CN105423944B - 一种分布式光纤曲率传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于传感器技术领域，公开了一种分布式光纤曲率传感器，包括：调频单元、脉冲调制单元、传感光纤、光源以及光信号处理单元；所述光源分别与所述调频单元以及所述脉冲调制单元，输出光信号；所述调频单元与所述传感光纤第一端相连，发送调频后的光信号；所述脉冲调制单元与所述传感光纤的第二端相连，向所述传感光纤输送光脉冲信号；所述光信号处理单元与所述传感光纤相连，接收所述传感光纤的输出光信号，并解析得到布里渊频移；其中，所述传感光纤采用少模光纤，所述少模光纤的模式包括2～5模。本发明通过传感器实现连续的曲率测量，同时高精度针对性的测量曲率变化。

Description

一种分布式光纤曲率传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种分布式光纤曲率传感器。
背景技术
目前，基于光纤的曲率传感器的基本原理主要是对由于光纤弯曲所引起的光纤中传输光的强度或相位变化进行测量，以计算出光纤的弯曲情况。
基本技术原理主要包括：长周期光纤光栅技术，布拉格光纤光栅技术，光纤Sagnac环技术，Mach-Zehnder干涉技术以及光纤定向耦合技术。然而，基于以上技术所设计的光纤曲率都是单点式或多点式，无法实现对整条光纤曲率的连续测量，限制了其应用场景。
发明内容
本发明提供一种分布式光纤曲率传感器，解决现有技术中曲率测量的位置少，无法连续测量，严重制约了应用范围的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种分布式光纤曲率传感器，包括：调频单元、脉冲调制单元、传感光纤、光源以及光信号处理单元；
所述光源分别与所述调频单元以及所述脉冲调制单元，输出光信号；
所述调频单元与所述传感光纤第一端相连，发送调频后的光信号；
所述脉冲调制单元与所述传感光纤的第二端相连，向所述传感光纤输送光脉冲信号；
所述光信号处理单元与所述传感光纤相连，接收所述传感光纤的输出光信号，并解析得到布里渊频移；
其中，所述传感光纤采用少模光纤，所述少模光纤的模式包括2～5模。
进一步地，所述调频单元包括：第一偏振控制器、第一电光调制器、微波源、第二偏振控制器以及扰偏器；
所述微波源与所述第一电光调制器相连，驱动所述第一电光调制器动作；
所述第一偏振控制器与所述光源相连，获取光源光信号并调整偏振态，输出一次偏振光信号；
所述第一电光调制器的输入端与所述第一偏振控制器的输出端相连，获取所述一次偏振光信号并调节其频率；
所述第二偏振控制器与所述第一电光调制器输出端相连，获取调频后的光信号并调整其偏振态，输出二次偏振光信号；
所述扰偏器与所述第二偏振控制器输出端相连，再次调整偏振态，后输出给所述传感光纤。
进一步地，所述脉冲调制单元包括：第三偏振控制器、第二电光调制器、任意波形发生器以及光放大器；
所述第三偏振控制器与所述光源相连，获取所述光源光信号并调整偏振态；
所述第二电光调制器的输入端分别与所述任意波形发生器以及所述第三偏振控制器相连，输出脉冲光信号；
所述光放大器分别与所述第二电光调制器的输出端相连，放大功率并输入到所述传感光纤，激发布里渊散射效应。
进一步地，所述光信号处理单元包括：光滤波器、光电探测器、数据采集卡及数字信号处理器；
所述光滤波器与所述传感光纤相连，获取其输出光中的斯托克斯光时域信号；
所述光滤波器的输出端依次通过光电探测器、数据采集卡与所述数字信号处理器相连；
所述数据采集卡与所述任意波形发生器相连，驱动数据采集动作；
其中，所述数据采集卡采集时域数据，得到整条传感光纤在对应频率下的布里渊增益；
数字信号处理器将得到的整条传感光纤在对应频率下的布里渊增益进行拟合优化，得到传感光纤上每一点对应的布里渊谱线。。
进一步地，所述脉冲调制单元、所述传感光纤及光信号处理单元通过环形器相连；
其中，所述脉冲调制单元与所述环形器的第一端口相连，所述传感光纤的第二端与所述环形器的第二端口相连，所述光信号处理单元与所述环形器的输出端，即第三端口相连。
一种曲率测量方法，采用上述分布式光纤曲率传感器进行测量；
其中，所述传感光纤缠绕在被测量物表面，测量曲率变化。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
1、本申请实施例中提供的分布式光纤曲率传感器，利用布里渊散射效应，通过调频单元调整光源光信号的频率；当信号光强最大时，调节的频率等于光纤该点的布里渊频移，即得到最精确可靠的布里渊频移。通过脉冲调制单元输出脉冲光信号到传感光纤中，实现信号定位，得到整条光纤中各点的布里渊频移实现分布式测量，大大提升监测的范围和适应性。
2、本申请实施例中提供的分布式光纤曲率传感器，在具体使用时，通过将传感光纤设置在被检测物的表面，在表面曲面变化的情况下，光纤发生弯曲，其光轴会发生偏移并引起弯曲应力，进而使这一点的布里渊频移改变，并且其布里渊频移与弯曲半径有明确的对应关系，使得曲率测量更为精确可靠。
3、本申请实施例中提供的分布式光纤曲率传感器，采用少模光纤作为传感光纤，直接感应被测对象的曲面形变；少模光纤中的布里渊频移对于光纤弯曲十分敏感，感应效率和精度十分优良。同时，由于光纤中不同模式的布里渊频移各不相同，少模光纤模式容量小，模式耦合并不容易发生，一定程度上提升了测量精度，和数据可靠性，避免了模间串扰导致的测量错误。
4、本申请实施例中提供的分布式光纤曲率传感器，采用传感光纤缠绕或者铺设在需要测量的物体之上，通过以上操作测量光纤每一点的布里渊频移，即可得知所需测量物体的曲率变化，完整而连续。
附图说明
图1为本发明实施例提供的分布式光纤曲率传感器的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的光纤曲率半径与布里渊频移的关系示意图。
具体实施方式
本申请实施例通过提供一种分布式光纤曲率传感器，解决现有技术中曲率测量的位置少，无法连续测量，严重制约了应用范围的技术问题；实现了分布式测量，使得利用光纤进行连续曲率测量成为可能，使得光纤曲率传感器有了更广阔的应用的场景。
为解决上述技术问题，本申请实施例提供技术方案的总体思路如下：
一种分布式光纤曲率传感器，包括：调频单元、脉冲调制单元、传感光纤、光源以及光信号处理单元；
所述光源分别与所述调频单元以及所述功率调节单元，输出光信号；
所述调频单元与所述传感光纤第一端相连，发送调频后的光信号；
所述脉冲调制单元与所述传感光纤的第二端相连，向所述传感光纤输送光脉冲信号；
所述光信号处理单元与所述传感光纤相连，接收所述传感光纤的输出光信号，并解析得到布里渊频移；
其中，所述传感光纤采用少模光纤，所述少模光纤的模式包括2～5模。
通过上述内容可以看出，利用布里渊光时域分析技术，对少模光纤中的布里渊频移进行测定，然后通过少模光纤弯曲半径与布里渊频移的对应关系，计算出光纤上每一点对应的弯曲情况，实现了分布式曲率传感。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
参见图1，本发明实施例提供的一种分布式光纤曲率传感器，包括：调频单元、脉冲调制单元、传感光纤、光源以及光信号处理单元；
所述光源分别与所述调频单元以及所述脉冲调制单元，输出光信号；
所述调频单元与所述传感光纤第一端相连，发送调频后的光信号；
所述脉冲调制单元与所述传感光纤的第二端相连，向所述传感光纤输送光脉冲信号；
所述光信号处理单元与所述传感光纤相连，接收所述传感光纤的输出光信号，并解析得到布里渊频移；
其中，所述传感光纤采用少模光纤，所述少模光纤的模式包括2～5模。
进一步地，所述调频单元包括：第一偏振控制器、第一电光调制器、微波源、第二偏振控制器以及扰偏器；
所述微波源与所述第一电光调制器相连，驱动所述第一电光调制器动作；
所述第一偏振控制器与所述光源相连，获取光源光信号并调整偏振态，输出一次偏振光信号；
所述第一电光调制器的输入端与所述第一偏振控制器的输出端相连，获取所述一次偏振光信号并调节其频率；
所述第二偏振控制器与所述第一电光调制器输出端相连，获取调频后的光信号并调整其偏振态，输出二次偏振光信号；
所述扰偏器与所述第二偏振控制器输出端相连，再次调整偏振态，后输出给所述传感光纤。
进一步地，所述脉冲调制单元包括：第三偏振控制器、第二电光调制器、任意波形发生器以及光放大器；
所述第三偏振控制器与所述光源相连，获取所述光源光信号并调整偏振态；
所述第二电光调制器的输入端分别与所述任意波形发生器以及所述第三偏振控制器相连，输出脉冲光信号；
所述光放大器分别与所述第二电光调制器的输出端相连，放大功率并输入到所述传感光纤，激发布里渊散射效应。
进一步地，所述光信号处理单元包括：光滤波器、光电探测器、数据采集卡及数字信号处理器；
所述光滤波器与所述传感光纤相连，获取其输出光中的斯托克斯光时域信号；
所述光滤波器的输出端依次通过光电探测器、数据采集卡与所述数字信号处理器相连；
所述数据采集卡与所述任意波形发生器相连，驱动数据采集动作；
其中，所述数据采集卡采集时域数据，得到整条传感光纤在对应频率下的布里渊增益；
数字信号处理器将得到的整条传感光纤在对应频率下的布里渊增益进行拟合优化，得到传感光纤上每一点对应的布里渊谱线。。
进一步地，所述脉冲调制单元、所述传感光纤及光信号处理单元通过环形器相连；
其中，所述脉冲调制单元与所述环形器的第一端口相连，所述传感光纤的第二端与所述环形器的第二端口相连，所述光信号处理单元与所述环形器的输出端，即第三端口相连。
一种曲率测量方法，采用上述分布式光纤曲率传感器进行测量；
其中，所述传感光纤缠绕在被测量物表面，测量曲率变化。
参见图2，对于普通单模光纤而言，其布里渊频移与光纤弯曲关系并不明显，而少模光纤中的布里渊频移对于光纤弯曲较为敏感。同时，由于光纤中不同模式的布里渊频移各不相同，而多模光纤中很容易发生模间串扰，容易导致测量错误。而少模光纤由于其中模式容量小，模式耦合并不容易发生。
具体而言，除了传感光纤其余光纤皆为普通单模光纤。
光源为窄线宽光源，线宽小于100KHz。通过耦合器分成两束分别发送给所述第一偏振控制器和所述第三偏振控制器。
耦合器为3dB耦合器。
偏振控制器的作用在于，其后的器件对于输入光偏振态有特定要求，使得光输入更为高效，精确。
经过由微波源驱动的第一电光调制器的光，发生了频率改变，改变量与微波源输出频率相同。
扰偏器快速随机地改变进入传感光纤光的偏振态，消除测量中某一或者几个偏振态对测量数据产生的偶然性影响。
经过由任意波形发生器驱动的第二电光调制器的光，产生了与任意波形发生器电信号一致的脉冲光。
光放大器将输入的光放大到一个较大的功率通过环形器进入传感光纤，这个功率应当小于传感光纤受激布里渊阈值。
传感光纤为少模光纤，能够支持两到五种空间模式在其中传播。通过中心对准连接方式将少模光纤连入单模光纤系统，保证只激励少模光纤中的基模。
光滤波器只让有用的斯托克斯光进入光电探测器。
采集卡根据任意波形发生器的触发信号进行数据采集。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
1、本申请实施例中提供的分布式光纤曲率传感器，利用布里渊散射效应，通过调频单元调整光源光信号的频率；当信号光强最大时，调节的频率等于光纤该点的布里渊频移，即得到最精确可靠的布里渊频移。通过脉冲调制单元输出脉冲光信号到传感光纤中，实现信号定位，得到整条光纤中各点的布里渊频移实现分布式测量，大大提升监测的范围和适应性。
2、本申请实施例中提供的分布式光纤曲率传感器，在具体使用时，通过将传感光纤设置在被检测物的表面，在表面曲面变化的情况下，光纤发生弯曲，其光轴会发生偏移并引起弯曲应力，进而使这一点的布里渊频移改变，并且其布里渊频移与弯曲半径有明确的对应关系，使得曲率测量更为精确可靠。
3、本申请实施例中提供的分布式光纤曲率传感器，采用少模光纤作为传感光纤，直接感应被测对象的曲面形变；少模光纤中的布里渊频移对于光纤弯曲十分敏感，感应效率和精度十分优良。同时，由于光纤中不同模式的布里渊频移各不相同，少模光纤模式容量小，模式耦合并不容易发生，一定程度上提升了测量精度，和数据可靠性，避免了模间串扰导致的测量错误。
4、本申请实施例中提供的分布式光纤曲率传感器，采用传感光纤缠绕或者铺设在需要测量的物体之上，通过以上操作测量光纤每一点的布里渊频移，即可得知所需测量物体的曲率变化，完整而连续。
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，尽管参照实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 (3)

1.一种分布式光纤曲率传感器，其特征在于，包括：调频单元、脉冲调制单元、传感光纤、光源以及光信号处理单元；
所述光源分别与所述调频单元以及所述脉冲调制单元相连，输出光信号；
所述调频单元与所述传感光纤第一端相连，发送调频后的光信号；
所述脉冲调制单元与所述传感光纤的第二端相连，向所述传感光纤输送光脉冲信号；
所述光信号处理单元与所述传感光纤相连，接收所述传感光纤的输出光信号，并解析得到布里渊频移；
其中，所述传感光纤采用少模光纤，所述少模光纤的模式包括2～5模；
其中，所述调频单元包括：第一偏振控制器、第一电光调制器、微波源、第二偏振控制器以及扰偏器；
所述微波源与所述第一电光调制器相连，驱动所述第一电光调制器动作；
所述第一偏振控制器与所述光源相连，获取光源光信号并调整偏振态，输出一次偏振光信号；
所述第一电光调制器的输入端与所述第一偏振控制器的输出端相连，获取所述一次偏振光信号并调节其频率；
所述第二偏振控制器与所述第一电光调制器输出端相连，获取调频后的光信号并调整其偏振态，输出二次偏振光信号；
所述扰偏器与所述第二偏振控制器输出端相连，再次调整偏振态，后输出给所述传感光纤；
所述脉冲调制单元包括：第三偏振控制器、第二电光调制器、任意波形发生器以及光放大器；
所述第三偏振控制器与所述光源相连，获取所述光源光信号并调整偏振态；
所述第二电光调制器的输入端分别与所述任意波形发生器以及所述第三偏振控制器相连，输出脉冲光信号；
所述光放大器分别与所述第二电光调制器的输出端相连，放大功率并输入到所述传感光纤，激发布里渊散射效应；
所述光信号处理单元包括：光滤波器、光电探测器、数据采集卡及数字信号处理器；
所述光滤波器与所述传感光纤相连，获取其输出光中的斯托克斯光时域信号；
所述光滤波器的输出端依次通过光电探测器、数据采集卡与所述数字信号处理器相连；
所述数据采集卡与所述任意波形发生器相连，驱动数据采集动作；
其中，所述数据采集卡采集时域数据，得到整条传感光纤在对应频率下的布里渊增益；
数字信号处理器将得到的整条传感光纤在对应频率下的布里渊增益进行拟合优化，得到传感光纤上每一点对应的布里渊谱线。
2.如权利要求1所述的分布式光纤曲率传感器，其特征在于，所述脉冲调制单元、所述传感光纤及光信号处理单元通过环形器相连；
其中，所述脉冲调制单元与所述环形器的第一端口相连，所述传感光纤的第二端与所述环形器的第二端口相连，所述光信号处理单元与所述环形器的输出端，即第三端口相连。
3.一种曲率测量方法，其特征在于：采用上述权利要求2所述的分布式光纤曲率传感器进行测量；
其中，所述传感光纤缠绕在被测量物表面，测量曲率变化。
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