CN110715721A - 一种fp型声波传感器复用系统和方法 - Google Patents

一种fp型声波传感器复用系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种FP型声波传感器复用系统和方法，属于光纤传感领域，该系统包括宽带光源、环形器、声波传感器阵列、高速光开关、信号发生器、光谱采集模块和白光解调模块；宽带光源通过环形器输入声波传感器阵列；声波传感器阵列包括多个并行的空分链路；高速光开关，用于在声波传感器阵列各空分链路间循环切换，以实现对各链路的信号采样；光谱采集模块，通过信号发生器与高速光开关进行同步触发控制，对接通的空分链路进行光谱采集；白光解调模块，对每路空分链路上的多个传感器进行频分解复用，得到各个传感器的相位信号。本发明采用各空分链路中的传感器频分复用的连接方式，简化了传感器复用的网络结构，降低了传感网络的成缆和布设难度。

Description

一种FP型声波传感器复用系统和方法
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，更具体地，涉及一种FP型声波传感器复用系统。
背景技术
光纤声波传感技术在很多工程领域具有广泛的应用前景，例如地震波预警与检测、机械结构健康监测、火箭与导弹发射监测、水声通信等，因此近年来受到了国内外学者的广泛研究。光纤声波传感器相比于传统的传感器结构(例如机械式、电容式、压电式)具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、耐腐蚀、易于组网等优势，因此受到了越来越多的关注。FP(Fabry-Perot)型声波传感器是基于FP光学微腔干涉结构，其具有体积小且易于制成反射式探针形式等优点。
FP型传感器的组网复用方式通常是基于频分复用，即构建具有不同腔长的FP传感器，每个传感器由于具有不同的腔长而在傅里叶域具有不同的空间频率，通过监测各个空间频率的变化(频率、强度、或相位)得到各个传感器接收到的信号，但由于单个FP传感器的损耗较大，这种复用方式的复用容量受到功率限制。为了解决这个问题，多域复用技术被提出，多域复用通常在频分复用的基础上在额外的维度上进行复用，以提高由于功率损耗而限制的频分复用点数，例如时分/频分复用、空分/频分复用等。
但这类混合复用方式中由于通常采用1×N分束器分成多个并行支路，每个支路接入一个具有不同空间频率的传感单元，这种结构只有支路，没有主路，传感器复用网络结构复杂，因此当应用于传感器成阵组网时，传感网络的布设难度较高。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种FP型声波传感器复用系统和方法，旨在解决传统的空分/频分复用方法传感器复用网络结构复杂，传感网络的布设难度高的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种FP型声波传感器复用系统，包括：宽带光源、环形器、声波传感器阵列、高速光开关、信号发生器、光谱采集模块和白光解调模块；
所述宽带光源通过所述环形器输入所述声波传感器阵列；
所述声波传感器阵列包括多个并行的空分链路；
所述高速光开关，用于在所述声波传感器阵列各空分链路间循环切换，以实现对各链路的信号采样；
所述信号发生器，用于对高速光开关与光谱采集模块进行同步触发控制；
所述光谱采集模块，用于对所述高速光开关接通的空分链路进行光谱采集；
所述白光解调模块，用于对每路空分链路上的多个传感器进行频分解复用，得到各个传感器的相位信号。
进一步地，每路空分链路中串联多个光纤耦合器(k1-kM)，在每个耦合器的耦合臂输出端连接FP型声波传感器，且各个FP型声波传感器(Sn-1-Sn-M)具有不同的腔长；其中，n为介于1-N之间的整数，代表任意一路空分链路，N为空分链路路数。
进一步地，所述光纤耦合器为2×2光纤耦合器。
进一步地，采用元阵列形式的光谱采集模块，对所述高速光开关接通的空分链路输出光信号的光谱进行逐条采集。
进一步地，所述光谱采集模块的采样频率fsmpl满足奈奎斯特准则：
其中
Figure BDA0002201638710000032
表示各链路的采样频率，fmax表示FP型声波传感器工作频段的上限频率。
按照本发明的另一方面，提供了一种FP型声波传感器复用方法，包括：
(1)对多个并行的空分链路间进行循环切换，实现对各链路的信号采样；
(2)对接通的空分链路进行光谱采集；
(3)对每路空分链路上的多个传感器进行频分解复用，得到各个传感器的相位信号。
进一步地，每路空分链路中串联多个光纤耦合器(k1-kM)，在每个耦合器的耦合臂输出端连接FP型声波传感器，且各个FP型声波传感器(Sn-1-Sn-M)具有不同的腔长；其中，n为介于1-N之间的整数，代表任意一路空分链路，N为空分链路路数。
进一步地，所述光纤耦合器为2×2光纤耦合器。
进一步地，采用元阵列形式的光谱采集模块，对接通的空分链路输出光信号的光谱进行逐条采集。
进一步地，所述光谱采集模块的采样频率fsmpl满足奈奎斯特准则：
Figure BDA0002201638710000033
其中
Figure BDA0002201638710000034
表示各链路的采样频率，fmax表示FP型声波传感器工作频段的上限频率。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列以下有益效果：
(1)传统的复用系统利用分束器分成多个并行支路，每个支路接入一个具有不同空间频率的传感单元，相比这种只有支路，没有主路，不便于成缆及铺设的结构；本发明采用各空分链路中的传感器频分复用的连接方式，即通过在每路空分链路中串联多个2×2耦合器，并在每个耦合器的耦合臂输出端连接一个FP型声波传感器的方式，简化了传感器复用的网络结构，降低了传感网络的成缆和布设难度。
(2)本发明通过空分/频分混合复用的组网方式，提高了由于频分复用功率损耗而受到限制的复用点数，增大了复用容量。
附图说明
图1为本发明提出的一种FP型声波传感器复用系统结构示意图；
图2为利用BaySpec公司的WaveCapture FBGA分析仪进行光谱采集的原理示意图；
图3(a)、图3(b)分别为利用白光解调算法对传感器阵列进行解复用及信号解调的算法流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参考图1，本发明实施例提出了一种FP型声波传感器复用系统，包括：宽带光源、环形器、声波传感器阵列、高速光开关、信号发生器、光谱采集模块和白光解调模块；宽带光源通过环形器输入声波传感器阵列；声波传感器阵列包括多个并行的空分链路；高速光开关，在声波传感器阵列各空分链路间循环切换，以实现对各链路的信号采样；信号发生器，对高速光开关与光谱采集模块进行同步触发控制；光谱采集模块，对高速光开关接通的空分链路进行光谱采集；白光解调模块，对每路空分链路上的多个传感器进行频分解复用，得到各个传感器的相位信号；其中，每路空分链路中串联多个光纤耦合器(k1-kM)，在每个耦合器的耦合臂输出端连接FP型声波传感器，且各个FP型声波传感器(Sn-1-Sn-M)具有不同的腔长；其中，n为介于1-N之间的整数，代表任意一路空分链路，N为空分链路路数。本发明实施例采用的述光纤耦合器为2×2光纤耦合器。
上述结构中每一个链路中具有不同腔长(不同空间频率)的FP型声波传感器通过耦合器实现并联连接方式，以实现频分复用；不同链路具有相同的传感器排列方式(即S1-k,S2-k……SN-k具有相同的腔长，k＝1,2……M)；通过对每条链路中各个耦合器的耦合比(k1-kM)进行优化设计，以尽量保证从各个传感器反射回的光信号具有相同的光功率；多条链路通过高速光开关与环形器的输出端口相连接，以实现空分复用。
本发明实施例采用BaySpec公司的WaveCapture FBGA分析仪进行光谱采集，与环形器的第三端口相连。FBGA模块的工作原理与实物示意图如附图2所示。由于本发明设计的复用方案采用白光解调技术对传感器接收到的声波信号进行解调运算，因此需要对传感器复用网络的光谱数据逐条获取，即在同一时刻各个光波长处的强度数据需要同时获取。如图2所示，传感器阵列输出信号通过输入光纤输入FBGA模块，通过透镜将光场整形为平行光，经过高效的体相位光栅进行分光后不同波长的光被分散并投射到铟镓砷感光阵列上，不同波长的光信号强度由不同的铟镓砷光探单元在同一时刻获取，铟镓砷光探单元将各自探测到的强度按波长顺序排列，同时输出为一条光谱数据Si(λj)，并存入模块内的存储器。根据每一条光谱数据Si(λj)可通过白光解调算法得到对应的传感器在该时刻的相移，当对光谱数据进行连续采集时，可得到传感器的时域相移信号，从而得到解调信号。上述FBGA分析仪的采样频率fsmpl需满足奈奎斯特准则：
Figure BDA0002201638710000051
其中
Figure BDA0002201638710000052
表示各链路的采样频率，fmax表示FP型声波传感器工作频段的上限频率。
为了对图1所示的传感器复用系统进行解复用与信号解调，本实施例中提出一种解调算法流程图，如附图3(a)-图3(b)所示,其中图3(a)所示流程图为整体解调算法流程图，包括空分解复用与频分解复用；而图3(b)所示的流程图为整体流程中的分组运算(频分解复用)步骤的详细流程示意。如图1所示，由于高速光开关在不同的空分链路间切换，因此不同时刻的光谱采样数据对应不同的空分链路，更具体的，第L个空分链路(L＝1,2……N)对应的光谱采样数据集合为{SL(λj),SN+L(λj),S2N+L(λj)……STN+L(λj)}，其中，T为在采样时间窗口内高速光开关在N个空分链路之间的切换循环周期数。因此，如图3(a)所示，首先需要对光谱采样数据进行分组，根据各帧光谱数据的采样序列号将其分至对应空分链路的数据组内，实现空分解复用；分组后的数据分别进行频分解复用的运算，得到每个链路中的各个传感器接收到的声波信号。频分解复用的解调流程图如图3(b)所示，在任意时刻ti所采集到的光谱数据Si(λj)(假设ti时刻光开关接通空分链路L)，通过对光谱Si(λj)进行傅里叶频谱分析，可以将空分链路L上具有不同腔长(不同空间频率)的数量为M的传感器SL-1,SL-2……SL-M在傅里叶频谱上区分开来，在对应各个传感器的频谱分量上对傅里叶频谱分析的结果利用特定的白光解调算法得到各个传感器在ti时刻的相位(或腔长)；随后在下一时刻ti+1对空分链路L+1采用同样的运算步骤进行解复用，得到各传感器的信号解调结果。
本发明实施例另一方面提供了一种FP型声波传感器复用方法，包括：
(1)对多个并行的空分链路间进行循环切换，实现对各链路的信号采样；
具体地，每路空分链路中串联多个光纤耦合器(k1-kM)，在每个耦合器的耦合臂输出端连接FP型声波传感器，且各个FP型声波传感器(Sn-1-Sn-M)具有不同的腔长；其中，n为介于1-N之间的整数，代表任意一路空分链路，N为空分链路路数。其中，光纤耦合器为2×2光纤耦合器。
(2)对接通的空分链路进行光谱采集；
具体地，采用元阵列形式的光谱采集模块，对接通的空分链路输出光信号的光谱进行逐条采集。光谱采集模块的采样频率fsmpl满足奈奎斯特准则：
Figure BDA0002201638710000071
其中
Figure BDA0002201638710000072
表示各链路的采样频率，fmax表示FP型声波传感器工作频段的上限频率。
(3)对每路空分链路上的多个传感器进行频分解复用，得到各个传感器的相位信号。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种FP型声波传感器复用系统，其特征在于，包括：宽带光源、环形器、声波传感器阵列、高速光开关、信号发生器、光谱采集模块和白光解调模块；
所述宽带光源通过所述环形器输入所述声波传感器阵列；
所述声波传感器阵列包括多个并行的空分链路；
所述高速光开关，用于在所述声波传感器阵列各空分链路间循环切换，以实现对各链路的信号采样；
所述信号发生器，用于对高速光开关与光谱采集模块进行同步触发控制；
所述光谱采集模块，用于对所述高速光开关接通的空分链路进行光谱采集；
所述白光解调模块，用于对每路空分链路上的多个传感器进行频分解复用，得到各个传感器的相位信号。
2.根据权利要求1所述的一种FP型声波传感器复用系统，其特征在于，每路空分链路中串联多个光纤耦合器(k1-kM)，在每个耦合器的耦合臂输出端连接FP型声波传感器，且各个FP型声波传感器(Sn-1-Sn-M)具有不同的腔长；其中，n为介于1-N之间的整数，代表任意一路空分链路，N为空分链路路数。
3.根据权利要求2所述的一种FP型声波传感器复用系统，其特征在于，所述光纤耦合器为2×2光纤耦合器。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种FP型声波传感器复用系统，其特征在于，采用元阵列形式的光谱采集模块，对所述高速光开关接通的空分链路输出光信号的光谱进行逐条采集。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种FP型声波传感器复用系统，其特征在于，所述光谱采集模块的采样频率fsmpl满足奈奎斯特准则：
Figure FDA0002201638700000021
其中
Figure FDA0002201638700000022
表示各链路的采样频率，fmax表示FP型声波传感器工作频段的上限频率。
6.一种FP型声波传感器复用方法，其特征在于，包括：
(1)对多个并行的空分链路间进行循环切换，实现对各链路的信号采样；
(2)对接通的空分链路进行光谱采集；
(3)对每路空分链路上的多个传感器进行频分解复用，得到各个传感器的相位信号。
7.根据权利要求6所述的一种FP型声波传感器复用方法，其特征在于，每路空分链路中串联多个光纤耦合器(k1-kM)，在每个耦合器的耦合臂输出端连接FP型声波传感器，且各个FP型声波传感器(Sn-1-Sn-M)具有不同的腔长；其中，n为介于1-N之间的整数，代表任意一路空分链路，N为空分链路路数。
8.根据权利要求7所述的一种FP型声波传感器复用方法，其特征在于，所述光纤耦合器为2×2光纤耦合器。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种FP型声波传感器复用方法，其特征在于，采用元阵列形式的光谱采集模块，对接通的空分链路输出光信号的光谱进行逐条采集。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种FP型声波传感器复用方法，其特征在于，所述光谱采集模块的采样频率fsmpl满足奈奎斯特准则：
Figure FDA0002201638700000023
其中
Figure FDA0002201638700000024
表示各链路的采样频率，fmax表示FP型声波传感器工作频段的上限频率。
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