CN110470377A - 一种多波长外差传感系统及其传感方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多波长外差传感系统及其传感方法。本发明采用多波长光源发出N个不同波长的连续光，经调制器调制成脉冲序列，经过传感器阵列的每一个检波器反射的脉冲序列将会错位叠加干涉，同一个检波器选取不同波长的干涉信号，采样率提高了N倍；本发明采用多波长外差技术，解决了检波器复用个数和测量带宽相互制约的问题，该技术在提高复用检波器个数的同时还能够提高测量带宽；本发明采用多波长技术，利用不同波长信号间的延时对信号进行组合，从而获得更高的采样率；采用多波长与外差调制解调相结合技术，在提高复用检波器个数的同时还能够提高测量带宽。

Description

一种多波长外差传感系统及其传感方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术，具体涉及一种多波长外差传感系统及其传感方法。

背景技术

近年来，光纤传感以其独特的性能获得了越来越多的研究与应用。光纤自身即可实现对温度、应力、应变、振动的传感，为了增强传感的灵敏度，将光纤绕在特制的换能结构上，从而实现光纤检波器。光纤检波器通常采用Mach-Zehnder或Michelson干涉仪结构来构建，其优势在于可以方便的实现多探头复用[1]。目前研究较多的复用技术有：空分复用、时分复用、波分复用、频分复用等。在各种复用技术中，时分复用是最简单有效的方案，并且由于其易与波分复用技术相结合而实现检波器的大规模阵列化，从而备受各国研究者的青睐。目前，时分复用采用较多的为In-line Michelson干涉仪结构[2]。

现有的时分检波器阵列系统，能够复用的检波器个数和测量带宽是相互受限的。当脉冲重复频率为T、脉冲对内两个脉冲的延时为T_d时，能够复用的最多检波器个数为个，此时的外差频率为想要提高外差频率，就要减少检波器的个数，反之亦然。此外，还可以在时分复用的基础上引入波分复用，但该方案需要在检波器端将每个波长分开，反射的信号再合波，增加了系统的复杂度。

发明内容

为了解决外差频率Δf与传感光纤长度L相互制约的问题，本发明提出了一种多波长外差传感系统及其传感方法。

本发明的一个目的在于提出一种多波长外差传感系统。

本发明的多波长外差传感系统包括：传感器阵列、多波长光源、第一波分复用器、调制器、光纤放大器、环形器、第二波分复用器、探测器、数据采集卡和计算机；其中，传感器阵列采用内嵌式(In-line)的迈克尔逊干涉仪形式，包括M个串联的检波器和第(M+1)法拉第旋镜，M≥2，第j个检波器包括第j光纤耦合器、长度为ΔL的第j延时光纤和第j法拉第旋镜，第j光纤耦合器的第一端口连接第(j-1)延时光纤的末端，第j光纤耦合器的第二端口连接第j延时光纤，第j光纤耦合器的第三端口连接第j法拉第旋镜，j＝1,…,M，第一光纤耦合器的第一端口连接环形器的第二端口，第M延时光纤的末端连接第(M+1)法拉第旋镜；多波长光源发出N个不同波长的连续光，波长分别为λ₁～λ_N，N≥2；经第一波分复用器合为一路；经过调制器后调制成脉冲序列，同一波长脉冲的重复周期为T，每个周期内同一波长产生频率分别为f₁和f₂两个脉冲，f₁≠f₂，称为脉冲对，Δf＝f₁-f₂称为外差频率，两个脉冲的宽度均为τ，两个脉冲之间的延时为Td；λ_i波长的脉冲对与λ_i-1波长的脉冲对延时i＝1,…,N；上述脉冲序列经过光纤放大器放大后，进入环形器的第一端口，通过环形器的第二端口注入传感器阵列中；传感器阵列中的每个法拉第旋镜都将对脉冲序列进行反射，由于每个法拉第旋镜前面经历的延时不同，从而反射的脉冲序列将会错位叠加干涉；干涉信号经过环形器的第三端口到达第二波分复用器；经过第二波分复用器将N个波长分为N路，然后被探测器探测，并被数据采集卡采集；信号传输到计算机，检波器的法拉第旋镜的反射信号错位叠加干涉，第j法拉第旋镜反射的频率为f₂的脉冲与第(j+1)法拉第旋镜反射的频率为f₁的脉冲叠加干涉作为第j检波器的干涉信号；干涉信号的波长与脉冲对的波长相对应，分别选取第j检波器的λ_i波长下的干涉信号t_j为第j检波器的λ₁波长的反射信号的时刻，得到N个第j检波器的干涉信号，从而将采样率提高了N倍，得到干涉信号序列I(t_j，λ₁)、……、……、每个波长对应的外差频率均为Δf，将第j检波器的干涉信号序列进行解时分，得到第j检波器随时间变化的信号I^j(t)＝A+Bcos[2πΔft+Φ(t)]，其中A为直流项，B为信号的振幅，Φ(t)为外界振动信息，滤除直流成分后将得到滤波后的信号进行外差解调算法，得到Φ(t)；对传感器阵列上所有检波器均进行外差解调，从而得到传感器阵列上所有检波器的外界振动信息。

多波长光源包括多个不同波长的单色激光器。

两个脉冲之间的延时Td与延时光纤的长度ΔL满足其中n为传感光纤的有效折射率，c为真空中的光速。

本发明的另一个目的在于提供一种多波长外差传感系统的传感方法。

本发明的多波长外差传感系统的传感方法，包括以下步骤：

1)多波长光源发出N个不同波长的连续光，波长分别为λ₁～λ_N，N≥2；

2)N个不同波长的连续光经第一波分复用器合为一路；

3)经过调制器后调制成脉冲序列，同一波长脉冲的重复周期为T，每个周期内同一波长产生频率分别为f₁和f₂两个脉冲，称为脉冲对，Δf＝f₁-f₂称为外差频率，两个脉冲的宽度均为τ，两个脉冲之间的延时为Td；λ_i波长的脉冲对与λ_i-1波长的脉冲对延时i＝1,…,N；

4)上述脉冲序列经过光纤放大器放大后输入至环形器第一端口，通过环形器的第二端口注入传感器阵列中；

5)传感器阵列中的每个法拉第旋镜都将对脉冲序列进行反射，由于每个法拉第旋镜前面经历的延时不同，从而反射的脉冲序列将会错位叠加干涉，干涉信号经过环形器，通过环形器第三端口到达第二波分复用器；经过第二波分复用器将N个波长分为N路，然后被探测器探测，并被数据采集卡采集；

6)信号传输到计算机，检波器的法拉第旋镜的反射信号错位叠加干涉，第j法拉第旋镜反射的频率为f₂的脉冲与第(j+1)法拉第旋镜反射的频率为f₁的脉冲叠加干涉作为第j检波器的干涉信号；干涉信号的波长与脉冲对的波长相对应，分别选取第j检波器的λ_i波长下的干涉信号t_j为第j检波器的λ₁波长的反射信号的时刻，得到N个检波器的干涉信号，从而将采样率提高了N倍；

7)得到干涉信号序列I(t_j，λ₁)、……、……、每个波长对应的外差频率均为Δf，将第j检波器的干涉信号序列进行解时分，得到该检波器随时间变化的信号I^j(t)＝A+B cos[2πΔft+Φ(t)]，其中A为直流项，B为信号的振幅，Φ(t)为外界振动信息，滤除直流成分后将得到滤波后的信号

8)进行外差解调算法，得到Φ(t)即为外界振动信息；

9)对传感器阵列上所有检波器均进行外差解调，从而得到传感器阵列上所有检波器的外界振动信息。

其中，在步骤3)中，对于长度为L的传感光纤，单条瑞利散射曲线的周期为其中n为传感光纤的有效折射率，c为真空中的光速，为了使得信号不发生混叠，需要满足关系

在步骤8)中，外差解调算法，包括以下步骤：

a)滤波后的信号分别与正弦信号sin(2πΔft)和余弦信号cos(2πΔft)进行混频；

b)混频后分别经过低通滤波；

c)低通滤波后的两个信号相除得到比值；

d)经过反正切运算，得到外界振动信息Φ(t)。

本发明的优点：

本发明采用多波长外差技术，解决了检波器复用个数和测量带宽相互制约的问题，该技术在提高复用检波器个数的同时还能够提高测量带宽。本发明的关键在于：(1)采用多波长技术，利用不同波长信号间的延时对信号进行组合，从而获得更高的采样率；(2)采用多波长与外差调制解调相结合技术，在提高复用检波器个数的同时还能够提高测量带宽。

附图说明

图1为本发明的多波长外差传感系统的一个实施例的示意图；

图2为根据本发明的多波长外差传感系统的一个实施例的调制器生成的脉冲序列图；

图3为根据本发明的多波长外差传感系统的一个实施例得到的法拉第旋镜的反射信号与对应的干涉信号图；

图4为本发明的多波长外差传感系统的传感方法的一个实施例的外差解调算法的原理图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的多波长外差传感系统包括：传感器阵列、多波长光源S、第一波分复用器W1、调制器M、光纤放大器A、环形器C、第二波分复用器W2、探测器D、数据采集卡DAQ和计算机PC；其中，传感器阵列采用内嵌式(In-line)的迈克尔逊干涉仪形式，包括M个串联的检波器和第(M+1)法拉第旋镜，M≥2，第j个检波器包括第j光纤耦合器O_j、长度为ΔL的第j延时光纤和第j法拉第旋镜F_j，第j光纤耦合器O_j的第一端口连接第(j-1)延时光纤的末端，第j光纤耦合器O_j的第二端口连接第j延时光纤，第j光纤耦合器O_j的第三端口连接第j法拉第旋镜F_j，j＝1,…,M，第一光纤耦合器的第一端口连接环形器的第二端口，第M延时光纤的末端连接第(M+1)法拉第旋镜F_M+1；多波长光源S发出四个不同波长的连续光，波长分别为λ₁～λ₄；经第一波分复用器W₁合为一路；经过调制器M后调制成如图2所示的脉冲序列，同一波长脉冲的重复周期为T，每个周期内同一波长产生频率分别为f₁和f₂两个脉冲，称为脉冲对，Δf＝f₁-f₂称为外差频率，两个脉冲的宽度均为τ，两个脉冲之间的延时为Td；四个波长的脉冲对分别延时T/4，即λ₂的脉冲对比λ₁的脉冲对延后T/4，λ₃的脉冲对比λ₂的脉冲对延后T/4，λ₄的脉冲对比λ₃的脉冲对延后T/4；上述脉冲序列经过光纤放大器A放大后，通过环形器C注入传感器阵列中；传感器阵列中的每个法拉第旋镜都将对脉冲序列进行反射，由于每个法拉第旋镜前面经历的延时不同，从而反射的脉冲序列将会错位叠加干涉，效果如图3所示，第j法拉第旋镜反射的频率为f₂的脉冲与第(j+1)法拉第旋镜反射的频率为f₁的脉冲叠加干涉作为第j检波器的干涉信号，第j检波器的λ₁波长的反射信号在t_j时刻，第j检波器的λ_i波长的反射信号延后在时刻；干涉信号经过环形器C后到达第二波分复用器W₂；经过第二波分复用器W₂将四个波长分为四路，然后被探测器D探测，并被数据采集卡DAQ采集；信号传输到计算机PC，进行外差解调算法，从而得到光纤上所有位置上的振动信息。

分别选取第j检波器的t_j时刻λ₁波长下的干涉信号I(t_j,λ₁)、时刻λ₂波长下的干涉信号时刻λ₃波长下的干涉信号时刻λ₄波长下的干涉信号这四个信号为第j检波器的干涉信号。这种信号抽取方式，一个周期T内第j检波器的信号采集到了4个点，即对第j检波器的信号采样率为而单一波长的信号采样率为从而将采样率提高了4倍。如果增加波长的数量，能够获得更高的采样率。

脉冲对的两个脉冲之间的频率差为Δf＝f₁-f₂，称之为外差频率。按照上述信号的组合方式，传感器阵列上第j检波器的时域信号由I(t_j,λ₁)、 I(t_j+T,λ₁)……信号序列所组成，由于每个波长对应的外差频率均为Δf，因此上述序列信号表示为I^j(t)＝A+B cos[2πΔft+Φ(t)]，其中A为直流项，B为信号的振幅，Φ(t)为外界振动信息，是外界振动引起光纤中光相位的变化，即为最终需要获得的信号。将上述信号滤除直流成分后将得到然后对该信号进行如图4所示的外差解调算法，最后得到的Φ(t)即为外界振动信息。最后，对传感器阵列上所有检波器的信号均按照上述方法进行处理，即可得到传感器阵列上所有检波器的外界振动信息。

如图4所示，外差解调算法过程为：将信号分别与正弦信号sin(2πΔft)和余弦信号cos(2πΔft)进行混频并分别经过低通滤波LPF，然后两者相除得到两者的比值，最后经过反正切arctan运算即可得到外界振动信息Φ(t)。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

参考资料：

[1]张楠.大规模光纤水听器阵列光学外差及时分复用技术研究.国防科学技术大学,2007.

[2]Kirkendall C K,Dandridge A.Overview of high performance fibre-optic sensing[J].Journal of Physics D:Applied Physics,2004,37(18):R197.

Claims (6)

1.一种多波长外差传感系统，其特征在于，所述多波长外差传感系统包括：传感器阵列、多波长光源、第一波分复用器、调制器、光纤放大器、环形器、第二波分复用器、探测器、数据采集卡和计算机；其中，所述传感器阵列采用内嵌式的迈克尔逊干涉仪形式，包括M个串联的检波器和第(M+1)法拉第旋镜，M≥2，第j个检波器包括第j光纤耦合器、长度为ΔL的第j延时光纤和第j法拉第旋镜，第j光纤耦合器的第一端口连接第(j-1)延时光纤的末端，第j光纤耦合器的第二端口连接第j延时光纤，第j光纤耦合器的第三端口连接第j法拉第旋镜，j＝1,…,M，第一光纤耦合器的第一端口连接环形器的第二端口，第M延时光纤的末端连接第(M+1)法拉第旋镜；所述多波长光源发出N个不同波长的连续光，波长分别为λ₁～λ_N，N≥2；经第一波分复用器合为一路；经过调制器后调制成脉冲序列，同一波长脉冲的重复周期为T，每个周期内同一波长产生频率分别为f₁和f₂两个脉冲，f₁≠f₂，称为脉冲对，Δf＝f₁-f₂称为外差频率，两个脉冲的宽度均为τ，两个脉冲之间的延时为Td；λ_i波长的脉冲对与λ_i-1波长的脉冲对延时上述脉冲序列经过光纤放大器放大后，进入环形器的第一端口，通过环形器的第二端口注入传感器阵列中；传感器阵列中的每个法拉第旋镜都将对脉冲序列进行反射，由于每个法拉第旋镜前面经历的延时不同，从而反射的脉冲序列将会错位叠加干涉；干涉信号经过环形器的第三端口到达第二波分复用器；经过第二波分复用器将N个波长分为N路，然后被探测器探测，并被数据采集卡采集；信号传输到计算机，检波器的法拉第旋镜的反射信号错位叠加干涉，第j法拉第旋镜反射的频率为f₂的脉冲与第(j+1)法拉第旋镜反射的频率为f₁的脉冲叠加干涉作为第j检波器的干涉信号；干涉信号的波长与脉冲对的波长相对应，分别选取第j检波器的λ_i波长下的干涉信号t_j为第j检波器的λ₁波长的反射信号的时刻，得到N个第j检波器的干涉信号，从而将采样率提高了N倍，得到干涉信号序列每个波长对应的外差频率均为Δf，将第j检波器的干涉信号序列进行解时分，得到第j检波器随时间变化的信号I^j(t)＝A+Bcos[2πΔft+Φ(t)]，其中A为直流项，B为信号的振幅，Φ(t)为外界振动信息，滤除直流成分后将得到滤波后的信号进行外差解调算法，得到Φ(t)；对传感器阵列上所有检波器均进行外差解调，从而得到传感器阵列上所有检波器的外界振动信息。

2.如权利要求1所述的多波长外差传感系统，其特征在于，所述多波长光源包括多个不同波长的单色激光器。

3.如权利要求1所述的多波长外差传感系统，其特征在于，所述两个脉冲之间的延时Td与延时光纤的长度ΔL满足其中n为传感光纤的有效折射率，c为真空中的光速。

4.一种如权利要求1所述的多波长外差传感系统的传感方法，其特征在于，所述的传感方法包括以下步骤：

1)多波长光源发出N个不同波长的连续光，波长分别为λ₁～λ_N，N≥2；

2)N个不同波长的连续光经第一波分复用器合为一路；

3)经过调制器后调制成脉冲序列，同一波长脉冲的重复周期为T，每个周期内同一波长产生频率分别为f₁和f₂两个脉冲，称为脉冲对，Δf＝f₁-f₂称为外差频率，两个脉冲的宽度均为τ，两个脉冲之间的延时为Td；λ_i波长的脉冲对与λ_i-1波长的脉冲对延时i＝1,…,N；

4)上述脉冲序列经过光纤放大器放大后输入至环形器第一端口，通过环形器的第二端口注入传感器阵列中；

5)传感器阵列中的每个法拉第旋镜都将对脉冲序列进行反射，由于每个法拉第旋镜前面经历的延时不同，从而反射的脉冲序列将会错位叠加干涉，干涉信号经过环形器，通过环形器第三端口到达第二波分复用器；经过第二波分复用器将N个波长分为N路，然后被探测器探测，并被数据采集卡采集；

6)信号传输到计算机，检波器的法拉第旋镜的反射信号错位叠加干涉，第j法拉第旋镜反射的频率为f₂的脉冲与第(j+1)法拉第旋镜反射的频率为f₁的脉冲叠加干涉作为第j检波器的干涉信号；干涉信号的波长与脉冲对的波长相对应，分别选取第j检波器的λ_i波长下的干涉信号t_j为第j检波器的λ₁波长的反射信号的时刻，得到N个检波器的干涉信号，从而将采样率提高了N倍；

7)得到干涉信号序列每个波长对应的外差频率均为Δf，将第j检波器的干涉信号序列进行解时分，得到该检波器随时间变化的信号I^j(t)＝A+Bcos[2πΔft+Φ(t)]，其中A为直流项，B为信号的振幅，Φ(t)为外界振动信息，滤除直流成分后将得到滤波后的信号

8)进行外差解调算法，得到Φ(t)即为外界振动信息；

9)对传感器阵列上所有检波器均进行外差解调，从而得到传感器阵列上所有检波器的外界振动信息。

5.如权利要求4所述的传感方法，其特征在，在步骤3)中，对于长度为L的传感光纤，单条瑞利散射曲线的周期为其中n为传感光纤的有效折射率，c为真空中的光速，为了使得信号不发生混叠，需要满足关系

6.如权利要求4所述的传感方法，其特征在，在步骤8)中，外差解调算法包括以下步骤：

a)滤波后的信号分别与正弦信号sin(2πΔft)和余弦信号cos(2πΔft)进行混频；

b)混频后分别经过低通滤波；

c)低通滤波后的两个信号相除得到比值；

d)经过反正切运算，得到外界振动信息Φ(t)。