CN110558958A - 一种基于光波模式选择的生命体征监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于光波模式选择的生命体征监测装置，选用小芯径光纤连接多模光纤和第二单模光纤，由于小芯径光纤的纤芯细，与多模光纤端面的光通过有效面积小，只接收多模光纤中基模能量最集中的中心部分，而忽略掉有高阶模混杂的基模能量，同时，这种极小接触面的焊接点即使在焊接时光纤对芯稍有偏离，高阶模的能量仍然很有限，基本可以忽略，难以耦合进第二单模光纤中，从而消除模间干涉的影响，保证从多模光纤中光波的多种模式中选择其中的基模送入光电转换模块的输入端，实现光波模式选择，此光信号同时受到多模光纤弯曲损耗和模式间耦合变化的强度调制，而消除了模间干涉带来的不稳定因素的影响，提高了系统的稳定性和检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及生命体征检测领域，尤其涉及一种基于光波模式选择的生命体征监测装置。
背景技术
随着社会经济技术的发展及人们对生活质量要求的提高，人们对自身健康进行检测的需求不断增大。呼吸率和心率是最基本的人体生命体征，人体的病态体征往往会从异常的呼吸率和心率上反映出来，因此，实现呼吸率和心率的日常实时监测对人体健康评估和疾病预防有着重要意义，长时间的呼吸率和心跳监测可使受监测者的健康状态被实时监测掌握。近年来，非接触式监测系统发展迅速。基于光纤传感原理的传感系统具有灵敏度高、舒适性好、抗电磁干扰的特点，被广泛用于生命体征监测。呼吸会引起人体胸腔的扩张与收缩，导致对传感光纤的挤压，心跳会引发人体全身动脉血管的微振动，这种微小的振动也会产生对传感光纤的挤压。因振动引起的模间干涉和模间耦合变化中，显然，模间干涉变化幅度更大。因此，现有技术多以多模光纤中的模间干涉做振动检测。但基于干涉原理的传感检测受光的偏振态和相位衰落的影响，信号检测不稳定，难以做到长时间实时监测。而采用多模光纤弯曲损耗和模式间耦合原理的传感器多采用单模-多模-单模(SMS)级联结构，理论上可以消除模间干涉带来的不稳定因素的影响，提高系统的稳定性，但是由于普通单模光纤芯径为9μm，与多模熔接时，很难确保两种光纤的中心绝对对准，同时熔接也会导致焊点处折射率的变化，容易使多模光纤中的高阶模能量耦合到单模光纤，单模光纤中接收的信号仍然受模间干涉信号的影响，而模间耦合信号因为只接收了纤芯中心的一部分信号本身就显得相对较弱，此时模间干涉的信号仍起到重要作用，严重影响到基于光波模式耦合原理的传感解调。因此，为解决上述问题，本发明提供一种基于光波模式选择的生命体征监测装置，可以避免多模光纤中的高阶模能量耦合到单模光纤，并解决不同类型光纤之间的焊接点影响光波模式选择的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种基于光波模式选择的生命体征监测装置，可以避免多模光纤中的高阶模能量耦合到单模光纤，并解决不同类型光纤之间的焊接点影响光波模式选择的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种基于光波模式选择的生命体征监测装置，其包括传感光纤，传感光纤包括顺次连接的第一单模光纤、多模光纤、小芯径光纤和第二单模光纤。
在以上技术方案的基础上，优选的，多模光纤为任意芯径的多模光纤，小芯径光纤为芯径小于9μm的任意类型光纤。
进一步优选的，小芯径光纤为芯径为5μm的任意类型光纤。
在以上技术方案的基础上，优选的，多模光纤和小芯径光纤的分段数包括但不限于2段。
在以上技术方案的基础上，优选的，还包括光源、光电转换模块，以及生命体征信号提取与分析模块；
光源，输出光信号，并传送给第一单模光纤；
第一单模光纤，一端连接光源，另一端连接多模光纤的一端，光信号在第一单模光纤中只存有基模模式，当光信号从第一单模光纤耦合到多模光纤时，第一单模光纤中的基模在多模光纤中激发各种高阶模式，各种模式在多模光纤的传播中发生模间干涉和模间耦合，模间干涉使各模式互相叠加的光总功率在空间上呈新的波形分布，模间耦合使各模式之间能量相互转换，使光能量在各模式间重新分配，多模光纤中的基模能量集中在纤芯中间区域，小芯径光纤与多模光纤的另一端对芯焊接，只接收多模光纤中基模，滤除高阶模，消除模间干涉的影响，小芯径光纤中的基模通过第二单模光纤到达光电转换模块；
光电转换模块，连接生命体征信号提取与分析模块，将光信号转换为电信号；
生命体征信号提取与分析模块，从电信号中提取出生命体征信息。
进一步优选的，还包括蓝牙通讯模块和智能终端，所述蓝牙通讯模块分别连接生命体征信号提取与分析模块和智能终端，智能终端对生命体征信号提取与分析模块得到的生命体征信息进行显示，并在生命体征信息超过预设值时发送警示信息。
在以上技术方案的基础上，优选的，生命体征监测装置内置于但不限于坐垫、床垫、鞋垫、枕头中。
在以上技术方案的基础上，优选的，生命体征监测装置的监测方式包括但不限于非穿戴式和非侵入式。
本发明的一种基于光波模式选择的生命体征监测装置相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)基模在多模光纤中激发各种高阶模式，各种模式在多模光纤的传播中发生模间干涉和模间耦合，因模间干涉变化幅度更大，现有技术多以多模光纤中的模间干涉做振动检测。但基于干涉原理的传感检测受光的偏振态和相位衰落的影响，信号检测不稳定，难以做到长时间实时监测，而本发明采用模间耦合的原理代替传统的模间干涉原理采集生命体征信号，可以消除模间干涉带来的不稳定因素的影响，提高系统的稳定性，可以实现长时间实时监测；
(2)选用小芯径光纤连接多模光纤和第二单模光纤，由于小芯径光纤的纤芯细，与多模光纤端面的光通过有效面积小，只接收多模光纤中基模能量最集中的中心部分，而忽略掉有高阶模混杂的基模能量，同时，这种极小接触面的焊接点即使在焊接时光纤对芯稍有偏离，高阶模的能量仍然很有限，基本可以忽略，难以耦合进第二单模光纤中，从而消除模间干涉的影响，保证从多模光纤中光波的多种模式中选择其中的基模送入光电转换模块的输入端，实现光波模式选择，此光信号同时受到多模光纤弯曲损耗和模式间耦合变化的强度调制，而消除了模间干涉带来的不稳定因素的影响，提高了系统的稳定性和检测精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种基于光波模式选择的生命体征监测装置的结构图；
图2为本发明一种基于光波模式选择的生命体征监测装置中传感光纤的结构图；
图3为传统方法采集的呼吸和心跳信号；
图4为本实施例中采集的呼吸和心跳信号。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明的一种基于光波模式选择的生命体征监测装置，其包括传感光纤、光源、光电转换模块、蓝牙通讯模块、智能终端以及生命体征信号提取与分析模块。
光源，产生光信号，光源可以是相干光光源，也可以是非相干光源。在本实施例中，光源为激光光源。激光光源输出的光信号在第一单模光纤中只存有基模模式。
传感光纤，呼吸会引起人体胸腔的扩张与收缩，导致对传感光纤的挤压，心跳会引发人体全身动脉血管的微振动，这种微小的振动也会产生对传感光纤的挤压，光信号在弯曲部位处损耗而被调制。同时，振动信号还可引起多模光纤中的各阶模式互相耦合，单纯从基模的能量上看，基模能量亦受到振动信号的调制。在本实施例中，包括顺次连接的第一单模光纤、多模光纤、小芯径光纤和第二单模光纤，其中，多模光纤感受心跳和呼吸对光纤的挤压，第一单模光纤、小芯径光纤和第二单模光纤是连接光纤。
第一单模光纤、第二单模光纤和小芯径光纤都是纤芯很细的单模光纤，纤芯中只能传输基模的光信号。多模光纤可传多种模式的光信号。在本实施例中，多模光纤为任意芯径的多模光纤。当光信号从第一单模光纤耦合到多模光纤时，由于多模光纤的芯径(通常大于50μm)比第一单模光纤(9μm)粗得多，第一单模中的基模会在多模光纤中激发各种高阶模式，各种模式在多模光纤的传播中发生模间干涉和模间耦合，模间干涉使各模式互相叠加的光总功率在空间上呈新的波形分布，模间耦合是各模式之间能量相互转换，使光能量在各模式间重新分配，而在多模光纤中，基模能量主要集中在纤芯中间很小的区域，该区域中其他模式的光能量分布极少。利用小芯径光纤与多模输出端对芯焊接，此时小芯径光纤只能接收到多模光纤中的受到调制的基模能量，消除模间干涉的影响，提高了系统的稳定性和检测精度。
小芯径光纤为芯径小于9μm的任意类型光纤。优选的，本实施例中，小芯径光纤为5μm的任意类型光纤。小芯径光纤的两端分别与多模光纤和第二单模光纤焊接，由于小芯径光纤的纤芯细，与多模光纤端面的光通过有效面积小，只接收多模光纤中基模能量最集中的中心部分，而忽略掉有高阶模混杂的基模能量，同时，这种极小接触面的焊接点即使在焊接时光纤对芯稍有偏离，高阶模的能量仍然很有限，基本可以忽略，难以耦合进第二单模光纤中，从而消除模间干涉的影响，保证从多模光纤中光波的多种模式中选择其中的基模送入光电转换模块的输入端，实现光波模式选择。在本实施例中，多模光纤和小芯径光纤的分段数包括但不限于2段，且长度没有限制。
本实施例的工作原理是：激光光源输出相干光，且相干光在第一单模光纤中只存有基模模式，当相干光从第一单模光纤耦合到多模光纤时，第一单模光纤中的基模在多模光纤中激发各种高阶模式，各种模式在多模光纤的传播中发生模间干涉和模间耦合，模间干涉使各模式互相叠加的光总功率在空间上呈新的波形分布，而模间耦合是各模式之间能量相互转换，使光能量在各模式间重新分配，理论上可以消除模间干涉带来的不稳定因素的影响，提高系统的稳定性。因振动引起的模间干涉和模间耦合变化中，模间干涉变化幅度更大。因此，现有技术多以多模光纤中的模间干涉做振动检测。但基于干涉原理的传感检测受光的偏振态和相位衰落的影响，信号检测不稳定，难以做到长时间实时监测。由于模间耦合理论上可以消除模间干涉带来的不稳定因素的影响，提高系统的稳定性，因此，为实现长时间实时监测，本实施例采用模间耦合原理的消除模间干涉带来的不稳定因素的影响进而实现生命体征信号的稳定采集，而基于模间耦合原理的传感光纤主要以单模-多模-单模(SMS)的结构级联，因多模光纤中的基模能量集中在纤芯中间区域。但由于普通的单模光纤芯径为9μm，与多模熔接时，很难确保两种光纤的中心绝对对准，同时熔接也会导致焊点处折射率的变化，容易使多模光纤中的高阶模能量耦合到单模光纤，这就无法避免地引入了模间干涉带来的能量变化，严重影响到基于光波模式耦合原理的传感解调。因此，为解决上述问题，本实施例，选用小芯径光纤连接多模光纤和第二单模光纤，由于小芯径光纤的纤芯细，与多模光纤端面的光通过有效面积小，只接收多模光纤中基模能量最集中的中心部分，而忽略掉有高阶模混杂的基模能量，同时，这种极小接触面的焊接点即使在焊接时光纤对芯稍有偏离，高阶模的能量仍然很有限，基本可以忽略，难以耦合进第二单模光纤中，从而消除模间干涉的影响，保证从多模光纤中光波的多种模式中选择其中的基模送入光电转换模块的输入端，实现光波模式选择，此光信号同时受到多模光纤弯曲损耗和模式间耦合变化的强度调制，而消除了模间干涉带来的不稳定因素的影响，提高了系统的稳定性和检测精度，在第二单模光纤输出随呼吸和心跳相关性变化的光功率，输出的光功率经光电转换模块转换为电信号，再经生命体征信号提取与分析模块在不同的频带中将呼吸和心跳信号区分开来，就可以得到呼吸与心跳信号，最后由蓝牙通讯模块发送至智能终端显示与报警。
本实施例的生命体征监测装置内置于但不限于坐垫、床垫、鞋垫、枕头中。生命体征监测装置的监测方式包括但不限于非穿戴式和非侵入式。
图3为未采用小芯径光纤连接多模光纤和第二单模光纤采集的呼吸和心跳信号，图4为本实施例中采集的呼吸和心跳信号，对比图3和图4，图3中，由于多模光纤中有少量高阶模耦合进第二单模光纤，模间干涉导致的光功率的变化较大，信号动态幅度较大，呼吸信号较好，而相对微弱的心跳信号很难凸显出来。同时，受偏振态的影响，长时间观察中，输出信号会出现周期性衰落，说明模间干涉影响严重，稳定性差；图4中，由于只接收基模的能量，输出信号功率较小，呼吸信号稍有减弱，心率信号周期性明显，长时间测试中，未发现有衰落现象，说明本实施例中没有检测到干涉信号，稳定性好。可以得出，本实施例检测的呼吸和心跳信号更稳定，检测精度更高。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于光波模式选择的生命体征监测装置，其包括传感光纤，其特征在于：所述传感光纤包括顺次连接的第一单模光纤、多模光纤、小芯径光纤和第二单模光纤。
2.如权利要求1所述的一种基于光波模式选择的生命体征监测装置，其特征在于：所述多模光纤为任意芯径的多模光纤，小芯径光纤为芯径小于9μm的任意类型光纤。
3.如权利要求2所述的一种基于光波模式选择的生命体征监测装置，其特征在于：所述小芯径光纤为芯径为5μm的任意类型光纤。
4.如权利要求1所述的一种基于光波模式选择的生命体征监测装置，其特征在于：所述多模光纤和小芯径光纤的分段数包括但不限于2段。
5.如权利要求1所述的一种基于光波模式选择的生命体征监测装置，其特征在于：还包括光源、光电转换模块，以及生命体征信号提取与分析模块；
光源，输出光信号，并传送给第一单模光纤；
第一单模光纤，一端连接光源，另一端连接多模光纤的一端，光信号在第一单模光纤中只存有基模模式，当光信号从第一单模光纤耦合到多模光纤时，第一单模光纤中的基模在多模光纤中激发各种高阶模式，各种模式在多模光纤的传播中发生模间干涉和模间耦合，多模光纤中的基模能量集中在纤芯中间区域，小芯径光纤与多模光纤的另一端对芯焊接，只接收多模光纤中基模，而滤除高阶模，消除模间干涉的影响，小芯径光纤中的基模通过第二单模光纤到达光电转换模块；
光电转换模块，连接生命体征信号提取与分析模块，将光信号转换为电信号；
生命体征信号提取与分析模块，从电信号中提取出生命体征信息。
6.如权利要求5所述的一种基于光波模式选择的生命体征监测装置，其特征在于：还包括蓝牙通讯模块和智能终端，所述蓝牙通讯模块分别连接生命体征信号提取与分析模块和智能终端，智能终端对生命体征信号提取与分析模块得到的生命体征信息进行显示，并在生命体征信息超过预设值时发送警示信息。
7.如权利要求1所述的一种基于光波模式选择的生命体征监测装置，其特征在于：所述生命体征监测装置内置于但不限于坐垫、床垫、鞋垫、枕头中。
8.如权利要求1所述的一种基于光波模式选择的生命体征监测装置，其特征在于：所述生命体征监测装置的监测方式包括但不限于非穿戴式和非侵入式。
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