CN102494703A

CN102494703A - 光纤衰荡环时分复用传感系统

Info

Publication number: CN102494703A
Application number: CN2011103852476A
Authority: CN
Inventors: 范典
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2011-11-29
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2012-06-13

Abstract

一种光纤衰荡环时分复用传感系统。该系统包括多个光纤衰荡环、光源、光源驱动模块、脉冲发生器、信号采集与处理器、光电转换器和温度控制模块；其中光纤衰荡环包括输入耦合器、输出耦合器和传感探头；其光源驱动模块接收脉冲发生器的脉冲信号控制光源输出光脉冲，该脉冲光分别进入各个光纤衰荡环变成衰荡脉冲信号，然后依时间先后顺序返回到光电转换器，信号采集与处理器一边连接脉冲发生器获得同步信号，另一边连接光电转换器，对其输出的电信号进行处理和储存，温度控制模块控制光源的工作温度同时将工作温度反馈给信号采集与处理器。本系统可实现恶劣环境中的，多点多参量实时测量。

Description

光纤衰荡环时分复用传感系统

技术领域

本发明涉及一种光纤衰荡环时分复用传感系统。

背景技术

光纤衰荡光谱法是在腔衰荡光谱法的基础上衍生出来的一种光纤传感技术(G.Berden，R.Peeters and G.Meijer，Cavity ring-down spectroscopy：Experimental schemes and applications，Int.Reviews in PHYSICALCHEMISTRY，2000，Vol.19，No.4，565-607)。腔衰荡光谱是一种灵敏的吸收光谱技术，因为它测量的是光学腔中光脉冲的吸收比例，而不是吸收大小。气体样本放入由两个高反射镜组成的高精密光学腔中。将窄脉冲光耦合如腔中，光会在腔体中来回反射，每次反射中都有一小部分漏出腔体。不是测量腔体中光的总强度，而是测量腔体漏出光的衰减时间，样本吸收越多，测量到的衰减时间越短。这种方法有如下优势：吸收是由信号的时间特性决定的，而和激光脉冲间的强度波动无关；有效吸收路径长度由腔体镜的反射率决定，可以达到几公里的长度，因此样本量可以非常小；和其他吸收技术特别是那些调制方法比较，CRDS是对吸收的绝对测量；另一个优势是CRD的实验结构相对简单。

腔衰荡光谱技术实用化中的最大问题来自于对光学腔的技术要求极高，需要保持其极低的固有损耗并匹配腔的谐振，对腔制作过程中的镀膜和抛光精密度要求高而且价格贵。其次，光学腔对应用环境十分敏感，无法在恶劣环境下应用，也无法开发分布式的远程检测系统。因此，光纤衰荡光谱法应运而生，它用光纤环和气体吸收室的结构取代光学腔。它继承了腔衰荡光谱技术测量衰减速度而不是光强度的优点，同时克服其光学腔技术要求高，价格贵的问题。

发明内容

要解决的技术问题：基于光纤衰荡光谱技术发明一种新型的时分复用光纤传感系统，能应用于恶劣环境中，并可多点复用测量不同的参量，包括：温度、应变、压力、和气体浓度等。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种光纤衰荡环时分复用传感系统，它包含N个光纤衰荡环、一个光源、一个光源驱动模块、一个脉冲发生器、一个信号采集与处理器、一个光电转换器和一个温度控制模块；其中每个光纤衰荡环都包括一个输入耦合器、一个输出耦合器和一个传感探头；其光源驱动模块接收脉冲发生器的脉冲信号控制光源输出光脉冲，该脉冲光分别进入N个光纤衰荡环的各个光纤衰荡环变成衰荡脉冲信号，然后依时间先后顺序返回到光电转换器，其信号采集与处理器一边连接脉冲发生器获得同步信号，另一边连接光电转换器，对其输出的电信号进行处理和储存，温度控制模块控制光源的工作温度同时将工作温度反馈给信号采集与处理器，其中N≥3的自然数。

其中光源产生的脉冲光通过输入耦合器一，一部分光进入光纤衰荡环一，另一部分光传输到输入耦合器二，进入光纤衰荡环一的光先经过传感探头一，然后通过输出耦合器一，一部分光返回到输入耦合器一，另一部分光输出到光电转换器；通过输入耦合器二的光，一部分光进入光纤衰荡环二，另一部分光传输到下一个光纤衰荡环，进入光纤衰荡环二的光先经过传感探头二，然后通过输出耦合器二，一部分光返回到输入耦合器二，另一部分光输出到光电转换器；以此类推，通过输入耦合器N的光，一部分光进入光纤衰荡环N，先经过传感探头N，然后通过输出耦合器N，一部分光返回到输入耦合器N，一部分光输出到光电转换器。

所有光纤衰荡环通过并联的形式形成分布式的传感系统，当脉冲光进过分光比为99∶1的输入耦合器一时，只有约1％的能量通过分流端进入光纤衰荡环一，而大部分光会通过信号端传输，为后面的光纤衰荡环二和光纤衰荡环三提供传感的光源。在光纤衰荡环内部循环的脉冲光每次进过传感探头时，能量或其分布都会因为被测量的变化而改变，从而形成一系列衰减速度不同的衰荡信号。所有光纤衰荡环产生的衰荡信号通过输出耦合器返回光电检测模块，由于光在光纤中传输时会产生时延，所以不同光纤衰荡环产生的衰荡信号的返回时间不一样，在时域上可以分开。这种结构可以实现时分复用的光纤传感系统。

本发明的有益效果是，利用光纤衰荡环的结构特性组成时分复用的传感系统，由于测量的结果只和衰荡信号的衰减速度相关，不受光源输出强度波动或传输衰减的影响。由于光纤传感技术的引入，光纤传感头可设计为无源器件，如：光纤布喇格光栅、光纤微弯传感器、气体吸收气室等，设置在远离检测系统的恶劣环境中工作；而且测量参量也从腔衰荡光谱技术只能测量气体吸收，扩展为可测量温度、应变、压力等。时分复用的光纤传感系统实现多点测量，可降低单点测量的成本。

附图说明

图1是光纤衰荡环时分复用传感系统结构图

图中：1-光纤衰荡环一，2-光纤衰荡环二，n-光纤衰荡环N，4-光源，5-光源驱动模块，6-脉冲发生器，7-信号采集与处理器，8-光电转换器，9-温度控制器，11-输入耦合器一，12-输出耦合器一，13-传感探头一，21-输入耦合器二，22-输出耦合器二，23-传感探头二，n1-输入耦合器N，n2-输出耦合器N，n3-传感探头N。

具体实施方式

本发明的光纤衰荡环时分复用传感系统，如图1所示，包括光纤衰荡环一1、光纤衰荡环二2、……光纤衰荡环N n(其中N≥3的自然数)、光源4、光源驱动模块5、脉冲发生器6、信号采集与处理器7、光电转换器8和温度控制模块9；其中光纤衰荡环一1包括输入耦合器一11、输出耦合器一12和传感探头一13，光纤衰荡环二2包括输入耦合器二21、输出耦合器二22和传感探头二23，光纤衰荡环Nn包括输入耦合器N n1、输出耦合器N n2和传感探头N n3；其光源驱动模块5接收脉冲发生器6的脉冲信号控制光源4输出光脉冲，该脉冲光分别进入光纤衰荡环一1、光纤衰荡环二2、光纤衰荡环N n变成衰荡脉冲信号，然后依时间先后顺序返回到光电转换器8，信号采集与处理器7一边连接脉冲发生器6获得同步信号，另一边连接光电转换器8，对其输出的电信号进行处理和储存，温度控制模块9控制光源的工作温度同时将工作温度反馈给信号采集与处理器7。

光源4产生的脉冲光通过输入耦合器一11，一部分光进入光纤衰荡环一1，另一部分光传输到输入耦合器二21，进入光纤衰荡环一1的光先经过传感探头一13，然后通过输出耦合器一12，一部分光返回到输入耦合器一11，另一部分光输出到光电转换器8；通过输入耦合器二21的光，一部分光进入光纤衰荡环二2，另一部分光传输到下一个光纤衰荡环，进入光纤衰荡环二2的光先经过传感探头二23，然后通过输出耦合器二22，一部分光返回到输入耦合器二21，另一部分光输出到光电转换器8；以此类推，通过输入耦合器N n1的光，一部分光进入光纤衰荡环N n，先经过传感探头N n3，然后通过输出耦合器N n2，一部分光返回到输入耦合器N n1，一部分光输出到光电转换器8。以此类推。

光源4是分布式反馈激光器模块驱动模块，脉冲调制速度可以达到2.488Gbits/s。光源驱动模块5是MAXIM公司提供的以MAX3736芯片为核心的控制电路，其调制速度可以达到3.2Gbps。光电转换器8是Menlo Systems公司的FPD310，响应频率1MHz～1.8GHz。输入耦合器一11、输入耦合器二21、输入耦合器N n1、输出耦合器一12、输出耦合器二22、输出耦合器N n2为分光比99∶1的光纤耦合器。传感探头一13、传感探头二23、传感探头N n3是光纤布喇格光栅传感器，或光纤微弯传感器，或气体吸收传感器。

Claims

1.一种光纤衰荡环时分复用传感系统，其特征是：它包含N个光纤衰荡环、一个光源(4)、一个光源驱动模块(5)、脉冲发生器(6)、信号采集与处理器(7)、光电转换器(8)和温度控制模块(9)；其中每个光纤衰荡环都包括一个输入耦合器、一个输出耦合器和一个传感探头；其光源驱动模块(5)接收脉冲发生器(6)的脉冲信号控制光源(4)输出光脉冲，该脉冲光分别进入N个光纤衰荡环的各个光纤衰荡环变成衰荡脉冲信号，然后依时间先后顺序返回到光电转换器(8)，其信号采集与处理器(7)一边连接脉冲发生器(6)获得同步信号，另一边连接光电转换器(8)，对其输出的电信号进行处理和储存，温度控制模块(9)控制光源的工作温度同时将工作温度反馈给信号采集与处理器(7)，其中N≥3的自然数。

2.根据权利要求1所述的光纤衰荡环时分复用传感系统，其特征是：光源(4)产生的脉冲光通过输入耦合器一(11)，一部分光进入光纤衰荡环一(1)，另一部分光传输到输入耦合器二(21)，进入光纤衰荡环一(1)的光先经过传感探头一(13)，然后通过输出耦合器一(12)，一部分光返回到输入耦合器一(11)，另一部分光输出到光电转换器(8)；通过输入耦合器二(21)的光，一部分光进入光纤衰荡环二(2)，另一部分光传输到下一个光纤衰荡环，进入光纤衰荡环二(2)的光先经过传感探头二(23)，然后通过输出耦合器二(22)，一部分光返回到输入耦合器二(21)，另一部分光输出到光电转换器(8)；以此类推，通过输入耦合器N(n1)的光，一部分光进入光纤衰荡环N(n)，先经过传感探头N(n3)，然后通过输出耦合器N(n2)，一部分光返回到输入耦合器N(n1)，一部分光输出到光电转换器(8)。

3.根据权利要求1中所述的光纤衰荡环时分复用传感系统，其特征是：光源(4)是分布式反馈激光器模块驱动模块，脉冲调制速度可以达到2.488Gbits/s。

4.根据权利要求1中所述的光纤衰荡环时分复用传感系统，其特征是：光源驱动模块(5)是以MAX3736芯片为核心的控制电路，其调制速度达到3.2Gbps。

5.根据权利要求1中所述的光纤衰荡环时分复用传感系统，其特征是：光电转换器(8)是FPD310，响应频率1MHz～1.8GHz。

6.根据权利要求1中所述的光纤衰荡环时分复用传感系统，其特征是：输入耦合器一(11)、输入耦合器二(21)、输入耦合器N(n1)、输出耦合器一(12)、输出耦合器二(22)和输出耦合器N(n2)均为分光比99∶1的光纤耦合器。

7.根据权利要求1中所述的光纤衰荡环时分复用传感系统，其特征是：传感探头一(13)、传感探头二(23)和传感探头N(n3)是光纤布喇格光栅传感器，或光纤微弯传感器，或气体吸收传感器。