CN105115525A - 一种光纤传感网络一体化同步共线解调系统及传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤传感网络一体化同步共线解调系统及传感系统，其中解调系统包括单纵模激光器、光纤放大器、第一耦合器、第二耦合器、光纤光栅波长解调单元、高频光电探测器、起偏器、脉冲调制器、扰偏器、双端口光纤ASE放大器、第一环行器、第二环行器、相移光栅滤波器、信号放大与滤波单元以及布里渊光电信号频率解析单元；第一环行器的第二端口连接第二环行器的第一端口，第二环行器的第二端口和第三端口分别连接相移光栅滤波器的输入端及高频光电探测器输入端，信号放大与滤波单元输出端连接布里渊光电信号频率解析单元。本发明具有功能多样、系统简化、兼容性强，可形成网络化解调与实时共线同步监测等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种闭环动态滤波的光纤传感网络一体化同步共线解调系统与传感系统，可以实现光纤光栅与光纤布里渊散射传感以及其他分布式光纤传感系统一体化组网与实时同步共线监测。
背景技术
光纤传感技术是利用光波调制技术即利用光波参量调制的方式来实现待测信息的提取。目前的光纤传感系统主要应变片，光纤Bragg光栅(FBG)传感，基于布里渊散射的分布式光纤传感以及基于拉曼散射的分布式光纤传感等。其中光纤光栅传感系统为准分布式传感，在单根光纤上刻写多个不同波长的光纤光栅传感器串联形成传感器阵列，通过测量外界物理量所引起光栅反射波长的变化而实现传感；光纤布里渊传感系统为全分布式，即整根光纤作为传感器，通过测量外界物理量引起光纤各点的布里渊散射光频率变化进行传感。光纤光栅传感优点在于精度高，可实现高速动态监测；而光纤布里渊传感系统能利用一根光纤实现几十公里范围的全面监测，缺点在于仅能实现静态监测，且精度低于光纤光栅传感系统。而拉曼散射的分布式光纤传感仅能用于温度传感。在许多工程结构中，往往要求能够通过多种光纤传感系统协同监测，利用不同传感系统的独特优势以实现对其损伤与健康状态全面评估。然而现有多种光纤传感系统间信号不兼容，串扰严重，无法实现实时共线解调，组成传感网络。因此目前基本采用不同系统分别独立工作，利用各自的光纤光路进行传感与传输，这导致系统间信号不同步，无法协同组网，系统复杂，成本较高。此外，由于光纤传感器位置差别、光纤参数不同会导致较大导致测量偏差。
在许多工程结构尤其是大型结构中，往往要求能够通过多种传感技术的一体化融合，通过的实时共线同步监测，形成可覆盖工程结构及结构群的区域分布式多层次多功能传感网络，以同时满足对结构全面监测与综合评估。这对大型结构的长期健康监测具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供一种功能多样、系统简化、兼容性强，可形成网络化监测的实现光纤光栅与光纤布里渊散射传感以及其他分布式光纤传感系统一体化同步共线解调系统及具体该解调系统的传感系统。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种光纤传感网络一体化同步共线解调系统，包括单纵模激光器、光纤放大器、第一耦合器、第二耦合器、光纤光栅波长解调单元、高频光电探测器、起偏器、脉冲调制器、扰偏器、双端口光纤ASE放大器、第一环行器、第二环行器、相移光栅滤波器、信号放大与滤波单元以及布里渊光电信号频率解析单元；所述单纵模激光器输出端连接光纤放大器输入端，光纤放大器输出端连接第一耦合器输入端，第一耦合器第一输出端连接第二耦合器的输入端，第一耦合器第二输出端连接起偏器的输入端，第二耦合器的两个输出端分别连接光纤光栅波长解调单元的输入端与高频光电探测器，起偏器的输出端连接脉冲调制器的输入端，脉冲调制器的输出端连接扰偏器的输入端，扰偏器的输出端连接双端口光纤ASE放大器的输入端，双端口光纤ASE放大器的输出端连接第一环形器的第一端口，第一环行器的第二端口连接第二环行器的第一端口，第一环行器的第三端口为一体化传感网络的输出信号连接端，第二环行器的第二端口和第三端口分别连接相移光栅滤波器的输入端及高频光电探测器输入端，相移光栅滤波器的输出端与控制端分别连接光纤光栅波长解调单元的输入端与控制端，高频光电探测器输出端连接信号放大与滤波单元输入端，信号放大与滤波单元输出端连接布里渊光电信号频率解析单元。
所述相移光栅滤波器通过设计合适相移可控制反射与透射波长，实现选择布里渊斯托克斯与反斯托克斯光的反射而光纤光栅传感器阵列的光则透射。
所述一体化传感网络为光纤光栅传感器阵列与布里渊传感光纤的一体化网络。
一种光纤传感网络一体化同步共线传感系统，包括单纵模激光器、光纤放大器、第一耦合器、第二耦合器、光纤光栅波长解调单元、高频光电探测器、起偏器、脉冲调制器、扰偏器、双端口光纤ASE放大器、第一环行器、光纤光栅传感器阵列与布里渊传感光纤一体化传感网络、第二环行器、相移光栅滤波器、信号放大与滤波单元以及布里渊光电信号频率解析单元；所述单纵模激光器输出端连接光纤放大器输入端，光纤放大器输出端连接第一耦合器输入端，第一耦合器第一输出端连接第二耦合器的输入端，第一耦合器第二输出端连接起偏器的输入端，第二耦合器的两个输出端分别连接光纤光栅波长解调单元的输入端与高频光电探测器，起偏器的输出端连接脉冲调制器的输入端，脉冲调制器的输出端连接扰偏器的输入端，扰偏器的输出端连接双端口光纤ASE放大器的输入端，双端口光纤ASE放大器的输出端连接第一环形器的第一端口，第一环行器的第二端口连接一体化传感网络，第一环行器的第三端口连接第二环行器的第一端口，第二环行器的第二端口和第三端口分别连接相移光栅滤波器的输入端及高频光电探测器输入端，相移光栅滤波器的输出端与控制端分别连接光纤光栅波长解调单元的输入端与控制端，高频光电探测器输出端连接信号放大与滤波单元输入端，信号放大与滤波单元输出端连接布里渊光电信号频率解析单元。
所述一体化传感网络为光纤光栅传感器阵列与布里渊传感光纤的一体化网络。
本发明单纵模激光器发出的连续光经光纤放大器放大后通过第一耦合器分为两路，一路进入起偏器作为布里渊散射传感光，而另一路经第二耦合器后再次分为两路，分别进入光纤光栅波长解调单元的输入端与高频光电探测器。其中进入波长解调单元的光作为参考光，当解调单元探测到参考光波长后，通过反馈控制相移光栅滤波器的波长，可有效分离光纤光栅传感器波长以及布里渊散射光信号。而另一路进入到高频光电探测器的光则为本振光，用于相干探测。布里渊散射传感光依次经过起偏器、脉冲调制器、扰偏器后成为偏振态随机变化的脉冲光，进入双端口光纤ASE放大器进行信号放大后，放大的脉冲光与ASE光共同经第一环行器后进入光纤光栅传感器阵列与布里渊传感光纤一体化传感网络。传感网络反射的光纤光栅光信号与布里渊散射光信号经环行器后再次进入第二环行器，其中光纤光栅光信号经相移光栅滤波器透射进入光纤光栅波长解调单元进行波长检测，而布里渊散射光信号经相移光栅滤波器反射后进入高频光电探测器，与本振光相干后进入信号放大与滤波单元并进行布里渊光电信号频率解析。
本发明解调系统和传感系统，利用光纤光栅波长解调单元，在实现对光纤光栅传感器波长探测的同时，对光纤布里渊传感光源以及布里渊散射光波长进行探测，同时利用相移光栅分离布里渊散射光信号、光纤光栅传感器光信号以及瑞利散射、端面反射光等基底噪声，同时通过闭环反馈控制相移光栅波长，精确锁定相移光栅波长以实现动态滤波，实现不同光纤传感系统组成的传感网络解调与同步共线监测。
与现有技术相比，本发明具有的优点：1.可以实现光纤光栅与光纤布里渊散射传感以及其他分布式光纤传感系统一体化组网与实时同步共线监测；2功能多样、系统简化、兼容性强，可形成网络化监测；3.系统结构简化且稳定性好，成本低，性价比高。
附图说明
图1是本发明系统原理示意图。
其中：1、单纵模激光器；2、光纤放大器；3、第一耦合器；4、起偏器；5、第二耦合器；6、波长解调单元；7、高频光电探测器；8、相移光栅滤波器；9、脉冲调制器；10、扰偏器；11、ASE放大器；12、第一环行器；13、光纤光栅传感器阵列与布里渊传感光纤一体化传感网络，14、第二环形器，15、信号放大与滤波单元；16、布里渊光电信号频率解析单元。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，单纵模激光器1发出的连续光经光纤放大器2放大后通过第一耦合器3分为两路，一路进入起偏器4作为布里渊散射传感光，而另一路经第二耦合器5后再次分为两路，分别进入光纤光栅波长解调单元6的输入端与高频光电探测器7。其中进入波长解调单元6的光作为参考光，当波长解调单元6探测到参考光波长后，通过反馈控制相移光栅滤波器8的波长，可有效分离光纤光栅传感器波长以及布里渊散射光信号。而另一路进入到高频光电探测器7的光则为本振光，用于相干探测。布里渊散射传感光依次经过起偏器4、脉冲调制器9、扰偏器10后成为偏振态随机变化的脉冲光，进入双端口光纤ASE放大器11进行信号放大后，放大的脉冲光与ASE光作为双系统复用光源共同经第一环行器12后进入光纤光栅传感器阵列与布里渊传感光纤一体化传感网络13。传感网络反射的光纤光栅光信号与布里渊散射光信号经第一环行器12后进入第二环行器14，其中光纤光栅光信号经相移光栅滤波器8透射进入光纤光栅波长解调单元6进行波长检测，而布里渊散射光信号经相移光栅滤波器8反射后经第二环形器14进入高频光电探测器7，与本振光相干后进入信号放大与滤波单元15并进入布里渊光电信号频率解析单元16。
由于布里渊散射光波长与单纵模激光器1波长之间的波长差为固定值，利用光纤光栅波长解调单元6探测到单纵模激光器1波长后，便可通过闭环动态控制相移光栅滤波器8的波长，使其反射滤波的波长与布里渊散射光信号保持一致，从而使得光纤光栅传感器阵列波长可通过相移光栅滤波器8进入光纤光栅波长解调单元6进行传感解调，而布里渊散射光包含斯托克斯与反斯托克斯光则由于相移光栅特性被反射进入高频光电探测器7进行相干检测，因此在发明中光纤光栅解调系统与布里渊传感系统实时共线同步监测并非简单的双系统组合，二者为互相关的而非相互独立，能够在实现多个传感系统组成传感网络的实时共线监测、信号分离同时，无需额外波长锁定单元，因而能有效简化系统并降低成本。
此外，利用本发明闭环动态滤波及传感网络解调方案，通过传感光源波长选择与耦合光路增加、滤波器多波长化，可扩展将更多分布式光纤传感系统如但不限于基于拉曼散射的光纤传感系统进行兼容组网，形成多个光纤传感技术一体化同步解调与监测网络。
Claims (5)
1.一种光纤传感网络一体化同步共线解调系统，包括单纵模激光器、光纤放大器、第一耦合器、第二耦合器、光纤光栅波长解调单元、高频光电探测器、起偏器、脉冲调制器、扰偏器、双端口光纤ASE放大器、第一环行器、第二环行器、相移光栅滤波器、信号放大与滤波单元以及布里渊光电信号频率解析单元；所述单纵模激光器输出端连接光纤放大器输入端，光纤放大器输出端连接第一耦合器输入端，第一耦合器第一输出端连接第二耦合器的输入端，第一耦合器第二输出端连接起偏器的输入端，第二耦合器的两个输出端分别连接光纤光栅波长解调单元的输入端与高频光电探测器，起偏器的输出端连接脉冲调制器的输入端，脉冲调制器的输出端连接扰偏器的输入端，扰偏器的输出端连接双端口光纤ASE放大器的输入端，双端口光纤ASE放大器的输出端连接第一环形器的第一端口，第一环行器的第二端口连接第二环行器的第一端口，第一环行器的第三端口为一体化传感网络的输出信号连接端，第二环行器的第二端口和第三端口分别连接相移光栅滤波器的输入端及高频光电探测器输入端，相移光栅滤波器的输出端与控制端分别连接光纤光栅波长解调单元的输入端与控制端，高频光电探测器输出端连接信号放大与滤波单元输入端，信号放大与滤波单元输出端连接布里渊光电信号频率解析单元。
2.根据权利要求1所述的光纤传感网络一体化同步共线解调系统，其特征在于：所述相移光栅滤波器通过设计合适相移可控制反射与透射波长，实现选择布里渊斯托克斯与反斯托克斯光的反射而光纤光栅传感器阵列的光则透射。
3.根据权利要求1或2所述的光纤传感网络一体化同步共线解调系统，其特征在于：所述一体化传感网络为光纤光栅传感器阵列与布里渊传感光纤的一体化网络。
4.一种光纤传感网络一体化同步共线传感系统，其特征在于：包括单纵模激光器、光纤放大器、第一耦合器、第二耦合器、光纤光栅波长解调单元、高频光电探测器、起偏器、脉冲调制器、扰偏器、双端口光纤ASE放大器、第一环行器、光纤光栅传感器阵列与布里渊传感光纤一体化传感网络、第二环行器、相移光栅滤波器、信号放大与滤波单元以及布里渊光电信号频率解析单元；所述单纵模激光器输出端连接光纤放大器输入端，光纤放大器输出端连接第一耦合器输入端，第一耦合器第一输出端连接第二耦合器的输入端，第一耦合器第二输出端连接起偏器的输入端，第二耦合器的两个输出端分别连接光纤光栅波长解调单元的输入端与高频光电探测器，起偏器的输出端连接脉冲调制器的输入端，脉冲调制器的输出端连接扰偏器的输入端，扰偏器的输出端连接双端口光纤ASE放大器的输入端，双端口光纤ASE放大器的输出端连接第一环形器的第一端口，第一环行器的第二端口连接一体化传感网络，第一环行器的第三端口连接第二环行器的第一端口，第二环行器的第二端口和第三端口分别连接相移光栅滤波器的输入端及高频光电探测器输入端，相移光栅滤波器的输出端与控制端分别连接光纤光栅波长解调单元的输入端与控制端，高频光电探测器输出端连接信号放大与滤波单元输入端，信号放大与滤波单元输出端连接布里渊光电信号频率解析单元。
5.根据权利要求3所述的光纤传感网络一体化同步共线传感系统，其特征在于：所述一体化传感网络为光纤光栅传感器阵列与布里渊传感光纤的一体化网络。
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