CN110987146B - 一种光纤传感自差接收装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤传感自差接收装置，包括光纤环形器、光纤放大器、光纤滤波器、光纤偏振控制器、光纤耦合器、延迟光纤、2×4 90°光学桥接器、第一平衡探测器、第二平衡探测器、数据采集卡、复数化单元。首先将微弱的光纤后向散射光放大、滤波以及偏振态调制后，引入光学桥接器与平衡探测器以及复数化器，消除干涉信号直流量的同时输出复数化干涉信号，能够有效提升现有分布式光纤声波传感及分布式光纤振动传感系统的性能；提出利用扰偏器及保偏器件及保偏光纤的接收体制，能够有效抑制传感光纤偏振态的随机变化，有效抑制或消除干涉相消现象；利用光纤信号放大结合自差接收的方式，保证了装置探测长度，利用相位解调也保证了系统探测灵敏度。

Description

一种光纤传感自差接收装置

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，特别是一种光纤传感自差接收装置。

背景技术

光纤传感器由光源、探测光纤、光调制器、光探测器以及解调制器组成。其工作过程是将光源的光经入射光纤送入调制区，光在调制区内与外界被测参数相互作用，使光的光学性质(如强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化而成为被调制的信号光，再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。

分布式光纤传感器是采用独特的分布式光纤探测技术，对沿光纤传输路径上的空间分布和随时间变化信息进行测量或监控的传感器。它将传感光纤沿场排布，可以同时获得被测场的空间分布和随时间的变化信息，适用于许多应用场景，例如分布式光纤声波传感及分布式光纤振动传感系统的应用，分布式光纤振动传感系统能够对长距离的微小振动信号进行检测。现有的分布式光纤声波传感及分布式光纤振动传感系统中，被调制的信号光经出射光纤送入光探测器，最后进入解调器而获得被测参数，缺点和不足有：

1.现有技术使用的光纤传感回波信号接收方式，干涉信号带有直流量，相位解调过程复杂，不适于监测距离较长、数据量大、实时性要求较高的光纤传感系统；例如文献《中国激光》，第43卷第10期，2016年10月，《Optics Communications 346(2015)172-177》提出利用3×3耦合器的光纤传感回波信号接收方式，利用3×3耦合器与法拉第旋转镜组合的方式得到3路相位差为120°的干涉信号，然而，此三路干涉信号带有直流量，相位解调过程复杂，不适于监测距离较长，数据量大，实时性要求较高的光纤传感系统，另外，该文献中的装置并未考虑传感系统偏振态的随机变化导致的信号复杂，实用性较弱；

2.在长距离光纤传输系统中，需对衰减和失真的光信号进行处理及放大，必须在线路适当位置设立中级放大器，结构及处理过程复杂；例如专利CN102628698B提出了一种分布式光纤传感器及其信息解调方法，主要包括光源，光纤耦合器，声光调制器，环形器，平衡探测器，数据采集卡和计算机，该发明利用外差探测方式，将激光器发出的本振光与光纤传感后向散射光进行外差探测，然后通过滤波及正交解调的方式解调出相位信息，然而，该发明的外差接收装置得到的信号为强度干涉信号，而且带有声光调制器的频移量，相位解调方法中需要进行滤波及正交解调方式得到相位信息，处理过程较复杂，另外，该专利也并未考虑传感系统偏振态的随机变化导致的信号复杂，实用性受限；

3.现有光纤传感系统的接收装置对信号接收灵敏度不够理想，有待改进提高。

相干光通信具有灵敏度高、中继距离长、传输容量大等优点,是空间激光通信的主要技术之一，光学桥接器将信号激光和本振激光链接到光电探测器进行相干探测处理，是相干光通信系统中接收端的核心器件之一,具有合成信号光与本振光并产生固定相移的作用；由于利用光学桥接器采用了光学方法直接和同时取得了信号复数函数的实部函数和虚部函数，因此使用光学桥接器的相干光通信技术的接收灵敏度高，复数化准确性高，可以显著提高接收机灵敏度。专利CN102004243B《一种合成孔径激光成像雷达光学桥接外差接收和复值处理系统》，核心原理是采用2×4 90°光学桥接器实现两路外差平衡接收，然后进行复数化，得到复数信号，是合成孔径激光成像雷达的重要的关键技术改进。然而该专利的方法无法直接适用于光纤传感系统中。因此有必要在光纤传感系统中引入光学桥接器。

发明内容

本发明为了克服现有技术的缺点，提供一种光纤传感自差接收装置，能够有效提升现有分布式光纤声波传感及分布式光纤振动传感系统的性能。

本发明的一种光纤传感自差接收装置，其构成包括光纤环形器、光纤放大器、光纤滤波器、光纤偏振控制器、光纤耦合器、延迟光纤、2×4 90°光学桥接器、第一平衡探测器、第二平衡探测器、数据采集卡、复数化单元，

其位置关系如下：

所述的光纤环形器、光纤放大器、光纤滤波器、光纤偏振控制器依次通过非保偏光纤连接，所述的光纤偏振控制器、光纤耦合器、2×4 90°光学桥接器、第一平衡探测器、第二平衡探测器通过保偏光纤连接，具体地，所述的光纤耦合器的第一输出接口连接所述的延迟光纤的输入接口，所述的延迟光纤的输出接口连接所述的2×4 90°光学桥接器的第一输入接口，所述的光纤耦合器的第二输出接口连接所述的2×4 90°光学桥接器的第二输入接口，所述的2×4 90°光学桥接器的第一输出接口连接所述的第一平衡探测器的第一输入接口，所述的2×4 90°光学桥接器的第二输出接口连接所述的第一平衡探测器的第二输入接口，所述的2×4 90°光学桥接器的第三输出接口连接所述的第二平衡探测器的第一输入接口，所述的2×4 90°光学桥接器的第四输出接口连接所述的第二平衡探测器的第二输入接口，所述的第二平衡探测器、数据采集卡、复数化单元通过信号线连接，所述的第一平衡探测器的输出接口连接所述的数据采集卡的第一输入接口，所述的第二平衡探测器的输出接口连接所述的数据采集卡的第二输入接口。

优选地，所述的光纤放大器为掺铒光纤放大器。

具体地，所述的光纤耦合器、2×4 90°光学桥接器为保偏光学器件。

进一步地，所述的2×4 90°光学桥接器结构包括光纤偏振合束器、第一光纤四分之一波片、第一光纤偏振分束器、第二光纤四分之一波片、第二光纤偏振分束器、第三光纤四分之一波片、第三光纤偏振分束器，

所述的光纤偏振合束器、第一光纤四分之一波片、第一光纤偏振分束器、第二光纤四分之一波片、第二光纤偏振分束器、第三光纤四分之一波片、第三光纤偏振分束器为保偏光纤器件，通过保偏光纤连接，

所述的光纤偏振合束器的第一输入端口接所述的光纤耦合器的第一输出端口，所述的光纤偏振合束器的第二输入端口接所述的延迟光纤，所述的光纤偏振合束器的输出端口接所述的第一光纤四分之一波片的输入端口，所述的第一光纤四分之一波片的输出端口接所述的第一光纤偏振分束器的输入端口，所述的第一光纤偏振分束器的第一输出端口接所述的第二光纤四分之一波片的输入端口，所述的第一光纤偏振分束器的第二输出端口接所述的第三光纤四分之一波片的输入端口，所述的第二光纤四分之一波片的输出端口接所述的第二光纤偏振分束器的输入端口，所述的第二光纤偏振分束器的第一输出端口接所述的第一平衡探测器的第一输入端口，所述的第二光纤偏振分束器的第二输出端口接所述的第一平衡探测器的第二输入端口，所述的第三光纤四分之一波片的输出端口接所述的第三光纤偏振分束器的输入端口，所述的第三光纤偏振分束器的第一输出端口接所述的第二平衡探测器的第一输入端口，所述的第三光纤偏振分束器的第二输出端口接所述的第二平衡探测器的第二输入端口，所述的光纤偏振合束器的第一、第二输入端分别对应所述的2×490°光学桥接器的第一、第二输入端口，所述的2×4 90°光学桥接器的第一、第二、第三、第四输出端口分别对应所述的第二光纤偏振分束器的第一输出端口、第二输出端口及第三光纤偏振分束器的第一输出端口、第二输出端口。

进一步地，所述的延迟光纤为保偏光纤。

具体地，所述的光纤耦合器的分束比为1:1。

进一步地，所述的光纤偏振控制器的输出光偏振方向与保偏光纤的偏振保持方向平行。

本发明的光纤传感自差接收装置有如下优点：

1.首先将微弱的光纤后向散射光放大、滤波以及偏振态调制后，然后引入光学桥接器与平衡探测器以及复数化器，消除干涉信号直流量的同时输出复数化干涉信号，即利用光学桥接器、平衡探测器以及复数化器进行光纤传感后向散射信号的复数化接收，极大的简化了后续的相位解调过程，该发明能够有效提升现有分布式光纤声波传感及分布式光纤振动传感系统的性能，是光纤传感领域重要的技术改进；

2.本发明提出利用扰偏器及保偏器件及保偏光纤的接收体制，能够有效抑制传感光纤偏振态的随机变化，提升传感系统性能，有效抑制或消除干涉相消现象；

3.利用光纤信号放大结合自差接收的方式，保证了装置探测长度，同时利用相位解调也保证了系统探测灵敏度。

附图说明

图1为光纤传感自差接收装置结构示意图；

图2为22×4 90°光学桥接器结构示意图。

其中，1-光纤环形器、2-掺铒光纤放大器、3-光纤滤波器、4-光纤偏振控制器、5-光纤耦合器、6-延迟光纤、7-2×4 90°光学桥接器、8-第一平衡探测器、9-第二平衡探测器、10-数据采集卡、11-复数化单元；

701-光纤偏振合束器、702-第一光纤四分之一波片、703-第一光纤偏振分束器、704-第二光纤四分之一波片、705-第二光纤偏振分束器、706-第三光纤四分之一波片、707-第三光纤偏振分束器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，多属于本发明保护的范围。

实施例1：

本发明的一种光纤传感自差接收装置，其特征在于，其构成包括光纤环形器、光纤放大器、光纤滤波器、光纤偏振控制器、光纤耦合器、延迟光纤、2×4 90°光学桥接器、第一平衡探测器、第二平衡探测器、数据采集卡、复数化单元，本实施例中光纤放大器为掺铒光纤放大器，

其位置关系如下：

所述的光纤环形器、掺铒光纤放大器、光纤滤波器、光纤偏振控制器依次通过非保偏光纤连接，所述的光纤偏振控制器、光纤耦合器、2×4 90°光学桥接器、第一平衡探测器、第二平衡探测器通过保偏光纤连接，具体地，所述的光纤耦合器的第一输出接口连接所述的延迟光纤的输入接口，所述的延迟光纤的输出接口连接所述的2×4 90°光学桥接器的第一输入接口，所述的光纤耦合器的第二输出接口连接所述的2×4 90°光学桥接器的第二输入接口，所述的2×4 90°光学桥接器的第一输出接口连接所述的第一平衡探测器的第一输入接口，所述的2×4 90°光学桥接器的第二输出接口连接所述的第一平衡探测器的第二输入接口，所述的2×4 90°光学桥接器的第三输出接口连接所述的第二平衡探测器的第一输入接口，所述的2×4 90°光学桥接器的第四输出接口连接所述的第二平衡探测器的第二输入接口，所述的第二平衡探测器、数据采集卡、复数化单元通过信号线连接，所述的第一平衡探测器的输出接口连接所述的数据采集卡的第一输入接口，所述的第二平衡探测器的输出接口连接所述的数据采集卡的第二输入接口。

所述的光纤耦合器、2×4 90°光学桥接器为保偏光学器件。

所述的2×4 90°光学桥接器结构包括光纤偏振合束器、第一光纤四分之一波片、第一光纤偏振分束器、第二光纤四分之一波片、第二光纤偏振分束器、第三光纤四分之一波片、第三光纤偏振分束器，

所述的光纤偏振合束器、第一光纤四分之一波片、第一光纤偏振分束器、第二光纤四分之一波片、第二光纤偏振分束器、第三光纤四分之一波片、第三光纤偏振分束器为保偏光纤器件，通过保偏光纤连接，

所述的光纤偏振合束器的第一输入端口接所述的光纤耦合器的第一输出端口，所述的光纤偏振合束器的第二输入端口接所述的延迟光纤，所述的光纤偏振合束器的输出端口接所述的第一光纤四分之一波片的输入端口，所述的第一光纤四分之一波片的输出端口接所述的第一光纤偏振分束器的输入端口，所述的第一光纤偏振分束器的第一输出端口接所述的第二光纤四分之一波片的输入端口，所述的第一光纤偏振分束器的第二输出端口接所述的第三光纤四分之一波片的输入端口，所述的第二光纤四分之一波片的输出端口接所述的第二光纤偏振分束器的输入端口，所述的第二光纤偏振分束器的第一输出端口接所述的第一平衡探测器的第一输入端口，所述的第二光纤偏振分束器的第二输出端口接所述的第一平衡探测器的第二输入端口，所述的第三光纤四分之一波片的输出端口接所述的第三光纤偏振分束器的输入端口，所述的第三光纤偏振分束器的第一输出端口接所述的第二平衡探测器的第一输入端口，所述的第三光纤偏振分束器的第二输出端口接所述的第二平衡探测器的第二输入端口，所述的光纤偏振合束器的第一、第二输入端分别对应所述的2×490°光学桥接器的第一、第二输入端口，所述的2×4 90°光学桥接器的第一、第二、第三、第四输出端口分别对应所述的第二光纤偏振分束器的第一输出端口、第二输出端口及第三光纤偏振分束器的第一输出端口、第二输出端口。

本发明的2×4 90°光学桥接器的工作过程为：光纤后向散射光经所述的光纤耦合器分成两路光，分别由所述的偏振合束器的第一、第二输入端口进行合束，所述的偏振合束器的第一输入端口的输入光的偏振态方向为水平方向，所述的偏振合束器的第二输入端口的输入光的偏振态方向为竖直方向，合束后的光束经过所述的第一光纤四分之一波片后变为圆偏振光，经过所述的第一光纤偏振分束器后等分为竖直偏振态与水平偏振态两路光，水平偏振态光输入所述的第二光纤四分之一波片，竖直偏振态光输入所述的第三光纤四分之一波片，所述的第二光纤四分之一波片的输出光的为圆偏振态，经过所述的第二光纤偏振分束器后分成水平偏振态与竖直偏振态两束光，分别输入所述的第一平衡探测器的第一、第二输入端口进行平衡探测，所述的第三光纤四分之一波片的输出光的为圆偏振态，经过所述的第三光纤偏振分束器后分成水平偏振态与竖直偏振态两束光，分别输入所述的第二平衡探测器的第一、第二输入端口进行平衡探测。

本发明的光纤传感自差接收装置的工作过程为：探测光纤的后向散射光经过所述的环形器到达所述的掺铒光纤放大器进行放大，然后经过所述的光纤滤波器滤波，滤除杂散光，再经过所述的光纤偏振控制器输出为线偏振光，经过所述的光纤耦合器后等分为两束光波，一束光波经过所述的延迟光纤后进入所述的2×4 90°光学桥接器，另外一束光波直接进入所述的2×4 90°光学桥接器，经过偏振变换、相位延迟后及相干后，产生四路相位延迟分别为0°、90°、180°、270°的干涉光波，其中相位延迟为0°与180°的光波分别进入所述的第一平衡探测器的第一、第二输入端口进行平衡探测，产生余弦干涉信号，相位延迟为90°与270°的光波分别进入所述的第二平衡探测器的第一、第二输入端口进行平衡探测，产生正弦干涉信号，两路干涉信号分别经过所述的数据采集卡进行模/数转换以及高速采集，再进入所述的复数化单元进行复数化，输出为复数化信号，用于相位解调。

本实施例中，所述光纤环形器为三端口环形器，波长范围为1525nm-1610nm，插入损耗0.8dB，隔离度40dB，回波损耗50dB，最大输入平均功率500mW，所述掺铒光纤放大器波长范围1530nm-1565nm，增益10dB，所述光纤滤波器带通波长范围1500nm-1563nm，插入损耗0.4dB，所述光纤偏振控制器中心波长1550nm，插入损耗0.8dB，所述光纤耦合器分数比为1：1，插入损耗0.1dB，所述延迟光纤长度为6m，所述第一平衡探测器与所述第二平衡探测器波长响应范围为1200nm-1700nm，探测器类型为InGaAs，带宽350MHz，所述的数据采集卡采样速率为100M，分辨率为14位。

经测试，本发明可实现探测距离50km，相位探测灵敏度5*10^-5rad,现有的常规光纤传感系统传感距离40km，相位探测灵敏度5*10^-5rad，该发明保证相位探测灵敏度的同时，实现了探测距离的提升。

实施例2：

与实施例1相比不同之处在于：所述的延迟光纤为保偏光纤。

其余内容与实施例1相同。

实施例3：

与实施例2相比不同之处在于：所述的光纤耦合器的分束比为1:1。

其余内容与实施例2相同。

实施例4：

与实施例3相比不同之处在于：所述的光纤偏振控制器的输出光偏振方向与保偏光纤的偏振保持方向平行。

其余内容与实施例3相同。

Claims (6)

1.一种光纤传感自差接收装置，其特征在于，其构成包括光纤环形器、光纤放大器、光纤滤波器、光纤偏振控制器、光纤耦合器、延迟光纤、2×4 90°光学桥接器、第一平衡探测器、第二平衡探测器、数据采集卡、复数化单元，

其位置关系如下：

所述的光纤环形器、光纤放大器、光纤滤波器、光纤偏振控制器依次通过非保偏光纤连接，所述的光纤偏振控制器、光纤耦合器、2×4 90°光学桥接器、第一平衡探测器、第二平衡探测器通过保偏光纤连接，具体地，所述的光纤耦合器的第一输出接口连接所述的延迟光纤的输入接口，所述的延迟光纤的输出接口连接所述的2×4 90°光学桥接器的第一输入接口，所述的光纤耦合器的第二输出接口连接所述的2×4 90°光学桥接器的第二输入接口，所述的2×4 90°光学桥接器的第一输出接口连接所述的第一平衡探测器的第一输入接口，所述的2×4 90°光学桥接器的第二输出接口连接所述的第一平衡探测器的第二输入接口，所述的2×4 90°光学桥接器的第三输出接口连接所述的第二平衡探测器的第一输入接口，所述的2×4 90°光学桥接器的第四输出接口连接所述的第二平衡探测器的第二输入接口，所述的第二平衡探测器、数据采集卡、复数化单元通过信号线连接，所述的第一平衡探测器的输出接口连接所述的数据采集卡的第一输入接口，所述的第二平衡探测器的输出接口连接所述的数据采集卡的第二输入接口；

所述的2×4 90°光学桥接器结构包括光纤偏振合束器、第一光纤四分之一波片、第一光纤偏振分束器、第二光纤四分之一波片、第二光纤偏振分束器、第三光纤四分之一波片、第三光纤偏振分束器，

所述的光纤偏振合束器、第一光纤四分之一波片、第一光纤偏振分束器、第二光纤四分之一波片、第二光纤偏振分束器、第三光纤四分之一波片、第三光纤偏振分束器为保偏光纤器件，通过保偏光纤连接，

所述的光纤偏振合束器的第一输入端口接所述的光纤耦合器的第一输出端口，所述的光纤偏振合束器的第二输入端口接所述的延迟光纤，所述的光纤偏振合束器的输出端口接所述的第一光纤四分之一波片的输入端口，所述的第一光纤四分之一波片的输出端口接所述的第一光纤偏振分束器的输入端口，所述的第一光纤偏振分束器的第一输出端口接所述的第二光纤四分之一波片的输入端口，所述的第一光纤偏振分束器的第二输出端口接所述的第三光纤四分之一波片的输入端口，所述的第二光纤四分之一波片的输出端口接所述的第二光纤偏振分束器的输入端口，所述的第二光纤偏振分束器的第一输出端口接所述的第一平衡探测器的第一输入端口，所述的第二光纤偏振分束器的第二输出端口接所述的第一平衡探测器的第二输入端口，所述的第三光纤四分之一波片的输出端口接所述的第三光纤偏振分束器的输入端口，所述的第三光纤偏振分束器的第一输出端口接所述的第二平衡探测器的第一输入端口，所述的第三光纤偏振分束器的第二输出端口接所述的第二平衡探测器的第二输入端口，所述的光纤偏振合束器的第一、第二输入端分别对应所述的2×4 90°光学桥接器的第一、第二输入端口，所述的2×4 90°光学桥接器的第一、第二、第三、第四输出端口分别对应所述的第二光纤偏振分束器的第一输出端口、第二输出端口及第三光纤偏振分束器的第一输出端口、第二输出端口。

2.根据权利要求1所述的一种光纤传感自差接收装置，其特征在于，所述的光纤放大器为掺铒光纤放大器。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的一种光纤传感自差接收装置，其特征在于，所述的光纤耦合器、2×4 90°光学桥接器为保偏光学器件。

4.根据权利要求1所述的一种光纤传感自差接收装置，其特征在于，所述的延迟光纤为保偏光纤。

5.根据权利要求1所述的一种光纤传感自差接收装置，其特征在于，所述的光纤耦合器的分束比为1:1。

6.根据权利要求1所述的一种光纤传感自差接收装置，其特征在于，所述的光纤偏振控制器的输出光偏振方向与保偏光纤的偏振保持方向平行。

Images