CN104535008A - 一种基于Smith谐振干涉型光程匹配扫描器的低相干光纤形变传感器网络解调系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及的是一种可用于多种光纤传感网络结构，实现多点准分布形变、应变或者准温度分布等物理量的实时监测与测量的基于Smith谐振干涉型光程匹配扫描器的低相干光纤形变传感器网络解调系统。基于Smith谐振干涉型光程匹配扫描器的低相干光纤形变传感器网络解调系统，由宽谱光源、四端口光纤环行器、Smith谐振干涉型光程匹配扫描器、传输光纤、光纤传感器网络、光电探测信号放大器以及信号处理单元组成。本发明由于四端口光纤环形器的使用，消除了反馈回光源的信号，提高了光源的稳定性，同时增强了光源功率的利用率，能够使光源发出的光全部得到利用，也进一步提高了传感网络系统的复用能力。

Description

一种基于Smith谐振干涉型光程匹配扫描器的低相干光纤形变传感器网络解调系统

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及的是一种可用于多种光纤传感网络结构，实现多点准分布形变、应变或者准温度分布等物理量的实时监测与测量的基于Smith谐振干涉型光程匹配扫描器的低相干光纤形变传感器网络解调系统。

背景技术

光纤白光干涉仪的优点之一就是可以很容易地实现多路复用。多个传感器在各自的相干长度内，只存在单一的光干涉信号，因而勿需更复杂的时间或者频率复用技术对信号进行处理。近年来，白光干涉传感技术得到了蓬勃的发展，其中的一个热点就是发展了多种基于多路复用技术的光纤传感器和测试系统，用于应变、温度、压力等物理量的测量。多路复用技术的发展背景主要是由于在实际测量与测试应用中，单个物理量以及单一位置点的传感，已经远不能满足人们对事物整体或者系统状态感知的要求，这往往需要对多个或者多点物理量的分布进行在线或者实时的量测。例如对大型结构(水电站、大坝、桥梁等)的无损检测与监测以确定其安全的过程中，需要将光纤传感器植入关键部位，并构筑成监测网络，对其内部的应力、应变以及温度等信息进行提取。因此，传感器数量通常为几十个或者上百个，如果测试系统仅以单点传感器进行连接，无疑其测试造价将大大提高，同时降低了系统可靠性。采用多路复用技术，利用同一个解调系统对多个传感器的测量信息进行问询，这不仅极大简化了系统复杂程度，而且使测量精度和可靠性也得到了保证。同时，由于多路复用网络技术的发展，降低了单点传感器的造价，从而使测试费用大为降低，提高了性价比，使光纤传感器与传统传感器相比更具优势。

白光干涉光纤传感器可以有效地避免很多长相干长度的信号所遇到的限制和问题。空分复用白光干涉光纤传感器的一个主要优点是可以测量绝对长度和时间延迟。另外，由于传感信号的相干长度短，可以消除系统杂散光的时变干扰。空分复用白光干涉技术的另一个优点是不需要相对复杂的时分复用或频分复用技术便可以将多个传感器相干复用在一个信号中。空分复用技术是通过使用扫描干涉仪(如迈克尔逊干涉仪)实现信号光与参考光的光程相匹配来实现的。如果两路信号光的光程相匹配，在干涉仪的输出信号中会观察到白光干涉条纹。可实现高精度的绝对测量，能够测量的参量包括位置、位移、应变和温度等。

在实际应用中，尤其是在建筑结构的监测中，通常需要对建筑结构进行长距离、多点的准分布式测量。然而，对于传统的光纤白光干涉仪结构，传感光纤的长度受到可变扫描臂的调节范围的限制。另外，即使可以得到长距离的调节范围，光信号在长距离的空间光路中传输的损耗也会很大。

为解决上述问题，1995年美国H-P公司Wayne V.Sorin和Douglas M.Baney公开了一种基于光程自相关器的白光干涉传感器的复用方法(美国专利：专利号5557400)，基于Michelson干涉仪结构，利用光信号在Michelson干涉仪固定臂和可变扫描臂之间形成的光程差与光纤传感器的前后两个端面反射光信号光程差之间的匹配实现光程自相关，获得该传感器的白光干涉信号，再利用改变扫描臂与固定臂之间光的程差与多个首尾相接的串行光纤传感器阵列中的每个传感器逐一匹配，完成光纤传感器的多路复用。

另外，申请人于2007年和2008年公开的低相干绞扭式类Sagnac光纤形变传感装置(中国专利：200710072350.9)和空分复用Mach-Zehnder级联式光纤干涉仪及测量方法(中国专利号：ZL 200810136824.6)主要用来解决光纤传感器复用阵列布设过程中抗毁坏的问题；申请人于2008年公开的光纤Mach-Zehnder与Michelson干涉仪阵列的组合测量仪(中国专利：ZL 200810136819.5)和孪生阵列Michelson光纤白光干涉应变仪(中国专利号：ZL200810136820.8)主要用于解决白光光纤干涉仪多路复用中温度对测量干扰，以及温度和应变同时测量问题；申请人于2008年公开的一种简化式多路复用白光干涉光纤传感解调装置(中国专利：ZL 200810136826.5)和基于可调Fabry-Perot谐振腔的分布式光纤白光干涉传感器阵列(中国专利：ZL 200810136833.5)，引入环形腔、F-P腔光程自相关器主要用于简化多路复用干涉仪的拓扑结构，构造共光路形式，提高温度稳定性；申请人于2008年公开的一种双基准长度低相干光纤环形网络传感解调装置(中国专利申请号：200810136821.2)4×4光纤耦合器光程自相关器的引入，目的是解决多基准传感器的同时测量问题。

但在上述基于空分复用的干涉仪结构中，光源功率衰减大、光源利用率低，由光源发出的光，仅有较小的一部分达到传感器阵列，被探测器接收形成干涉图样。以W.V.Sorin公开的光路结构而言，当传感器阵列反射的光信号通过光纤耦合器1时，只有一半的光进入Michelson自相关器，而另一半光沿与光源相连的光路损耗掉。另外，进入Michelson自相关器的光，被反射镜反射后经过耦合器2时又只有一半光进入光电探测器，另一半光回馈到耦合器1中。因此，这种结构最多只有1/4的光源功率对传感过程有贡献。另外，经过耦合器1回馈的光会直接进入光源，虽然使用的光源类型为宽谱光，与激光光源相比，对回馈不十分敏感，但是过大的信号功率反馈，特别是对于SLD和ASE等自发辐射增益较大的光源，回馈光会引起光源的较大的噪声。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于Smith谐振干涉型光程匹配扫描器的低相干光纤形变传感器网络解调系统。

本发明的目的是这样实现的：

基于Smith谐振干涉型光程匹配扫描器的低相干光纤形变传感器网络解调系统，由宽谱光源1、四端口光纤环行器2、Smith谐振干涉型光程匹配扫描器3、传输光纤4、光纤传感器网络5、光电探测信号放大器6以及信号处理单元7组成，系统中宽谱光源发出的光经由四端口光纤环行器后被注入到Smith谐振干涉型光程匹配扫描器，Smith谐振干涉型光程匹配扫描器产生光程差可调的两束问讯光信号，经由四端口光纤环行器后通过传输光纤被送入光纤传感器网络，由光纤传感器网络反射回来的干涉信号光再次通过传输光纤，经由四端口光纤环行器被光电探测器所接收并被放大，信号最后经由信号处理单元处理后给出测量结果。

Smith谐振干涉型光程匹配扫描器是通过一个2×2光纤耦合器31，一端与光纤准直器32和可调前后移动的平面光学反射镜33构成光程扫描部分，另外两端直接镀有反射镜构成了光学谐振腔，光纤准直器被固定在一个精密滑移台的基座上，一个平面光学反射镜被固定在可以滑移的平台上，正对着光纤准直器，构成了一个光程可调的Smith谐振干涉型光程匹配扫描器。

光纤传感网络是由基本的光纤传感器阵列组成的，而光纤传感器阵列则是由若干个首尾依次串接的光纤传感器组成，每个光纤传感器则是由一段两端带有光纤插芯的单模光纤组成，将一系列长度不等的单模光纤段构成首尾相接的串行阵列，并通过1×N，N＝2，3，4…光纤星形耦合器构成总线式光纤传感网络拓扑结构、星形光纤传感网络拓扑结构和复合星形光纤传感网络拓扑结构。

采用的光纤形变传感器网络的拓扑结构中的的光纤传感阵列可通过增加一个1×M多路光纤开关的选通连接将M个光纤传感阵列构造成一个巡回检测的N×M个线性光纤传感器网络。

采用的四端口光纤环行器将Smith谐振干涉型光程匹配扫描器和准分布光纤传感器网络进行连接。

本发明的有益效果在于：

本发明公开了一种基于Smith谐振干涉型光程匹配扫描器的低相干多路复用准分布光纤形变传感网络测量系统。可用于多点准分布形变、应变或者准温度分布等物理量的实时监测与测量，可广泛用于大尺寸的智能结构监测等领域。它采用光纤环行器来连接Smith谐振干涉型光程匹配扫描器、光纤传感器网络和光电探测器，使光纤传感器反射的信号全部耦合到光电探测器中，与在先技术相比，由于四端口光纤环形器的使用，消除了反馈回光源的信号，提高了光源的稳定性，同时增强了光源功率的利用率，能够使光源发出的光全部得到利用，也进一步提高了传感网络系统的复用能力。

附图说明

图1是基于Smith谐振干涉型光程匹配扫描器的低相干多路复用准分布光纤形变测量传感器网络系统的结构示意图。

图2是Smith谐振干涉型光程匹配扫描器的结构示意图。

图3是光纤形变传感器网络解调系统中所采用的光纤形变传感器网络的拓扑结构示意图。

图4是在图1所示的基于Smith谐振干涉型光程匹配扫描器的低相干多路复用准分布光纤应变测量系统的基础上，对于图2所示的线性阵列式光纤传感网络拓扑结构，增加了一个1×M多路选通光纤开关8，构成了一个N×M个光纤传感器网络的多路巡回光纤形变分布式测量系统。

图5是在图1的基础上，该基于Smith谐振干涉型光程匹配扫描器的低相干多路复用准分布光纤形变传感测量网络系统中通过四端口光纤环行器端口b和端口c相互连接的Smith谐振干涉型光程匹配扫描器和准分布光纤传感器阵列。

具体实施方式

下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。

图1是基于Smith谐振干涉型光程匹配扫描器的低相干多路复用准分布光纤形变测量传感器网络系统的结构示意图。它由宽谱光源1、四端口光纤环行器2、Smith谐振干涉型光程匹配扫描器3、传输光纤4、首尾依次连接而成的光纤传感器阵列5、光电探测信号放大器6以及信号处理单元7组成。

图2是Smith谐振干涉型光程匹配扫描器的结构示意图。该干涉型光程匹配扫描器是通过一个2×2光纤耦合器31，一端与光纤准直器32和可调前后移动的平面光学反射镜33构成光程扫描部分，另外两端直接镀有反射镜34和35构成了光学谐振腔。光纤准直器32被固定在一个精密滑移台的基座上，一个平面光学反射镜33被固定在可以滑移的平台上，正对着光纤准直器，构成了一个光程可调的Smith谐振干涉型光程匹配扫描器。

图3是光纤形变传感器网络解调系统中所采用的光纤形变传感器网络的拓扑结构示意图。系统中所采用的光纤传感网络都是由基本的光纤传感器阵列组成的，而光纤传感器阵列则是由若干个首尾依次串接的光纤传感器组成，每个光纤传感器则是由一段长度任意、两端带有光纤插芯的单模光纤组成。将一系列长度不等的单模光纤段构成首尾相接的串行阵列，并通过1×N(N＝2，3，4…)光纤星形耦合器构成如图所示的线性阵列式光纤传感网络拓扑结构、总线式光纤传感网络拓扑结构、星形光纤传感网络拓扑结构和复合星形光纤传感网络拓扑结构。

图4是在图1所示的基于Smith谐振干涉型光程匹配扫描器的低相干多路复用准分布光纤应变测量系统的基础上，对于图2所示的线性阵列式光纤传感网络拓扑结构，增加了一个1×M多路选通光纤开关8，构成了一个N×M个光纤传感器网络的多路巡回光纤形变分布式测量系统。

图5是在图1的基础上，该基于Smith谐振干涉型光程匹配扫描器的低相干多路复用准分布光纤形变传感测量网络系统中通过四端口光纤环行器端口b和端口c相互连接的Smith谐振干涉型光程匹配扫描器和准分布光纤传感器阵列，这两者先后连接的顺序进行了互换，互换后的系统仍具有相同的有效性。

该准分布光纤形变传感网络测量系统由低相干宽谱光源、用作空分复用扫描的Smith谐振干涉型光程匹配扫描器、光纤传感器网络和光电信号接收放大器与信号处理单元构成。该系统围绕一个四端口光纤环形器依次连接起来。来自低相干宽谱光源1(例如：ASE光源)的光首先进入光纤环形器的端口a，经由出口b，到达光程可调的Smith谐振干涉型光程匹配扫描器3。该Smith谐振干涉型光程匹配扫描器的作用有二，一是将来自同一光源的光分成两束；二是使这两束光信号产生可调整的光程差。在结构上由下述器件组成：一个2×2光纤耦合器31，一端与光纤准直器32和可调前后移动的平面光学反射镜33构成光程扫描部分，另外两端直接镀有反射镜34和35构成了光学谐振腔。光纤准直器32被固定在一个精密滑移台的基座上，一个平面光学反射镜33被固定在可以滑移的平台上，正对着光纤准直器，构成了一个光程可调的Smith谐振干涉型光程匹配扫描器。来自光源的光经过Smith谐振干涉型光程匹配扫描器后被分成具有一定光程差的两束光经过四端口光纤环形器的b端口后，由端口c通过传输光纤4被送入光纤传感器网络5，在光纤传感器网络中的每个光纤传感器而言，由于每段光纤互相连接的交界面都会发生反射，于是由每个光纤反射面反射回来的光经过传输光纤4后，通过四端口光纤环形器的端口d被光电探测器所接收，该信号被放大器6放大后抵达信号采集与处理系统7，对信号进行分析与处理。每个传感器两个端面信号表征了光纤在长度上的形变情况，因此，通过对每个光纤传感器长度的测量，就实现了对整个光纤传感网内各个待测部件结构的准分布形变测量。

由于该光纤传感器阵列是由N段光纤首尾串接形成的，就组成了N个传感器阵列。每段传感光纤的长度分别为l₁、l₂、…、l_N，与Smith谐振干涉型光程匹配扫描器中产生的两光程差L₀的长度接近，每段光纤的长度都不同，且满足如下关系

nL₀+X_j＝nl_j,j＝1,2...N       (1)

式中n为光纤芯的折射率，且有l_i≠l_j，因而有X_i≠X_j，也就是说每一个传感器都对应于各自独立的空间位置，当在传感光纤上施加一个分布式应力，各传感器的长度分别从l₁变为l₁+Δl₁、l₂变为l₂+Δl₂、…、l_N变为l_N+Δl_N，那么可以得到该分布式应变为

${\mathrm{\ϵ}}_1=\frac{{\mathrm{\Δl}}_1}{l_1},{\mathrm{\ϵ}}_2=\frac{{\mathrm{\Δl}}_2}{l_2},\·\·\·,{\mathrm{\ϵ}}_N=\frac{{\mathrm{\Δl}}_N}{l_N}---\left(2\right)$

通过对光程变化的反复扫描，对于任意第i个传感器时，可以通过测量获得传感器长度l_i的变化量除以已知长度量l_i来测得每一段光纤上的平均应变。

为了满足各种传感测量的需求，本发明所采用的解调系统能够适应各种光纤传感网络结构。我们知道，光纤传感网络是由基本的光纤传感器阵列组成的，而光纤传感器阵列则是由若干个首尾依次串接的光纤传感器组成，每个光纤传感器则是由一段长度任意、两端带有光纤插芯的单模光纤组成。将一系列长度不等的单模光纤段构成首尾相接的串行阵列，并通过1×N(N＝2，3，4…)光纤星形耦合器可以构成如图3所示的总线式光纤传感网络拓扑结构、星形光纤传感网络拓扑结构和复合星形光纤传感网络拓扑结构。

为了进一步扩展光纤传感器的数量，本发明还可在图3所示的线性阵列传感网络系统中将光纤传感阵列的数目增加到M个阵列，这样，光纤传感系统可通过增加一个1×M多路光纤开关8的选通连接，将每列含有N个光纤传感器的M个光纤传感阵列构造成一个N×M个光纤传感器网络，如图4所示。

通过远传光纤将Smith谐振干涉型光程匹配扫描器和光纤传感器网络进行互连时，存在两种主要的方式：其一是先将白光光源通过四端口光纤环形器的端口b送到Smith谐振干涉型光程匹配扫描器，该光程匹配扫描器将一束光分成两路并给出预设光程差，然后再通过光纤环形器端口c经过远传光纤抵达光纤传感器网络中每一个光纤传感器进行匹配干涉，最后再将干涉信号通过端口d传回到探测器，如图1所示；其二则是先通过端口b通过远传光纤将光信号送到光纤传感器网络，进行分光并生成测量光程差，然后再通过远传光纤传回到光纤环形器，经过端口c到达光程匹配扫描器实现光程匹配和干涉测量，最后再将干涉测量信号通过端口d传回到探测器，如图5所示。当系统中的所有光学器件都是光互易的且是线性的，则这两者没有本质差别。

图5对应的情况是，所给出的Smith谐振干涉型光程匹配扫描器是反射型的，在这种情况下，对应的拓扑连接属于典型的四点之间的连接，因此需要采用四端口光纤环形器。为了进一步给出更为直观的说明，图5中以Smith谐振干涉型光程匹配扫描器为实施例，给出了典型光路的连接组合方式。在该系统中，通过四端口光纤环形器，将宽带ASE光源通过端口a到端口b注入到线性阵列光纤传感网络中。该系统中的光纤传感器是由一系列标准单模光纤被切割成长度大致相等的光纤段进行级联后组成的，其中每一段光纤的长度都不同L_i≠L_j i,j＝1,2,...,N，这时每一段光纤都可看做一个独立的长度微小形变测量仪，这就形成了准分布式光纤形变测量系统，如图5所示。由光纤传感器网络中每一个光纤传感器反射回来的光信号经过远传光纤4离开端口b，通过端口c，被送入Smith谐振干涉型光程匹配扫描器中。该光程相关器的作用有二，一是将来自同一光纤传感器的反射光分成两束；二是使这两束光信号产生可调整的光程差并通过调整扫描反射镜的位置来实现与被测光纤传感器光程的匹配。经过Smith谐振干涉型光程匹配扫描器匹配的光信号将发生干涉，这些干涉信号离开端口c被送到光电探测器6中，经信号处理单元放大处理后，就转换成所对应的每个光纤传感器长度变化的信号，从而实现了准分布式形变的测量。该系统不仅可以实现结构各个部件的准分布形变测量，也可用于准分布式温度测量。可在土木工程的智能结构健康监测领域中得到广泛的应用。

Claims (5)

1.一种基于Smith谐振干涉型光程匹配扫描器的低相干光纤形变传感器网络解调系统，由宽谱光源(1)、四端口光纤环行器(2)、Smith谐振干涉型光程匹配扫描器(3)、传输光纤(4)、光纤传感器网络(5)、光电探测信号放大器(6)以及信号处理单元(7)组成，其特征是：系统中宽谱光源发出的光经由四端口光纤环行器后被注入到Smith谐振干涉型光程匹配扫描器，Smith谐振干涉型光程匹配扫描器产生光程差可调的两束问讯光信号，经由四端口光纤环行器后通过传输光纤被送入光纤传感器网络，由光纤传感器网络反射回来的干涉信号光再次通过传输光纤，经由四端口光纤环行器被光电探测器所接收并被放大，信号最后经由信号处理单元处理后给出测量结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于Smith谐振干涉型光程匹配扫描器的低相干光纤形变传感器网络解调系统，其特征是：所述的Smith谐振干涉型光程匹配扫描器是通过一个2×2光纤耦合器(31)，一端与光纤准直器(32)和可调前后移动的平面光学反射镜(33)构成光程扫描部分，另外两端直接镀有反射镜构成了光学谐振腔，光纤准直器被固定在一个精密滑移台的基座上，一个平面光学反射镜被固定在可以滑移的平台上，正对着光纤准直器，构成了一个光程可调的Smith谐振干涉型光程匹配扫描器。

3.根据权利要求1所述的一种基于Smith谐振干涉型光程匹配扫描器的低相干光纤形变传感器网络解调系统，其特征是：所述的光纤传感网络是由基本的光纤传感器阵列组成的，而光纤传感器阵列则是由若干个首尾依次串接的光纤传感器组成，每个光纤传感器则是由一段两端带有光纤插芯的单模光纤组成，将一系列长度不等的单模光纤段构成首尾相接的串行阵列，并通过1×N，N＝2，3，4…光纤星形耦合器构成总线式光纤传感网络拓扑结构、星形光纤传感网络拓扑结构和复合星形光纤传感网络拓扑结构。

4.根据权利要求3所述的一种基于Smith谐振干涉型光程匹配扫描器的低相干光纤形变传感器网络解调系统，其特征是：采用的光纤形变传感器网络的拓扑结构中的的光纤传感阵列可通过增加一个1×M多路光纤开关的选通连接将M个光纤传感阵列构造成一个巡回检测的N×M个线性光纤传感器网络。

5.根据权利要求1所述的一种基于Smith谐振干涉型光程匹配扫描器的低相干光纤形变传感器网络解调系统，其特征是：采用的四端口光纤环行器将Smith谐振干涉型光程匹配扫描器和准分布光纤传感器网络进行连接。