2)、波长测量模块(3)、光纤环(4)和多个传感器，所述多个传感器通过一根光纤串联在一起，位于始端的传感器(G1)连通在光纤环(4)的一端上，光纤环(4)的另一端连通在半导体光放大器(1)的反射信号输入端上，半导体光放大器(1)的放大信号输出端连通在波长测量模块(3)的输入端上，半导体光放大器(1)的受控端连接在脉冲信号发生器(2)的输出端上，所述多个传感器是低反射率的光纤光栅传感器且中心波长相同，其特征在于它还包括光学反射器件(5)和耦合器(6)，耦合器(6)为20:80的耦合器，耦合器(6)的一端连通半导体光放大器(1)的放大信号输出端，耦合器(6)的20％分光端连通波长测量模块(3)的输入端，耦合器(6)的80％分光端连通光学反射器件(5)。

3.一种时分复用的光纤传感装置，它包括：半导体光放大器(1)、脉冲信号发生器(2)、波长测量模块(3)、光纤环(4)和多个传感器，所述多个传感器通过一根光纤串联在一起，位于始端的传感器(G1)连通在光纤环(4)的一端上，光纤环(4)的另一端连通在半导体光放大器(1)的反射信号输入端上，半导体光放大器(1)的放大信号输出端连通在波长测量模块(3)的输入端上，半导体光放大器(1)的受控端连接在脉冲信号发生器(2)的输出端上，所述多个传感器是低反射率的光纤光栅传感器且中心波长相同，其特征在于它还包括：三号耦合器(11)和四号耦合器(8)，四号耦合器(8)为自身的两分光端相连所构成的反射镜，三号耦合器(11)为20:80的耦合器，三号耦合器(11)的一端连通半导体光放大器(1)的放大信号输出端，三号耦合器(11)的20％分光端连通波长测量模块(3)的输入端，三号耦合器(11)的80％分光端连通四号耦合器(8)的另一端。

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