CN108759982B - 一种基于光混沌的精度可调的光纤液位测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及液体检测领域，具体构建了一种基于光混沌的精度可调的光纤液位测量装置及方法，它解决了远距离、精度可控且多通道的液体液位在线测量问题。本发明所述装置包括混沌光源模块，光纤放大器，耦合器B，光电转换模块，数据采集卡，计算机，环形器以及传感网络模块。其中，传感单元由若干等长光纤段串联构成，并引入菲涅尔反射，利用互相关运算探测间隙处菲涅尔反射效应，依据相关运算结果(即相关峰)的变化情况，获取待测液体的液位信息；通过使用混沌光源的超宽带特性有效提升了传感器精度，同时通过调整混沌光源内的反馈光信号强度，实现了传感精度可控；在此基础上，本发明还实现了远距离多点液位测量，适用于远距离液位测量需求场合。
Description
技术领域
本发明涉及液体检测领域，具体为一种基于光混沌的精度可调的光纤液位测量装置及方法。
背景技术
在航天航空、石油运输、防洪工程、化工生产以及食品加工等领域，液体液位测量起着至关重要的作用。常用的液位传感器有电子式，机械-电子式和声波式，这些液位传感器或是结构复杂，或是耐腐蚀性差，或是抗干扰性差，无法满足许多场合的测量要求。近年来，光纤通信技术的高速发展为光纤传感器技术打下了坚实的基础，因其具有绝缘、耐腐蚀、抗电磁干、本质安全以及传感器体积小等特性，在诸如石油化工、航天航空或许多涉及人身安全的测量场合发挥着巨大的作用。在液体测量领域，光纤法测液位已经被广泛的报道，但是这些方法中或是传感单元制作复杂，或是整个系统传感距离较短，或是无法方便地控制传感器精度，无法满足许多场合下的测量任务，因此，一种远距离且精度可控的光纤液位感测装置及其测量方法亟需解决。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：如何实现远距离且精度可控的液体液位在线测量。现构建一种基于光混沌的精度可调的光纤液位测量装置及方法来解决以上问题。
本发明所述的一种基于光混沌的精度可调的光纤液位测量装置采用如下技术方案实现：一种基于光混沌的精度可调的光纤液位测量装置，包括混沌光源模块，光纤放大器，耦合器B，光电探测模块，互相关运算单元，计算机，环形器和传感网络模块；混沌光源模块的出射端通过光纤顺次与光纤放大器和耦合器B连接；耦合器B的输入端口与光纤放大器相连接，耦合器B的第一输出端口与环形器的输入端相连接；耦合器B的第二输出端口与光电探测模块的第一输入端相连接，环形器的第一输出端口通过传感光纤与传感网络模块相连接；环形器的第二输出端口与光电探测模块的第二输入端相连接；光电探测模块的两个信号输出端分别与互相关运算单元的两个信号输入端相连接；所述传感网络模块包括一个或多个传感单元；传感单元由n个等长光纤段串联组成，光纤段对齐设置，在第i和第i+1个光纤段之间对应第i个间隙，光在每个间隙断面会发生菲涅尔反射效应；所述多个传感单元可采用串行或并行或串行和并行相结合的拓扑结构排列。
混沌光源模块输出的混沌信号被分为探测光和参考光两部分，探测光从耦合器B的第一输出端口b输出，经环形器第一输出端口b输出至传感网络，在传感网络内，探测光分别被输入至各个传感单元。探测光在每个传感单元的间隙均会发生菲涅尔反射效应，且反射信号沿传感光纤返回，返回的探测信号经环形器的第二输出端口c进入光电转换模块转换为电信号；耦合器B第二输出端口c输出的参考光经光电转换模块转换为电信号。光电转换模块输出的电信号由数据采集卡接收，数据采集卡将采集到的数据传输至互相关运算单元，然后传输至计算机并将液位信息解调并显示在屏幕上。针对每个传感单元都进行上述计算过程，进而可以得到每个传感单元所测液体的液位信息。
在第i和第i+1个光纤段之间对应第i个间隙，且光在每个间隙断面会发生菲涅尔反射效应，通过对参考光和反射回的探测光做互相关运算，即可探测到菲涅尔反射效应。
区别于一般带宽较窄的激光器，本发明通过利用混沌源的超宽带特性，解决了该测量装置使用传统激光器精度较低的技术问题。
优选的，传感网络模块采用串行方式时，传感网络模块还包括与传感单元数量相同的耦合器C；传感单元由若干耦合器C以串行方式连接：在传感光纤上每个待测节点连接一个耦合器C，每个耦合器C的第一输出端口连接一个传感单元，耦合器C第二输出端口连接下一个耦合器C的输入端口。
探测光经耦合器C分为两部分，一部分进入第一传感单元，另一部分进入下一个耦合器C并被分为两部分，一部分进入第二传感单元，另外一部分继续传输到下一个耦合器C，依此类推直到第n个传感单元结束。
优选的，所述传感网络模块的拓扑结构采用并行方式时，包括多通道开关以及若干个传感单元；环形器第一输出端口通过传感光纤与多通道开关的输入端相连接，多通道开关的每个输出端口均连接有一个传感单元，所有传感单元位于不同位置。
环形器第一输出端口b连接多通道开关输入端口，在每个输出端口连接一个传感单元用来测量液位信息。通过控制各通道开关状态，将不同通道的反射信号与参考信号做互相关运算即可得到各通道对应各个监测点的液位信息。
优选的，所述传感网络模块的拓扑结构采用串行和并行相结合的拓扑结构时，传感网络模块还包括多通道开关和数量与传感单元相同的耦合器C，多通道开关的每个输出端均通过若干耦合器C以串行方式将多个传感单元串行连接。
通过控制多通道开关的开关状态，将不同通道的反射信号与参考信号做互相关运算，将得到不同通道不同节点的液位信息。
优选的，所述混沌源模块由DFB-LD激光器，偏压控制器，耦合器A，光隔离器，光衰减器和光纤反射镜组成，其具体连接方式为：
DFB-LD激光器输出的激光经偏振控制器输入到耦合器A输入端口，耦合器A第一输出端口经过光衰减器与光纤反射镜连接；耦合器A第二输出端口与光隔离器连接；其中可调光衰减器的作用是调节反馈光路的光功率，即反馈至DFB-LD激光器的光功率，偏振控制器的作用是控制光的偏振态。
此外，为了保证传感器的精度，光纤段的长度应与相关峰的半高宽相等。
本发明所述的基于光混沌的精度可调的光纤液位测量装置，其测量精度是可控的。根据维纳-辛钦定理，信号的功率谱密度是该信号自相关函数的傅里叶变换，可以得到信号的带宽越宽，其自相关峰的宽度越窄。通过调光衰减器可以调节反馈光路的光功率，即反馈至DFB-LD激光器的光功率，偏振控制器的作用是控制光的偏振态。通过调节可调光衰减器控制从反馈回路反射至光源的光信号的强度实现对混沌源带宽的调节。所以，通过控制混沌源中反馈光的强度来控制光混沌信号的带宽可以调节相关峰的宽度，进而实现对传感器精度的控制。
一种基于光混沌的精度可调的光纤液位测量方法，该方法是基于上述装置实现的，其步骤包括：
步骤一：将传感单元放置在空气中，利用上述系统获得相应的参考信号(Pref-0)和反射信号(Pecho-0)，对参考信号和反射信号做互相关运算，得到传感单元放置在空气中的互相关曲线，并以此作为测量标准。然后执行步骤二。
步骤二：将传感单元垂直放置到待测液体容器中，且应保证传感单元中所有间隙不能浸没在液体中。利用上述系统获得相应参考信号(Pref-1)和反射信号(Pecho-1)，对参考信号和反射信号做互相关运算，得到传感单元放置于液体中的互相关曲线。然后执行步骤三。
步骤三：对传感单元处于空气中和处于液体中的互相关曲线做差，得到的互相关峰的数量即为浸没在液体中的间隙数，从而得到待测液体液位。
本发明所述一种基于光混沌的精度可调的光纤液位测量装置及方法，克服了现有技术中测量距离短、传感器制作复杂以及测量精度与使用场合不匹配等局限，通过设计不同传感网络模块，实现了远距离、高精度、精度可控且多通道地测量液位，具有绝缘、耐腐蚀、抗电磁干扰、本质安全以及传感器体积小等特性，适用于远距离测量液位的场合，适用于远距离液位测量需求场合，如洪水灾害预警、地下水位监测、石化液体液位监测。
附图说明
图1一种基于混沌互相关的光纤液位测量装置的结构示意图一。
图2一种基于混沌互相关的光纤液位测量装置的结构示意图二。
图3一种基于混沌互相关的光纤液位测量装置的结构示意图三。
图4一种基于混沌互相关的光纤液位测量装置的结构示意图四。
图5光纤传感单元的结构示意图。
1-DFB-LD激光器，2-偏振控制器，3-耦合器A，4-隔离器，5-光衰减器，6-光线反射镜，7-光纤放大器，8-耦合器B，9-光电探测模块，10-互相关运算单元，11-计算机，12-环形器，13-传感单元，14-耦合器C，15-多通道开关，16-纤芯，17-间隙，18-光纤包层；
19-混沌源模块，20-传感网络模块。
具体实施方式
一种基于光混沌互相关的光纤液位测量装置，包括：混沌光源模块19，光纤放大器7，耦合器B8，光电探测模块9，互相关运算单元10，计算机11，环形器12，传感网络模块20；
具体实施方式一：本实施例将对混沌光源模块a做详细说明，混沌源模块19由DFB-LD激光器1，偏压控制器2，耦合器A3，光隔离器4，光衰减器5和光纤反射镜6组成。
DFB-LD激光器1输出的激光经偏振控制器2输入到耦合器A3输入端口a，耦合器A3输出端口b经过光衰减器5与光纤反射镜6连接；耦合器A3输出端口c与光隔离器4连接。其中可调光衰减器5的作用是调节反馈光路的光功率，即反馈至DFB-LD激光器1的光功率，偏振控制器2的作用是控制光的偏振态。
此外，混沌源模块19的构成方式不仅仅局限于光反馈式，也可以为光注入式或用电混沌信号驱动激光器方式。三种方法产生的混沌信号都适用于本以上装置。
具体实施方式二：参照1所示，一种基于光混沌的精度可调的光纤液位感测装置，包括：混沌光源模块19，光纤放大器7，耦合器B8，光电探测模块9，互相关运算单元10，计算机11，环形器12，传感单元13和耦合器C14，其中传感单元13和耦合器C14均为多个。
混沌光源模块19产生的混沌光经光纤放大器7进入耦合器B8输入端口a，耦合器B8第一输出端口b连接环形器12输入端口a，环形器12第一输出端口b连接传感光纤，在传感光纤上每个待测节点连接一个耦合器C14，每个耦合器C14的第一输出端口b连接一个传感单元13，耦合器C14第二输出端口c连接下一个耦合器C14的输入端口a，每个传感单元14将带有液位信息的反射光信号沿传感光纤传输，环形器12第二输出端口c连接光电探测模块9，将反射光信号转换为电信号；耦合器B8第二输出端口c输出参考光经光电转换模块9转换为电信号。光电转换模块9输出的电信号由数据采集卡10接收，数据采集卡10将采集到的数据传输至计算机11做互相关运算，然后将液位信息解调并显示。
具体实施方式三：参照图示2，一种基于光混沌的精度可调的光纤液位感测装置，其测量传感网络模块20的拓扑结构也可以是并行结构。探测光经环形器12第一输出端口输出至多通道开关15，每个通道连接位于不同位置的传感单元13，通过控制不同通道的开关状态，将不同通道的反射信号与参考信号做互相关运算，得到各监测点的液位信息。
具体实施方式四：参照图示3，结合具体实施方式二与具体实施方式三，传感网络模块20的拓扑结构可以是串行和并行方式相结合的方式。通过控制多通道开关15的开关状态，将不同通道的反射信号与参考信号做互相关运算，得到不同通道不同节点的液位信息。
具体实施方式五：参照图示4，本申请所述的传感网络模块20也可只有一个传感单元13。
具体实施方式六：参照图示5，本实施方式是对具体实施方式一和具体实施方式二中传感单元做进一步的说明，所述传感单元由n个等长光纤段串联组成，光纤段对齐放置，在第i和第i+1个光纤段之间对应第i个间隙，且光在每个间隙断面会发生菲涅尔反射效应，通过对参考光和反射回的探测光做互相关运算，即可探测到菲涅尔反射效应。此外，为了保证传感器的精度，光纤段的长度应与相关峰的半高宽相等。
具体实施方式七：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于光混沌的精度可调的光纤液位测量方法，该方法是基于上述系统实现的，具体包括以下步骤：
步骤一：将传感单元13放置在空气中，利用上述系统获得相应的参考信号(Pref-0)和反射信号(Pecho-0)，对参考信号和反射信号做互相关运算，得到传感单元放置在空气中的互相关曲线，并以此作为测量标准；然后执行步骤二；
步骤二：将传感单元垂直放置到待测液体容器中，且应保证传感单元中所有间隙不能浸没在液体中；利用上述系统获得相应参考信号(Pref-1)和反射信号(Pecho-1)，对参考信号和反射信号做互相关运算，得到传感单元放置于液体中的互相关曲线。然后执行步骤三；
步骤三：对传感单元处于空气中和处于液体中的互相关曲线做差，得到的互相关峰的数量即为浸没在液体中的间隙数，从而得到待测液体液位。
具体实施方式八：本实施例结合此传感装置及测量方法对基于混沌信号的δ型互相关函数做进一步说明。理想情况下，第i个间隙处的反射信号是参考信号的时移，如下公式表示第i个间隙处的反射信号与参考信号做互相关运算：
其中Pecho-i为第i个间隙的反射信号功率，Pref为参考信号功率，τi为光从发射端到第i个间隙的往返时间，E[·]为信号功率的均值，Ri为第i个间隙处的的反射率，n0位光纤的折射率；k为参考光功率与探测光功率比值，α为常数，c为真空中的光速。
具体实施方式九：本实施方式中，根据如下公式可获得光纤段断面与间隙内介质接触面的反射率：
其中ni为间隙内介质的折射率。
具体实施方式十：本实施方式对所述一种基于δ型互相关光纤液位测量装置测量液体液位的方法作具体说明，根据实施方式五和实施方式六，当第i个间隙内的介质由空气转变为液体时，介质折射率发生变化，对应相关峰的幅值也随之变化，将传感单元13在空气中与传感单元13处于液体中的互相关曲线做差，统计相关峰个数m，获得待测液体的液位为：
其中li为第i个光纤段的长度。
具体实施方式十一：本实施方式是对以上测量装置实现精度可控做进一步说明。根据维纳-辛钦定理，信号的自相关函数的与信号的功率谱密度为傅里叶变换对，所以信号的频谱越宽，相关峰越窄。因此通过调节混沌源模块19中光衰减器5，可以改变混沌源模块19的输出带宽，进而实现对上述系统测量精度的控制。
以上实施方式仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制，应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于光混沌的精度可调的光纤液位测量装置，其特征在于：包括混沌光源模块(19)，光纤放大器(7)，耦合器B(8)，光电探测模块(9)，互相关运算单元(10)，计算机(11)，环形器(12)和传感网络模块(20)；混沌光源模块(19)的出射端通过光纤顺次与光纤放大器(7)和耦合器B(8)连接；耦合器B(8)的输入端口与光纤放大器(7)相连接，耦合器B(8)的第一输出端口与环形器(12)的输入端相连接；耦合器B(8)的第二输出端口与光电探测模块(9)的第一输入端相连接；环形器(12)的第一输出端口通过传感光纤与传感网络模块(20)相连接，环形器(12)的第二输出端口与光电探测模块(9)的第二输入端相连接；光电探测模块(9)的两个信号输出端分别与互相关运算单元(10)的两个信号输入端相连接；所述传感网络模块(20)包括一个或多个传感单元(13)；传感单元(13)由n个等长光纤段串联组成，光纤段对齐设置，在第i和第i+1个光纤段之间对应第i个间隙，光在每个间隙断面会发生菲涅尔反射效应；所述多个传感单元(13)可采用串行或并行或串行和并行相结合的拓扑结构排列；
所述混沌源模块(19)由DFB-LD激光器(1)，偏压控制器(2)，耦合器A(3)，光隔离器(4)，光衰减器(5)和光纤反射镜(6)组成，其具体连接方式为：
DFB-LD激光器(1)输出的激光经偏振控制器(2)输入到耦合器A(3)输入端口，耦合器A(3)第一输出端口经过光衰减器(5)与光纤反射镜(6)连接；耦合器A(3)第二输出端口与光隔离器(4)连接；其中可调光衰减器(5)的作用是调节反馈光路的光功率，即反馈至DFB-LD激光器(1)的光功率，偏振控制器(2)的作用是控制光的偏振态；
为了保证传感单元(13)的精度，光纤段的长度应与相关峰的半高宽相等；
所述装置测量精度精度是可控的；根据维纳-辛钦定理，信号的自相关函数与信号的功率谱密度为傅里叶变换对，所以信号的频谱越宽，相关峰越窄，因此通过调节混沌源模块(19)中光衰减器(5)，可以改变混沌源模块(19)的输出带宽，进而实现对装置测量精度的控制。
2.如权利要求1所述的一种基于光混沌的精度可调的光纤液位测量装置，其特征在于：传感网络模块(20)的拓扑结构采用串行方式时，传感网络模块(b)还包括与传感单元(13)数量相同的耦合器C(14)；传感单元(13)由若干耦合器C(14)以串行方式连接：在传感光纤上每个待测节点连接一个耦合器C(14)，每个耦合器C(14)的第一输出端口连接一个传感单元(13)，耦合器C(14)第二输出端口连接下一个耦合器C(14)的输入端口。
3.如权利要求1所述的一种基于光混沌的精度可调的光纤液位测量装置，其特征在于：所述传感网络模块(20)的拓扑结构采用并行方式，包括多通道开关(15)以及若干个传感单元(13)；环形器(12)第一输出端口通过传感光纤与多通道开关(15)的输入端相连接，多通道开关(15)的每个输出端口均连接有一个传感单元(13)，所有传感单元(13)位于不同位置。
4.如权利要求1所述的一种基于光混沌的精度可调的光纤液位测量装置，其特征在于：所述传感网络模块(20)的拓扑结构采用串行和并行相结合的拓扑结构时，传感网络模块(20)还包括多通道开关(15)和数量与传感单元(13)相同的耦合器C(14)，多通道开关(15)的每个输出端均通过若干耦合器C(14)以串行方式将多个传感单元(13)串行连接。
5.如权利要求1～4任一项所述的一种基于光混沌的精度可调的光纤液位测量装置，其特征在于：所述混沌源模块(19)还可采用光注入式或用电混沌信号驱动激光器方式。
6.一种基于光混沌的精度可调的光纤液位测量方法，该方法是基于权利要求1～5任一项所述装置实现的，其特征在于：具体方法包括以下步骤：
步骤一：将传感单元(13)放置在空气中，利用上述装置获得相应的参考信号(Pref-0)和反射信号(Pecho-0)，对参考信号和反射信号做互相关运算，得到传感单元(13)放置在空气中的互相关曲线，并以此作为测量标准；然后执行步骤二；
步骤二：将传感单元(13)垂直放置到待测液体容器中，且应保证传感单元(13)中所有间隙不能全部浸没在液体中；利用上述装置获得相应参考信号(Pref-1)和反射信号(Pecho-1)，对参考信号和反射信号做互相关运算，得到传感单元(13)放置于液体中的互相关曲线；然后执行步骤三；
步骤三：对传感单元(13)处于空气中和处于液体中的互相关曲线做差，得到的互相关峰的数量即为浸没在液体中的间隙数，从而得到待测液体液位；
此装置基于混沌δ型互相关函数检测菲涅尔反射效应，理想情况下，第i个间隙处的反射信号是参考信号的时移，如下公式表示第i个间隙处的反射信号与参考信号做互相关运算：
其中Pecho-i为第i个间隙的反射信号，Pref为参考信号，τi为光从发射端到第i个间隙的往返时间，E[·]为信号功率的均值，Ri为第i个间隙处的反射率，n0为光纤的折射率，k为参考光功率与探测光功率比值，α为常数，c为真空中的光速；
根据如下公式可获得光纤段断面与间隙内介质接触面的反射率：
其中ni为间隙内介质的折射率；
当第i个间隙内的介质由空气转变为液体时，介质折射率发生变化，对应相关峰的幅值也随之变化，将传感单元(13)在空气中与传感单元(13)处于液体中的互相关曲线做差，统计相关峰个数m，获得待测液体的液位为：
其中li为第i个光纤段的长度。
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