CN106052720B - 光纤传感系统以及光纤传感系统线路消扰的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属光纤传感技术领域，具体为一种使光纤传感系统中具有传感功能的光纤传输路径的外界噪声扰动消减的方法。该方法在感应光纤末端使用光纤分路器，在构成原光路传输路径的同时，增加一新的光传输路径，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和反馈装置构成，用于独立提取传输路径上的外界噪声扰动信号；利用反射镜和法拉第旋转镜的传输特性，在干涉信号中产生的独特相位效果，将传输路径拾取的外界噪声信号直接从光信号中消减，从而获得目标测量信号。这种方法结构简单，信号处理极其方便，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。该技术可用于语音传感，也可用于自由振动面测量或速度测量等。

Description

光纤传感系统以及光纤传感系统线路消扰的方法

技术领域

本发明属光纤传感技术领域，具体涉及一种光纤传感系统以及光纤传感系统线路消扰的方法。

背景技术

随着光纤传感技术的发展，光纤传感的应用愈加广泛，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。在光纤传感系统的实际应用中，通常会有长距离的传输光纤或光缆，对于这些光纤或光缆，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，其自身可以感应外界物理量，比如外界噪声扰动。参见完成于2006年5月的复旦大学材料学院的硕士论文，题目为全光纤单芯语音传输系统及其保密性研究，在论文中提到一种进行语音传输的光纤传感装置，其具体结构参见图1，其中，标记1、2、3、4、5分别为标记30的3*3耦合器的端口，标记6、7、8为标记50的2*2耦合器的端口，标记9为传输光纤，标记40为光纤延迟线，标记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。在该语音传输系统中，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干涉结构：两路相干涉的光传输方向相反，从端口8输出的光沿传输光纤9传输到反馈装置（在图1中，反馈装置为具有反射膜的话筒10），经反射后重新回到传输光纤9中反向传输。图1所示装置中，感应元为Al膜——当外界有声音信号作用在此感应元，A1膜会产生相应的振动；针对传输光纤9，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，根据光弹效应，在传输光纤9中传输的光信号的相位会发生改变。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，为了减少外界噪声扰动对具有传感功能却仅用作传输功能的光纤的影响，希望这部分传输光纤被放置在隔音箱或布设于相对安静的环境中。但在实际应用中，这种方案实现难度极大，而且在某些应用场合，只能利用已布设好的光纤（或光缆）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，系统的传感效果会受极大影响，甚至无法正常使用。

在先技术如专利申请号：2013104738119记载的技术，利用波分复用技术将仅包含传输路径光纤拾取的信号（即噪声干扰信号）提取出来，作为参考信号，用于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。这种技术，噪声干扰信号的消除，是在将光信号转变成电信号之后，对电信号进行进一步处理才能完成，因而需要对提取干扰信号的光信号进行单独的处理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使光纤传感系统中具有传感功能的光纤传输路径的外界噪声扰动消减的方法。

光纤传感系统，包括：

光源；

两个光纤耦合器，分别为第一光纤耦合器和第二光纤耦合器，用于光信号的分离和耦合；

光纤，用于光信号的传输；

光纤延迟器；

光源通过光纤与第一光纤耦合器连接，且第一光纤耦合器的两个端口分别通过光纤、光纤延迟器与第二光纤耦合器的两个端口连接；

光探测器，通过光纤与第一光纤耦合器的另外两个端口连接；

第二光纤耦合器的外接端口连接有反馈时的复用单元，复用单元设有两路光路径装置，其中一路光路径装置用于拾取目标信号和外界扰动噪声信号；另一路光路径装置用于拾取外界扰动噪声信号。

光纤延迟器为光纤延长线。

所述其中一路光路径装置包括用于感应外界扰动的传输光纤和用于感应目标信号的传感光纤以及光信号反馈装置，所述另一路光路径装置包括用于感应外界扰动的传输光纤和光信号反射装置。

光信号反馈装置为法拉第旋转镜和反射镜中的一个；光信号反射装置为法拉第旋转镜和反射镜中的另一个。

第一光纤耦合器、第二光纤耦合器均为均分耦合器。

光纤传感系统线路消扰的方法，本发明提出利用反射镜和法拉第旋转镜的传输特性，在干涉信号中产生的独特相位效果，将传输路径拾取的外界噪声信号直接从光信号中消减。本方法特征是：沿着光纤传输路径，使用光纤分路器，在构成原光路传输路径的同时，增加一新的光传输路径，该新的传输路径不包含感应单元，由具有感应能力而仅用于传输功能的光纤和反馈装置构成。采用的反射装置类型，与原光路使用的结构相对，即，原光路使用法拉第旋转反射结构，新路径则采用反射镜；原光路使用反射结构，新路径则采用法拉第旋转镜。这样，通过光纤分路器的分光作用，将原光路中一部分光功率的光分离出来，用于独立提取传输路径光纤拾取的信号。由于从光纤传输路径分离出的仅包含外界噪声扰动的信息的干涉信号，与包含外界噪声扰动的信息以及目标信息的干涉信号，具有180°的相位差，从而通过调节原路径与新路径的光传输损耗，使这两路干涉光均衡，可在光信号中直接将外界噪声扰动信号消减，从而直接将在传输路径上受到外界噪声扰动的目标信号分离出来。具体方法如下。

图2、图3、图4是光纤分路器采用2×2光纤耦合器时进行的光纤路径局部连接方式，其中，传感单元连接在传输光纤末端。

图2至图7中，11为传输光纤，12为传感光纤，13为法拉第旋转镜，14为由12、13构成的传感单元；16为2×2单模均分耦合器，16a、16b为耦合器输入端口，16c、16d为输出端口；15为接在光纤末端，用于构成完整干涉结构的结构单元；18为反馈单元，17为耦合器16、传感单元14、结构单元15构成的复用单元。如图2所示，原结构中，传感单元14直接连接在传输光纤11的末端。采用本发明的方法，连接方法如图3所示，耦合器16串接在传输光纤11与传感单元14之间，传输光纤11与端口16a相连，端口16c与传感单元14相连，端口16d与结构单元15相连，从干涉光路结构构成的角度来说，结构单元15具有与传感单元14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14后，经传感单元14内部的反馈装置作用后，光最终经14端口输出，重新进入传输光纤，在这种情况下，采用本发明的方法，结构单元15可为另一反馈装置18，如图4所示，端口16d与反馈装置18相连。因而，采用本发明的方法，在11中传输的一半光强的光等效于仍沿着原传输路径11→14→11传输，而另一半光强的光则避开传感单元，等效于直接由传输光纤11→11。

当传感系统的光路传感结构为如图5所示的单芯反馈式干涉结构时，使用本发明方法构成的结构形式如图6所示。图5至图7中，19为光源，20为3×3耦合器，22为2×2耦合器，21光纤延迟器， 23、24为光电探测器；光源19从耦合器20的端口输入，干涉信号亦从20的端口输出，进入光电探测器23、24。图5中，在传输光纤路径的末端接一传感单元14，耦合器20、22，及光纤延迟器21与传感单元14共同构成完整的干涉结构；图7按照本发明图3所示的方法，将传感单元14连接成复用单元17。在图7中，存在两个单芯反馈路径，一条路径为：11→14→11，该路径包括传输光纤和传感单元；另一条路径为：11→11，该路径仅包含传输光纤，无传感单元。两条路径分别形成的干涉信号，皆从耦合器20的端口输出并进入光电探测器23、24。

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。设2×2耦合器为均分，即分光比为50:50，由于传感单元中的反馈装置使用的是法拉第旋转镜FRM，则在传输路径中传输的光形成的干涉输出信号，由探测器23探测到的干涉光强P₁₁和由探测器24探测到的干涉光强P₁₂可以表示为：

其中，为传感单元感应外界物理量变化产生的相位差信号，为传输光纤感应到的外界扰动产生的相位差信号，为系统的初始相位，为常数，为与系统参数相关的量，为常数。由于在另一条传输路径中使用的反馈装置是反射镜RM，由于它与FRM在偏振特性上的差异，则在传输路径中传输的光形成的干涉输出信号，由探测器23、24分别探测到的干涉光强可表示为：

其中，为与系统参数相关的量，为常数。

由于在传感系统中使用的耦合器全为均分耦合器，则有。且系统传感的声音信号为小信号，幅度较小，则由声音信号引起的相位差信号也较小，因此可得到：

则式（1）、（2）、（3）、（4）可简化为：

在传感系统中，探测器23、24探测到的是路径和路径的叠加干涉光强，分别表示为：

令，则式（10）、（11）有：

式（12）减（13）得：

（14）

由式（14）即可得，因而，采用相应的信号处理手段，可以分离出目标测量信号，消减传输路径上的外界噪声扰动。

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的外界噪声扰动信号，将目标信号有效的提取出来，信号处理手段简便，提高了信号测量的精度，同时，可增强干涉测量系统对环境的适应性。该发明利用光器件的传输特性对光干涉信号产生的作用，构建参考传输路径，获取传输路径光纤感应的外界噪声扰动信号，对噪声干扰信号的消除，在光合同的时候，自动完成，无需对提取干扰信号的光信号进行单独的处理，结构简单，易于实现。

该技术可用于语音传感，也可用于自由振动面测量或速度测量等。

附图说明

图1为现有技术一种用来传输声音的光纤传感装置。

图2至图4均为传感单元连接在传输光纤末端时的光路连接方式。其中图2为现有技术原连接方式。图3为采用本发明所示方法的连接方式。图4为传感单元为具有反馈式结构时本发明的连接方式。

图5为传感系统的光路传感结构为单芯反馈式干涉结构时的原结构，图6为采用本发明实现的结构。

图7是采用本发明方法构成的一单芯反馈式电机振动信号传感结构。

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为传输光纤，12为传感光纤，13为法拉第旋转镜，14为由12、13构成的传感单元；15为接在光纤末端，用于构成完整干涉结构的结构单元；16为2×2单模均分耦合器，16a、16b为耦合器输入端口，16c、16d为输出端口；17为耦合器16、传感单元14、结构单元15构成的复用单元；18为反射镜，19为光源，20为均分的3×3光纤熔融拉锥型单模耦合器，其中，20a1、20a2、20a3为同相端口，20b1、20b2为同向端口；21光纤延迟器，22为均分的2×2光纤熔融拉锥型单模耦合器，其中，22a1、22a2为同相端口，22b1、22b2为同向端口；23、24为光电探测器；25为传输光纤；26为电机振动信号。

具体实施方式

图7是一利用单芯反馈式干涉结构进行电机振动信号传感的光路结构。图中，20为均分的3*3光纤熔融拉锥型单模耦合器，其中，11、25为传输光纤，12为传感光纤，13为法拉第旋转镜，18为反射镜，19为光源，20为均分的3×3光纤熔融拉锥型单模耦合器，其中，20a1、20a2、20a3为同相端口，20b1、20b2为同向端口；21为光纤延迟器；22为均分的2×2光纤熔融拉锥型单模耦合器，其中，22a1、22a2、为同相端口，22b1、22b2为同向端口；23、24为光电探测器； 26为电机振动信号。

在该实施例中，沿传输光纤11传输到传感光纤12的光受到电机振动信号的作用，光相位将发生改变，光入射法拉第旋转镜13并经其反射后重新沿光纤路径17原路返回。在该测量结构中，传感元是传感光纤12和法拉第旋转镜13的组合，传输路径11虽具有拾取外界噪声扰动信号的能力，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2×2耦合器的端口22b2，由一段极短的传输光纤接入反射镜18。

光源发出的光输入到耦合器20a1的端口；干涉信号从端口20a2、20a3输出后，分别接入光电探测器23、24。该结构中传输路径和相干涉的光传输路径为：

-1：20a1→20b1→21→22a1→22b1→11→12→13→12→11→22b1→22a2→20b2→20a2（20a3）

-2：20a1→20b2→22a2→22b1→11→12→13→12→11→22b1→22a1→21→20b1→20a2（20a3）

-1：20a1→20b1→21→22a1→22b2→25→18→25→22b2→22a2→20b2→20a2（20a3）

-2：20a1→20b2→22a2→22b2→25→18→25→22b2→22a1→21→20b1→20a2（20a3）

从沿-1和-2传输的这两束光相干涉的信号，可获得纯粹的传输路径外界噪声扰动信号；从沿-1和-2传输的这两束光相干涉的信号，可获得纯粹的传输路径外界噪声扰动信号以及传感单元测量的目标信号。在这种测量结构中，有

对光电探测器23、24获得的干涉光强，采用信号处理手段，即可把目标测量信号，即电机振动信号26提取出来。

Claims (4)

1.光纤传感系统，包括：

光源；

两个光纤耦合器，分别为第一光纤耦合器和第二光纤耦合器，用于光信号的分离和耦合；

光纤，用于光信号的传输；

光纤延迟器；

光源通过光纤与第一光纤耦合器连接，且第一光纤耦合器的两个端口分别通过光纤、光纤延迟器与第二光纤耦合器的两个端口连接；

光探测器，通过光纤与第一光纤耦合器的另外两个端口连接；

其特征在于：第二光纤耦合器的外接端口连接有反馈时的复用单元，复用单元设有两路光路径装置，其中一路光路径装置用于拾取目标信号和外界扰动噪声信号；另一路光路径装置用于拾取外界扰动噪声信号；

所述其中一路光路径装置包括用于感应外界扰动的传输光纤和用于感应目标信号的传感光纤以及光信号反馈装置，所述另一路光路径装置包括用于感应外界扰动的传输光纤和光信号反射装置；

第一光纤耦合器、第二光纤耦合器均为均分耦合器；

光信号反馈装置为法拉第旋转镜和反射镜中的一个；光信号反射装置为法拉第旋转镜和反射镜中的另一个。

2.根据权利要求1所述的光纤传感系统，其特征在于：光纤延迟器为光纤延长线。

3.根据权利要求1所述的光纤传感系统，其特征在于：包括有两个光探测器。

4.光纤传感系统线路消扰的方法，光信号通过第一器件形成两束光信号，两束光信号经历两种光程形成两种具有相位差的光信号，其特征在于：两种光信号通过第二器件传输到复用单元，复用单元包含两路光信号传输途径，其中一路传输途径主要由可感应外界干扰的传输光纤和反馈装置构成，另一路传输途径主要由传输光纤、用于感应目标信号的传感光纤和反射结构组成；其中，反馈装置为反射镜、法拉第旋转镜中的一个，反射结构为另外一个；两路光信号传输途径中，其中一路光信号中包含有外界干扰信号和目标信号信号；另一路光信号中只包含有外界干扰信号；调整两路光信号，使得这两路光信号干涉均衡，从而使得外界噪声扰动信号消除，获取目标信号；

第一器件、第二器件均为均分耦合器；第一器件还连接有光探测器；复用单元对光信号进行反射，光探测器探测有4种光程的光信号；

其中，通过法拉第旋转镜反射的两种光信号的干涉光强为：

P₁₁＝2I₁[1-cos(φ_sen+φ_path+φ₀)] (1)

P₁₂＝2I₁[1-cos(φ_sen+φ_path-φ₀)] (2)

其中，φ_sens为传感光纤感应目标信号光信号产生的相位差量，φ_path为传输光纤感应到的外界扰动光信号产生的相位差量，φ₀为系统光信号的初始相位，为常数，I₁为与光纤传感系统参数相关的量，为常数；

其中，通过反射镜反射的两种光信号的干涉光强为：

P₂₁＝2I₂[1+cos(φ_path+φ₀)] (3)

P₂₂＝2I₂[1+cos(φ_path-φ₀)] (4)

其中，I₂为与光纤传感系统参数相关的量，为常数；

由于全为均分耦合器，则有I₁＝I₂,且光纤传感系统传感的信号为小信号，幅度较小，则由小信号引起的相位差量φ也较小，因此可得到：

sinφ≈φ,cosφ≈1 (5)

则式(1)、(2)、(3)、(4)可简化为：

在传感系统3(b)中，探测器23、24探测到的是路径I和路径II

的叠加干涉光强，分别表示为：

P₁＝P₁₁+P₂₁ (10)

P₂＝P₁₂+P₂₂ (11)

则式有：

进而可得：

由式(14)即可得φ_sens，即目标信号。