CN104048685B - 基于光谱受限混沌光信号的准分布式光纤传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及准分布式光纤传感系统，首次提出了一种基于光谱受限混沌光信号的大容量、高精度、故障自检测的准分布式光纤传感系统。该系统通过波分复用和时分复用极大程度上对传感系统进行扩容；同时通过光栅波长漂移向功率变化的转换，也提升了探测的精度；另外，基于混沌光信号这一特点也使得该传感系统兼具精确定位的功能，其在断点故障自检测上的应用大大提升了系统的可靠性。

Description

基于光谱受限混沌光信号的准分布式光纤传感系统

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，具体涉及一种基于光谱受限混沌光信号的准分布式光纤传感系统。

背景技术

光纤传感系统是光纤传感技术工程化研究的一个重要的领域。以光纤作为传输介质，通过各种传感复用技术大规模接入光纤传感单元，从而实现大容量、高精度、长距离的传感。由于光纤具有体积小、质量轻、安全性高、抗电磁干扰、耐腐蚀等独特优势，相较传统的传感系统，光纤传感系统更加广泛地应用于电网检测、海洋勘探等领域中。目前，光纤传感系统面临着传感精度的提高、传感容量扩大以及系统智能化的挑战。同时，传感系统故障自检测功能也成新型光纤传感系统研究的关键。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于光谱受限混沌光信号的准分布式光纤传感系统，以克服传统的光纤传感系统容量小以及无法进行故障自诊断的不足。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于光谱受限混沌光信号的准分布式光纤传感系统。通过对参考信号和探测信号的互相关运算，可以实现传感系统的扩容以及系统故障自监测的功能。

本发明基于光谱受限混沌光信号的准分布式光纤传感系统，包括光源、传感链路、第一光电探测器、第二光电探测器和数据处理装置，

所述光源为包含半导体光放大器、光隔离器、偏振控制器、第一光纤耦合器的环形腔结构，通过半导体光放大器的增益自反馈效应产生宽谱混沌信号；其中，所述光隔离器用于环形腔内光的单向传输，所述偏振控制器用于控制腔内光的偏振态，所述第一光纤耦合器用作输出端口；

所述传感链路包括传感主路和若干传感支路，所述传感主路包括掺铒光纤放大器、第二光纤耦合器、光环形器、光带通滤波器和光功分器，所述掺铒光纤放大器用于对光源输出光进行放大，并由所述第二光纤耦合器将其分为参考光信号和探测光信号光；所述参考光信号经所述第一光电探测器换为电信号后进入所述数据处理装置；所述探测光信号经光环形器后，由光功分器分流，分别进入不同的所述传感支路进行探测；所述光功分器分别连接所述传感支路，每个传感支路分别包括延迟线和啁啾布拉格光栅，所述啁啾布拉格光栅用作传感单元，所述延迟线用于使其所在的传感支路的传感单元与其它传感支路的传感单元在空间上分开，实现时分复用；作为传感单元的啁啾布拉格光栅带宽和所述光带通滤波器各通带带宽一致，且不同波长的啁啾布拉格光光栅对应着所述光带通滤波器的某一通带，实现波分复用；

经所述啁啾布拉格光栅反射后的光谱受限混沌探测光信号经由所述光功分器耦合，并经由所述光环形器进入所述光带通滤波器中；所述光带通滤波器连接所述第二光电探测器，所述光谱受限混沌探测光信号通过第二光电探测器转换为电信号后进入所述数据处理装置；

所述数据处理装置对进入的多路光谱受限混沌探测光和参考光进行互相关处理。

优选的，所述延迟线使其所在的所述传感支路的传感单元与其它传感支路的传感单元在空间上分开，所采用的结构为：任一传感支路中，所述延迟线与传感单元的长度之和，不同于其它传感支路上的延迟线与传感单元的长度之和。

优选的，所述第一光纤耦合器的耦合比选择为50:50、60:40、70:30、80:20或90:10。所述第一光纤耦合器的耦合比为99:1。

所述数据处理装置的互相关处理方法是利用参考信号和探测信号互相关峰值的时延和强度来实现准分布式的传感。基本原理解释如下：光源产生的宽谱混沌光信号具有白噪声的特性，即其自相关函数为一冲击函数。其经过掺铒光纤放大器放大后，由光纤耦合器分为参考光信号和探测光信号两路。其中参考光信号经光电探测器转换为参考电信号，探测光信号经光环形器和光功分器进入到传感支路中，延迟线使得每条支路的传感单元在空间上分开，实现时分复用。探测光信号经不同位置的传感单元反射，对应的光谱受限混沌光信号携带着传感信息经光功分器耦合后，由光环形器进入光带通滤波器中。需要说明的是，作为传感单元的啁啾布拉格光栅带宽和光带通滤波器各通带带宽一致，且不同波长的光栅也正好对应着带通滤波器某一通带，这里采用了波分复用的技术。当光栅处于自由状态时，即此时无外界参量作用，其反射的光谱受限混沌光信号恰好可以完整的透过对应的通带；外界参量作用时，光栅反射波长发生漂移，使得反射的混沌光信号与对应通带在光谱上发生错位，导致透过光功率的降低，从而实现了波长漂移向功率变化的转换，这也极大地简化了解调方案并提高了测量精度。最后，经光带通滤波器透射的光谱受限探测光信号由光电探测器转换为探测电信号，与之前的参考电信号一同进入信号处理端进行解调。

对参考信号和探测信号采用互相关运算的方式进行处理。光谱受限的混沌光信号具有和宽谱混沌光信号相似的特性。考虑到两者的自相关函数都是冲击函数，本传感系统中，不同传感单元(啁啾光纤布拉格光栅)对应的光谱受限混沌探测光信号滞后于参考光信号，两者之间产生了特定的相对时延。经光电转换后，对参考电信号和探测电信号进行互相关运算，得到横轴为相对时延，纵轴为强度的互相关谱，从而实现各个探测单元在时间上的分离，通过计算亦可得到传感单元的相对距离。同时，结合前面所述的波长漂移向功率变化的转换，该解调方案使得外界参量的变化转换为传感单元对应互相关峰值强度的变化。

另外，该传感系统也具有系统断点故障的自检测能力。当传感支路某处光纤发生断裂，断点端面处发生菲涅尔反射，该反射光同探测光一样反映在自相关谱上。由此，可以精确的检测出断点所在，极大程度上提升了系统的可靠性。

同时需要指出的是，光带通滤波器的通带数目与光功分器的分功路数的乘积决定了该传感系统的容量。通过调整光带通滤波器的通带数目与光功分器的分功路数，可以实现大容量的光纤传感系统。

本发明首次提出了一种基于光谱受限混沌光信号的大容量、高精度、故障自检测的准分布式光纤传感系统。该系统通过波分复用和时分复用极大程度上对传感系统进行扩容；同时通过光栅波长漂移向功率变化的转换，也提升了探测的精度；另外，基于混沌光信号这一特点也使得该传感系统兼具精确定位的功能，其在断点故障自检测上的应用大大提升了系统的可靠性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1为本发明的准分布式光纤传感系统示意图。其中1—半导体光放大器，2—光隔离器，3—偏振控制器，4—第一光纤耦合器，5—掺铒光纤放大器，6—第二光纤耦合器，7—光环行器，8—光功分器，9—延迟线，10—啁啾光纤布拉格光栅，11—光带通滤波器，12—第一光电探测器，13—数据处理装置，14—第二光电探测器。

具体实施方式

如图1所示，本例中传感系统的光源由环形腔结构提供。其中，半导体光放大器1用作增益介质；光隔离器2保证腔内光单向运转，偏振控制器3调节腔内偏振态；第一光纤耦合器4进行分光，第一光纤耦合器4的耦合比可以为50:50、60:40、70:30、80:20或90:10。本例中选用80:20的光纤耦合器，80％的光留在腔内进行自反馈放大，20％输出用于后续传感。

输出光经掺铒光纤放大器5放大后，由99:1的第二光纤耦合器6分光；其中1％用作参考光，99％用作探测光。参考光信号经第一光电探测器14换为电信号后进入数据处理装置13。探测光经由光环形器7和光功分器8进入传感支路，各个支路中的延迟线9使得传感单元在空间上分开，即任一传感支路中，所述延迟线与传感单元的长度之和，不同于其它传感支路上的延迟线与传感单元的长度之和。经作为传感单元的啁啾光纤布拉格光栅10反射后的各探测光由光功分器8和光环形器7进入光带通滤波器11，透射的探测光与之前的参考光被第二光电探测器12接收并转换为电信号后，在数据处理装置13中进行互相关运算，得到互相关谱。

延迟线用于使其所在的传感支路的传感单元与其它传感支路的传感单元在空间上分开，实现时分复用；作为传感单元的啁啾布拉格光栅带宽和光带通滤波器各通带带宽一致，且不同波长的啁啾布拉格光光栅对应着光带通滤波器11的某一通带，实现波分复用。

数据处理装置13对参考信号和探测信号采用互相关运算的方式进行处理。光谱受限的混沌光信号具有和宽谱混沌光信号相似的特性。由于光谱受限的混沌光信号与参考信号两者的自相关函数都是冲击函数，不同传感单元(啁啾光纤布拉格光栅)对应的光谱受限混沌探测光信号滞后于参考光信号，两者之间产生了特定的相对时延。对参考电信号和探测电信号进行互相关运算，得到横轴为相对时延，纵轴为强度的互相关谱，从而实现各个探测单元在时间上的分离，通过计算亦可得到传感单元的相对距离。同时，结合波长漂移向功率变化的转换，使得外界参量的变化转换为传感单元对应互相关峰值强度的变化。

当传感支路某处光纤发生断裂，断点端面处发生菲涅尔反射，该反射光同探测光一样反映在自相关谱上。由此，可以精确的检测出断点所在，所以，本发明同时具有系统断点故障的自检测能力，极大程度上提升了系统的可靠性。

同时，通过调整光带通滤波器的通带数目与光功分器的分功路数，提高本发明传感系统的容量，可以实现大容量的光纤传感系统。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于光谱受限混沌光信号的准分布式光纤传感系统，其特征在于，包括光源、传感链路、第一光电探测器、第二光电探测器和数据处理装置，

所述光源为包含半导体光放大器、光隔离器、偏振控制器、第一光纤耦合器的环形腔结构，通过半导体光放大器的增益自反馈效应产生宽谱混沌信号；其中，所述光隔离器用于环形腔内光的单向传输，所述偏振控制器用于控制腔内光的偏振态，所述第一光纤耦合器用作输出端口；

所述传感链路包括传感主路和若干传感支路，所述传感主路包括掺铒光纤放大器、第二光纤耦合器、光环形器、光带通滤波器和光功分器，所述掺铒光纤放大器用于对光源输出光进行放大，并由所述第二光纤耦合器将其分为参考光信号和探测光信号光；所述参考光信号经所述第一光电探测器换为电信号后进入所述数据处理装置；所述探测光信号经光环形器后，由光功分器分流，分别进入不同的所述传感支路进行探测；所述光功分器分别连接所述传感支路，每个传感支路分别包括延迟线和啁啾布拉格光栅，所述啁啾布拉格光栅用作传感单元，所述延迟线用于使其所在的传感支路的传感单元与其它传感支路的传感单元在空间上分开，实现时分复用；作为传感单元的啁啾布拉格光栅带宽和所述光带通滤波器各通带带宽一致，且不同波长的啁啾布拉格光光栅对应着所述光带通滤波器的某一通带，实现波分复用；

经所述啁啾布拉格光栅反射后的光谱受限混沌探测光信号经由所述光功分器耦合，并经由所述光环形器进入所述光带通滤波器中；所述光带通滤波器连接所述第二光电探测器，所述光谱受限混沌探测光信号通过第二光电探测器转换为电信号后进入所述数据处理装置；

所述数据处理装置对进入的多路光谱受限混沌探测光和参考光进行互相关处理。

2.根据权利要求1所述的基于光谱受限混沌光信号的准分布式光纤传感系统，其特征在于，所述延迟线使其所在的所述传感支路的传感单元与其它传感支路的传感单元在空间上分开，所采用的结构为：任一传感支路中，所述延迟线与传感单元的长度之和，不同于其它传感支路上的延迟线与传感单元的长度之和。

3.根据权利要求1或2所述的基于光谱受限混沌光信号的准分布式光纤传感系统，其特征在于，所述第一光纤耦合器的耦合比选择为50:50、60:40、70:30、80:20或90:10。

4.根据权利要求1或2所述的基于光谱受限混沌光信号的准分布式光纤传感系统，其特征在于，所述第一光纤耦合器的耦合比为99:1。