CN112129332A - 基于ofdr的大规模光纤光栅传感器灵活复用装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于OFDR的大规模光纤光栅传感器灵活复用装置，包括可调谐光源、主干涉仪、辅助干涉仪、光电探测器PD1与PD2、数据采集单元和控制处理单元；可调谐光源为主干涉仪与辅助干涉仪提供波长线性变化的周期性扫描光，主干涉仪包括由一路单模光纤及末端连接法拉第旋光镜组成的参考臂和由若干全同弱反射光纤光栅传感器组成的测量臂，辅助干涉仪包括两路不同长度的单模光纤以及其末端连接的法拉第旋光镜，数据采集单元以光电探测器PD1获取的辅助干涉仪拍频信号作为外部采样时钟，对光电探测器PD2获取的主干涉仪拍频信号进行等光频间隔采样，对可调谐光源扫频非线性进行补偿；本方案在不增加光分路器、光电探测器等器件的前提下，实现单通道多路光纤光栅传感器的灵活复用，可在多个领域的广泛应用。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于OFDR的大规模光纤光栅传感器灵活复用装置。
背景技术
光纤传感技术是随着光纤通信技术发展起来的一种新型传感技术，光纤光栅传感器(Fiber Bragg Grating,FBG)是应用最广泛的光纤传感器之一，具有灵敏度高、体积小、重量轻、抗电磁干扰、测点密度高等优点，在航空航天、交通、水利、建筑等领域的状态监测中具有重要应用。
在大多数应用场合，通常需要同时监测不同空间分布的多个物理参量，需要布设多个光纤光栅传感器来实现准分布式测量。为了提升系统的感知能力，简化传感系统结构，普遍采用多个光纤光栅传感器复用的方法来构建传感网络，其中波分复用是目前最常用的复用技术。然而，在波分复用系统中，为了保证波长识别的唯一性，必须以牺牲光源的带宽为代价，而光源带宽受器件制造工艺的限制，资源十分紧张。因此，为了实现光纤光栅传感器的大规模复用，需要探索一种新的复用技术来突破光源带宽的限制，而全同弱反射技术恰能满足这一要求，在全同弱反射技术中，弱反射光纤光栅传感器反射率、中心波长和带宽等光学参数均相同，称为“全同”光栅，因其反射率低，并且中心波长、带宽等光学参数相同，突破了对光源带宽的依赖，因而可以实现大规模复用。
目前常用的全同弱反射光纤光栅传感器解调技术主要有光时域反射(OpticalTime Domain Reflectometry,OTDR)技术与光频域反射(Optical Frequency DomainReflectometry,OFDR)技术两种。OTDR技术具有高复用、长距离的优势，然而受到激光脉冲宽度等因素的制约，难以实现高空间分辨率，一般仅能达到米的数量级。OFDR技术是基于光源扫频和光外差探测的测量技术，不仅具有很高的复用容量，且具有极高的空间分辨率，可以达到毫米量级。
然而，当前OFDR传感系统中，多是在一根光纤上串联复用大规模全同弱发射光纤光栅传感器，对光纤光栅传感器反射率要求极为苛刻，增加了制作难度；同时，一旦传感光纤中部分传感器损坏，则会导致其后续传感器全部失效；另外，光纤光栅传感器串联复用限制了对不同区域测量的灵活性。为了解决上述问题，可在系统中增加传感通道数目，实现光纤光栅传感器的多路并行复用，但与此同时光分路器、光电探测器等器件也相应增加，增加了系统成本及复杂性。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述缺陷，提出一种基于OFDR的大规模光纤光栅传感器灵活复用装置，在不增加光分路器、光电探测器等器件的前提下，实现单通道多路光纤光栅传感器的灵活复用。
本发明是采用以下的技术方案实现的：一种基于OFDR的大规模光纤光栅传感器灵活复用装置，其特征在于，包括可调谐光源、主干涉仪、辅助干涉仪、光电探测器PD1与PD2、数据采集单元和控制处理单元；
所述可调谐光源为主干涉仪与辅助干涉仪提供波长线性变化的周期性扫描光，并通过一耦合器C1实现光束的分束与收集；
所述主干涉仪采用迈克尔逊干涉仪结构，包括耦合器C3、参考臂和测量臂：
所述参考臂包括一路单模光纤，其末端连接法拉第旋光镜FRM3，通过法拉第旋光镜法实现对干涉光偏振衰落的抑制；所述测量臂包括耦合器C4、以及若干全同弱反射光纤光栅传感器，以对不同空间分布的多个物理参量进行测量；
所述辅助干涉仪同样采用迈克尔逊干涉仪结构，包括耦合器C2、两路不同长度的单模光纤以及其末端连接的法拉第旋光镜FRM1与FRM2；两路干涉光经法拉第旋光镜反射后在耦合器C2处发生干涉，并产生辅助干涉仪拍频信号，该拍频信号经探测器PD1光电转换后作为数据采集单元的外部采样时钟；
所述数据采集单元以光电探测器PD1获取的辅助干涉仪拍频信号作为外部采样时钟，对光电探测器PD2获取的主干涉仪拍频信号进行等光频间隔采样，对可调谐光源扫频非线性进行补偿；
所述控制处理单元用以控制可调谐光源及数据采集单元完成主干涉仪拍频信号的采集，并对采集到的拍频信号进行解调，获取各光纤光栅传感器中心波长数据，实现对待测物理参量的测量。
进一步的，所述全同弱反射光纤光栅传感器采用灵活复用光纤光栅阵列，灵活复用光纤光栅阵列采用以下结构设计形式：
将单路光纤传感通道通过1×N耦合器拆分为多路光纤传感通道，且所有光纤传感通道共用一条采集通道；每路光纤传感通道包括三部分：长度为Lsensor的测量光纤，长度为Lfiber的连接光纤，以及位于两者之间的长度为Lbuffer的缓冲光纤，并且有：
第i通道的连接光纤长度Lfiber(i)为i-1通道三部分长度之和，即：
Lfiber(i)＝Lfiber(i-1)+Lbuffer(i-1)+Lsensor(i-1),i≥2 (2)
依次类推，得第N通道的连接光纤长度Lfiber(N)为：
进一步的，所述主干涉仪的测量距离zMI不大于辅助干涉仪两臂间相对距离zAI的二分之一，即：
zMI≤zAI/2。 (6)
进一步的，所述辅助干涉仪中两路单模光纤末端均连接法拉第旋光镜，且通过法拉第旋光镜使两路干涉光的偏振态保持一致。
进一步的，由可调谐光源发出的线性扫描光经耦合器C1分为两路，其中5％的扫描光进入辅助干涉仪，95％的扫描光进入主干涉仪。
进一步的，所述主干涉仪和辅助干涉仪均采用迈克尔逊干涉仪结构。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
1)在不增加光分路器、光电探测器等器件的前提下，实现了单通道多路光纤光栅传感器的灵活复用，提高了光纤传感网络的灵活性，降低了多路光纤光栅传感器复用成本；
2)通过单通道多路光纤光栅传感器的灵活复用降低了阴影效应、串扰噪声等对光纤传感网络的影响，并减小了部分传感器损坏导致传感网络崩溃的风险，提高了传感网络的鲁棒性；
3)单通道多路光纤光栅传感器灵活复用降低了对弱反射光纤光栅传感器反射率的要求，从而降低了传感器阵列制作难度，有利于推进大规模光纤光栅密集测量技术在多个领域的广泛应用。
附图说明
图1为本发明实施例所述的灵活复用装置结构示意图；
图2为图1中所述灵活复用光纤光栅阵列设计示意图；
图3为灵活复用光纤光栅阵列与单路多光纤光栅传感器串联复用等效图；
图4为本发明实施例基于OFDR的光纤光栅传感器解调流程。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。
本实施例提出一种基于OFDR的大规模光纤光栅传感器灵活复用装置，如图1所示，所述灵活复用装置包括可调谐光源、主干涉仪、辅助干涉仪、光电探测器PD1与PD2、数据采集单元和控制处理单元；
所述可调谐光源为主干涉仪与辅助干涉仪提供波长线性变化的周期性扫描光，并通过一耦合器C1实现光束的分束与收集等功能；
所述主干涉仪采用迈克尔逊干涉仪结构，包括耦合器C3、参考臂和测量臂；
其中，所述参考臂包括一路单模光纤，其末端连接法拉第旋光镜FRM3，通过法拉第旋光镜法实现对干涉光偏振衰落的抑制；所述测量臂包括耦合器C4、以及若干全同弱反射光纤光栅传感器(灵活复用光纤光栅阵列)，对不同空间分布的多个物理参量进行测量；在主干涉仪中，扫描光经耦合器C3均分为两路，一路进入参考臂，经法拉第旋光镜FRM3反射后返回；一路进入测量臂，经耦合器C4均分后进入灵活复用光纤光栅阵列，并经光纤光栅传感器反射后返回，两路返回光在耦合器C3中发生干涉，产生主干涉仪拍频信号，并经光电探测器PD2进行光电转换传输至数据采集单元，通过对拍频信号的处理实现对待测物理量的测量；
其中，所述拍频信号的频率由两路干涉光信号的光程差(即测量臂与参考臂的相对距离) 决定，光纤传感器的定位原理是在获取拍频信号下，通过快速傅里叶变换FFT计算出拍频的大小，并结合线性光源扫频速率、光速以及光纤折射率反算而来，如式(1)所示。
式中，z为光纤传感器位置，c为真空中的光速，ng为光纤折射率，fb为拍频信号频率，γ为光源扫频速率。
为在不增加光分路器、光电探测器等器件的前提下，实现单通道多路光纤光栅传感器的复用，本方案中设计了一种灵活复用光纤光栅阵列：
其将单路光纤传感通道通过1×N耦合器拆分为多路光纤传感通道，但所有光纤传感通道仍然共用一条采集通道，如图1所示。在光纤光栅阵列中，每路光纤传感通道分为三部分：长度为Lsensor的测量光纤，长度为Lfiber的连接光纤，以及位于两者之间的长度为Lbuffer的缓冲光纤，如图2所示。在此条件下，为了基于OFDR解调原理实现不同光纤光栅传感器的定位，约定第i通道的连接光纤长度Lfiber(i)为i-1通道三部分长度之和，即
Lfiber(i)＝Lfiber(i-1)+Lbuffer(i-1)+Lsensor(i-1),i≥2 (2)
依次类推，可得第N通道的连接光纤长度Lfiber(N)为
在本发明中，多路光纤光栅传感器的灵活复用与单路多光纤光栅传感器串联复用在测量原理上是相同的，如图3所示，但其克服了单路多光纤光栅传感器串联复用存在的诸多不足。
所述辅助干涉仪同样采用迈克尔逊干涉仪结构，包括耦合器C2、两路不同长度的单模光纤以及其末端连接的法拉第旋光镜FRM1与FRM2；
两路单模光纤末端均连接法拉第旋光镜，通过法拉第旋光镜使两路干涉光的偏振态尽量保持一致，以获得更好的干涉效果；两路干涉光经法拉第旋光镜反射后在耦合器C2处发生干涉，并产生拍频信号，该拍频信号经探测器PD1光电转换后作为数据采集单元的外部采样时钟。
为了符合Nyquist采样定律(采样率必须是信号最大模拟频率的二倍以上)，主干涉仪的测量距离不能大于辅助干涉仪两臂间相对距离的二分之一。为了保证在任何情况下，都能对主干涉仪输出的拍频信号实现等光频间隔采样，本实施例中，辅助干涉仪两臂间时延τAI与光源扫频速率dν(t)/dt需要满足：
辅助干涉仪两臂间时延τAI与辅助干涉仪两臂间相对距离zAI的关系如下：
由Nyquist采样定律可知主干涉仪测量距离zMI与辅助干涉仪两臂间相对距离zAI存在如下关系
zMI≤zAI/2 (6)
光源的扫频速率dν(t)/dt可用波长λ表示为
将式(5)～式(7)代入式(4)即可得到本发明装置中主干涉仪测量距离zMI与可调谐光源波长扫描速率dλ(t)/dt需满足的关系，如下所示
所述数据采集单元以光电探测器PD1获取的辅助干涉仪拍频信号作为外部采样时钟，对光电探测器PD2获取的主干涉仪拍频信号进行等光频间隔采样，对可调谐光源扫频非线性进行补偿。
所述控制处理单元用以控制可调谐光源及数据采集单元完成主干涉仪拍频信号的采集，并对采集到的拍频信号进行解调，获取各光纤光栅传感器中心波长数据，由可调谐光源发出的线性扫描光经耦合器C1分为两路，其中5％的扫描光进入辅助干涉仪，95％的扫描光进入主干涉仪。比如，在辅助干涉仪中，扫描光经耦合器C2均分为两路，经法拉第旋光镜反射回的两路扫描光在耦合器C2中发生干涉，产生拍频信号，并进入光电探测器PD1进行光电转换，作为数据采集单元的外部时钟信号。
控制处理单元接收数据采集单元获取的主干涉仪拍频信号数据，并进行解调，从而获得各光纤光栅传感器中心波长数据，实现对待测物理参量的测量，如图4所示具体解调过程如下：
1)通过快速傅里叶变换FFT将拍频信号从时域转换到频域，并利用式(1)，通过拍频、光源扫频速率、光速以及光纤折射率计算出各光纤光栅传感器位置，并通过窗口滤波器、快速傅里叶逆变换iFFT建立各光纤光栅传感器拍频与其空间位置的一一对应关系。
当存在温度或者应力作用到第k个光纤光栅传感器FBGk时，传感器FBGk将产生波长偏移，其对应的频移Δf表示为
式中，c为真空中光速，λ为光纤光栅传感器中心波长，ΔλB为传感器波长偏移量。
2)光纤光栅传感器的拍频大小与传感器距离成正比，对于固定位置的光纤光栅传感器具有固定的拍频，因此，利用窗口滤波器提取各光纤光栅传感器的拍频信号；
3)将分离出的单个光纤光栅传感器的拍频信号进行快速傅里叶逆变换iFFT，将其拍频信号从频域转换到时域。
4)由于光源是线性扫频的，频移Δf所引入时延τDUT为
式中，γ为光源扫频速率。
波长偏移量ΔλB对于FBGk的时域信号ik(t)相当于引入了时延τDUT，即温度或应变作用后的时域拍频信号变为ik(t-τDUT)。由傅里叶变换理论可知，在时域引入时延相当于在频域引入相位变化，即
因此，解调FBGk波长偏移量ΔλB的关键是计算时延τDUT。通过对拍频信号进行互相关运算，获取时延τDUT，可结合式(10)反推出波长偏移量ΔλB，进而获得传感器中心波长。
通过对获得的单个光纤光栅传感器的时域拍频信号进行中心波长的提取，从而最终获得各光纤光栅传感器的中心波长数据，实现对待测物理参量的测量。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于OFDR的大规模光纤光栅传感器灵活复用装置，其特征在于，包括可调谐光源、主干涉仪、辅助干涉仪、光电探测器PD1与PD2、数据采集单元和控制处理单元；
所述可调谐光源为主干涉仪与辅助干涉仪提供波长线性变化的周期性扫描光，并通过一耦合器C1实现光束的分束与收集；
所述主干涉仪包括耦合器C3、参考臂和测量臂：
所述参考臂包括一路单模光纤，其末端连接法拉第旋光镜FRM3；所述测量臂包括耦合器C4、以及若干全同弱反射光纤光栅传感器，以对不同空间分布的多个物理参量进行测量；
所述辅助干涉仪包括耦合器C2、两路不同长度的单模光纤以及其末端连接的法拉第旋光镜FRM1与FRM2；两路干涉光经法拉第旋光镜反射后在耦合器C2处发生干涉，并产生辅助干涉仪拍频信号，该拍频信号经探测器PD1光电转换后作为数据采集单元的外部采样时钟；
所述数据采集单元以光电探测器PD1获取的辅助干涉仪拍频信号作为外部采样时钟，对光电探测器PD2获取的主干涉仪拍频信号进行等光频间隔采样，对可调谐光源扫频非线性进行补偿；
所述控制处理单元用以控制可调谐光源及数据采集单元完成主干涉仪拍频信号的采集，并对采集到的拍频信号进行解调，获取各光纤光栅传感器中心波长数据，实现对待测物理参量的测量。
2.根据权利要求1所述的基于OFDR的大规模光纤光栅传感器灵活复用装置，其特征在于：所述全同弱反射光纤光栅传感器采用灵活复用光纤光栅阵列，灵活复用光纤光栅阵列采用以下结构设计形式：
将单路光纤传感通道通过1×N耦合器拆分为多路光纤传感通道，且所有光纤传感通道共用一条采集通道；每路光纤传感通道包括三部分：长度为Lsensor的测量光纤，长度为Lfiber的连接光纤，以及位于两者之间的长度为Lbuffer的缓冲光纤，并且有：
第i通道的连接光纤长度Lfiber(i)为i-1通道三部分长度之和，即：
Lfiber(i)＝Lfiber(i-1)+Lbuffer(i-1)+Lsensor(i-1),i≥2 (2)
依次类推，得第N通道的连接光纤长度Lfiber(N)为：
3.根据权利要求1所述的基于OFDR的大规模光纤光栅传感器灵活复用装置，其特征在于：所述主干涉仪的测量距离zMI不大于辅助干涉仪两臂间相对距离zAI的二分之一，即：
zMI≤zAI/2 (6) 。
4.根据权利要求1所述的基于OFDR的大规模光纤光栅传感器灵活复用装置，其特征在于：所述辅助干涉仪中两路单模光纤末端均连接法拉第旋光镜，且通过法拉第旋光镜使两路干涉光的偏振态保持一致。
5.根据权利要求1所述的基于OFDR的大规模光纤光栅传感器灵活复用装置，其特征在于：由可调谐光源发出的线性扫描光经耦合器C1分为两路，其中5％的扫描光进入辅助干涉仪，95％的扫描光进入主干涉仪。
6.根据权利要求1所述的基于OFDR的大规模光纤光栅传感器灵活复用装置，其特征在于：所述主干涉仪和辅助干涉仪均采用迈克尔逊干涉仪结构。
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