CN112683313A - 一种多光电振荡器的传感器阵列装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多光电振荡器的传感器阵列装置及测量方法，包括信号通过的宽带光源、电光强度调制器、光环行器、单模光纤、均匀光纤布拉格光栅阵列、色散补偿光纤、光放大器、光纤耦合器、光电探测器、电带通滤波器、电放大器、电功分器、电频谱仪或示波器。本发明装置基于波长‑时间映射技术和多个光电振荡器技术，采用单模光纤制作的均匀光纤布拉格光栅传感器阵列、色散补偿光纤和电光强度调制器相结合的结构，对作用在光纤布拉格光栅传感器阵列的应变或温度的精确测量，提高光纤布拉格光栅传感器的灵敏度、解调速度，具有可准分布式感应、测量范围大、低相噪、高分辨率等优点，并且制造成本低，便于量化生产，有利于该装置的推广应用。

Description

一种多光电振荡器的传感器阵列装置及测量方法

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感，尤其涉及一种多光电振荡器的传感器阵列装置及测量方法。

背景技术

光纤布拉格光栅传感器是一种主流传感技术，其基本过程是当光纤布拉格光栅受到应变或温度作用时，其中心波长会发生线性变换，因此通过检测波长的移动即可还原应变或温度等物理量的变化。相比于传统传感器，由于光纤具备固有优势与特性，比如体积小、重量轻、抗电磁干扰以及先进的多路复用和通信性能，光纤布拉格光栅传感器在过去的几十年中被广泛地研究。

由于自身特点，传统光纤布拉格光栅传感器识别速度和识别精度之间存在矛盾。在给定的频谱范围内，系统使用光谱仪或者光扫频滤波器对传感信号在光域里进行解调，扫描精度越高，扫描时间就越长，而识别速度就越低。比如，采用不同中心波长的光纤布拉格光栅组成传感器阵列，利用扫频光源或扫频滤波器去识别反射回来的信号波长，现阶段该方案只能在80m范围内实现25个传感器的复用，很难达到大规模的多点检测。

发明内容

发明目的：本发明目的是提供一种多光电振荡器的传感器阵列装置，实现对作用在光纤布拉格光栅传感器阵列的应变或温度的精确测量，提高光纤布拉格光栅传感器阵列的灵敏度、加快其解调速度，满足大范围的测量、低相噪的要求。

技术方案：本发明提供的多光电振荡器的传感器阵列装置，包括电光强度调制器的光输入端与宽带光源的输出端相连，电光强度调制器的输出端口与光环行器的第一端口相连，单模光纤的一个端口与光环行器的第二端口相连，单模光纤的另一个端口与均匀光纤布拉格光栅阵列相连，色散补偿光纤的输入端口与光环行器的第三端口相连，光放大器的输入端口与色散补偿光纤的输出端口相连，光纤耦合器的输入端口与光放大器的输出端口相连，光纤耦合器的输出端口与光电探测器的输入端口相连，电带通滤波器的输入端口与光电探测器的输出端口相连，电放大器的输入端口与电带通滤波器的输出端口相连，电功分器的输入端口与电放大器的输出端口相连，电功分器的一个输出端口与电频谱仪或者示波器相连，电功分器的另一个输出端口与电光强度调制器的射频输入端口相连。

具体实施中，光纤耦合器的另一个输出端口与光谱仪的输入端口相连，光谱仪用于检测光信号的波长及功率。

优选地，光电探测器与电频谱仪或者示波器之间、电功分器与电光强度调制器之间采用标准射频连接线连接，多光电振荡器的传感器阵列装置中其余器件之间采用单模光纤连接。

一种根据上述多光电振荡器的传感器阵列装置的测量方法，包括如下步骤：

步骤1：宽带光源输出的宽带光谱信号经过电光强度调制器被电功分器输出信号调制，获得调制信号，调制信号经过光环行器输入至均匀光纤布拉格光栅阵列；

步骤2：从光纤布拉格光栅阵列反射回来的光信号再次经过光环行器输入到色散补偿光纤进行波长-时间映射变换，经过光放大器进行光信号功率放大，放大后的光信号通过光纤耦合器时被分成两路，一路光信号送入光谱仪进行观测，另一路光信号进入光电探测器恢复得到电信号；

步骤3：电信号经过电带通滤波器进行滤波，电带通滤波器滤除有用通带范围以外的多余电信号，接着送入电放大器进行功率放大，放大后的电信号通过电功分器时被分成了两路，一路电信号送入电光强度调制器的射频端口形成环路，另一路电信号送入电频谱仪或者示波器进行测量；

步骤4：测量并记录恢复后电信号的波形，获得谐振频率，谐振频率为电频谱仪测得的功率值极大点所对应的电信号频率，或者谐振频率为示波器测得的频率值，根据谐振频率的频率移动值与应变值的对应关系，求取被测应变信号的大小。

谐振频率的频率移动值Δf与被测应变值ξ的对应关系为：

其中，k为模式数，λ为工作波长，D_DCF为色散补偿光纤的负色散系数，t为环路延时。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著的优点：

(1)本发明基于均匀光纤布拉格光栅传感器阵列、色散补偿光纤和电光强度调制器相结合的结构，实现多个光电振荡器；均匀光纤布拉格光栅上作用的应变或温度将使中心波长发生变化，经过长距离的色散补偿光纤的作用后，中心波长变化会造成传播时延发生改变，从而改变光电振荡器的谐振频率；不同均匀光纤布拉格光栅上作用的应变或温度引起的谐振频率变化速度不相同。通过光电探测器恢复出电信号并通过电频谱仪或者示波器测得该谐振频率来最终实现应变或温度和位置的测量。

(2)本发明将光域内光纤布拉格光栅反射光谱的中心频率变化的测量转变为电域内微波信号频率的测量，通过色散光纤的波长-时间变化原理，可以具有很高的灵敏度和分辨率，且根据多个光电振荡器的工作特性，可以具有相噪低、稳定性好和远距离测量的特点。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明工作在短距离单个光电振荡器、长距离单个光电振荡器和两个光电振荡器的振荡信号的示意波形；

图3为本发明的均匀光纤布拉格光栅传感器数量为7个的反射谱线；

图4为本发明在第一个光纤布拉格光栅受到不同应变作用下的反射谱线；

图5为本发明在第二个光纤布拉格光栅受到不同温度作用下的振荡微波信号的波形；

图6为本发明作用在第一个光纤布拉格光栅传感器的应变和振荡频率变化的关系图；

图7为本发明作用在第二个光纤布拉格光栅传感器的温度变化和振荡频率变化的关系图；

图8为本发明分别对第一、二、三个光纤布拉格光栅传感器加热，温度变化和振荡频率变化的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，电光强度调制器2的光输入端与宽带光源1的输出端相连，其输出端口与光环行器3的第一端口相连，其射频输入端口与电功分器12的一个输出端口相连；单模光纤41的一个端口与光环行器3的第二端口相连，另一个端口与均匀光纤布拉格光栅阵列42相连；色散补偿光纤5的输入端口与光环行器3的第三端口相连；光放大器6的输入端口与色散补偿光纤5的输出端口相连；光纤耦合器71的输入端口与光放大器6的输出端口相连，光纤耦合器71的一个输出端口与光谱仪72的输入端口相连，另一个端口与光电探测器8的输入端口相连；电带通滤波器9的输入端口与光电探测器8的输出端口相连；电放大器10的输入端口与电带通滤波器9的输出端口相连；电功分器11的输入端口与电放大器10的输出端口相连，电功分器11的一个输出端口与电频谱仪或者示波器12相连，电功分器11的另一个输出端口与电光强度调制器2的射频输入端口相连。

参考图1所示，光电探测器8与电带通滤波器9之间、电带通滤波器9与电放大器10之间、电放大器10与电功分器11之间、电功分器11与电频谱仪或者示波器12之间、电功分器11与电光强度调制器2的射频输入端口之间采用标准射频连接线连接，其余器件之间用标准单模光纤连接。

下面对本发明的工作原理做进一步说明：

宽带光源1产生的光进入电光强度调制器2进行强度调制，调制后的宽谱光信号通过光环行器3、经过单模光纤41长距离传输后，进入均匀光纤布拉格光栅阵列42，根据均匀光纤布拉格光栅工作原理，均匀光纤布拉格光栅阵列42会反射一组不同中心波长的光波；经过单模光纤41回到光环行器3，进入色散补偿光纤5，根据色散补偿原理，色散补偿光纤5会对不同波长的光波产生不同时延影响，经过光放大器6的光功率放大后，光纤耦合器71将光信号分成了两路，一路进入光谱仪72进行观察和数据记录，另一路进入光电探测器8恢复出电信号，再先后通过电带通滤波器9和电放大器10，对电信号进行滤波和功率放大，处理后的电信号送入电光强度调制器2形成光电环路，并利用电频谱仪或者示波器进行振荡信号的观察和谐振频率的测量，通过跟踪谐振频率的变化来实现对被测应变或者温度的测量。其中，当被测应变ξ作用在某个均匀光纤布拉格光栅上，能够引起中心波长变化可以表示为：

其中，λ为初始中心波长，L为光栅初始长度，ΔL为光栅长度变化。通过色散补偿光纤将波长变化转变为时间变化Δt，由于振荡频率与环路时延相关，因此会发生相应的频率偏移Δf，可以表示为

其中，D_DCF为色散补偿光纤的负色散系数，t为环路延时，k为模式数。因为色散补偿光纤的D_DCF＜0，所以Δf和ξ成正系数线性关系。

图2为本装置工作在短距离单个光电振荡器、长距离单个光电振荡器和两个光电振荡器的振荡信号的示意波形。可以看到，每一个均匀光纤布拉格光栅对应一个光电振荡器，两个或多个均匀布拉格光栅对应两个或多个光电振荡器，但只形成一个振荡信号。与光环行器距离不同的均匀光纤布拉格光栅对应不同的光电振荡器；均匀光纤布拉格光栅阵列组成多个光电振荡器，最终形成一个共同的振荡信号，振荡信号的模式间隔由最短距离的光电振荡器决定，振荡信号的相位噪声由最长距离的光电振荡器决定。

图3为本发明的均匀光纤布拉格光栅传感器数量为7个时的反射谱线，下方的波形是在光环行器3的第三端口处测得的光信号谱线，它是均匀光纤布拉格光栅传感器阵列42反射回来的信号，上方的波形为宽带光源1发射光的光谱图；比较两者波形可以看出，宽带光源1的光功率变化与反射信号噪底功率变化完全一致；由于每个均匀光纤布拉格光栅的反射率不同，反射谱的各峰值功率不完全相同。

图4为本发明在第一个光纤布拉格光栅受到不同应变作用下的反射谱线，当应变增加时，第一个光纤布拉格光栅的中心波长将增大。

图5为本发明在第二个光纤布拉格光栅受到不同温度作用下的振荡微波信号的波形，温度增加时，第二个光纤布拉格光栅的中心波长将增大，根据波长-时间映射技术，环路时延会增加，而振荡信号的频率也将增加。

图6为作用在第一个光纤布拉格光栅传感器的应变和振荡频率变化的关系图，可以看到，施加的应变和振荡频率变化成线性关系。

图7为作用在第二个光纤布拉格光栅传感器的温度变化和振荡频率变化的关系图，可以看到，温度变化和振荡频率变化成线性关系。

图8为分别对第一、二、三个光纤布拉格光栅传感器加热，温度变化和振荡频率变化的关系图，可以看到，不同位置的均匀光纤布拉格光栅的测量灵敏度不同，其值与系数

相关，即距离越长，延时t越大，系数δ越小，则灵敏度越低。

Claims (5)

1.一种多光电振荡器的传感器阵列装置，其特征在于，包括电光强度调制器(2)的光输入端与宽带光源(1)的输出端相连，电光强度调制器(2)的输出端口与光环行器(3)的第一端口相连，单模光纤(41)的一个端口与光环行器(3)的第二端口相连，单模光纤(41)的另一个端口与均匀光纤布拉格光栅阵列(42)相连，色散补偿光纤(5)的输入端口与光环行器(3)的第三端口相连，光放大器(6)的输入端口与色散补偿光纤(5)的输出端口相连，光纤耦合器(71)的输入端口与光放大器(6)的输出端口相连，光纤耦合器(71)的输出端口与光电探测器(8)的输入端口相连，电带通滤波器(9)的输入端口与光电探测器(8)的输出端口相连，电放大器(10)的输入端口与电带通滤波器(9)的输出端口相连，电功分器(11)的输入端口与电放大器(10)的输出端口相连，电功分器(11)的一个输出端口与电频谱仪或者示波器(12)相连，电功分器(11)的另一个输出端口与电光强度调制器(2)的射频输入端口相连。

2.根据权利要求1所述的多光电振荡器的传感器阵列装置，其特征在于，所述光纤耦合器(71)的另一个输出端口与光谱仪(72)的输入端口相连，所述光谱仪(72)用于检测光信号的波长及功率。

3.根据权利要求1所述的多光电振荡器的传感器阵列装置，其特征在于，所述光电探测器(8)至电频谱仪或者示波器(12)之间、所述电功分器(11)与电光强度调制器(2)之间采用标准射频连接线连接，所述多光电振荡器的传感器阵列装置中其余器件之间采用单模光纤连接。

4.一种根据权利要求1所述的多光电振荡器的传感器阵列装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：宽带光源(1)输出的宽带光谱信号经过电光强度调制器(2)被电功分器(11)输出信号调制，获得调制信号，所述调制信号经过光环行器(3)输入至均匀光纤布拉格光栅阵列(42)；

步骤2：从光纤布拉格光栅阵列(42)反射回来的光信号再次经过光环行器(3)输入到色散补偿光纤(5)进行波长-时间映射变换，经过光放大器(6)进行光信号功率放大，放大后的光信号通过光纤耦合器(71)时被分成两路，一路光信号送入光谱仪(72)进行观测，另一路光信号进入光电探测器(8)恢复得到电信号；

步骤3：电信号经过电带通滤波器(9)进行滤波，所述电带通滤波器(9)滤除有用通带范围以外的多余电信号，接着送入电放大器(10)进行功率放大，放大后的电信号通过电功分器(11)时被分成了两路，一路电信号送入电光强度调制器(2)的射频端口形成环路，另一路电信号送入电频谱仪或者示波器(12)进行测量；

步骤4：测量并记录恢复后电信号的波形，获得谐振频率，所述谐振频率为电频谱仪(12)测得的功率值极大点所对应的电信号频率，或者所述谐振频率为示波器(12)测得的频率值，根据所述谐振频率的频率移动值与应变值的对应关系，求取被测应变信号的大小。

5.根据权利要求4所述的多光电振荡器的传感器阵列装置的测量方法，其特征在于，所述谐振频率的频率移动值Δf与被测应变值ξ的对应关系为：

其中，k为模式数，λ为工作波长，D_DCF为色散补偿光纤的负色散系数，t为环路延时。

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