CN109163744A - 一种光纤光栅传感器阵列及其波长解调系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤光栅传感器阵列及其波长解调系统。光纤光栅传感器阵列是由多个相同的光纤传感器阵段通过具有不同分光比的光纤分束器与连有光纤延时线的主干光纤连接构成。光纤光栅传感器阵列波长解调系统由宽谱光源、可调谐滤波器、脉冲光调制器、光功率放大器、光纤分束器、标准具、光探测器、以及控制与信号处理电路等构成。光纤光栅传感器阵列波长解调系统在信号控制上包括可调滤波器波长扫描与脉冲光调制器的调制控制，在数据处理上包括光纤光栅传感器阵段数据的划分、光谱寻峰、波长计算三个数据处理步骤。本发明具有光纤光栅传感器容量高，复用能力强等特点，具有工程实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术的领域，具体涉及一种光纤光栅传感器阵列及其波长解调系统。
背景技术
光纤光栅传感器阵列是将多个光纤光栅传感器通过光纤连接，以实现光纤上多个位置点、多个物理量测量的传感器阵列，是光纤光栅传感器技术的一个重要方向。目前光纤光栅传感器阵列已在海洋参数测量、建筑结构健康监测等领域得到应用，例如，用于海洋温度、深度剖面信息测量的光纤光栅温深测量系统，用于桥梁、隧道应变测量的光纤光栅应变测量系统，用于山体滑坡监测的光纤光栅倾角测量系统等。
随着光纤光栅传感技术的发展以及应用推广，工程实际应用对光纤光栅传感器阵列的传感器容量与复用度要求日益提高，即在一条光纤上需要串联百个以上的光纤光栅传感器，然而现有的光纤光栅传感解调系统，如波长扫描式波长解调系统、光栅分光式波长解调系统中每个通道的传感器容量有限，已很难满足需求，因此，研制一种高容量光纤光栅传感器阵列以及其波长解调系统，即在单个传感通道上连接百个以上光纤光栅传感器并能够实现各个光纤光栅的波长解调，是光纤光栅传感器阵列推广应用的关键，满足光纤光栅阵列传感技术的发展需要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种光纤光栅传感器阵列及其波长解调系统。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：这种光纤光栅传感器阵列，主要包括主干光纤、光纤分束器A、光纤延时线A、光纤光栅传感器阵段A、光纤光栅传感器阵段N，光纤分束器A的一个输出端与光纤光栅传感器阵段A连接，另一个输出端与一个光纤延时线A首端连接，光纤分束器A的输入端与光纤延时线A的尾端接入主干光纤，光纤延时线A后的主干光纤上接入由光纤分束器B、光纤延时线B、光纤光栅传感器阵段B构成的重复结构，最终接入数目为n-1的相同结构至光纤分束器M、光纤延时线M、光纤光栅传感器阵段M，光纤延时线M后额外接入一个光纤光栅传感器阵段N。
所述光纤光栅传感器阵段A和其他光纤光栅传感器阵段都具有相同结构，均由中心波长不同的光纤光栅传感器串联形成。
所述光纤分束器A与其他光纤分束器，具有不同的分光比，从光纤光栅传感器阵列首端至尾端，各光纤分束器的分光比依次为n:1,(n-1):1,…,1:1，其中分光比例为1的一段与光纤光栅传感器阵段连接。
所述光纤延时线A与其他光纤延时线具有相同的长度，且长度值大于光纤光栅传感器阵段长度。
这种光纤光栅传感器阵列波长解调系统，主要包括宽带光源、可调谐滤波器、光纤分束器、脉冲光调制器、光功率放大器、光纤合束器、标准具、光探测器A、光探测器B、控制与信号处理电路、光纤光栅传感器阵列，宽带光源经可调谐滤波器后与光纤分束器连接，光纤分束器的一个输出端与标准具的输入端连接，标准具的输出端与光探测器A连接，光纤分束器的另一输出端先后经脉冲光调制器与光功率放大器后与光纤合束器的一个输入端连接，光纤合束器的另一个输入端与光探测器B连接，光纤合束器的输出端与光纤光栅传感器阵列连接，光探测器A、光探测器B与控制与信号处理电路连接。
所述可调谐滤波器在控制与信号处理电路输出的由阶梯台阶电压构成的三角波控制信号的驱动下完成波长的扫描，其中阶梯台阶电压的时间宽度大于光信号从第一个光纤分束器传播至最后一个光纤光栅传感器阵段尾部所用的时间的2倍。
所述脉冲光调制器在控制与信号处理电路输出的脉冲控制信号的驱动下实现出射光的脉冲调制，其中脉冲控制信号的时间宽度大于光信号在光纤光栅传感器阵段传播时间的2倍，脉冲控制信号与控制与信号处理电路向可调谐滤波器输出的阶梯台阶电压采用同步输出。
所述控制与信号处理电路根据各光纤光栅传感器阵段返回光信号的时间顺序与采样关系，将连续采集的光纤光栅传感器阵列信号数据划分成各光纤光栅传感器阵段的传感信号；对各光纤光栅传感器阵段信号数据以及参考光路的信号数据采用包括但不限于高斯拟合方法进行寻峰处理；将各光纤光栅传感器阵段的数据寻峰运算结果与参考光路的数据寻峰运算结果进行插值、拟合等运算，计算获得各光纤光栅传感器阵段中光纤光栅传感器的波长值。
本发明的有益效果为：
1、本发明满足了工程应用对光纤光栅传感器阵列及其波长解调系统的高容量、高复用度的实际需求，具有工程实用价值。
2、本发明的光纤光栅传感器阵列采用以光纤分束器将多个光纤传感器阵段与连有光纤延时线的主干光纤连接的结构形式，使得光纤光栅传感器阵列突破了波长复用度的限制，具有高的传感器容量。
3、本发明的光纤光栅传感器阵列波长解调系统采用波长扫描与时分复用相结合得技术方案，实现了高容量光纤光栅传感器阵列的波长解调。
附图说明
图1为本发明的光纤光栅传感器阵列结构示意图。
图2为本发明的光纤光栅传感器阵列波长解调系统示意图。
附图标记说明：主干光纤1、光纤分束器A2、光纤延时线A3、光纤分束器B4、光纤延时线B5、光纤分束器C6、光纤延时线C7、光纤分束器M8、光纤延时线M9、光纤光栅传感器阵段A10、光纤光栅传感器阵段B11、光纤光栅传感器阵段C12、光纤光栅传感器阵段M13、光纤光栅传感器阵段N14、宽带光源1-1、可调谐滤波器1-2、光纤分束器1-3、脉冲光调制器1-4、光功率放大器1-5、光纤合束器1-6、标准具1-7、光探测器A1-8、光探测器B1-9、控制与信号处理电路1-10、光纤光栅传感器阵列1-11、三角波控制信号1-12、脉冲控制信号1-13。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
实施例：如附图所示，这种光纤光栅传感器阵列，主要包括主干光纤1、光纤分束器A2、光纤延时线A3、光纤光栅传感器阵段A10、光纤光栅传感器阵段N14，光纤分束器A2的一个输出端与光纤光栅传感器阵段A10连接，另一个输出端与一个光纤延时线A3首端连接，光纤分束器A2的输入端与光纤延时线A3的尾端接入主干光纤1，光纤延时线A3后的主干光纤1上接入由光纤分束器B4、光纤延时线B5、光纤光栅传感器阵段B11构成的重复结构，最终接入数目为n-1的相同结构至光纤分束器M8、光纤延时线M9、光纤光栅传感器阵段M13，光纤延时线M9后额外接入一个光纤光栅传感器阵段N14。
所述光纤光栅传感器阵段A10和其他光纤光栅传感器阵段都具有相同结构，均由中心波长不同的光纤光栅传感器串联形成。
所述光纤分束器A2与其他光纤分束器，具有不同的分光比，从光纤光栅传感器阵列首端至尾端，各光纤分束器的分光比依次为n:1,(n-1):1,…,1:1，其中分光比例为1的一段与光纤光栅传感器阵段连接。从而使得进入各光纤光栅传感器阵段的光强相近；各光纤延时线具有相同的长度，且长度值大于光纤光栅传感器阵段长度。
所述光纤延时线A3与其他光纤延时线具有相同的长度，且长度值大于光纤光栅传感器阵段长度。
这种光纤光栅传感器阵列波长解调系统，主要包括宽带光源1-1、可调谐滤波器1-2、光纤分束器1-3、脉冲光调制器1-4、光功率放大器1-5、光纤合束器1-6、标准具1-7、光探测器A1-8、光探测器B1-9、控制与信号处理电路1-10、光纤光栅传感器阵列1-11，宽带光源1-1经可调谐滤波器1-2后与光纤分束器1-3连接，光纤分束器1-3的一个输出端与标准具1-7的输入端连接，标准具1-7的输出端与光探测器A1-8连接，光纤分束器1-3的另一输出端先后经脉冲光调制器1-4与光功率放大器1-5后与光纤合束器1-6的一个输入端连接，光纤合束器1-6的另一个输入端与光探测器B1-9连接，光纤合束器1-6的输出端与光纤光栅传感器阵列1-11连接，光探测器A1-8、光探测器B1-9与控制与信号处理电路连接。宽谱光源1-1与可调谐滤波器1-2用于实现光波长的扫描；光纤分束器1-3将可调谐滤波器1-2的出射光路分成参考光路与传感光路两个支路；标准具1-7位于参考光路，其输出产生的标准梳状光谱用于传感波长的标定；脉冲光调制器1-4将进入传感光路的连续光调制成脉冲光；光功率放大器1-5用于将脉冲光信号的光功率进行放大；光探测器A1-8、光探测器B1-9将参考光路与传感光路的光信号转换成电信号；控制与信号处理电路1-10用于控制信号的产生、探测信号的采集以及数据的处理与运算。
所述可调谐滤波器1-2在控制与信号处理电路1-10输出的由阶梯台阶电压构成的三角波控制信号1-12的驱动下完成波长的扫描，其中阶梯台阶电压的时间宽度大于光信号从第一个光纤分束器传播至最后一个光纤光栅传感器阵段尾部所用的时间的2倍，阶梯台阶电压采用同步输出，从而实现对每个扫描波长光信号的脉冲调制。
所述脉冲光调制器1-4在控制与信号处理电路1-10输出的脉冲控制信号1-13的驱动下实现出射光的脉冲调制，其中脉冲控制信号1-13的时间宽度大于光信号在光纤光栅传感器阵段传播时间的2倍，脉冲控制信号1-13与控制与信号处理电路1-10向可调谐滤波器1-2输出的阶梯台阶电压采用同步输出。
所述控制与信号处理电路1-10根据各光纤光栅传感器阵段返回光信号的时间顺序与采样关系，将连续采集的光纤光栅传感器阵列1-11信号数据划分成各光纤光栅传感器阵段的传感信号；对各光纤光栅传感器阵段信号数据以及参考光路的信号数据采用包括但不限于高斯拟合方法进行寻峰处理；将各光纤光栅传感器阵段的数据寻峰运算结果与参考光路的数据寻峰运算结果进行插值、拟合等运算，计算获得各光纤光栅传感器阵段中光纤光栅传感器的波长值。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种光纤光栅传感器阵列，其特征在于：主要包括主干光纤(1)、光纤分束器A(2)、光纤延时线A(3)、光纤光栅传感器阵段A(10)、光纤光栅传感器阵段N(14)，光纤分束器A(2)的一个输出端与光纤光栅传感器阵段A(10)连接，另一个输出端与一个光纤延时线A(3)首端连接，光纤分束器A(2)的输入端与光纤延时线A(3)的尾端接入主干光纤(1)，光纤延时线A(3)后的主干光纤(1)上接入由光纤分束器B(4)、光纤延时线B(5)、光纤光栅传感器阵段B(11)构成的重复结构，最终接入数目为n-1的相同结构至光纤分束器M(8)、光纤延时线M(9)、光纤光栅传感器阵段M(13)，光纤延时线M(9)后额外接入一个光纤光栅传感器阵段N(14)。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器阵列，其特征在于：所述光纤光栅传感器阵段A(10)和其他光纤光栅传感器阵段都具有相同结构，均由中心波长不同的光纤光栅传感器串联形成。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器阵列，其特征在于：所述光纤分束器A(2)与其他光纤分束器，具有不同的分光比，从光纤光栅传感器阵列首端至尾端，各光纤分束器的分光比依次为n:1,(n-1):1,…,1:1，其中分光比例为1的一段与光纤光栅传感器阵段连接。
4.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器阵列，其特征在于：所述光纤延时线A(3)与其他光纤延时线具有相同的长度，且长度值大于光纤光栅传感器阵段长度。
5.一种光纤光栅传感器阵列波长解调系统，其特征在于：主要包括宽带光源(1-1)、可调谐滤波器(1-2)、光纤分束器(1-3)、脉冲光调制器(1-4)、光功率放大器(1-5)、光纤合束器(1-6)、标准具(1-7)、光探测器A(1-8)、光探测器B(1-9)、控制与信号处理电路(1-10)、光纤光栅传感器阵列(1-11)，宽带光源(1-1)经可调谐滤波器(1-2)后与光纤分束器(1-3)连接，光纤分束器(1-3)的一个输出端与标准具(1-7)的输入端连接，标准具(1-7)的输出端与光探测器A(1-8)连接，光纤分束器(1-3)的另一输出端先后经脉冲光调制器(1-4)与光功率放大器(1-5)后与光纤合束器(1-6)的一个输入端连接，光纤合束器(1-6)的另一个输入端与光探测器B(1-9)连接，光纤合束器(1-6)的输出端与光纤光栅传感器阵列(1-11)连接，光探测器A(1-8)、光探测器B(1-9)与控制与信号处理电路连接。
6.根据权利要求5所述的光纤光栅传感器阵列波长解调系统，其特征在于：所述可调谐滤波器(1-2)在控制与信号处理电路(1-10)输出的由阶梯台阶电压构成的三角波控制信号(1-12)的驱动下完成波长的扫描，其中阶梯台阶电压的时间宽度大于光信号从第一个光纤分束器传播至最后一个光纤光栅传感器阵段尾部所用的时间的2倍。
7.根据权利要求5所述的光纤光栅传感器阵列波长解调系统，其特征在于：所述脉冲光调制器(1-4)在控制与信号处理电路(1-10)输出的脉冲控制信号(1-13)的驱动下实现出射光的脉冲调制，其中脉冲控制信号(1-13)的时间宽度大于光信号在光纤光栅传感器阵段传播时间的2倍，脉冲控制信号(1-13)与控制与信号处理电路(1-10)向可调谐滤波器(1-2)输出的阶梯台阶电压采用同步输出。
8.根据权利要求5所述的光纤光栅传感器阵列波长解调系统，其特征在于：所述控制与信号处理电路(1-10)根据各光纤光栅传感器阵段返回光信号的时间顺序与采样关系，将连续采集的光纤光栅传感器阵列(1-11)信号数据划分成各光纤光栅传感器阵段的传感信号；对各光纤光栅传感器阵段信号数据以及参考光路的信号数据采用包括但不限于高斯拟合方法进行寻峰处理；将各光纤光栅传感器阵段的数据寻峰运算结果与参考光路的数据寻峰运算结果进行插值、拟合等运算，计算获得各光纤光栅传感器阵段中光纤光栅传感器的波长值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190108 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |