CN112880716A - 一种基于ofdr技术的多通道光纤传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于OFDR技术的多通道光纤传感系统，包括：可调谐激光器；第一光纤耦合器，用于将扫频光信号分成第一扫频光信号和第二扫频光信号；辅助干涉仪，用于接收所述第一扫频光信号后产生外部时钟信号；第二光纤耦合器，用于将所述第二扫频光信号分成多路扫频光信号；多个主干涉仪分别接入掺锗光纤，每个所述主干涉仪用于产生掺锗光纤的拍频干涉光信号；数据处理中心，用于基于所述外部时钟信号采集所述拍频干涉光信号，并进行处理，获取多个所述掺锗光纤的传感结果。本发明能够降低基于OFDR技术的光纤传感系统的成本。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体而言，涉及一种基于OFDR技术的多通道光纤传感系统。
背景技术
光纤传感技术是指光在光纤中传输时，光的强度、波长、相位、频率等特性会随外界施加应力、温度的变化而发生改变；将光信号转化为电信号，使用特定算法对数字信号进行数据解调，就能获得外界的变化情况，起到传感器的作用。
光频域反射仪(OFDR)是一种具有高空间分辨率，高传感灵敏度和高定位精度等特点的分布式光纤传感器。在航空航天、精密仪器制造、建筑监测等领域具有极大地应用前景。在构建光频域反射仪的基本结构中，可调谐激光器是非常重要的一环，可调谐激光器的性能也对整体系统的各项参数指标产生了极大地影响。
为了保证OFDR系统的传感参数质量，必须选用扫频线性度好，窄线宽，扫描范围大，扫描速度高的可调谐激光器。但是，这类高性能的可调谐激光器的输出功率较低，导致一个激光器只能接入一根测试光纤，为了解决同时测量多根光纤的要求，需购买多个可调谐激光器，但这类激光器价格十分昂贵，从而导致了OFDR传感系统的造价成本居高不下。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于OFDR技术的多通道光纤传感系统，能够解决上述提到的至少一个技术问题。具体方案如下：
根据本发明的具体实施方式，一种基于OFDR技术的多通道光纤传感系统，包括：可调谐激光器、第一光纤耦合器、辅助干涉仪、第二光纤耦合器、多个主干涉仪、数据处理中心；其中，所述可调谐激光器，用于发出扫频光信号；所述第一光纤耦合器，用于将所述扫频光信号分成第一扫频光信号和第二扫频光信号；所述辅助干涉仪，用于接收所述第一扫频光信号后产生外部时钟信号；所述第二光纤耦合器，用于将所述第二扫频光信号分成多路扫频光信号；所述多个主干涉仪分别接入掺锗光纤，每个所述主干涉仪用于接收一路扫频光信号后产生所述掺锗光纤的拍频干涉光信号；所述数据处理中心，用于基于所述外部时钟信号采集所述拍频干涉光信号，并对所述拍频干涉光信号进行处理，获取多个所述掺锗光纤的传感结果。
可选的，所述可调谐激光器的扫描速度小于等于2000nm/s。
可选的，所述第二光纤耦合器的类型与所述主干涉仪的数量相匹配。
可选的，所述主干涉仪包括第三光纤耦合器、偏振控制器、第四光纤耦合器以及环形器。
可选的，每路扫频光信号被所述第三光纤耦合器分为两路，其中一路扫频光通过环形器进入掺锗光纤中，扫频光在掺锗光纤中传输并产生与传播方向相反的后向瑞利散射信号，该信号通过所述环形器返回，与另一路经过所述偏振控制器的扫频光信号在所述第四光纤耦合器处发生拍频干涉，产生拍频干涉光信号。
可选的，所述主干涉仪进一步包括偏振分束器，所述偏振分束器一端连接所述第四光纤耦合器，另一端连接所述数据处理中心；所述偏振分束器用于接收所述第四光纤耦合器输出的拍频干涉光信号，并将所述拍频干涉光信号分成相互正交的P光信号和S光信号。
可选的，所述数据处理中心包括依次连接的光电转换模块、数据采集模块以及数据处理模块，其中，所述光电转换模块用于将所述主干涉仪输出的拍频干涉光信号转换为电信号，所述数据采集模块用于基于所述外部时钟信号采集所述拍频干涉光信号，所述数据处理模块用于控制所述数据采集模块进行采集并对采集到的所述拍频干涉信号进行处理，获得每个所述掺锗光纤的传感结果。
可选的，所述数据处理模块用于控制所述数据采集模块采集每个所述掺锗光纤初始工作状态下的拍频干涉光信号作为参考数据，以及每个所述掺锗光纤当前工作状态下的拍频干涉光信号作为测试数据，并对所述参考数据及测试数据进行计算后，获取每个所述掺锗光纤的传感结果。
可选的，所述掺锗光纤内GeO2的掺杂浓度为普通单模光纤的2～7倍。
可选的，所述掺锗光纤包括高掺锗光敏光纤及紫外曝光加载氢的单模光纤。
可选的，所述第一光纤耦合器为10：90光纤耦合器。
本发明实施例的上述方案与现有技术相比，至少具有以下有益效果：
本发明提供了一种多通道光纤传感系统，通过将光频域反射分布式光纤传感技术与掺锗光纤相结合，实现同时测量多个掺锗光纤的温度、应变等传感数据。本发明在不增加可调谐激光器数量的前提下，将扫频光分路给多段掺锗光纤，利用掺锗光纤的背向瑞利散射信号的光功率大的特点，实现了同时测量多段掺锗光纤的传感数据，从而拓宽了OFDR系统的可应用场景；进一步能够大大节约基于OFDR技术的光纤传感系统的造价成本。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。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。在附图中：
图1示出了根据本发明实施例的多通道光纤传感系统的整体示意图；
图2示出了根据本发明实施例的单个主干涉仪的具体结构示意图；
图3示出了根据本发明实施例的数据处理中心的结构示意图；
图4示出了根据本发明实施例的数据处理模块的原理示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述，但不应限于这些术语。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。
下面结合附图详细说明本发明的可选实施例。
如图1所示，根据本发明的第一实施方式，本发明提供的一种基于OFDR技术的多通道光纤传感系统，通过向主干涉仪接入掺锗光纤来提高背向瑞利散射信号的光功率，同时并列设置多个主干涉仪，解决了利用可调谐激光器无法同时探测多段掺锗光纤的问题的同时，能够大大节约光纤传感系统的造价成本。
本发明的一种基于OFDR技术的多通道光纤传感系统示意图，如图1所示，整个光纤传感系统由可调谐激光器1、第一光纤耦合器2、辅助干涉仪3、第二光纤耦合器4、多个主干涉仪5、数据处理中心6这六部分组成。
所述可调谐激光器1用于发出扫频光信号，所述扫频光信号经过第一光纤耦合器2分为两路，一路进入所述辅助干涉仪3，产生所述数据处理中心6所用的外部时钟信号；另一路进入所述多个主干涉仪5，产生所述数据处理中心6最终要采集的拍频干涉信号。所述可调谐激光器1具有较高的扫描速度，扫描速度范围可达到2000nm/s，其输出最大光功率为10mW，可设置扫频范围为1515nm～1565nm。所述可调谐激光器的数量小于所述主干涉仪的数量。本实施例中，采用单个可调谐激光器1，给多个主干涉仪5提供扫频光。所述可调谐激光器型号为Luna Phoenix1200。
所述第一光纤耦合器2的一端连接所述可调谐激光器1，另一端连接所述多个主干涉仪5和所述辅助干涉仪3，所述多个主干涉仪5与所述辅助干涉仪3并列设置，所述第一光纤耦合器2将所述扫频光信号分路给所述多个主干涉仪5和所述辅助干涉仪3。优选的，所述第一光纤耦合器2为10:90耦合器。
所述第二光纤耦合器4的一端与所述第一光纤耦合器2连接，另一端连接所述多个主干涉仪5，所述多个主干涉仪5并列设置。从所述第一耦合器2输出的扫频光信号，通过所述第二耦合器4分为N路扫频光信号，每一路扫频光信号进入一个主干涉仪5，N为大于等于2的自然数，本实施例以N＝4为例进行描述。所述主干涉仪5的数量与所述第二光纤耦合器4的类型相匹配，所述第二光纤耦合器4的类型包括但不限于1*2单模耦合器、1*3单模耦合器、1*4单模耦合器。
如图2所示，所述主干涉仪5包括第三光纤耦合器51、偏振控制器52、第四光纤耦合器53以及环形器54。每个主干涉仪接入一段掺锗光纤，产生多个传感通道。所述第二光纤耦合器4输出的每路扫频光信号经所述第三光纤耦合器51分为两路，一路包括依次连接的第三光纤耦合器51、偏振控制器52及第四光纤耦合器53；一路包括依次连接的第三光纤耦合器51、环形器54、掺锗光纤及第四光纤耦合器53。本实施例中，所述第三光纤耦合器51为1:99光纤耦合器。所述第四光纤耦合器53为50:50光纤耦合器。
优选的，所述掺锗光纤内GeO2掺杂浓度为普通单模光纤的2～7倍，其中，一般所述普通单模光纤内GeO2掺杂浓度范围为3mole％～5mole％。相比普通单模光纤，本实施例中采用的掺锗光纤将背向瑞利散射光功率提升10dB～20dB，即使所述第二光纤耦合器4将扫频光分为4束，扫频光的功率降低为1/4，也能保证背向瑞利散射信号有足够的光功率，以保证传感参数质量。优选的，所述掺锗光纤包括高掺锗光敏光纤及紫外曝光加载氢的单模光纤。
扫频光进入主干涉仪5后被第三光纤耦合器51分为两路，其中99％的扫频光通过环形器54进入掺锗光纤中，扫频光在掺锗光纤中传输并产生与传播方向相反的背向瑞利散射信号，该信号通过所述环形器54返回，与另一路经过偏振控制器52的1％的扫频光信号在第四光纤耦合器53处发生拍频干涉，产生的拍频干涉光信号输入所述数据处理中心6。
可选的，所述主干涉仪5进一步包括偏振分束器55，所述偏振分束器55一端连接所述第四光纤耦合器53，另一端连接所述数据处理中心6。所述偏振分束器55用于接收所述第四光纤耦合器53输出的拍频干涉光信号，并将所述拍频干涉光信号分成相互正交的P光信号和S光信号，输出给所述数据处理中心6。其中，所述P光信号和S光信号具有相位差。采用偏振分束器55能够抑制拍频干涉光信号在传输过程中的光功率衰落。
所述辅助干涉仪3是基于马赫-曾德尔干涉仪搭建，用于将光源发出的扫频光，在辅助干涉仪中发生拍频效应，产生携带有光源相位信息的扫频光，即外部时钟信号。本实施例中，所述辅助干涉仪3通过两个50:50的光纤耦合器和两段长度相差200米的单模光纤构成。通过所述第一光纤耦合器输出的光信号输入辅助干涉仪后，被第一个光纤耦合器分为两路，由于两路光之间存在光程差，故会在第二个光纤耦合器处发生拍频干涉。所述辅助干涉仪3最高支持主干涉仪5接入200/4＝50米的传感光纤。
辅助干涉仪产生的拍频信号为具有一定变化的正弦信号，在理想情况下，其频率稳定不变，但是由于光源存在非线性调谐效应，使拍频信号产生不规则的频率变化，这种不规则的频率变化代表了激光器的非线性扫频，当作为数据采集卡的外部时钟时，类似于时钟抖动现象，通过利用这种抖动时钟进行采集主干涉仪信号，达到消除光源非线性的目的。
所述数据处理中心6基于所述外部时钟信号采集拍频干涉光信号并进行处理，获取多个所述掺锗光纤的传感结果。具体的，如图3所示，所述数据处理中心6包括依次连接的光电转换模块61、数据采集模块62以及数据处理模块63。
所述光电转换模块61的一端连接所述多个主干涉仪5，另一端连接所述数据采集模块62，用于将每个主干涉仪5输出的拍频干涉光信号转化为电信号。本实施例中，所述光电转换模块61包括至少一个光电探测器，每个光电探测器接收一路P光信号及一路S光信号。
所述数据采集模块62的一端连接光电转换模块61，另一端连接所述数据处理模块63，第三端连接所述可调谐激光器1，第四端连接所述辅助干涉仪3。所述数据采集模块62用于接收所述可调谐激光器1发出的扫频触发信号，该扫频触发信号用来控制所述数据采集模块62采集数据的开启闭合时间。所述数据采集模块62还用于根据所述辅助干涉仪3输出的外部时钟信号采集所述光电转换模块61输出的电信号并数字化。具体的，所述可调谐激光器1每次扫频开始时，所述扫频触发信号会出现一个下降沿，此时所述数据采集模块62开启采集模式；当外部时钟信号每出现一个上升沿时，所述数据采集模块62采集一次电信号并保存，采集指定时间后停止采集，然后等待所述扫频触发信号的下一个下降沿，再次进行采集。本实施例中，所述数据采集模块62为数据采集卡。
所述数据处理模块63的一端连接所述数据采集模块62，另一端连接计算机7。所述数据处理模块63用于控制所述数据采集模块62采集每个所述掺锗光纤当前工作状态下的拍频干涉信号作为测试数据，并采集每个所述掺锗光纤初始工作状态下的拍频干涉信号作为参考数据，其中，所述初始工作状态包括掺锗光纤处于正常受力状态下，比如给光纤施加一定应变使其抻直，此时处于正常受力状态；所述工作状态包括掺锗光纤受应变或温度较所述初始状态发生变化时所处的状态；之后利用FPGA技术对所述参考数据及测试数据进行计算，获取每个所述主干涉仪5的传感结果。本实施例中，如图4所示的处理过程示意图，对所述数据处理模块63采集到的4个掺锗光纤的参考数据分别进行二维FFT计算，将原始数据转化为沿光纤长度上散射和反射光强的分布，将频域数据进行保存；接着对频域数据选取滑动窗，对滑动窗的数据进行补零插值及IFFT计算，将其变换到时域并保存；对所述4个掺锗光纤的测试数据进行同样的FFT、补零插值、IFFT计算后，将每个滑动窗内的时域数据与频域数据进行互相关计算，得到4个掺锗光纤的传感结果，例如所述掺锗光纤的所受应力信息或温度信息。
所述计算机7分别连接所述可调谐激光器1和所述数据处理模块63，用于控制所述可调谐激光器1进行扫频，还用于接收所述数据处理模块63输出的多个掺锗光纤的传感数据并进行显示。基于所述可调谐激光器1的高扫描速度，所述数据处理模块63将多个掺锗光纤的传感结果发送给计算机7进行实时显示，实现了多个掺锗光纤的实时传感。
本发明提供的基于OFDR技术的多通道光纤传感系统，将光频域反射技术与掺锗光纤相结合，利用可调谐激光器1作为信号源，在不增加可调谐激光器数量的前提下，将扫频光分路给多段掺锗光纤，利用掺锗光纤的背向瑞利散射信号的光功率大的特点，能够同时测量多段掺锗光纤的传感数据，实现了高速率及多通道的传感数据的测量，从而拓宽了OFDR系统的可应用场景；进一步能够大大节约光纤传感系统的造价成本。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于OFDR技术的多通道光纤传感系统，其特征在于，包括：可调谐激光器、第一光纤耦合器、辅助干涉仪、第二光纤耦合器、多个主干涉仪、数据处理中心；其中，
所述可调谐激光器，用于发出扫频光信号；
所述第一光纤耦合器，用于将所述扫频光信号分成第一扫频光信号和第二扫频光信号；
所述辅助干涉仪，用于接收所述第一扫频光信号后产生外部时钟信号；
所述第二光纤耦合器，用于将所述第二扫频光信号分成多路扫频光信号；
所述多个主干涉仪分别接入掺锗光纤，每个所述主干涉仪用于接收一路扫频光信号后产生所述掺锗光纤的拍频干涉光信号；
所述数据处理中心，用于基于所述外部时钟信号采集所述拍频干涉光信号，并对所述拍频干涉光信号进行处理，获取多个所述掺锗光纤的传感结果。
2.根据权利要求1所述的多通道光纤传感系统，其特征在于，所述可调谐激光器的扫描速度小于等于2000nm/s。
3.根据权利要求1所述的多通道光纤传感系统，其特征在于，所述第二光纤耦合器的类型与所述主干涉仪的数量相匹配。
4.根据权利要求1所述的多通道光纤传感系统，其特征在于，所述主干涉仪包括第三光纤耦合器、偏振控制器、第四光纤耦合器以及环形器。
5.根据权利要求4所述的多通道光纤传感系统，其特征在于，每路扫频光信号被所述第三光纤耦合器分为两路，其中一路扫频光通过环形器进入掺锗光纤中，扫频光在掺锗光纤中传输并产生与传播方向相反的后向瑞利散射信号，该信号通过所述环形器返回，与另一路经过所述偏振控制器的扫频光信号在所述第四光纤耦合器处发生拍频干涉，产生拍频干涉光信号。
6.根据权利要求4所述的多通道光纤传感系统，其特征在于，所述主干涉仪进一步包括偏振分束器，所述偏振分束器一端连接所述第四光纤耦合器，另一端连接所述数据处理中心；所述偏振分束器用于接收所述第四光纤耦合器输出的拍频干涉光信号，并将所述拍频干涉光信号分成相互正交的P光信号和S光信号。
7.根据权利要求1所述的多通道光纤传感系统，其特征在于，所述数据处理中心包括依次连接的光电转换模块、数据采集模块以及数据处理模块，其中，所述光电转换模块用于将所述主干涉仪输出的拍频干涉光信号转换为电信号，所述数据采集模块用于基于所述外部时钟信号采集所述拍频干涉光信号，所述数据处理模块用于控制所述数据采集模块进行采集并对采集到的所述拍频干涉信号进行处理，获得每个所述掺锗光纤的传感结果。
8.根据权利要求7所述的多通道光纤传感系统，其特征在于，所述数据处理模块用于控制所述数据采集模块采集每个所述掺锗光纤初始工作状态下的拍频干涉光信号作为参考数据，以及每个所述掺锗光纤当前工作状态下的拍频干涉光信号作为测试数据，并对所述参考数据及测试数据进行计算后，获取每个所述掺锗光纤的传感结果。
9.根据权利要求1所述的多通道光纤传感系统，其特征在于，所述掺锗光纤内GeO2的掺杂浓度为普通单模光纤的2～7倍。
10.根据权利要求1所述的多通道光纤传感系统，其特征在于，所述掺锗光纤包括高掺锗光敏光纤及紫外曝光加载氢的单模光纤。
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| CN202110362675.0A CN112880716A (zh) | 2021-04-02 | 2021-04-02 | 一种基于ofdr技术的多通道光纤传感系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112880716A true CN112880716A (zh) | 2021-06-01 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110362675.0A Pending CN112880716A (zh) | 2021-04-02 | 2021-04-02 | 一种基于ofdr技术的多通道光纤传感系统 |
Country Status (1)
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114459376A (zh) * | 2022-01-28 | 2022-05-10 | 北京邮电大学 | 基于ofdr技术的多芯光纤三维形状传感系统 |
-
2021
- 2021-04-02 CN CN202110362675.0A patent/CN112880716A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114459376A (zh) * | 2022-01-28 | 2022-05-10 | 北京邮电大学 | 基于ofdr技术的多芯光纤三维形状传感系统 |
| CN114459376B (zh) * | 2022-01-28 | 2023-03-10 | 北京邮电大学 | 基于ofdr技术的多芯光纤三维形状传感系统 |
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