CN109186644A - 光谱拼接光频域反射型分布式光纤传感器及信号解调方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光谱拼接光频域反射型分布式光纤传感器及信号解调方法，包括窄线宽扫描激光器、第一光纤耦合器、光环行器、传感光纤、偏振控制单元、第二光纤耦合器、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一平衡光电探测器、第二平衡光电探测器、第三光纤耦合器、第一法拉第旋转反射镜、第二法拉第旋转反射镜、参考光纤干涉仪、光电探测器、信号采集处理单元；通过光谱拼，避免了采用宽光谱范围不跳模的激光器，降低了成本；简化了激光器封装和控制，有利于小型化设计；降低了对环境温度、振动条件的要求，有利于工程推广应用。

Description

光谱拼接光频域反射型分布式光纤传感器及信号解调方法
所属技术领域
本发明涉及一种分布式光纤传感器，特别是一种光谱拼接的光频域反射型分布式纤传感器。
背景技术
光频域反射型分布式光纤传感器，通过光频域反射计测量沿光纤的后向瑞利散射、光纤光栅的后向反射，可以实现光纤温度、应变、振动等的分布式测量或多点测量，具有空间分辨率高、测点数目多、单个测点平均成本低等优点，在航天、航空、土木工程等结构监测中具有广泛的应用。
光频域反射型分布式光纤传感器的传感光纤不同位置的散射或反射信号光同本振光之间具有不同的时延；当窄线宽扫描激光器的频率变化时，不同测点的散射或反射信号光同本振光之间叠加产生不同频率的干涉信号；通过干涉信号的频率，可以确定散射或反射信号光对应的时延和光纤位置，从而实现对光纤的分布式测量；通过散射或反射信号光的波长变化，可以获得不同测点的温度、应变、振动等信息。
现有的光频域反射型分布式光纤传感器(参见“High resolution opticalfrequency domain reflectometry for characterization of components andassemblies”，Optics Express，January 2005，Vol.13，No.2；中国专利《一种可抑制光源相位噪声的光频域反射装置和解调方法》，申请号201210540318.X)通常要求窄线宽扫描激光器在测量波长范围内不发生跳模，存在成本高、体积大、工作温度范围窄、减振要求高等问题，难以满足工程应用对光频域反射型分布式光纤传感器成本、体积、环境适应性的要求。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对现有的光频域反射型分布式光纤传感器需要采用测量光谱范围内不跳模的窄线宽扫描激光器，成本高、体积大、工作温度范围窄、减振要求高等问题；提出了一种光谱拼接的光频域反射型分布式光纤传感器及信号解调方法，将测量光谱范围分为N(N≥2)个光谱区间，窄线宽扫描激光器的波长依次在N个光谱区间内进行不跳模波长扫描，通过数字信号处理对每个光谱区间内的散射或反射信号光光谱进行拼接，获得测量光谱范围内的信号光光谱，完成光频域反射型分布式光纤传感器的信号解调；降低了光频域反射型分布式光纤传感器对激光器的要求，降低了成本和体积，提高了环境适应性，有利于工程推广应用。
本发明的技术解决方案是：一种光谱拼接的光频域反射型分布式光纤传感器，：包括窄线宽扫描激光器、第一光纤耦合器、光环行器、传感光纤、偏振控制器、第二光纤耦合器、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一平衡光电探测器、第二平衡光电探测器、参考光纤干涉仪、热稳定标准具、第一光电探测器、第二光电探测器、模数转换器、信号处理单元；
窄线宽扫描激光器的输出光经过第一光纤耦合器后分成四路；
第一光纤耦合器输出的第一路光经过光环行器的输入端口、双向传输端口后输入传感光纤；传感光纤出射的光经过光环行器的双向传输端口、后向传输端口输入第二光纤耦合器的第一输入端口；
第一光纤耦合器输出的第二路输出光输入偏振控制器；偏振控制器的输出光输入至第二光纤耦合器的第二输入端口；第二光纤耦合器输出的第一路输出光经过第一偏振分束器分开形成s偏振分量和p偏振分量；第二光纤耦合器的第二路输出光经过第二偏振分束器分开形成s偏振分量和p偏振分量；第一偏振分束器输出的s偏振分量和第二偏振分束器输出的s偏振分量输入至第一平衡光电探测器；第一偏振分束器输出的p偏振分量和第二偏振分束器输出的p偏振分量输入至第二平衡光电探测器；
第一光纤耦合器的第三路输出光输入至参考光纤干涉仪；参考光纤干涉仪的输出光输入至第一光电探测器；
第一光纤耦合器的第四路输出光输入至热稳定标准具；热稳定标准具的输出光输入至第二光电探测器；
第一平衡光电探测器、第二平衡光电探测器、第一光电探测器、第二光电探测器的四路输出信号输入至模数转换器；信号处理单元通过数字信号处理完成信号的解调。
所述偏振控制器的输出光的s偏振分量和p偏振分量的强度相等。
所述窄线宽扫描激光器的不跳模光谱范围≥0.8nm，线宽≤10MHz。
所述窄线宽扫描激光器为外腔式可调谐激光器或DBR可调谐激光器或DFB激光器。
所述参考光纤干涉仪包括第三光纤耦合器、第一法拉第旋转反射镜、延时光纤和第二法拉第旋转反射镜；第三光纤耦合器的第三端口和第一法拉第旋转反射镜连接，第三光纤耦合器的第四端口和延时光纤的第一端口连接，延时光纤的第二端口和第二法拉第旋转反射镜连接；第三光纤耦合器的第一端口作为参考光纤干涉仪的输入端口，第三光纤耦合器的第二端口作为参考光纤干涉仪的输出端口。
一种光谱拼接的光频域反射型分布式光纤传感器的信号解调方法，
1)将测量光谱范围分为N个光谱区间，N≥2，窄线宽扫描激光器的频率依次在0～(N-1)个光谱区间内进行不跳模波长扫描，传感光纤的散射或反射信号光和本振光在第二光纤耦合器叠加产生干涉信号；
2)第一平衡光电探测器接收干涉信号的s偏振分量，第二平衡光电探测器接收干涉信号的p偏振分量；第一光电探测器接收参考光纤干涉仪输出的干涉信号；第二光电探测器接收热稳定标准具输出的波长参考信号；
3)模数转换器采集第一平衡光电探测器输出的s偏振分量干涉信号、第二平衡光电探测器输出的p偏振分量干涉信号、第一光电探测器输出的参考干涉信号、第二光电探测器输出的波长参考信号，将数字信号输入信号处理单元；
4)信号处理单元根据参考光纤干涉仪输出的参考干涉信号对s偏振分量干涉信号、p偏振分量干涉信号进行等频率间隔重采样；获得N组s偏振分量干涉信号、N组p偏振分量干涉信号；
5)依次对第0,1,2…(N-1)组s偏振分量干涉信号进行傅里叶变换，对第0,1,2…(N-1)组p偏振分量干涉信号进行傅里叶变换；
6)完成测量各测点在各个光谱区间的信号光光谱；
7)将第0～(N-1)个光谱区间的偏振无关的信号光光谱进行拼接，获得第j个测点的信号光光谱；
8)第j个测点的信号光光谱和初始状态进行相关运算，获得第j个测点的信号光光谱的波长变化；根据传感光纤的温度——波长灵敏度系数、应变——波长灵敏度系数，计算出第j个测点的温度、应变；依次完成第0,1,2…M-1个测点的温度、应变测量。
所述窄线宽扫描激光器的不跳模光谱范围≥0.8nm，线宽≤10MHz。
所述窄线宽扫描激光器为外腔式可调谐激光器或DBR可调谐激光器或DFB激光器。
所述步骤6)的具体过程为：传感光纤共包括M个测点，第j个测点的干涉信号的中心频率为fi，频谱宽度为Δfi，j＝0,1,2…M-1；滤出第i组s偏振分量干涉信号傅里叶变换谱在fi-Δfi/2～fi+Δfi/2范围内的频谱分量，反傅里叶变换获得第j个测点信号光s偏振分量在第i个光谱区间的光谱信息，i＝0,1,2…N-1；滤出第i组p偏振分量干涉信号傅里叶变换谱在fi-Δfi/2～fi+Δfi/2范围内的频谱分量，反傅里叶变换获得第j个测点信号光p偏振分量在第i个光谱区间的光谱信息；对第j个测点信号光s偏振分量、p偏振分量在第i个光谱区间的光谱信息的幅值进行相加，根据波长参考信号对光谱信息进行重采样，获得第j个测点在i个光谱区间的偏振无关的信号光光谱；依次计算出0～(M-1)个测点在i个光谱区间的偏振无关的信号光光谱。
本发明的优点在于：
(1)本发明公开的一种光谱拼接的光频域反射型分布式光纤传感器及信号解调方法，将测量光谱分为N个不跳模光谱范围，通过光谱拼接获得测量光谱范围内的信号光光谱，降低了对窄线宽扫描激光器不跳模光谱范围的要求，有利于低成本设计。
(2)本发明公开的一种光谱拼接的光频域反射型分布式光纤传感器及信号解调方法，不需要对激光器进行多重封装来维持激光器在宽光谱范围不跳模工作，有利于小型化设计。
(3)本发明公开的一种光谱拼接的光频域反射型分布式光纤传感器及信号解调方法，降低了环境温度变化、振动条件下激光器不跳模光谱范围减小的影响，提高了环境适应性，有利于工程推广应用。
附图说明
图1为本发明的光谱拼接的光频域反射型分布式光纤传感器示意图；
图2为本发明的光谱拼接的光频域反射型分布式光纤传感器信号解调方法流程图；
具体实施方式
本发明公开的一种光谱拼接的光频域反射型分布式光纤传感器，一种具体实施方式如图1所示；光谱拼接的光频域反射型分布式光纤传感器包括窄线宽扫描激光器1、第一光纤耦合器21、光环行器3、传感光纤4、偏振控制器5、第二光纤耦合器22、第一偏振分束器61、第二偏振分束器62、第一平衡光电探测器71、第二平衡光电探测器72、第三光纤耦合器23、第一法拉第旋转反射镜91、第二法拉第旋转反射镜92、延时光纤10、热稳定标准具12、第一光电探测器81、第二光电探测器82、模数转换器13、信号处理单元14。
窄线宽扫描激光器1的输出光经过第一光纤耦合器21后分成四路；第一光纤耦合器21输出的第一路光，经过光环行器3的输入端口、双向传输端口后输入传感光纤4；传感光纤4的后向散射或反射光经过光环行器3的双向传输端口、后向传输端口输入第二光纤耦合器22的第一输入端口；第一光纤耦合器21的第二路输出光，输入偏振控制器5；偏振控制器5的输出光的s偏振分量和p偏振分量的强度近似相等，输入第二光纤耦合器22的第二输入端口；第二光纤耦合器22的第一路输出光经过第一偏振分束器61，分开成s、p偏振分量；第二光纤耦合器22的第二路输出光经过第二偏振分束器62，分开成s、p偏振分量；第一偏振分束器61输出的s偏振分量和第二偏振分束器62输出的s偏振分量输入第一平衡光电探测器71；第一偏振分束器61输出的p偏振分量和第二偏振分束器62输出的p偏振分量输入第二平衡光电探测器72；第三光纤耦合器23的第三端口和第一法拉第旋转反射镜91连接，第三光纤耦合器23的第四端口和延时光纤10的第一端口连接，延时光纤10的第二端口和第二法拉第旋转反射镜92连接，第三光纤耦合器23、延时光纤10、第一法拉第旋转反射镜91、第二法拉第旋转反射镜92构成参考光纤干涉仪11，第三光纤耦合器23的第一端口作为参考光纤干涉仪的输入端口，第三光纤耦合器23的第二端口作为参考光纤干涉仪的输出端口；第一光纤耦合器21的第三路输出光输入参考光纤干涉仪11；参考光纤干涉仪11的输出光输入第一光电探测器81；第一光纤耦合器21的第四路输出光输入热稳定标准具12；热稳定标准具12的输出光输入第二光电探测器82；第一平衡光电探测器71、第二平衡光电探测器72、第一光电探测器81、第二光电探测器82的四路输出信号，输入模数转换器13；信号处理单元14通过数字信号处理完成信号的解调。
窄线宽扫描激光器1的不跳模光谱范围≥0.8nm、线宽≤10MHz，是外腔式可调谐激光器、DBR可调谐激光器或DFB激光器。
本发明公开的一种光谱拼接的光频域反射型分布式光纤传感器的信号解调方法，一种具体实施方式如图2所示：
将测量光谱范围分为N(N≥2)个光谱区间，窄线宽扫描激光器1的频率依次在0～(N-1)个光谱区间内进行不跳模波长扫描，传感光纤4的散射或反射信号光和本振光在第二光纤耦合器22叠加产生干涉信号；
第一平衡光电探测器71接收干涉信号的s偏振分量，第二平衡光电探测器72接收干涉信号的p偏振分量，第一光电探测器81接收参考光纤干涉仪输出的干涉信号，第二光电探测器82接收热稳定标准具12输出的波长参考信号；
模数转换器13采集第一平衡光电探测器71输出的s偏振分量干涉信号、第二平衡光电探测器72输出的p偏振分量干涉信号、第一光电探测器81输出的参考干涉信号、第二光电探测器82输出的波长参考信号，将数字信号输入信号处理单元14；
信号处理单元14根据参考光纤干涉仪11输出参考干涉信号对s偏振分量干涉信号、p偏振分量干涉信号进行等频率间隔重采样，获得N组s偏振分量干涉信号、N组p偏振分量干涉信号；
依次对第0,1,2…(N-1)组s偏振分量干涉信号进行傅里叶变换、对第0,1,2…(N-1)组p偏振分量干涉信号进行傅里叶变换；
测点在各个光谱区间的信号光光谱测量：传感光纤共包括M个测点，第j(j＝0,1,2…M-1)个测点的干涉信号的中心频率为fi、频谱宽度为Δfi；滤出第i(i＝0,1,2…N-1)组s偏振分量干涉信号傅里叶变换谱在fi-Δfi/2～fi+Δfi/2范围内的频谱分量，反傅里叶变换获得第j个测点信号光s偏振分量在第i个光谱区间的光谱信息；滤出p偏振分量干涉信号傅里叶变换谱在fi-Δfi/2～fi+Δfi/2范围内的频谱分量，反傅里叶变换获得第j个测点信号光p偏振分量在第i个光谱区间的光谱信息；对第j个测点信号光s偏振分量、p偏振分量在第i个光谱区间的光谱信息的幅值进行相加，根据波长参考信号对光谱信息进行重采样，获得第j个测点在i个光谱区间的偏振无关的信号光光谱；依次计算出0～(M-1)个测点在i个光谱区间的偏振无关的信号光光谱；
将0～(N-1)个光谱区间的偏振无关的信号光光谱进行拼接，获得第j个测点的信号光光谱；
第j个测点的信号光光谱和初始状态进行相关运算，获得第j个测点的信号光光谱的波长变化；根据传感光纤的温度——波长灵敏度系数、应变——波长灵敏度系数，计算出第j个测点的温度、应变；依次完成第0,1,2…M-1个测点的温度、应变测量。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (9)

1.一种光谱拼接的光频域反射型分布式光纤传感器，其特征在于：包括窄线宽扫描激光器(1)、第一光纤耦合器(21)、光环行器(3)、传感光纤(4)、偏振控制器(5)、第二光纤耦合器(22)、第一偏振分束器(61)、第二偏振分束器(62)、第一平衡光电探测器(71)、第二平衡光电探测器(72)、参考光纤干涉仪(11)、热稳定标准具(12)、第一光电探测器(81)、第二光电探测器(82)、模数转换器(13)、信号处理单元(14)；
窄线宽扫描激光器(1)的输出光经过第一光纤耦合器(21)后分成四路；
第一光纤耦合器(21)输出的第一路光经过光环行器(3)的输入端口、双向传输端口后输入传感光纤(4)；传感光纤(4)出射的光经过光环行器(3)的双向传输端口、后向传输端口输入第二光纤耦合器(22)的第一输入端口；
第一光纤耦合器(21)输出的第二路输出光输入偏振控制器(5)；偏振控制器(5)的输出光输入至第二光纤耦合器(22)的第二输入端口；第二光纤耦合器(22)输出的第一路输出光经过第一偏振分束器(61)分开形成s偏振分量和p偏振分量；第二光纤耦合器(22)的第二路输出光经过第二偏振分束器(62)分开形成s偏振分量和p偏振分量；第一偏振分束器(61)输出的s偏振分量和第二偏振分束器(62)输出的s偏振分量输入至第一平衡光电探测器(71)；第一偏振分束器(61)输出的p偏振分量和第二偏振分束器(62)输出的p偏振分量输入至第二平衡光电探测器(72)；
第一光纤耦合器(21)的第三路输出光输入至参考光纤干涉仪(11)；参考光纤干涉仪(11)的输出光输入至第一光电探测器(81)；
第一光纤耦合器(21)的第四路输出光输入至热稳定标准具(12)；热稳定标准具(12)的输出光输入至第二光电探测器(82)；
第一平衡光电探测器(71)、第二平衡光电探测器(72)、第一光电探测器(81)、第二光电探测器(82)的四路输出信号输入至模数转换器(13)；信号处理单元(14)通过数字信号处理完成信号的解调。
2.根据权利要求1所述的一种光谱拼接的光频域反射型分布式光纤传感器，其特征在于：所述偏振控制器(5)的输出光的s偏振分量和p偏振分量的强度相等。
3.根据权利要求1所述的一种光谱拼接的光频域反射型分布式光纤传感器，其特征在于：所述窄线宽扫描激光器(1)的不跳模光谱范围≥0.8nm，线宽≤10MHz。
4.根据权利要求3所述的一种光谱拼接的光频域反射型分布式光纤传感器，其特征在于：所述窄线宽扫描激光器(1)为外腔式可调谐激光器或DBR可调谐激光器或DFB激光器。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种光谱拼接的光频域反射型分布式光纤传感器，其特征在于：所述参考光纤干涉仪(11)包括第三光纤耦合器(23)、第一法拉第旋转反射镜(91)、延时光纤(10)和第二法拉第旋转反射镜(92)；第三光纤耦合器(23)的第三端口和第一法拉第旋转反射镜(91)连接，第三光纤耦合器(23)的第四端口和延时光纤(10)的第一端口连接，延时光纤(10)的第二端口和第二法拉第旋转反射镜(92)连接；第三光纤耦合器(23)的第一端口作为参考光纤干涉仪(11)的输入端口，第三光纤耦合器(23)的第二端口作为参考光纤干涉仪(11)的输出端口。
6.一种光谱拼接的光频域反射型分布式光纤传感器的信号解调方法，其特征在于：
1)将测量光谱范围分为N个光谱区间，N≥2，窄线宽扫描激光器(1)的频率依次在0～(N-1)个光谱区间内进行不跳模波长扫描，传感光纤(4)的散射或反射信号光和本振光在第二光纤耦合器(22)叠加产生干涉信号；
2)第一平衡光电探测器(71)接收干涉信号的s偏振分量，第二平衡光电探测器(72)接收干涉信号的p偏振分量；第一光电探测器(81)接收参考光纤干涉仪(11)输出的干涉信号；第二光电探测器(82)接收热稳定标准具(12)输出的波长参考信号；
3)模数转换器(13)采集第一平衡光电探测器(71)输出的s偏振分量干涉信号、第二平衡光电探测器(72)输出的p偏振分量干涉信号、第一光电探测器(81)输出的参考干涉信号、第二光电探测器(82)输出的波长参考信号，将数字信号输入信号处理单元(14)；
4)信号处理单元(14)根据参考光纤干涉仪(11)输出的参考干涉信号对s偏振分量干涉信号、p偏振分量干涉信号进行等频率间隔重采样；获得N组s偏振分量干涉信号、N组p偏振分量干涉信号；
5)依次对第0,1,2…(N-1)组s偏振分量干涉信号进行傅里叶变换，对第0,1,2…(N-1)组p偏振分量干涉信号进行傅里叶变换；
6)完成测量各测点在各个光谱区间的信号光光谱；
7)将第0～(N-1)个光谱区间的偏振无关的信号光光谱进行拼接，获得第j个测点的信号光光谱；
8)第j个测点的信号光光谱和初始状态进行相关运算，获得第j个测点的信号光光谱的波长变化；根据传感光纤的温度——波长灵敏度系数、应变——波长灵敏度系数，计算出第j个测点的温度、应变；依次完成第0,1,2…M-1个测点的温度、应变测量。
7.根据权利要求6所述的一种光谱拼接的光频域反射型分布式光纤传感器的信号解调方法，其特征在于：所述窄线宽扫描激光器(1)的不跳模光谱范围≥0.8nm，线宽≤10MHz。
8.根据权利要求6或7所述的一种光谱拼接的光频域反射型分布式光纤传感器的信号解调方法，其特征在于：所述窄线宽扫描激光器(1)为外腔式可调谐激光器或DBR可调谐激光器或DFB激光器。
9.根据权利要求6或7所述的一种光谱拼接的光频域反射型分布式光纤传感器的信号解调方法，其特征在于：所述步骤6)的具体过程为：传感光纤共包括M个测点，第j个测点的干涉信号的中心频率为fi，频谱宽度为Δfi，j＝0,1,2…M-1；滤出第i组s偏振分量干涉信号傅里叶变换谱在fi-Δfi/2～fi+Δfi/2范围内的频谱分量，反傅里叶变换获得第j个测点信号光s偏振分量在第i个光谱区间的光谱信息，i＝0,1,2…N-1；滤出第i组p偏振分量干涉信号傅里叶变换谱在fi-Δfi/2～fi+Δfi/2范围内的频谱分量，反傅里叶变换获得第j个测点信号光p偏振分量在第i个光谱区间的光谱信息；对第j个测点信号光s偏振分量、p偏振分量在第i个光谱区间的光谱信息的幅值进行相加，根据波长参考信号对光谱信息进行重采样，获得第j个测点在i个光谱区间的偏振无关的信号光光谱；依次计算出0～(M-1)个测点在i个光谱区间的偏振无关的信号光光谱。
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