CN103090813B - 一种基于ofdr系统测量保偏光纤拍长及应变的高分辨率传感系统 - Google Patents

一种基于ofdr系统测量保偏光纤拍长及应变的高分辨率传感系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于OFDR系统测量保偏光纤拍长及应变的高分辨率传感系统，其特征在于：包括线性扫频窄线宽光源、起偏器、干涉系统、光电探测器、光外差接收机和信号处理系统，所述线性扫频窄线宽光源产生的光通过起偏器转换为线偏振光后注入干涉系统，干涉系统通过光电探测器与光外差接收机连接，信号处理系统与光外差接收机连接。本系统结构简单、全光纤化，激光器线性扫频可控，通过光频域探测，不仅避免了时域探测中空间分辨率受光脉冲宽度与数据采样率的限制，获得高空间分辨率，而且通过光外差探测还可提高系统的灵敏度和动态范围。

Description

一种基于OFDR系统测量保偏光纤拍长及应变的高分辨率传感系统
技术领域
本发明属于分布式光纤传感器技术领域，特别涉及一种利用OFDR系统测量保偏光纤拍长以及应力或应变的传感系统。
背景技术
随着通信系统传输速率的提高和光纤陀螺、光纤水听器等高级光纤传感器件的发展，在以光学相干检测为基础的干涉型光纤传感器中，控制偏振态方向不变，提高相干信躁比，以实现对物理量的高精度测量变得十分迫切。光纤的应力测量通常采用四分之一波片法，这种方法已经普遍地用于普通光学玻璃和晶体的应力测量。但是目前分布式光纤传感器使用的普通光纤易受弯曲、压力、扭转、电磁场、温度等外界因素产生的双折射的扰动，这些外界扰动的不确定性导致了光纤输出偏振态随时间和空间变化的不稳定，所以要在光纤中利用偏振态或相位的性能是十分困难的。
发明内容
针对上述现有的技术和存在的问题，本发明提供一种高分辨率测量保偏光纤拍长和应力或应变的OFDR的传感系统。能够精确的控制偏振态，获得稳定的偏振模式，使光纤对外界因素干扰的影响显著变小，实现对应力或应变的高分辨率精确测量。
本发明所采用的技术方案如下:
一种基于OFDR系统测量保偏光纤拍长及应变的高分辨率传感系统，其特征在于：包括线性扫频窄线宽光源、起偏器、干涉系统、光电探测器、光外差接收机和信号处理系统，所述线性扫频窄线宽光源产生的光通过起偏器转换为线偏振光后注入干涉系统，干涉系统通过光电探测器与光外差接收机连接，信号处理系统与光外差接收机连接。
进一步地，所述干涉系统为迈克尔逊干涉系统，所述迈克尔逊干涉系统由保偏光纤耦合器、保偏光纤、反射镜构成，保偏光纤耦合器1端口连接光源输入端，2端口连接应变测试所用保偏光纤，3端口连接一段保偏光纤作为参考臂，并在参考臂末端连接反射镜，4端口通过光纤与光电探测器相连。
进一步地，所述干涉系统为MZ干涉系统，所述MZ干涉系统由第一保偏光纤耦合器、第二保偏光纤耦合器、环行器和保偏光纤构成，环行器的1，2，3端口分别与第一耦合器的2端口、测试保偏光纤、第二耦合器的2端口相连接，第一保偏光纤耦合器与第二保偏光纤耦合器的连接部构成参考臂，第二保偏光纤耦合器与光电探测器相连。
进一步地，第二保偏光纤耦合器的3或4端口与光电探测器相连，构成单端非平衡探测方式。
进一步地，第二保偏光纤耦合器的3和4端口与光电探测器相连，构成双路平衡探测方式。
进一步地，所述线性扫频窄线宽光源的扫频范围和重复频率可根据测量距离以及空间分辨率进行调节，可用光纤激光器，也可采用半导体激光器。
进一步地，所述保偏光纤为熊猫型、领结型或椭圆型。
所述保偏光纤为常见的工作波段在1550nm的保偏光纤。
当测试保偏光纤上某一点受到应力或应变时，将使该位置的拍长发生变化，其变化量与受到的应力或应变成比例。同时在该位置处所产生的瑞利后向散射信号将传播到保偏光纤耦合器与参考臂返回的光信号发生混频干涉，输出拍频信号。拍频信号频率大小反映了所受应力或应变的位置，而拍频幅值大小则该点处光功率的大小。通过检测某一偏振态光功率变化的周期即可得到此时的拍长，最后通过拍长与变化信号的映射模型得到相应的应变大小。
本发明采用OFDR传感系统用于保偏光纤拍长以及应变的测量中，能够实现对拍长以及应力或应变的高空间分辨率，高灵敏度及大动态范围的测量。同时也能实现快速的信号处理与解调。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.设计适当的窄线宽线性扫频光源的扫频速率，重复频率，光功率以及接收机带宽，利用光外差探测能实现对应变位置的高精度测量。
2.将通过拍长测量应力大小的方法和OFDR高分辨率精确测量应力或应变位置的系统相结合，实现了对保偏光纤拍长与光接受机探测光功率的相互映射，能够准确的计算拍长的大小。
3.系统结构简单、全光纤化，激光器线性调频可控，通过光频域探测，不仅避免了时域探测中空间分辨率受光脉冲宽度与数据采样率的限制，获得高空间分辨率，而且通过光外差探测还可提高系统的灵敏度和动态范围。
附图说明
图1是本发明对一种基于OFDR系统以及迈克耳逊干涉结构测量保偏光纤拍长及应力或应变的高分辨率传感系统示意图；
图2是一种基于OFDR系统以及MZ干涉结构(单端探测)测量保偏光纤拍长及应力或应变的高分辨率传感系统示意图；
图3是一种基于OFDR系统以及MZ干涉结构(平衡探测)测量保偏光纤拍长及应力或应变的高分辨率传感系统示意图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种基于OFDR系统测量保偏光纤拍长及应变的高分辨率传感系统，其特征在于：包括线性扫频窄线宽光源、起偏器、干涉系统、光电探测器、光外差接收机和信号处理系统，所述线性扫频窄线宽光源产生的光通过起偏器转换为线偏振光后注入干涉系统，干涉系统通过光电探测器与光外差接收机连接，信号处理系统与光外差接收机连接。
进一步地，所述干涉系统为迈克尔逊干涉系统，所述迈克尔逊干涉系统由保偏光纤耦合器、保偏光纤、反射镜构成，保偏光纤耦合器1端口连接光源输入端，2端口连接应变测试所用保偏光纤，3端口连接一段保偏光纤作为参考臂，并在参考臂末端连接反射镜，4端口通过光纤与光电探测器相连。
进一步地，所述干涉系统为MZ干涉系统，所述MZ干涉系统由第一保偏光纤耦合器、第二保偏光纤耦合器、环行器和保偏光纤构成，环行器的1，2，3端口分别与第一耦合器的2端口、测试保偏光纤、第二耦合器的2端口相连接，第一保偏光纤耦合器与第二保偏光纤耦合器的连接部构成参考臂，第二保偏光纤耦合器与光电探测器相连。当第二保偏光纤耦合器的3或4端口与光电探测器相连，构成单端非平衡探测方式。当第二保偏光纤耦合器的3和4端口与光电探测器相连，构成双路平衡探测方式。
所述线性扫频窄线宽光源的扫频范围和重复频率可根据测量距离以及空间分辨率进行调节，可用光纤激光器，也可采用半导体激光器。所述保偏光纤为熊猫型、领结型或椭圆型。
实施例1
如图1所示，为基于OFDR系统以及迈克耳逊干涉结构测量保偏光纤拍长及应力或应变的高分辨率传感系统示意图，线性扫频窄线宽光源工作波长为1550nm，扫频范围和重复频率可根据测量距离以及空间分辨率进行调节。线性扫频窄线宽光源产生的光，通过光纤起偏器转换为线偏振光，并注入到保偏光纤耦合器中；光纤耦合器其中一个输出端连接应变测试所用保偏光纤，另一端连接一段保偏光纤作为参考臂，并在参考臂末端连接反射镜。
实施例2
如图2所示，为一种基于OFDR系统以及MZ干涉结构采用单端探测测量保偏光纤拍长及应力或应变的高分辨率传感系统示意图。将与第一保偏光纤耦合器连接的作为参考臂的一段保偏光纤与环行器输出端通过第二保偏光纤耦合器连接产生干涉，通过一路探测器探测干涉信号。
实施例3
图3所示则为双路平衡探测结构示意图。当测试保偏光纤上某一点受到应变时，将使该位置的拍长发生变化，其变化量与受到的应变成比例。同时在该位置处所产生的瑞利后向散射信号将传播到保偏光纤耦合器与参考臂返回的光信号发生混频干涉，输出拍频信号,拍频信号频率大小反映了所受应力或应变的位置，而拍频幅值大小则该点处光功率的大小。通过检测某一偏振态光功率变化的周期即可得到此时的拍长，最后通过拍长与变化信号的映射模型得到相应的应力或应变大小。

Claims (2)

1.一种基于OFDR系统测量保偏光纤拍长及应变的高分辨率传感系统，其特征在于：包括线性扫频窄线宽光源、起偏器、干涉系统、光电探测器、光外差接收机和信号处理系统，所述线性扫频窄线宽光源产生的光通过起偏器转换为线偏振光后注入干涉系统，干涉系统通过光电探测器与光外差接收机连接，信号处理系统与光外差接收机连接；所述干涉系统为MZ干涉系统，所述MZ干涉系统由第一保偏光纤耦合器、第二保偏光纤耦合器、环行器和保偏光纤构成，环行器的1，2，3端口分别与第一保偏光纤耦合器的2端口、测试保偏光纤、第二保偏光纤耦合器的2端口相连接，第一保偏光纤耦合器与第二保偏光纤耦合器的连接部构成参考臂，第二保偏光纤耦合器与光电探测器相连；第二保偏光纤耦合器的3或4端口与光电探测器相连，构成单端非平衡探测方式，或第二保偏光纤耦合器的3和4端口与光电探测器相连，构成双路平衡探测方式；所述线性扫频窄线宽光源的扫频范围和重复频率可根据测量距离以及空间分辨率进行调节，可用光纤激光器，也可采用半导体激光器；所述保偏光纤为熊猫型、领结型或椭圆型。
2.根据权利要求1所述的一种基于OFDR系统测量保偏光纤拍长及应变的高分辨率传感系统，其特征在于：所述干涉系统为迈克尔逊干涉系统，所述迈克尔逊干涉系统由保偏光纤耦合器、保偏光纤、反射镜构成，保偏光纤耦合器1端口连接所述线性扫频窄线宽光源输入端，2端口连接应变测试所用保偏光纤，3端口连接一段保偏光纤作为参考臂，并在参考臂末端连接反射镜，4端口通过光纤与光电探测器相连。
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