CN103499356B - 消减光纤干涉系统传输路径信号干扰的方法与结构 - Google Patents

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Abstract

本发明属光纤传感技术领域，具体为消减光纤干涉系统传输路径信号干扰的方法与结构。本发明在感应光纤末端串接入波分复用器，利用波分复用器将一个波长成分从工作路径中分出，用于测量传输路径拾取的信号，以该信号为参考，将其从总的干涉传感信号中去除，从而获得目标测量信号。本发明结构简单，且在感应光纤末端连接的装置为无源，无需供电，系统易于实现。本发明可用于单点的传感测量结构，也可用于多个非连续测量点的传感结构中。

Description

消减光纤干涉系统传输路径信号干扰的方法与结构
技术领域
本发明属光纤传感技术领域，具体涉及一种消减光纤传感器中具有传感功能的光纤传输路径拾取信号影响的方法。
背景技术
随着光纤传感技术的发展，光纤传感的应用范围越来越广泛，通过光路的构建，直接以光纤为传感元，或以光纤为传输路径，以接触、或非接触的方式，进行物理量的探测。在一些结构中，有些光纤，从功能设计的角度来说，仅仅是用以光的传输，但从结构原理上来说，其自身也具有感应外界物理量的能力。例如，图1为一种用来传输声音的光纤传感装置（参考文献：苏珂，贾波等，全光纤单芯语音传输系统及其保密性研究，光电子·激光[J]，12, 2005），其中，1、2、3、4、5分别为3*3耦合器的端口，6、7、8为2*2耦合器的端口，9为传输光纤，10为一端面镀有高反射率Al膜的话筒；3*3耦合器与2*2耦合器、光纤延迟线、传输光纤9以及高反射Al膜构成一完整的干涉结构。该结构中，存在两路相互干涉的光传输路径，分别为：
Ⅰ：1→4→6→8→9→10→9→8→7→5→2（3）
Ⅱ：1→5→7→8→9→10→9→8→6→4→2（3）
其中，“→”表示光束传输方向。该结构属于一种单芯反馈式结构：两路相干涉的光传输方向相反，从端口8输出的光沿光纤9传输到末端，经反馈装置作用后（在本例中，为具有反射膜的话筒10），重新回到光纤9中，沿光纤9反向传输。图1所示装置中，感应元为Al膜——当感应到声音时，会产生相应的振动；传输光纤9的功能仅用于传输Al膜反射的光，从功能上来说，仅用于传输，而不用于感应。然而，从干涉结构的构成上来说，传输光纤9上的每一点，都具有感应外界振动的能力，也就是说，当外界的振动引起传输光纤9上的某点发生相应的物理变化时，干涉信号将产生相应的变化。传输光纤9上感应的信号会与Al膜感应的信号叠加在一起，干扰Al膜感应的信号，因而，传输光纤9感应的信号是有害信号，从系统功能的角度来说，是不希望存在的。
因而，在实际应用中，为了减少具有传感功能，却仅用作传输功能的光纤对其布设沿途的扰动信号的拾取，希望这部分光纤被保护起来，放置于相对安静的环境中。这种解决方案，显然，增加了光纤布设的复杂性。而且，在一些应用场合，只能利用已布设的光纤（光缆）作为传输路径，当这部分光缆所处环境难以符合所期望的环境状态时，系统的传感效果大打折扣，甚至无法正常使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种消减光纤传感器中具有传感功能的光纤传输路径拾取信号对系统测量的影响的方法，简称为消减光纤干涉系统传输路径信号干扰的方法。
本发明提出的消减光纤干涉系统传输路径信号干扰的方法，采用波分复用技术，分离出光纤传输路径拾取的信息，为消减传输路径光纤感应能力提供参考信号。具体来说，在光纤干涉系统中（例如图1所示），沿着光纤传输路径，使用波分复用器件，在构成原光路传输路径的同时，形成一新的光传输路径，该新的传输路径由具有感应能力而仅用于传输功能的光纤路径构成，不包含感应单元，且具有与原光传输路径相似的干涉结构；这样，通过波分复用器的作用，将原光路中一部分波长成分的光分离出来，用于独立提取传输路径光纤拾取的信号，以该信号为参考，即可将受到传输路径光纤拾取信号的干扰的目标信号分离出来。
本发明的具体内容进一步描述如下。
利用波分复用器进行的光纤路径局部连接方式如图2、3所示。图2为传感单元连接在传输光纤中间时的光路连接方式，图3为传感单元连接在传输光纤末端时的光路连接方式。
根据图2所示，传感单元12连接在第一传输光纤11和第二传输光纤13中间，传感单元12有2个端口12a、12b；现增加2个波分复用器14、15，第一波分复用器14有一个合波（公共）端口14a，2个分波端口14b、14c，输出的波长分别为λ1、λ2；第二波分复用器15有一个合波（公共）端口15a，2个分波端口15b、15c，输出的波长分别为λ1、λ2；在原结构中，如图2（a）所示，传感单元12连接在传感光纤11、13中间；采用本发明的方法，连接方法如图2（b）所示，第一波分复用器14连接在第一传输光纤11与传感单元12之间，第二波分复用器15连接在传感单元12与第二传输光纤13之间；第一波分复用器14、第二波分复用器15、传感单元12构成的复用单元16A。其中，传输光纤11与第一波分复用器14的合波（公共）端口14a相连，第一波分复用器14的第一分波端口14b与传感单元12的第一端口12a相连，第一波分复用器14的第二分波端口14c与第二波分复用器15的第二分波端口15c相连，传感单元12的第二端口12b与第二波分复用器15的第一分波端口15b相连，第二波分复用器15的合波（公共）端口15a与传输光纤13相连。这样，波长λ1的光等效于仍沿着原传输路径传输光纤11→传感单元12→传输光纤13传输，而波长λ2的光则避开传感单元12，等效于直接由传输光纤11传输到传输光纤13。
根据图3所示，设波分复用器19，有一个合波（公共）端口19a，2个分波端口19b、19c为，输出的波长分别为λ1、λ2；用于构成完整干涉结构的结构单元20 接在光纤末端。原结构中，传感单元18直接连接在传输光纤17的末端，如图3（a）所示。本发明中，连接方法如图3（b）所示，将波分复用器19串接在传输光纤17与传感单元18之间，其中，传输光纤17与波分复用器19的合波（公共）端口19a相连，波分复用器19的第一分波端口19b与传感单元18相连，波分复用器19的第二分波端口19c与结构单元20相连；波分复用器19、传感单元18、结构单元20构成复用单元16B，如图3（b）所示。
从干涉光路结构构成的角度来说，结构单元20具有与传感单元18相似的功能。
当干涉结构采用诸如单芯反馈式结构时，光进入传感单元18后，经传感单元18内部的反馈装置作用后，光最终经传感单元18的端口输出，重新进入传输光纤，在这种情况下，采用本发明，结构单元20可为一反馈装置21，如图3（c）所示，波分复用器19的第二分波端口19c与反馈装置21相连。因而，采用本发明的方法，波长λ1的光等效于仍沿着原传输路径传输光纤17→传感单元18→传输光纤17传输，而波长λ2的光则避开传感单元，等效于直接由传输光纤17→传输光纤17传输。
在传感光路中，设传感单元内光行走的路径很短，同总的干涉光束行走光纤路径长度相比，可以忽略不计，则，波长λ1形成的干涉输出信号的干涉项P1可以表示为：
（1）
其中，为波长为λ1时第i个传感单元感应外界物理量变化产生的相位差信号，为波长为λ1时第j段传输光纤感应到的外界扰动产生的相位差信号，为波长为时系统的初始相位，为常数，为与系统参数相关的量，为常数。波长λ2形成的干涉输出信号的干涉项P2可以表示为：
（2）
其中，为波长为λ2时第j段传输光纤感应到的外界扰动产生的相位差信号，为波长为λ2时系统的初始相位，为常数，为与系统参数相关的量，为常数。
利用光干涉技术中的相位解算方法，即可得到、：
（3）
（4）
本发明构成的λ1，λ2行走路径，从光的干涉角度来说，它们极为相似，存在以下关系：
（5）
其中K为与工作波长λ1，λ2相关的量，为已知常数，因此有：
（6）
联立式（5）、（6），可得到目标测量量，因而，采用相应的信号处理手段，可以分离出目标测量信号，消减传输路径拾取信息的干扰。
当传感系统的光路传感结构为如图4（a）所示的Sagnac环型干涉结构时，使用本发明构成的结构形式如图4（b）所示。图4中，22为光分路器，23为波分复用器构成的分光单元；光源从光分路器22的端口输入，干涉信号亦从光分路器22的端口输出。图4（a）中，环路中串接若干个传感单元12，光分路器22与环路构成完整的干涉结构；图4（b）按照本发明图2（b）所示的方法，将传感单元12的部分连接成复用单元16A。在图4（b）中，存在两个环路，一个为波长λ1行走的路径，该路径包括传输光纤和传感单元；另一个为波长λ2行走的路径，该路径仅包含传输光纤，无传感单元。波长λ1和λ2形成的干涉信号，皆从光分路器22的端口输出，再经分光单元23后，将这两个波长分开，即可分别获得波长λ1、λ2形成的干涉信号。
当传感系统的光路传感结构为如图5（a）所示的单芯反馈式干涉结构时，使用本发明构成的结构形式如图5（b）所示。图5中，24、26为光分路器，25光纤延迟器，27为波分复用器构成的分光单元；光源从光分路器24的端口输入，干涉信号亦从光分路器2 4的端口输出。图5（a）中，传输光纤路径中串接若干个传感单元12，在传输光纤路径的末端接一传感单元12，光分路器24、26，及光纤延迟器25与传感单元12、传感单元18共同构成完整的干涉结构；图5（b）按照本发明图2（b）、3（b）所示的方法，将传感单元12的部分连接成相应的复用单元16A，将传感单元18连接成复用单元16B。在图5（b）中，存在两个单芯反馈路径，一个为波长λ1行走的路径，该路径包括传输光纤和传感单元；另一个为波长λ2行走的路径，该路径仅包含传输光纤，无传感单元。波长λ1和λ2形成的干涉信号，皆从光分路器24的端口输出，再经分光单元27后，将这两个波长分开，即可分别获得波长λ1、λ2形成的干涉信号。
本发明中注入光纤光路结构的光，可以是一个独立的光源提供，也可以是两个或多个不同波长的光源经过波分复用器件合波形成的组合光源提供；波分复用器可以为两个分光端口，也可为多个分光端口。
本发明的优点在于可有效地消减光纤传感光路中仅用作传输功能、却拥有感应能力的光纤引入干扰信号，将目标信号有效的提取出来，提高了信号测量的精度，同时，增强可干涉测量系统对环境的适应性。该发明采用波分复用技术，获取传输路径光纤感应的干扰信号，结构简单，易于实现。
本发明可用于单点的传感测量结构，也可用于多个非连续测量点的传感结构中。
附图说明
图1为一种用来传输声音的光纤传感装置。
图2为传感单元连接在传输光纤中间时的光路连接方式。其中，（a）为原连接方式，（b）为采用本发明所示方法的连接方式。
图3为传感单元连接在传输光纤末端时的光路连接方式。其中，（a）为原连接方式，（b）为采用本发明所示方法的连接方式，（c）为传感单元为具有反馈式结构时本发明的连接方式。
图4为传感系统的光路传感结构为Sagnac环型干涉结构图示。其中，（a）为原结构，（b）为采用本发明实现的结构。
图5为传感系统的光路传感结构为单芯反馈式干涉结构图示。其中，（a）为原结构，（b）为采用本发明实现的结构。
图6是采用本发明方法构成的一单芯反馈式自由运动面测量结构。
图中标号：1、2、3、4、5分别为3*3耦合器的端口，6、7、8为2*2耦合器的端口，9为传输光纤，10为一端面镀有高反射率Al膜的话筒；11、13为传输光纤，12为连接在光纤11、13间的传感单元，12a、12b为传感单元12的端口；14为波分复用器，14a为波分复用器14的合波（公共）端口，14b、14c为分波端口，输出的波长分别为λ1、λ2；15为波分复用器，15a为波分复用器15的合波（公共）端口，15b、15c为分波端口，输出的波长分别为λ1、λ2；16A为波分复用器14、15、传感单元12构成的复用单元；17为传输光纤，18为传感单元；19为波分复用器，19a为波分复用器19的合波（公共）端口，19b、19c为分波端口，输出的波长分别为λ1、λ2；20为接在光纤末端，用于构成完整干涉结构的结构单元；21为反馈单元，16B为波分复用器19、传感单元18、结构单元20构成的复用单元；22为光分路器，23为波分复用器构成的分光单元；24、26为分光器件，25光纤延迟器，27为波分复用器构成的分光单元；28为均分的3*3光纤熔融拉锥型单模耦合器，其中，28a1、28a2、28a3为同相端口，28b1、28b2为同向端口；32为均分的2*2光纤熔融拉锥型单模耦合器，其中，32a1、32a2、为同相端口，32b1、32b2为同向端口；29、30、31皆为波分复用器，为三端口器件，即具有两个分光端口，29a为29的复用端口，29b、29c为29的分光端口，30a为30的复用端口，30b、30c为30的分光端口，31a为31的复用端口，31b、31c为31的分光端口；33为探针，34为具有反射功能的自由运动面，35为反射镜。
具体实施方式
图6是一利用单芯反馈式干涉结构进行自由面的振动测量的光路结构。图中，28为均分的3*3光纤熔融拉锥型单模耦合器，其中，28a1、28a2、28a3为同相端口，28b1、28b2为同向端口；32为均分的2*2光纤熔融拉锥型单模耦合器，其中，32a1、32a2、为同相端口，32b1、32b2为同向端口；29、30、31皆为波分复用器，为三端口器件，即具有两个分光端口，29a为29的复用端口，29b、29c为29的分光端口，30a为30的复用端口，30b、30c为30的分光端口，31a为31的复用端口，31b、31c为31的分光端口；33为探针，34为具有反射功能的自由运动面，35为反射镜。
在该实施例中，沿传输路径17传输到探针33的光经探针输出，入射到自由运动面34，经由自由运动面34反射后，光重新入射进探针33，沿光纤路径17原路返回。在该测量结构中，传感元可以看成是探针33和自由运动面34的组合，传输路径17虽具有拾取外界扰动信号的能力，但希望这部分光纤仅做传输功用，因此，根据本发明的方法，在末端，采用波分复用器19，将光分成两部分波长λ1、λ2，λ1行走的端口19b与探针33相连，λ1行走的端口与一反射镜35相连。
光源采用为中心波长分别为λ1、λ2的光，这两种波长的光经波分复用器29，合并后输入到耦合器28a1的端口；干涉信号从端口28a2、28a3输出后，分别接波分复用器30、31，λ1、λ2成分的光被分开，经相应的端口输出。该结构中，波长λ1的光两束相干涉的光传输路径为：
P11：28a1→28b1→25→32a1→32b1→17→19a→19b→33→34→33→19b→19a→17→32b1→32a2→28b2→28a2（28a3）
P12：28a1→28b2→32a2→32b1→17→19a→19b→33→34→33→19b→19a→17→32b1→32a1→25→28b1→28a2（28a3）
波长λ2的光两束相干涉的光传输路径为：
P21：28a1→28b1→25→32a1→32b1→17→19a→19c→35→19c→19a→17→32b1→32a2→28b2→28a2（28a3）
P22：28a1→28b2→32a2→32b1→17→19a→19c→35→19c→19a→17→32b1→32a1→25→28b1→28a2（28a3）
从沿P21和P22传输的这两束光相干涉的信号，可获得纯粹的传输路径拾取的干扰信号P2；从沿P11和P12传输的这两束光相干涉的信号，可获得纯粹的传输路径拾取的干扰信号以及传感单元测量的信号P1。在这种测量结构中，有
（7）
对从波分复用器30、31相应端口输出的光，采用信号处理手段，即可把目标测量信号，即，对自由运动面34的测量信号提取出来。

Claims (9)

1.一种消减光纤干涉系统传输路径信号干扰的方法，其特征在于：在光纤干涉系统中，沿着光纤传输路径，使用波分复用器件，在构成原光路传输路径的同时，形成一新的光传输路径，该新的传输路径由具有感应能力而仅用于传输功能的光纤路径构成，不包含感应单元，且具有与原光路传输路径相似的干涉结构；这样，通过波分复用器的作用，将原光路中一部分波长成分的光分离出来，用于独立提取传输路径光纤拾取的信号，以该信号为参考，即可将受到传输路径光纤拾取信号的干扰的目标信号分离出来。
2.根据权利要求1所述的消减光纤干涉系统传输路径信号干扰的方法，其特征在于：当传感单元连接在传输光纤中间时的光路连接方式时，设传感单元（12）连接在第一传输光纤（11）和第二传输光纤（13）中间，传感单元（12）有2个端口（12a、12b）；现增加2个波分复用器（14、15），第一波分复用器（14）有一个合波端口（14a），2个分波端口（14b、14c），输出的波长分别为λ1、λ2；第二波分复用器（15）有一个合波端口（15a），2个分波端口（15b、15c），输出的波长分别为λ1、λ2；第一波分复用器（14）连接在第一传输光纤（11）与传感单元（12）之间，第二波分复用器（15）连接在传感单元（12）与第二传输光纤（13）之间；第一波分复用器（14）、第二波分复用器（15）、传感单元（12）构成复用单元（16A）；其中，第一传输光纤（11）与第一波分复用器（14）的合波端口（14a）相连，第一波分复用器（14）的第一分波端口（14b）与传感单元（12）的第一端口（12a）相连，第一波分复用器（14）的第二分波端口（14c）与第二波分复用器（15）的第二分波端口（15c）相连，传感单元（12）的第二端口（12b）与第二波分复用器（15）的第一分波端口（15b）相连，第二波分复用器（15）的合波端口（15a）与第二传输光纤（13）相连；这样，波长λ1的光等效于仍沿着原传输路径第一传输光纤（11）→传感单元（12）→第二传输光纤（13）传输，而波长λ2的光则避开传感单元（12），等效于直接由第一传输光纤（11）传输到第二传输光纤（13）。
3. 根据权利要求1所述的消减光纤干涉系统传输路径信号干扰的方法，其特征在于：当传感单元连接在传输光纤末端时的光路连接方式时，设波分复用器（19），有一个合波端口（19a），2个分波端口（19b、19c）为，输出的波长分别为λ1、λ2；用于构成完整干涉结构的结构单元（20） 接在光纤末端；将波分复用器（19）串接在传输光纤（17）与传感单元（18）之间，其中，传输光纤（17）与波分复用器（19）的合波端口（19a）相连，波分复用器（19）的第一分波端口（19b）与传感单元（18）相连，波分复用器（19）的第二分波端口（19c）与结构单元（20）相连；波分复用器（19）、传感单元（18）、结构单元（20）构成复用单元（16B）。
4.根据权利要求3所述的消减光纤干涉系统传输路径信号干扰的方法，其特征在于：所述结构单元（20）具有与传感单元（18）相似的功能。
5.根据权利要求3或4所述的消减光纤干涉系统传输路径信号干扰的方法，其特征在于：所述结构单元（20）为一反馈装置（21）。
6.一种消减光纤干涉系统传输路径信号干扰的结构，其特征在于：在光纤干涉系统中，沿着光纤传输路径，使用波分复用器件，在构成原光路传输路径的同时，形成一新的光传输路径，该新的传输路径由具有感应能力而仅用于传输功能的光纤路径构成，不包含感应单元，且具有与原光路传输路径相似的干涉结构。
7.根据权利要求6所述的消减光纤干涉系统传输路径信号干扰的结构，其特征在于：当传感单元连接在传输光纤中间时的光路连接方式时，设传感单元（12）连接在第一传输光纤（11）和第二传输光纤（13）中间，传感单元（12）有2个端口（12a、12b）；增加2个波分复用器（14、15），第一波分复用器（14）有一个合波端口（14a），2个分波端口（14b、14c），输出的波长分别为λ1、λ2；第二波分复用器（15）有一个合波端口（15a），2个分波端口（15b、15c），输出的波长分别为λ1、λ2；第一波分复用器（14）连接在第一传输光纤（11）与传感单元（12）之间，第二波分复用器（15）连接在传感单元（12）与第二传输光纤（13）之间；第一波分复用器（14）、第二波分复用器（15）、传感单元（12）构成复用单元（16A）；其中，第一传输光纤（11）与第一波分复用器（14）的合波端口（14a）相连，第一波分复用器（14）的第一分波端口（14b）与传感单元（12）的第一端口（12a）相连，第一波分复用器（14）的第二分波端口（14c）与第二波分复用器（15）的第二分波端口（15c）相连，传感单元（12）的第二端口（12b）与第二波分复用器（15）的第一分波端口（15b）相连，第二波分复用器（15）的合波端口（15a）与第二传输光纤（13）相连。
8. 根据权利要求6所述的消减光纤干涉系统传输路径信号干扰的结构，其特征在于：当传感单元连接在传输光纤末端时的光路连接方式时，设波分复用器（19），有一个合波端口（19a），2个分波端口（19b、19c）为，输出的波长分别为λ1、λ2；用于构成完整干涉结构的结构单元（20） 接在光纤末端；将波分复用器（19）串接在传输光纤（17）与传感单元（18）之间，其中，传输光纤（17）与波分复用器（19）的合波端口（19a）相连，波分复用器（19）的第一分波端口（19b）与传感单元（18）相连，波分复用器（19）的第二分波端口（19c）与结构单元（20）相连；波分复用器（19）、传感单元（18）、结构单元（20）构成复用单元（16B）。
9.根据权利要求8所述的消减光纤干涉系统传输路径信号干扰的结构，其特征在于：所述结构单元（20）为一反馈装置（21）。
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Assignee: Dongguan advanced optical fiber Application Technology Research Institute Co.,Ltd.

Assignor: FUDAN University

Contract record no.: X2021310000051

Denomination of invention: Method and structure for reducing signal interference in transmission path of optical fiber interference system

Granted publication date: 20170707

License type: Exclusive License

Record date: 20211221