CN107830880A - 基于微腔阵列光纤的全分布式解调系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于微腔阵列光纤的全分布式解调系统，它的扫频激光器的信号输出端连接第一耦合器的信号输入端，第一耦合器的第一输出端连接第二耦合器的第一输入端，第一耦合器的第二输出端连接光环形器的第一接口，光环形器的第二接口接入微腔阵列光纤，光环形器的第三接口连接第二耦合器的第二输入端，第二耦合器的输出端连接光电探测器的信号输入端，光电探测器的信号输出端连接数据采集卡的信号输入端；微腔阵列光纤由光纤上刻写多个布拉格光栅形成，相邻的两个布拉格光栅形成一个微腔单元，光纤上所有的微腔单元形成微腔阵列。采用OFDR技术的分布式传感原理使该系统同时具有了高空间分辨率的传感特性。
Description
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感技术领域，具体涉及一种基于微腔阵列光纤的全分布式解调系统及方法。
背景技术
光纤传感器因其体积小、重量轻、灵敏度高、抗电磁干扰、易组网以及与材料易嵌入等优势被应用于各种测量领域。其中，光纤FP腔干涉传感器由于低插入损耗和长腔的特点被很好的用于大容量准分布式光纤传感测量系统中，但传统FP传感器(光纤法珀传感器)很少用于全分布式传感领域，而基于分立元件组装的传统光纤FP传感器已不能适用于实际工程中大规模、高可靠性以及批量化的生产要求。基于一对高灵敏度的光纤光栅(FBG，Fiber Bragg Grating)构成的光纤法布里珀罗谐振腔，该结构由于较高的光学检测灵敏度和简单的制造工艺，故而成为全分布式解调系统的重要研究方向。
光纤光栅FP腔干涉传感器由两个相隔一定距离的全同光纤光栅构成，利用它的干涉反射谱或透射谱可实现高精度的解调，能很好的解决光纤FP腔刻写难度高、可控性差的缺点。面对高空间分辨率、高精度的需求，各科研机构针对准分布式光纤传感解调做了大量的研究。常用的复用解调方法有波分复用技术、光时分复用技术、频分复用技术。光波分复用技术受限于带宽有限而复用数量有限；光时分复用技术受限于光源脉冲的宽度的限制，空间分辨率差；频分复用技术的复用容量受限于光纤光栅FP腔传感器的腔长，复用容量有限，同时传感信息定位不精确。
而目前基于光纤法布里珀罗传感器的分布式传感方法主要有以下几种：
参考文献1：(Kirkendall C,Cole J H,Tveten A B,et al.Progress in FiberOptical Acoustic and Seismic Sensing[J].2006.)基于光纤法布里珀罗传感器的时分复用传感系统，文章介绍了两种阵列形式，第一种为传感阵列为基于耦合器的传统梯形结构，每个传感器都需要三个耦合器和至少8个熔接点，探头的制造和阵列的安装都费时费力，成本较高。第二种为中间阵列为内嵌式Michelson型结构，每个传感器只需要1个耦合器和1个法拉第旋转镜(FRM)，阵列的结构大大简化。但耦合器和FRM的使用限制了探头的尺寸，其安装方式也对拖曳阵列用水听器的抗加速度性能有重要影响，为了满足实用性能指标，探头的制作要花费较多时间。而除了制作困难以外，基于时域反射技术的分布式传感方式由于激光器线宽的限制，其系统的检测空间灵敏度有限。
参考文献2：(Christmas S P,Jackson D A,Henderson P J,et al.High-resolution vibration measurements using wavelength-demultiplexed fibre Fabry-Perot sensors[J].Proceedings of SPIE-The International Society for OpticalEngineering,1999,3860(7):67-76.)介绍了一种基于波分复用的本征型FFP腔的分布式传感系统。由两个光纤光栅作为本征型FFP腔具有结构简单、体积小和灵敏度高等优点，这种双光栅结构的FBG可采用波分复用的技术进行分布式检测，其优点较传统FFP腔(光纤溶解点、光纤与空气、单模光纤与多模光纤等)具有更良好的机械强度以及更高的灵敏度。但是受限于波分复用的传感技术，其复用容量有限。
参考文献3：(Tanaka S,Yokosuka H,Takahashi N.Fiber Bragg GratingHydrophone Array using Feedback Control Circuit:Time-division Multiplexed andThermally Stabilized Operation[J].Journal of the Marine Acoustics Society ofJapan,2006,33(33):89-96.)介绍了一种基于FBG-FP传感结构的水声探测进行了研究，系统使用窄线宽光源，采用时分复用方式的两个干涉仪构成的结构。实验结果表明：1)合理设计FBG反射率参数可以平衡两干涉光强，从而优化系统性能和提高时分复用数量；而同样，由于采用基于时分复用的方法，其传感空间分辨率有限。
参考文献4：(Sun Q,Fan A,Liu D,et al.M-OTDR sensing system based on 3Dencoded microstructures[J].Scientific Reports,2017,7:41137.)介绍了一种基于M-OTDR的准分布式感知系统，两个相同的超弱FBG组成的FP腔，利用时分复用、波分复用、频分复用技术对多个FP腔进行解调。实验结果表明：该系统灵敏度达到11pm/℃，空间分辨率达到0.2m。
目前，基于高空间分辨率以及高灵敏的分布式光纤解调系统，其主要的发展瓶颈在于系统的复用容量以及系统的空间分辨率与精度，而目前以报道的分布式传感系统远远不能达到实际应用的要求。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题，提出一种基于微腔阵列光纤的全分布式解调系统及方法，本发明中的微腔阵列单元由相邻的两个超窄、超低反射率的光栅组成，基于光频域反射技术(OFDR)的解调系统能实现高空间分辨率与高精度的分布式解调。超低反射率与超窄的光栅能有效的提高微腔阵列的复用容量，该系统具有法布里-珀罗(Fabry–Pérot)传感器本身具有的高精度的同时，采用OFDR(光频域反射)技术的分布式传感原理使该系统同时具有了高空间分辨率的传感特性。
为解决上述技术问题，本发明公开的一种基于微腔阵列光纤的全分布式解调系统，其特征在于：它包括扫频激光器、第一耦合器、光环形器、第二耦合器、光电探测器、数据采集卡和微腔阵列光纤，其中，所述扫频激光器的信号输出端连接第一耦合器的信号输入端，第一耦合器的第一输出端连接第二耦合器的第一输入端，第一耦合器的第二输出端连接光环形器的第一接口，光环形器的第二接口接入微腔阵列光纤，光环形器的第三接口连接第二耦合器的第二输入端，第二耦合器的输出端连接光电探测器的信号输入端，光电探测器的信号输出端连接数据采集卡的信号输入端；
所述微腔阵列光纤由光纤上刻写多个布拉格光栅形成，其中，相邻的两个布拉格光栅形成一个微腔单元，光纤上所有的微腔单元形成微腔阵列。
一种利用上述系统的全分布式解调方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：扫频激光器输出的线性扫频光源通过第一耦合器分成两路进入测试通道，测试通道为马赫增德尔干涉仪结构，一路作为本振光输送到第二耦合器，另一路由光环形器进入到微腔阵列光纤中，并在微腔阵列光纤中产生反射，反射光输送到第二耦合器中与本振光产生干涉，并由光电探测器进行光电转换并送至数据采集卡中进行采集；
步骤2：将数据采集卡采集到的干涉信号进行快速傅立叶变换得到频域信息，从而得到微腔阵列光纤中所有布拉格光栅的位置信息；
步骤3：通过窗口滤波器选取相邻的两个布拉格光栅对应的两个拍频信号频率进行快速傅立叶反变换，从而分离出对应微腔单元对应的干涉信号；
步骤4：将得到的微腔单元对应的干涉信号取包络，得到微腔反射光强随时间变化的曲线，对微腔反射光强随时间变化的曲线进行坐标转换，即将反射光谱与时间的坐标转换为反射光谱和波长的坐标，可得到微腔反射光强随波长变化的曲线，该微腔反射光强随波长变化的曲线的中心波长即为对应微腔单元的中心波长，通过检测微腔单元的中心波长的移动即可实现对外界物理量变化的测量。
本发明的有益效果为：
本发明是一种超短超弱反射微腔阵列光纤的高精度高空间分辨率解调系统。其微腔阵列光纤制作技术采用在线光栅制作技术，结构简单，机械强度高能较好的应用于实际中。基于OFDR技术的解调系统，通过非线性扫频的消除以及FP标准具校准的激光器可使系统获取极高的空间分辨率与波长解调精度，同时，由微腔单元结构本身具有的高灵敏度与高精度又使其检测系统能进行高精度的分布式检测。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中微腔单元的光谱示意图。
其中，1—扫频激光器、2—第一耦合器、3—光环形器、4—第二耦合器、5—光电探测器、6—数据采集卡、7—微腔阵列光纤。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
本发明的一种基于微腔阵列光纤的全分布式解调系统，如图1所示，它包括扫频激光器1、第一耦合器2、光环形器3、第二耦合器4、光电探测器5、数据采集卡6和微腔阵列光纤7，其中，所述扫频激光器1的信号输出端连接第一耦合器2的信号输入端，第一耦合器2的第一输出端连接第二耦合器4的第一输入端，第一耦合器2的第二输出端连接光环形器3的第一接口，光环形器3的第二接口接入微腔阵列光纤7，光环形器3的第三接口连接第二耦合器4的第二输入端，第二耦合器4的输出端连接光电探测器5的信号输入端，光电探测器5的信号输出端连接数据采集卡6的信号输入端；
所述微腔阵列光纤7由光纤上刻写多个布拉格光栅(FBG)，形成，其中，相邻的两个布拉格光栅形成一个微腔单元(光纤布拉格光栅法布里-珀罗传感器(FBG-FP))，光纤上所有的微腔单元形成微腔阵列(光纤结构的微腔单元带来的熔接损耗的降低可大大增加复用容量)。
上述技术方案中，所述微腔阵列光纤7中，每个布拉格光栅的长度均相等，相邻两个布拉格光栅之间的间距均相等(保证各微腔结构一致，有利于提高解调精度)。
上述技术方案中，所述第一耦合器2的第一输出端与第二输出端的分光比为1:99(保证有更强的光进入到测试同道中)。
上述技术方案中，所述每个布拉格光栅的长度均相等且均为1～2mm(光栅越短、谱宽越宽，检测灵敏度越高)。
上述技术方案中，相邻两个布拉格光栅之间的间距为1～5mm(基于微腔结构的分布式传感器能保证较高的空间分辨率)。
上述技术方案中，所述微腔阵列光纤7中包括600～1000个微腔单元(大大提高系统的复用容量)。
本发明中微腔阵列单元由相邻的两个超窄、超低反射率的光栅组成，基于光频域反射技术(OFDR)的解调系统能实现高空间分辨率与高精度的分布式解调。超低反射率与超窄的光栅能有效的提高微腔阵列的复用容量，该系统具有法布里-珀罗(Fabry–Pérot)传感器本身具有的高精度的同时，采用OFDR技术的分布式传感原理使该系统同时具有了高空间分辨率的传感特性。
一种利用上述系统的全分布式解调方法，它包括如下步骤：
步骤1：扫频激光器1输出的线性扫频光源(光的频率随时间线性变化)通过第一耦合器2分成两路进入测试通道，测试通道为马赫增德尔干涉仪结构，一路作为本振光输送到第二耦合器4，另一路由光环形器3进入到微腔阵列光纤7中，并在微腔阵列光纤7中产生反射，反射光输送到第二耦合器4中与本振光产生干涉，并由光电探测器5进行光电转换并送至数据采集卡6中进行采集；
步骤2：将数据采集卡6采集到的干涉信号进行快速傅立叶变换(FFT)得到频域信息，从而得到微腔阵列光纤7中所有布拉格光栅的位置信息；
步骤3：通过窗口滤波器选取相邻的两个布拉格光栅FBG#n和FBG#(n+1)对应的两个拍频信号频率fbn和fbn+1进行快速傅立叶反变换(IFFT)，从而分离出对应微腔单元对应的干涉信号；
步骤4：将得到的微腔单元对应的干涉信号取包络，得到微腔反射光强随时间变化的曲线，对微腔反射光强随时间变化的曲线进行坐标转换，即将反射光谱与时间的坐标转换为反射光谱和波长的坐标，可得到微腔反射光强随波长变化的曲线，该微腔反射光强随波长变化的曲线的中心波长即为对应微腔单元的中心波长，如图2所示，通过检测微腔单元的中心波长的移动即可实现对外界物理量变化的测量。
上述技术方案中，所述微腔阵列光纤7的制作方法为：首先基于在线刻写技术，在光纤光栅阵列的制作过程中，通过狭缝调节，可对单个光栅的长度进行调节；然后通过在线刻写技术中对激光器频率的控制，控制光栅长度以及光栅之间的间隔，使相邻的两个光栅构成一个微腔单元，从而形成一个全分布式传感网络。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (8)
1.一种基于微腔阵列光纤的全分布式解调系统，其特征在于：它包括扫频激光器(1)、第一耦合器(2)、光环形器(3)、第二耦合器(4)、光电探测器(5)、数据采集卡(6)和微腔阵列光纤(7)，其中，所述扫频激光器(1)的信号输出端连接第一耦合器(2)的信号输入端，第一耦合器(2)的第一输出端连接第二耦合器(4)的第一输入端，第一耦合器(2)的第二输出端连接光环形器(3)的第一接口，光环形器(3)的第二接口接入微腔阵列光纤(7)，光环形器(3)的第三接口连接第二耦合器(4)的第二输入端，第二耦合器(4)的输出端连接光电探测器(5)的信号输入端，光电探测器(5)的信号输出端连接数据采集卡(6)的信号输入端；
所述微腔阵列光纤(7)由光纤上刻写多个布拉格光栅形成，其中，相邻的两个布拉格光栅形成一个微腔单元，光纤上所有的微腔单元形成微腔阵列。
2.根据权利要求1所述的基于微腔阵列光纤的全分布式解调系统，其特征在于：所述微腔阵列光纤(7)中，每个布拉格光栅的长度均相等，相邻两个布拉格光栅之间的间距均相等。
3.根据权利要求1所述的基于微腔阵列光纤的全分布式解调系统，其特征在于：所述第一耦合器(2)的第一输出端与第二输出端的分光比为1:99。
4.根据权利要求2所述的基于微腔阵列光纤的全分布式解调系统，其特征在于：所述每个布拉格光栅的长度均相等且均为1～2mm。
5.根据权利要求2所述的基于微腔阵列光纤的全分布式解调系统，其特征在于：相邻两个布拉格光栅之间的间距为1～5mm。
6.根据权利要求2所述的基于微腔阵列光纤的全分布式解调系统，其特征在于：所述微腔阵列光纤(7)中包括600～1000个微腔单元。
7.一种利用权利要求1所述系统的全分布式解调方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：扫频激光器(1)输出的线性扫频光源通过第一耦合器(2)分成两路进入测试通道，测试通道为马赫增德尔干涉仪结构，一路作为本振光输送到第二耦合器(4)，另一路由光环形器(3)进入到微腔阵列光纤(7)中，并在微腔阵列光纤(7)中产生反射，反射光输送到第二耦合器(4)中与本振光产生干涉，并由光电探测器(5)进行光电转换并送至数据采集卡(6)中进行采集；
步骤2：将数据采集卡(6)采集到的干涉信号进行快速傅立叶变换得到频域信息，从而得到微腔阵列光纤(7)中所有布拉格光栅的位置信息；
步骤3：通过窗口滤波器选取相邻的两个布拉格光栅对应的两个拍频信号频率进行快速傅立叶反变换，从而分离出对应微腔单元对应的干涉信号；
步骤4：将得到的微腔单元对应的干涉信号取包络，得到微腔反射光强随时间变化的曲线，对微腔反射光强随时间变化的曲线进行坐标转换，即将反射光谱与时间的坐标转换为反射光谱和波长的坐标，可得到微腔反射光强随波长变化的曲线，该微腔反射光强随波长变化的曲线的中心波长即为对应微腔单元的中心波长，通过检测微腔单元的中心波长的移动即可实现对外界物理量变化的测量。
8.根据权利要求7所述的全分布式解调方法，其特征在于：所述微腔阵列光纤(7)的制作方法为：首先基于在线刻写技术，在光纤光栅阵列的制作过程中，通过狭缝调节，可对单个光栅的长度进行调节；然后通过在线刻写技术中对激光器频率的控制，控制光栅长度以及光栅之间的间隔，使相邻的两个光栅构成一个微腔单元，从而形成一个全分布式传感网络。
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2017
- 2017-11-10 CN CN201711106226.XA patent/CN107830880A/zh active Pending
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