CN114964546A - 一种基于光纤拍频传感技术的多点串联测温系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤拍频传感技术的多点串联测温系统，属于信息传输技术领域。所述系统包括：泵浦源激光器、波分复用器、谐振腔组模块、光电探测器、频谱分析仪。本发明将DBR激光谐振腔进行串联，并控制谐振腔两端光纤光栅中心波长不同，使多个DBR激光谐振腔可同时工作，且无需增大激光器输出功率，相比于现有的并联方案，有效地降低了测温系统的功耗；使用光纤光栅而非掺饵光纤进行传感，可实现高灵敏度传感，灵敏度可达100KHz/℃，且具有更小尺寸，传感检测更加灵活；此外，针对采集的多纵模拍频信号数据通过拟合算法提高多纵模拍频信号测量温度的灵敏度，可以满足数据自动化处理和实时显示温度变化的要求。

Description

一种基于光纤拍频传感技术的多点串联测温系统

技术领域

本发明涉及一种基于光纤拍频传感技术的多点串联测温系统，属于信息传输技术领域。

背景技术

光纤传感具有抗电磁干扰，灵敏度高，易于远距离传输等优势，由于光纤对温度、振动、应力等信号敏感，光纤传感技术，尤其是分布式传感越来越重视。在有些应用领域中，例如航天航空、电力系统、地质探测，由于探测点多，传输距离长，需要高灵敏度的分布式监测。

为了光纤传感技术实现分布式多点检测，人们对此做了很多研究，目前传统的可复用光纤传感系统主要分为基于光信号解调和基于电信号解调的系统。

基于光信号解调的典型光纤传感系统是基于波分复用的光纤光栅(Fiber BraggGrating，FBG)实现复用传感，各个不同FBG具有不同中心波长，通过光谱仪观察每个FBG反射光谱波长变化，实现FBG的传感解调，这种传感系统需要昂贵的光谱仪，且不便于携带，并且无法使用成熟解调算法对传感检测获得的数据进行解调。

基于电信号的复用传感系统的典型代表是基于拍频信号的光纤传感系统，相较于上述较复杂的光学解调方式，拍频传感技术以其结构简单、搭建方便、成本低等优点得到了广泛的认可和肯定。该方法通过测量不同的多纵模拍频信号的频率偏移量，可以得到不同位置的温度的变化，仅需要一个光电探测器将光信号转化为电信号，大大降低了检测设备的成本。通过光纤拍频复用技术进行大规模检测，结构简单，解调速度快，测量精度高，可应用于粮库温度安全、石油储存温度安全、住宅楼防火安全等方面，实时监测不同位置点的温度变化信息。

但目前已公开发表或报道过的相关系统都是通过将多个分布布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflection，DBR)激光谐振腔通过耦合器并联，输入耦合器的激光通过耦合器输出成为多个信号，分别进入各个不同DBR激光谐振腔，使谐振腔工作，激射产生的激光在光电探测器上产生拍频信号，但这种普通方式主要存在两个问题：一、通过耦合器连接多个光纤传感谐振腔，如果要使多个谐振腔同时工作，需要保持激光器具有较大输出功率，能够复用的传感器数量受限于激光器输出功率，而大功率的激光器无疑会为整个传感系统带来高成本，高能耗，低散热等问题；二、目前已经提出的所有基于拍频信号的光纤传感系统的测温方式都是通过DBR激光谐振腔中的掺饵光纤实现测温，这种方式存在灵敏度不高，灵敏度一般为10KHz/℃，且传感器尺寸较大，需要将整段掺饵光纤放置或粘贴在被测物体上，无法实现小型物体温度检测等问题。

专利CN103575313A公开了一种基于拍频技术的多纵模环行腔激光传感器频分复用装置，实现了多位置实时监测的分布式传感，利用波分复用器实现多个谐振腔并联复用，但是该方案是通过将多个传感器并联实现多传感器复用，尽管通过增加并联传感器数量可以实现多点传感检测，但是传感器数量增加，使单个传感器的激光功率不断减小，无法达到光纤激光传感器的正常工作所需的激光功率阈值，而不得不使用大功率输出的激光器，这无疑给整个系统的设计成本，功耗带来较大问题。专利CN103471741A公开了一种分布式拉曼光纤温度感应系统，其系统的测温精度为0.5摄氏度，空间分辨率小于等于2米，该方案的测温灵敏度无法满足当前的测温需求，还存在空间分辨率较大，利用功率放大电路实现对光信号增强，增加了光纤系统的复杂度的同时，对光信号的解调难度也在增加的问题。

Yu.等人利用耦合器设计了混合多路并联复用传感系统，通过设计不同腔长和不同中心波长的光纤激光器，实现了频分复用。但是该传感器存在以下问题：1、依据并联的谐振腔个数，耦合器将泵浦源激光功率平均等分，进入到谐振腔的功率随着并联谐振腔个数在减少，因此产生的拍频信号功率明显降低，因此，该系统需要高功率泵浦光源，以实现较多的谐振腔复用数；2、其灵敏度为6.00Khz/℃，温度灵敏度较小(Xiujuan Yu,Xue Dong,Xuefeng Chen,et al.Large-Scale Multilongitudinal Mode Fiber Laser SensorArray With Wavelength/Frequency Division Multiplexing，Journal Of LightwaveTechnology,vol.35,no.11,Jun.2017.)。

发明内容

为了解决分布式光纤传感技术的温度监测系统灵敏度低、功耗大、解调难度大、无法实现小型物体温度检测等问题，本发明提供了一种基于光纤拍频传感技术的多点串联测温系统，所述系统包括：泵浦源激光器、波分复用器、谐振腔组模块、光电探测器、频谱分析仪；

所述激光器通过所述波分复用器与所述谐振腔组模块连接，所述波分复用器与所述谐振腔组模块连接的一端还与所述光电探测器、所述频谱分析仪依次连接；

所述谐振腔组模块包括：多个依次连接的DBR激光谐振腔，形成串联结构；每个DBR激光谐振腔包括光纤光栅和掺铒光纤，不同DBR激光谐振腔中的光纤光栅的中心波长不同，且每个DBR激光谐振腔的长度不同。

可选的，所述谐振腔组模块中，每个DBR激光谐振腔包括：两个中心波长相同的光纤光栅和一段掺铒光纤，两个光纤光栅通过掺铒光纤相连接。

可选的，每个DBR激光谐振腔中各个通道的波长与其内部的光纤光栅的中心波长一致。

可选的，所述DBR激光谐振腔采用多纵模拍频光纤激光腔。

可选的，所述系统还包括计算机，所述计算机与所述频谱分析仪连接，用于显示受温度影响的多纵模拍频信号的频谱图。

可选的，所述光纤光栅的中心波长的范围是1547nm-1556nm。

可选的，所述泵浦源激光器输出1480nm波长的激光。

本发明还提供一种多点测温方法，所述方法采用上述的多点串联测温系统实现，包括：

步骤1：打开泵浦源激光器，所述泵浦源激光器输出的激光通过波分复用器进入多个依次串联的谐振腔中，产生多纵模激光；

步骤2：所述多纵模激光通过所述波分复用器进入光电探测器，在所述光电探测器上产生多纵模拍频信号；

步骤3：温度信号作用于所述多个依次串联的DBR激光谐振腔或者DBR激光谐振腔内部的光纤光栅，使所述多纵模拍频信号发生频移；

步骤4：频谱分析仪对所述多纵模拍频信号进行解调，得出所述多纵模拍频信号随温度的频移变化情况，并通过计算机输出频谱图。

可选的，采集频谱分析仪输出的拍频信号后，利用计算机软件对拍频信号进行温度拟合，采用神经网络算法拟合得到温度与拍频信号的线性关系。

可选的，拟合温度与多纵模拍频信号的线性关系的方法还包括：小波变换算法和支持向量机算法。

本发明有益效果是：

本发明的基于光纤拍频信号的多点串联测温系统，将DBR激光谐振腔进行串联，并控制每个不同DBR激光谐振腔两端光纤光栅中心波长不同，可使不同DBR传感器工作在不同波长，由于激光器输出为有一定波长范围的宽带激光，因此，只要控制DBR激光谐振腔的波长位于激光器输出波长范围内，则多个DBR激光谐振腔可同时工作，且不需要额外的大功率泵浦源和耦合器，因此相比于现有的并联方案，有效地降低了测温系统的功耗。

通过使用每个DBR激光谐振腔中的光纤光栅而非掺饵光纤进行传感，可实现高灵敏度传感，灵敏度可达100KHz/℃，是传统基于掺饵光纤实现温度传感的灵敏度的10倍。

基于DBR激光谐振腔中光纤光栅实现传感，与传统基于掺饵光纤传感方式相比，具有更小尺寸，传感检测更加灵活。

本发明针对采集的多纵模拍频信号数据和温度数据进行拟合以提高多纵模拍频信号测量温度的灵敏度，可以满足光纤拍频温度激光传感系统的数据自动化处理和实时显示温度变化的性能要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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。

图1是本发明实施例二中提供的基于光纤拍频传感技术的多点串联测温系统的谐振腔测温结构示意图。

图2是本发明实施例二中提供的基于光纤拍频传感技术的多点串联测温系统的光纤光栅测温结构示意图。

图3是光纤激光谐振腔原理示意图。

图4是本发明实施例二中多个谐振腔的串联的光纤光栅光谱图。

图5是本发明实施例二各个谐振腔的多纵模拍频信号解调温度灵敏度仿真图。

图6是本发明实施例二中各个谐振腔的多纵模拍频信号稳定性仿真图。

图7是本发明一个实施例的人体三个部位的体表温度变化曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一：

本实施例提供一种基于光纤拍频传感技术的多点串联测温系统，包括：泵浦源激光器、波分复用器、谐振腔组模块、光电探测器、频谱分析仪；

所述激光器通过所述波分复用器与所述谐振腔组模块连接，所述波分复用器与所述谐振腔组模块连接的一端还与所述光电探测器、所述频谱分析仪依次连接；

所述谐振腔组模块包括：多个依次连接的DBR激光谐振腔，形成串联结构；每个DBR激光谐振腔包括光纤光栅和掺铒光纤，不同DBR激光谐振腔中的光纤光栅的中心波长不同，且每个DBR激光谐振腔的长度不同。

实施例二：

本实施例提供一种基于光纤拍频传感技术的多点串联测温系统，参见图1，包括泵浦源激光器、波分复用器、5个依次串联的DBR激光谐振腔、光电探测器、频谱分析仪、计算机；泵浦源激光器通过波分复用器与5个依次串联的DBR激光谐振腔连接，波分复用器与所述DBR激光谐振腔连接的一端还与光电探测器、频谱分析仪和计算机依次连接。

其中每个DBR激光谐振腔中包括2个中心波长相同的光纤光栅和1个掺铒光纤，如图1、2所示，两个光纤光栅通过掺饵光纤连接，图3显示了DBR激光谐振腔的一种结构，该结构包括两个中心波长相同的光纤光栅(FBG)，一段掺铒光纤(EDF)，两个光纤光栅通过一段掺铒光纤相连接。

DBR激光谐振腔中的各个通道的波长与各自内部的光纤光栅的中心波长一致，且不同谐振腔中的光纤光栅的中心波长不同。

本实施例中的5个DBR激光谐振腔，内部的光纤光栅的中心波长分别为：1556nm、1552nm、1548nm、1554nm、1550nm。光纤光栅的3dB带宽为240pm，波长为1547nm-1556nm，反射率均为93％；掺铒光纤吸收系数为36dB/m@1532nm。

本实施例的泵浦源输出1480nm波长的激光，通过波分复用器1480nm端口进入到多个串联的DBR激光谐振腔中，激光通过各个DBR激光谐振腔产生多纵模激光，并通过波分复用器1550nm端口输出到光电探测器，在光电探测器上产生多纵模拍频信号；当温度信号作用于每个DBR激光谐振腔或者DBR激光谐振腔中的光纤光栅时，多纵模拍频信号会发生频移，多纵模拍频信号输入到频谱分析仪，完成信号的采集，频谱分析仪输出的信号在计算机中显示，同时得到温度信号对应的频率变化情况，即拍频信号受到温度影响而频率偏移。

采集频谱分析仪输出的拍频信号后，利用计算机软件对拍频信号进行温度拟合，采用神经网络算法拟合得到温度与拍频信号的线性关系。

在实际应用中，泵浦激光源和波分复用器可以使用其他参数，如980nm波长的泵浦激光源，980nm&1550nm波长的波分复用器等；谐振腔可以使用其他参数的器件，比如可使用光学反射镜替代最后一个DBR激光谐振腔中另一个中心波长一致的光纤光栅，也可采用环形腔结构，或其他可产生多纵模激光的结构均可采适用；光纤光栅的中心波长可以采用1558nm，1560nm等，掺铒光纤吸收系数为6dB/m@1532nm，13dB/m@1532nm等，本申请对此不作限定。

如图4所示，将五个DBR激光谐振腔串联后，在波分复用器1550nm端口的输出端连接光谱仪，用于显示各个谐振腔的中心波长。测量的DBR激光谐振腔光谱分别1548nm，1550nm，1552nm，1554nm，1556nm。

实施例三：

本实施例提供一种多点测温方法，采用实施例二记载的多点串联测温系统实现，包括以下步骤：

步骤1：打开泵浦源激光器，所述泵浦源激光器输出的激光通过波分复用器进入多个依次串联的DBR激光谐振腔中，产生多纵模激光；

步骤2：所述多纵模激光通过所述波分复用器进入光电探测器，在所述光电探测器上产生多纵模拍频信号；

步骤3：温度信号作用于所述多个依次串联的DBR激光谐振腔或者DBR激光谐振腔内部的光纤光栅，使所述多纵模拍频信号发生频移；

步骤4：频谱分析仪对所述多纵模拍频信号进行解调，得出所述多纵模拍频信号随温度的频移变化情况，并通过计算机输出频谱图。

采集频谱分析仪输出的拍频信号后，利用计算机软件对拍频信号进行温度拟合，采用神经网络算法拟合得到温度与拍频信号的线性关系。拟合温度与多纵模拍频信号的线性关系的方法包括：神经网络算法、小波变换算法和支持向量机算法。

为了进一步说明本发明的系统和方法能够达到的有益效果，对实施例二的系统进行了一系列实验测试，实验结果如下：

针对每个光纤光栅的多纵模拍频信号与温度信号的数据对进行的拟合结果如图5所示，采用了线性神经网络算法拟合数据，其中各个谐振腔的温度灵敏度分别为96.3196kHz/℃、109.1802kHz/℃、66.0034kHz/℃、109.9055kHz/℃、72.4899kHz/℃，相比于现有技术中的10KHz/℃的灵敏度，本发明具有明显的优势。

其次，本申请对于不同的谐振腔同时测量了系统的稳定性进行了实验，实验中，系统保持在恒定温度20℃，在60分钟内每1分钟记录一次结果，如图6所示，其中各个谐振腔的多纵模拍频信号频移量分别为14.6kHz、16.4kHz、14.6kHz、13.6kHz、12.8kHz。证明本申请提供的基于多纵模拍频的多个谐振腔串联复用测温系统具有很高的稳定性，能够解调出稳定的温度信号。

针对不同谐振腔中光纤光栅的测温性能，进行了多点测温人体体表温度的变化，选择三个谐振腔中的光纤光栅作为传感元件，分别贴在人体的额头、左手背和右手背位置，在使用标准体温温度计作为参考器件；每分钟记录一次作为拍频传感信号的频率及温度计对应的温度值；如图7所示为人体三个部位的体表温度变化结果，该曲线表明本发明可灵活应用于测体温等小型测温场景。

本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光纤拍频传感技术的多点串联测温系统，其特征在于，所述系统包括：泵浦源激光器、波分复用器、谐振腔组模块、光电探测器、频谱分析仪；

所述激光器通过所述波分复用器与所述谐振腔组模块连接，所述波分复用器与所述谐振腔组模块连接的一端还与所述光电探测器、所述频谱分析仪依次连接；

所述谐振腔组模块包括：多个依次连接的DBR激光谐振腔，形成串联结构；每个DBR激光谐振腔包括光纤光栅和掺铒光纤，不同DBR激光谐振腔中的光纤光栅的中心波长不同，且每个DBR激光谐振腔的长度不同。

2.根据权利要求1所述的多点串联测温系统，其特征在于，所述谐振腔组模块中，每个DBR激光谐振腔包括：两个中心波长相同的光纤光栅和一段掺铒光纤，两个光纤光栅通过掺铒光纤相连接。

3.根据权利要求2所述的多点串联测温系统，其特征在于，每个DBR激光谐振腔中各个通道的波长与其内部的光纤光栅的中心波长一致。

4.根据权利要求3所述的多点串联测温系统，其特征在于，所述DBR激光谐振腔采用多纵模拍频光纤激光腔。

5.根据权利要求4所述的多点串联测温系统，其特征在于，所述系统还包括计算机，所述计算机与所述频谱分析仪连接，用于显示受温度影响的多纵模拍频信号的频谱图。

6.根据权利要求1所述的多点串联测温系统，其特征在于，所述光纤光栅的中心波长的范围是1547nm-1556nm。

7.根据权利要求1所述的多点串联测温系统，其特征在于，所述泵浦源激光器输出1480nm波长的激光。

8.一种多点测温方法，其特征在于，所述方法采用权利要求5所述的多点串联测温系统实现，包括：

步骤1：打开泵浦源激光器，所述泵浦源激光器输出的激光通过波分复用器进入多个依次串联的DBR激光谐振腔中，产生多纵模激光；

步骤2：所述多纵模激光通过所述波分复用器进入光电探测器，在所述光电探测器上产生多纵模拍频信号；

步骤3：温度信号作用于所述多个依次串联的DBR激光谐振腔或者DBR激光谐振腔内部的光纤光栅，使所述多纵模拍频信号发生频移；

步骤4：频谱分析仪对所述多纵模拍频信号进行解调，得出所述多纵模拍频信号随温度的频移变化情况，并通过计算机输出频谱图。

9.根据权利要求8所述的多点测温方法，其特征在于，采集频谱分析仪输出的拍频信号后，利用计算机软件对拍频信号进行温度拟合，采用神经网络算法拟合得到温度与拍频信号的线性关系。

10.根据权利要求9所述的多点测温方法，其特征在于，拟合温度与多纵模拍频信号的线性关系的方法还包括：小波变换算法和支持向量机算法。

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