CN103175555A - 一种基于多机理融合的多参量分布式光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多机理融合的多参量分布式光纤传感器，由参数可控光源、可调光信号处理系统、可重配置光电信号处理系统三部分组成；其中可调光信号处理系统的一端由光纤并联连接参数可控光源和可重配置光电信号处理系统，另一端设有可与待检测的多机理多结构的传感光纤相连接的接口。本发明实现了对多机理多结构的传感光纤的传感检测，可根据实际需求产生和调节用于传感检测的多机理光信号，操作简单，应用广泛。

Description

一种基于多机理融合的多参量分布式光纤传感器

技术领域

本发明属于光电信号处理领域，尤其涉及一种基于多机理融合的多参量分布式光纤传感器。

背景技术

分布式光纤传感器（DOFS）以其可对被测量场的连续空间进行传感而成为传感领域中引人注目的一项技术，充分利用了光纤的传和感的能力，沿光纤可同时得到被测量场在时间和空间上的分布信息，具有普通电传感器所无法替代的独特应用前景。不同机理分布式光纤传感主要包括瑞利（Rayleigh）散射DOFS、光纤干涉仪DOFS、光纤的偏振模式耦合DOFS、拉曼（Raman）散射DOFS和布里渊（Brillouin）散射DOFS等。

目前针对单一机理的分布式光纤传感器的研究相对深入：

公开号为CN 101324424A的专利申请文件公开了一种新型光纤布里渊光时域分析器，其利用光纤宽带非线性光放大效应和相关方法的布里渊散射光的应变、温度效应和光时域分析器。包括窄带单频光纤激光器，光纤分路器，脉冲调制器，两个光纤环形器，外差接收器数字信号处理器，光纤光栅滤波器，单模光纤和连续运行的光纤拉曼泵浦激光器。

授权公告号为CN 1232846C的中国专利公布了一种基于微弯传输波导的马赫-曾德干涉型传感装置，该传感装置输入光波导的一端与激光光源连接，其另一端与第一耦合器的一端连接后，分别接弯折的传感光波导臂和弯折的参考光波导臂的一端，再经第二耦合器接输出光波导，传感光波导臂的外侧装有传感样品池，参考光波导臂的外侧装有标准样品池。

申请公布号为CN 102818657 A的专利申请文件公开了一种基于EDFA放大技术的远程分布式拉曼温度传感器，其特征在于至少设有两条传感光纤，相邻的两条传感光纤之间设有两个环形器和放大器，其中上一级传感光纤中的信号依次经过第一环形器、EDFA放大器、第二环形器后进入下一级传感光纤，下一级传感光纤中的背向反射信号依次经第二环形器、第一环形器后返回上一级传感光纤并经波分复用器送入数据采集器。

但以上现有技术受各自技术特点的制约，难以实现分布式光纤传感器的理想应用目标：对静态和动态多参量进行大范围的实时在线监测，特别是对于建筑结构、输电/通信线缆、输油/气管道、桥梁、水库水坝、军事场地等的监测，单一的应变或温度等检测难以达到行业应用规范的多参量检测需要。例如要同时对静态、动态和大幅度应变等进行传感，这是单一传感机理的分布式光纤传感器难以达到的。

发明内容

本发明针对目前对多机理融合的分布式光纤传感器研究较少，而单机理分布式光纤传感器难以实现对多机理多结构的传感光纤理想应用的技术问题，提出了一种基于多机理融合的多参量分布式光纤传感器。

一种基于多机理融合的多参量分布式光纤传感器，包括参数可控光源、可调光信号处理系统和可重配置光电信号处理系统；其中可调光信号处理系统的一端由光纤并联连接参数可控光源和可重配置光电信号处理系统，另一端设有与待检测的多机理多结构的传感光纤相连接的接口；

由参数可控光源产生多机理的光信号，所述多机理的光信号经光纤进入可调光信号处理系统完成光路控制后，经过待检测的多机理多结构的传感光纤，重返可调光信号处理系统，并在实现解复用和直接光功率检测、光相干检后进入可重配置光电信号处理系统进行分析检测，得出待检测的多机理多结构的传感光纤的传感结果；

所述的参数可控光源由波长可移窄带光源、电光相位调制器、声光调制器、马赫-曾德电光调制器、可调滤波器、高速光偏振控制器、电子控制系统组成；由电子控制系统通过双向控制信号对依次串联的波长可移窄带光源、电光相位调制器、声光调制器、马赫-曾德电光调制器、可调滤波器、高速光偏振控制器进行参数选择控制，从而得到多机理光信号；

所述的可调光信号处理系统包括光路控制模块、直接光功率检测器或光相干检测器，由光路控制模块对所述多机理光信号进行光路控制，由直接光功率检测器或光相干检测器对所述多机理光信号进行检测；

所述的可重配置光电信号处理系统由光电检测器、电子放大器、滤波器、高速AD转换器和基于FPGA的DSP处理模块组成，用来分析检测接收到光信号，并得出最后的传感结果。

所述的参数可控光源由波长可移窄带光源作为单独的中心波长可以控制原始光源，发出原始光信号；电光相位调制器接收到所述原始光信号后对所述原始光信号的相位进行调制，可作为干涉仪分布式光纤传感器的预调制、编码分布式光纤传感器的相位移动；声光调制器对经相位调制后的光信号完成光频率移动和幅度调制，使经声光调制器调制后的光信号构成一定的结构可产生多种光频率变化，可用于布里渊分布式光纤传感器的光频移；马赫-曾德电光调制器对声光调制后的光信号进行电光调制，调制光信号的幅度，产生光脉冲，产生π相移；高速光偏振控制器对经马赫-曾德电光调制器幅度调制的光信号进行偏振态控制，可用于一般分布式光纤传感器常用的偏振扰偏，也可用于特殊的偏振控制和跟踪。

所述的光路控制模块由光放大模块、光功率分配模块、波分复用与解复用模块构成，其中由光放大模块对所述的多机理光信号进行光路放大；光功率分配模块对不同机理光信号的光功率进行分配；波分复用与解复用模块对不同机理光信号的光路进行波分控制，波分复用是把几路信号光合在一起，或信号光和辅助光一起输入光纤，如进行拉曼放大；波分解复用是把频谱传感信号光分开，如布里渊散射光和拉曼散射光分开接收、斯托克斯光和反斯托克斯光分开；信号光和辅助光分开，如拉曼放大。

所述的可重配置光电信号处理系统由光电检测器对接收到的光检测信号进行光电转换；电子放大器对所述光电转换后得到的微弱电信号进行增强；滤波器对所述增强了的电信号进行滤波，得到模拟信号；高速AD转换器将所述模拟信号转化为数字信号；基于FPGA的DSP处理模块对所述数字信号进行时域、频域、相关域分析和编解码。

所述的参数可控光源的控制参数为波长、幅度、频率、偏振或相位。

本发明技术方案的有益效果为：通过参数可控光源产生可用于检测多机理多结构传感光纤的多机理光信号，通过可调光信号处理系统对参数可控光源产生的多机理光信号进行光放大、光功率分配、波分复用、波分解复用等光路控制，多机理光信号对多机理多结构的传感光纤进行传感测量后反射回可调光信号处理系统，由其对反射回的光信号进行直接光功率检测或光相干检测，并由可重配置光信号处理系统对该光信号完成分析与检测，最后得出传感结果。本发明实现了对多机理多结构的传感光纤的传感检测，可根据实际需求产生和调节用于传感检测的多机理光信号，操作简单，应用广泛。

附图说明

图1为本发明基于多机理融合的多参量分布式光纤传感器结构框图。

图2为本发明中参数可控光源的构成原理框图。

图3为本发明中可重配置光电信号处理系统的构成原理框图。

具体实施方式

一种基于多机理融合的多参量分布式光纤传感器，其结构框图如图1所示，可调光信号处理系统2的一端通过光纤5并联连接参数可控光源1和可重配置光电信号处理系统3，另一端连接到待检测的多机理多结构传感光纤4。

其中，参数可控光源1构成原理框图如图2所示，参数可控光源1由波长可移窄带光源6、电光相位调制器7、声光调制器8、马赫-曾德电光调制器9、可调滤波器10、高速光偏振控制器11和电子控制系统12组成。

其中由电子控制系统12通过双向控制信号对其余组成部分进行参数选择控制；波长可移窄带光源6作为单独的中心波长可以控制原始光源，发出原始光信号；电光相位调制器7接收到所述原始光信号后对所述原始光信号的相位进行调制；声光调制器8对经相位调制后的光信号完成光频率移动和幅度调制，使经声光调制器8调制后的光信号构成一定的结构可产生多种光频率变化；马赫-曾德电光调制器9对声光调制后的光信号进行电光调制，调制光信号的幅度，产生光脉冲，产生π相移；高速光偏振控制器11对经马赫-曾德电光调制器9幅度调制的光信号进行偏振态控制后产生多机理的光信号，进入接下来的传输过程。

可重配置光电信号处理系统3构成结构图如图3所示，由光电检测13、电子放大器14、滤波器15、高速AD转换16、基于FPGA的DSP处理模块17组成。

光信号进入可重配置光电信号处理系统3后由光电检测器13对接收到的光信号进行光电转换；电子放大器14对所述光电转换后得到的微弱电信号进行增强；滤波器15对所述增强了的电信号进行滤波，得到模拟信号；高速AD转换器16将所述模拟信号转化为数字信号；基于FPGA的DSP处理模块17对所述数字信号进行时域、频域、相关域分析和编解码。

对于如马赫-曾德光纤传感器之类的干涉型光纤传感器，由波长可移窄带光源6产生一直流光，经过电光相位调制器7进行直流光的相位调制，电子控制系统12将声光调制器8、马赫曾德电光调制器9的调制信号控制为零，将可调滤波器10调整为波长可移窄带光源6的中心波长滤波，并使用高速光偏振控制器11对光偏振态进行调整，得到马赫曾德传感的光信号，进入可调光信号处理系统2。可调光信号处理系统2中光放大模块对马赫曾德传感器光信号进行光路放大，光功率分配模块对双路光功率进行50-50分配，波分复用与解复用模块在此可处于关闭状态。所得到双路光信号进入多机理多结构传感光纤4感应外界环境的实时振动，双端检测机理的马赫曾德传感光信号通过传输光纤5的后端返回可调光信号处理系统2，在可调光信号处理系统2中进行直接光功率检测后，进入可重配置光电信号处理系统3，通过光电检测器13、电子放大器14、滤波器15、高速AD转换器16分别完成电信号的光电检测、电子放大、滤波、AD转换功能，并在基于FPGA的DSP处理模块17中实现电信号的时域互相关分析，得到马赫曾德传感的振动定位信息，并在计算机上进行显示。

对于布利渊光纤传感器，复用两组参数可控光源1的结构，由波长可移窄带光源6产生一直流光，均分两路，一路光经过电光相位调制器7进行相位调制，并使用高速光偏振控制器11对光偏振态进行调整，得到直流光的相位调制信号；另一路光经过马赫曾德尔电光调制器9和声光调制器8，再经过可调光滤波器10，得到窄带光脉冲信号，与另一路的相位调制信号同时输出进入可调光信号处理系统2。可调光信号处理系统2中，由光放大模块对相位调制信号和脉冲信号进行光路放大后输出，输入多机理多结构传感光纤4。与脉冲光传输方向相反的布利渊信号通过传输光纤5的后端返回可调光信号处理系统3，通过光电检测器13、电子放大器14、滤波器15、高速AD转换器16分别完成电信号的光电检测、电子放大、滤波、AD转换功能，并在基于FPGA的DSP处理模块17中进行时域信号的累加等运算，得到传感光纤上各点布利渊信号的强度信息，在计算机上进行显示。

Claims (5)

1.一种基于多机理融合的多参量分布式光纤传感器，其特征在于，包括参数可控光源（1）、可调光信号处理系统（2）和可重配置光电信号处理系统（3）；其中可调光信号处理系统（2）的一端由光纤（5）并联连接参数可控光源（1）和可重配置光电信号处理系统（3），另一端设有与待检测的多机理多结构的传感光纤（4）相连接的接口；

由参数可控光源（1）产生多机理的光信号，多机理的光信号经光纤（5）进入可调光信号处理系统（2）完成光路控制后，经过待检测的多机理多结构的传感光纤（4），重返可调光信号处理系统（2），并在实现解复用和直接光功率检测、光相干检后进入可重配置光电信号处理系统（3）进行分析检测，得出待检测的多机理多结构的传感光纤（4）的传感结果；

所述的参数可控光源（1）包括波长可移窄带光源（6）、电光相位调制器（7）、声光调制器（8）、马赫-曾德电光调制器（9）、可调滤波器（10）、高速光偏振控制器（11）、电子控制系统（12）；由电子控制系统（12）通过双向控制信号对依次串联的波长可移窄带光源（6）、电光相位调制器（7）、声光调制器（8）、马赫-曾德电光调制器（9）、可调滤波器（10）、高速光偏振控制器（11）进行参数选择控制，从而得到多机理光信号；

所述的可调光信号处理系统（2）包括光路控制模块、直接光功率检测器或光相干检测器，由光路控制模块对所述多机理光信号进行光路控制，由直接光功率检测器或光相干检测器对所述多机理光信号进行检测；

所述的可重配置光电信号处理系统（3）由光电检测器（13）、电子放大器（14）、滤波器（15）、高速AD转换器（16）和基于FPGA的DSP处理模块（17）组成，用于分析检测接收到光信号，并得出最后的传感结果。

2.根据权利要求1所述的基于多机理融合的多参量分布式光纤传感器，其特征在于，所述的参数可控光源（1）中：

波长可移窄带光源（6），作为单独的中心波长控制原始光源，发出原始光信号；

电光相位调制器（7），接收到所述原始光信号后对所述原始光信号的相位进行调制；

声光调制器（8），对经相位调制后的光信号完成光频率移动和幅度调制，使经声光调制器（8）调制后的光信号构成一定的结构产生多种光频率变化；

马赫-曾德电光调制器（9），对声光调制后的光信号进行电光调制，调制光信号的幅度，产生光脉冲，产生π相移；

高速光偏振控制器（11），对经马赫-曾德电光调制器（9）幅度调制的光信号进行偏振态控制后产生多机理的光信号。

3.根据权利要求1所述的基于多机理融合的多参量分布式光纤传感器，其特征在于，所述的光路控制模块包括：

光放大模块，对所述的多机理光信号进行光路放大；

光功率分配模块，对不同机理光信号的光功率进行分配；

波分复用与解复用模块，对不同机理光信号的光路进行波分控制。

4.根据权利要求1所述的基于多机理融合的多参量分布式光纤传感器，其特征在于，所述的可重配置光电信号处理系统（3）中，

由光电检测器（13），对接收到的光检测信号进行光电转换；

电子放大器（14），对所述光电转换后得到的微弱电信号进行增强；

滤波器（15），对经过电子放大器（14）增强后的电信号进行滤波，得到模拟信号；

高速AD转换器（16），将所述模拟信号转化为数字信号；

基于FPGA的DSP处理模块（17），对所述数字信号进行时域、频域、相关域分析和编解码。

5.根据权利要求1所述的基于多机理融合的多参量分布式光纤传感器，其特征在于，所述的参数可控光源（1）的控制参数为波长、幅度、频率、偏振或相位。

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