CN103308119B - 一种基于混沌激光的非接触式远程水位检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于混沌激光的非接触式远程水位检测方法是由超宽带混沌信号作为探测信号，经过长单模光纤传输，到达远程天线端转变成相应的电信号由超宽带天线发射；探测信号在液面处部分反射后由同样型号的超宽带天线接收，通过对激光器线性调制，该电信号转变成相应的光信号后再经过单模光纤传输，回到数据处理中心进行数据处理，得到水面高度信息并显示，最终实现远程水位实时监控，本方法可用于对防洪抢险工程、煤矿、高山峡谷的防汛站、海洋和海岛资源开发站等危险环境的远程水位实时监控。

Description

一种基于混沌激光的非接触式远程水位检测方法

技术领域

本发明涉及一种远程水位检测方法，具体而言是一种基于混沌信号的远程水位监测或远程实时监控方法。

技术背景

水位检测方法不仅应用于高楼大厦的高位水箱、水塔、城市地下水道管网、地下水池水井等，还广泛应用于大型水利工程、江河水库防洪、海浪和潮汐观测、工业现场水位测量、城市污水处理、农田水利监测等领域。

随着科学技术的迅猛发展，由于人们不合理地开发自然环境、发展经济导致生态平衡被严重破坏，灾害发生的频率不断上升，严重威胁着人类的生存，如何做好防洪减灾，提高检测和预防手段是前提。

现有国内外采用的水位监测的方法很多，如压差式水位传感器检测方法，浮体式水位传感器检测方法，核辐射式水位传感器检测方法，直流电极式水位传感器检测方法，超声波式水位传感器检测方法，电容式水位传感器检测方法，磁致伸缩水位传感器检测方法，光纤水位传感器检测方法等，而且，精度比较高，技术比较成熟。但是，这些水位传感器检测方法的覆盖范围只有几米到几十米。在一些恶劣和危险的环境下，如：防洪抢险工程、煤矿、高山峡谷的防汛站、海洋资源开发站和海岛等观测点，靠人工巡坝查险，且需要日夜不停地持续监测险情水位，劳动强度非常大，而且不能保障查险人员的生命安全。

远程水位监测方法，分为采用无线信道和有线信道。无线通信需要在高山上和河道旁建立信号中继站，所以投资很大，而且，一般的无线信号不稳定，容易被干扰，严重时造成信号中断，而且经常需要采用级联无线传输网络。而有线通信常采用PSTN网络，利用MODEM通信，专用MODEM价格较高，商用MODEM长期工作稳定性差（余立建.水位远程测量与数据传输技术.测试技术学报，2008,22（4）：296-300.和宋富国，李平.防汛站远程水位监测及预警系统的研究.中国集成电路.2013，（1）：86-89）。因此迫切需要一种精度高，性能好，适合长期使用的远程水位检测技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于混沌激光的非接触式远程水位检测方法，以实现非接触式的远程水位的实时监控。

为了进一步提高非接触式远程水位的检测精度和实时监控水位，本发明所采取的措施是一种基于混沌激光的非接触式远程水位检测方法，其所述方法是由超宽带混沌激光源产生超宽带混沌激光通过光纤耦合器分为探测光和参考光；探测光经第一单模光纤到光可调衰减器，控制其探测光功率大小，再由第一光电探测器转变成相应的电信号，该电信号被第一低噪声放大器放大以后由超宽带发射天线发射；同样型号的超宽带接收天线接收液面的部分反射信号，由第二低噪声放大器放大后线性调制激光器的输出，实现电信号转变成相应的光信号，该光信号由光放大器放大后，再经第二单模光纤远程传输到第二光电探测器，转变成相应电信号的探测信号在数据处理中心采集存储；参考光经第三单模光纤传输，由第三光电探测器转变成相应的电信号与探测信号在数据处理中心作互相关运算得到水位的高度信息并显示，实现非接触式的远程水位测量。

在上述技术方案的基础上，进一步地，本发明的附加技术特征如下：

所述第一单模光纤的长度小于或等于第二单模光纤的长度。

所述第三单模光纤是补偿光纤，其长度为第一单模光纤的长度和第二单模光纤的长度之和。

所述超宽带混沌激光源是产生带宽为18GHz的宽带混沌激光。

所述第一光电探测器、第一低噪声放大器、超宽带发射天线、超宽带接收天线、第二低噪声放大器、第二光电探测器、第三光电探测器、数据采集处理中心的采集带宽均大于等于18GHz。实现本发明目的的第六技术方案是第一单模光纤的长度和第二单模光纤的长度是长达100km以上。

本发明利用前期产生超宽带信号的工作（Ming-JiangZhang,Tie-GenLiu,An-BangWang,Jian-YuZheng,Li-NaMeng,Zhao-XiaZhang,andYun-CaiWang，Photonicultrawidebandsignalgeneratorusinganopticallyinjectedchaoticsemiconductorlaser，OpticsLetters,Vol.36,No.6，2011），结合光生混沌超宽带信号、光载超宽带无线电技术和雷达相关测距技术，提出了一种基于混沌激光的非接触式远程水位检测方法，利用光反馈加光注入半导体激光器实现中心频率及带宽灵活可控的毫米波段高频带、高带宽超宽带混沌信号的生成，经过长达100km的光纤远程传输到达远程天线端实现信号的收发，并通过结合超宽带微波信号收发技术及混沌自相关测距技术，传感器的精度能够达到1mm。最终实现了远程水位实时监控，可用于防洪抢险工程、煤矿、高山峡谷的防汛站、海洋和海岛资源开发站等危险环境的水位实时监控。从而将观测人员从繁忙危险的水位观测、巡坝查险工作中解放出来。

本发明装置结合了光生混沌超宽带信号技术、光载超宽带无线电技术和雷达相关测距技术，最终实现了用于远程水位实时监控的基于混沌激光的非接触式远程水位传感器。与现有其它水位传感器相比还具有以下优点：

一是基于混沌激光产生的超宽带信号具有功耗低、功率谱平坦、频带宽的优点，能够实现极高精度，且抗干扰能力强。

二是利用光反馈加光注入半导体激光器，通过对激光器和注入光、反馈光的调节，在光域实现UWB微波信号的频谱特性灵活可控，从而产生中心频率可调谐、信号频谱带宽可调节的超宽带混沌微波信号，使本水位传感器可面向不同的探测领域。

三是结合了光生混沌超宽带信号技术、光载超宽带无线电技术和相关测距技术，经过单模光纤这种普通的低损耗介质的远距离传输，最终实现对防洪抢险工程、煤矿、高山峡谷的防汛站、海洋和海岛资源开发站等危险环境的水位实时监控。

四是采用的是非接触式的雷达传感技术，能够避免传感器因为淤泥或者杂质堵塞、磨损，克服了已有的液位传感器在温度高、酸碱等腐蚀性的恶劣环境下使用寿命不长的不足，所以能够适应如煤矿或工业生产中水质较差的恶劣环境。

附图说明

图1是基于混沌激光的非接触式远程水位传感器的结构示意图。

图中：1：超宽带混沌激光源；2：光纤耦合器；3：第一单模光纤；4：光可调衰减器；5：第一光电探测器；6：第一低噪声放大器；7：超宽带发射天线；8：超宽带接收天线；9：第二低噪声放大器；10：半导体激光器；11：光放大器；12：第二单模光纤；13：第二光电探测器；14：第三光电探测器；15：第三单模光纤；16：数据采集处理中心；17：液面。

具体实施方式

为了更好的说明本发明所提供的一种基于混沌激光的非接触式远程水位检测方法的具体实施方式，下面结合附图1作出进一步的说明。

实施方式1

实施本发明所提供的一种基于混沌激光的非接触式远程水位检测方法，其具体实施方法如下：

设置一超宽带混沌激光源1，该混沌激光源1产生超宽带混沌激光通过光纤耦合器2分为探测光和参考光；其中，所述探测光经第一单模光纤3到光可调衰减器4，控制其探测光功率大小，再由第一光电探测器5转变成相应的电信号，该电信号被第一低噪声放大器6放大以后再由超宽带发射天线7发射；同样型号的超宽带接收天线8接收液面17的部分反射信号，再由第二低噪声放大器9放大后线性调制激光器10的输出，实现电信号转变成相应的光信号，该光信号由光放大器11放大后，再经第二单模光纤12远程传输到第二光电探测器13后，转变成相应电信号的探测信号在数据处理中心16采集存储；参考光经第三单模光纤15传输，由第三光电探测器14转变成相应的电信号与探测信号在数据处理中心16作互相关运算，得到水位的高度信息并显示，实现非接触式的远程水位高度测量。

在实施本发明上述的具体实施方式时，进一步地，采用第一单模光纤的长度小于或等于第二单模光纤的长度；采用第三单模光纤的长度为第一单模光纤的长度和第二单模光纤的长度之和；采用超宽带混沌激光源是产生带宽为18GHz的宽带混沌激光；采用第一光电探测器、第一低噪声放大器、超宽带发射天线、超宽带接收天线、第二低噪声放大器、第二光电探测器、第三光电探测器、数据采集处理中心的采集带宽均大于等于18GHz；实现第一单模光纤和第二单模光纤的长度是100km以上。

上述实施方式的混沌激光源1是利用光反馈加光注入半导体激光器产生的超宽带混沌源，通过适当的光源参数调节，能够产生带宽高达18GHz的功率谱平坦的超宽带信号，精度能够达到毫米量级；本方法能够产生中心频率可调谐、信号频谱带宽可调节的超宽带混沌微波信号，使本方法可面向远程测距，远程传感和实时监控等不同领域；本方法结合了光生混沌超宽带信号技术、光载超宽带无线电技术和相关测距技术，经过长达100km的单模光纤远距离传输，最终实现对防洪抢险工程、煤矿、高山峡谷的防汛站、海洋和海岛资源开发站等危险环境的水位实时监控；本发明是采用非接触式的雷达传感技术，能够避免传感器因为淤泥或者杂质堵塞、磨损，克服了已有的液位传感器在温度高、酸碱等腐蚀性的恶劣环境下使用寿命不长的不足，所以能够适应如煤矿或工业生产中水质较差的恶劣环境，或者是有毒有害的液位测量。

实施方式2

实施本发明所述的一种基于混沌激光的非接触式远程水位检测方法，首先设置中心站、传输光纤和远程天线端。其中，所述中心站是包括超宽带混沌激光源1、光纤耦合器2、第三单模光纤15、第三光电探测器14、第二光电探测器13和数据处理中心16；所述传输光纤是包括第一单模光纤3和第二单模光纤12；所述远程天线端是包括光可调衰减器4、第一光电探测器5、第一低噪声放大器6、超宽带发射天线7、超宽带接收天线8、第二低噪声放大器9、半导体激光器10和光放大器11。

首先，利用超宽带混沌激光源1产生的超宽带混沌信号作为探测信号，通过光纤耦合器2分为探测信号和参考信号；未经过任何色散补偿处理的探测信号经过第一单模光纤3传输，到达远程天线端。在远程天线端通过调节光可调衰减器4来控制光信号的强度，光信号经第一光电探测器5转变为相应的电信号，经第一低噪声放大器6放大后由超宽带天线7发射。探测信号遇到液面17后部分发生反射，反射信号由同样型号的超宽带接收天线8接收，再经过第二低噪声放大器9放大，该信号对半导体激光器10的输出波形进行线性调制，转变成相应的光信号。该光信号由光放大器11放大后经第二单模光纤12传输，回到中心站，经过第二光电探测器13后光信号转变成电信号与经过第三单模光纤15和第三光电探测器14转变为相应电信号的参考信号在数据处理中心16进行互相关计算，得到远程目标的距离信息，并显示。

其中，设置第一单模光纤3的长度小于等于第二单模光纤12的长度，第三单模光纤15为补偿光纤，其长度是第一单模光纤3和第二单模光纤12的长度之和。通过适当的光源参数调节，能够产生带宽高达18GHz的功率谱平坦的混沌激光。第一光电探测器5、第一低噪声放大器6、超宽带发射天线7、超宽带接收天线8、第二低噪声放大器9、第二光电探测器13、第三光电探测器14的带宽大于等于18GHz，并且，数据采集处理中心16的采集带宽也大于等于18GHz。

Claims (4)

1.一种基于混沌激光的非接触式远程水位检测方法，其所述方法是由超宽带混沌激光源（1）产生超宽带混沌激光通过光纤耦合器（2）分为探测光和参考光；探测光经第一单模光纤（3）到光可调衰减器（4），控制其探测光功率大小，再由第一光电探测器（5）转变成相应的电信号，该电信号被第一低噪声放大器（6）放大以后由超宽带发射天线（7）发射；同样型号的超宽带接收天线（8）接收液面（17）的部分反射信号，由第二低噪声放大器（9）放大后线性调制激光器（10）的输出，实现电信号转变成相应的光信号，该光信号由光放大器（11）放大后，再经第二单模光纤（12）远程传输到第二光电探测器（13），转变成相应电信号在数据采集处理中心（16）采集存储；参考光经第三单模光纤（15）传输，由第三光电探测器（14）转变成相应的电信号与探测信号在数据采集处理中心（16）作互相关运算得到水位的高度信息并显示，实现非接触式的远程水位测量；

其中，第一单模光纤（3）的长度和第二单模光纤（12）的长度是长达100km以上；超宽带混沌激光源（1）是产生带宽为18GHz的、中心频率可调谐和信号频谱带宽可调节的宽带混沌激光。

2.如权利要求1所述的水位检测方法，其所述第一单模光纤的长度小于或等于第二单模光纤的长度。

3.如权利要求1所述的水位检测方法，其所述第三单模光纤是补偿光纤，其长度为第一单模光纤的长度和第二单模光纤的长度之和。

4.如权利要求1所述的水位检测方法，其第一光电探测器、第一低噪声放大器、超宽带发射天线、超宽带接收天线、第二低噪声放大器、第二光电探测器、第三光电探测器以及数据采集处理中心的采集带宽均大于等于18GHz。