CN207147508U - 光频域反射技术中可提高近距离传感稳定性的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种光频域反射技术中可提高近距离传感稳定性的装置，装置包括线性扫频激光器、光纤分束器、主干涉仪、辅助干涉仪、数据采集卡和计算机，主干涉仪用于使进入该主干涉仪的扫频激光发生拍频干涉，产生第一拍频信号；辅助干涉仪使进入该辅助干涉仪的扫频激光发生拍频干涉，产生第二拍频信号，该第二拍频信号经过转化后作为数据采集卡的外部时钟；数据采集卡在外部时钟的触发下等频域间隔采样第一拍频信号。本实用新型能有效减少近距离传感中拍频信号受外界低频信号的干扰，增强系统稳定性。
Description
技术领域
本实用新型涉及光纤传感技术领域，更具体而言,涉及一种提高光频域反射技术近距离传感稳定性的装置。
背景技术
光频域反射技术具有精度高、距离长、动态范围宽等优点，广泛应用于航空航天，国防军事，土木工程，能源电力等领域。在工程运用中，尤其是环境比较恶劣的情况，光频域反射技术在端点检测及分布式温度、应变传感中，容易受到外界环境干扰。用户在使用光频域反射装置时，通常只利用装置可测量范围的一小部分，因此在近距离测量使用居多。外界环境噪声主要是低频噪声，容易与低频信号发生串扰，导致系统的空间分辨率、精度以及稳定性将受到影响。因此，光频域反射技术中，减少外界噪声干扰以及提高系统稳定性很有必要。
实用新型内容
针对现有技术的不足或者改进需求，本实用新型提供了一种基于光频域反射技术的可以减少外界噪声干扰，提高近距离传感稳定性的装置。
本实用新型的光频域反射技术中可提高近距离传感稳定性的装置，包括线性扫频激光器、光纤分束器、主干涉仪、辅助干涉仪、数据采集卡和计算机，其中：
所述线性扫频激光器，发出激光波长周期性线性变化的扫频激光；
所述光纤分束器，与所述线性扫频激光器连接，将扫频激光分为两路，分别进入辅助干涉仪和主干涉仪；
所述主干涉仪，与所述光纤分束器连接，使进入该主干涉仪的扫频激光发生拍频干涉，产生第一拍频信号；
所述辅助干涉仪，与所述光纤分束器连接，使进入该辅助干涉仪的扫频激光发生拍频干涉，产生第二拍频信号，该第二拍频信号经过转化后作为所述数据采集卡的外部时钟；
所述数据采集卡，与所述辅助干涉仪连接，在外部时钟的触发下等频域间隔采样第一拍频信号；
所述计算机，与所述数据采集卡连接。
接上述技术方案，所述主干涉仪包括传感臂和参考臂，且参考臂大于传感臂的长度，参考臂的末端连接法拉第旋转镜。
接上述技术方案，所述主干涉仪还包括第一光隔离器和第一光纤耦合器，所述第一光隔离器的一端连接光纤分束器，另一端与所述第一光纤耦合器的一端连接，所述第一光纤耦合器的另一端与传感臂和参考臂连接，传感臂和参考臂的反射信号在所述第一光纤耦合器处发生拍频干涉。
接上述技术方案，该主干涉仪还包括第一光电探测器，其一端与光纤耦合器连接，另一端与数据采集卡连接。
接上述技术方案，该辅助干涉仪包括第二光隔离器、第二光纤耦合器、两路单模光纤和第二光电探测器，该两路单模光纤的末端均连接法拉第旋转镜，两路光经过两个法拉第旋转镜反射原路返回，在第二光纤耦合器处发生拍频干涉，产生的第二拍频信号进入第二光电探测器。
接上述技术方案，所述光纤分束器具体将扫频激光分为10：90两路。
接上述技术方案，所述线性扫频激光器为窄线宽激光器，扫描范围为1520nm-1630nm，扫频速度2nm/s-2000nm/s。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：本实用新型提出了一种提高光频域反射技术短距离传感稳定性的装置，本实用新型具有测量距离长，空间分辨率高，系统重复性高，稳定性好。尤其是在近距离测量中，特别是在外界环境恶劣的情况下，能有效减少外界环境的干扰。可应用于光网络器件的端点检测，本实用新型的分布式温度、应变传感功能还可以应用于航空航天，国防军事，土木工程，能源电力等领域。
附图说明
为了完善说明并帮助更好地理解本实用新型特性的目的，下面通过附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为分布式光频域反射传感装置图；
图2分布式光频域反射传感装置具体结构示意图；
图中：1为线性扫描激光器，2为光纤分束器(10：90)，3为主干涉仪，4为辅助干涉仪，5为高速数据采集卡，6为计算机，7为光隔离器，8为光纤耦合器(2x2)，9为传感臂，10为参考臂，11为单模光纤，12为反射点R1，13为反射点R2，14为单模光纤，15为法拉第旋转镜，16为光电探测器。17为光隔离器，18为光纤耦合器(2x2)，19为法拉第旋转镜，20为单模光纤，21为法拉第旋转镜，22为光电探测器。
具体实施方式
下面实施例结合附图对本实用新型作进一步的描述。
如图1所示，本发明的光频域反射技术中可提高近距离传感稳定性的装置，该装置包括线性扫频激光器1、光纤分束器2、主干涉仪3、辅助干涉仪4、数据采集卡5和计算机6，其中：
所述线性扫频激光器，用于发出激光波长周期性线性变化的扫频激光；
所述光纤分束器，用于将扫频激光分为两路，分别进入辅助干涉仪和主干涉仪；
所述主干涉仪，用于使进入该主干涉仪的扫频激光发生拍频干涉，产生第一拍频信号；
所述辅助干涉仪，用于使进入该辅助干涉仪的扫频激光发生拍频干涉，产生第二拍频信号，该第二拍频信号经过转化后作为高速数据采集卡的外部时钟；
所述数据采集卡，用于在外部时钟的触发下等频域间隔采样第一拍频信号；
所述计算机，用于对采集的第一拍频信号进行处理分析。
进一步地，所述主干涉仪包括传感臂9和参考臂10，且参考臂大于传感臂的长度，参考臂的末端连接法拉第旋转镜。
所述主干涉仪还包括光隔离器7和光纤耦合器8，所述光隔离器7的一端连接光纤分束器，另一端与所述光纤耦合器8的一端连接，所述光纤耦合器8的另一端与传感臂和参考臂连接，传感臂和参考臂的反射信号在所述光纤耦合器8处发生拍频干涉。
该主干涉仪还包括光电探测器16，其一端与光纤耦合器8连接，另一端与数据采集卡连接。
该辅助干涉仪包括光隔离器17、光纤耦合器18、两路单模光纤和光电探测器22，该两路单模光纤的末端分别连接法拉第旋转镜19、21，两路光经过两个法拉第旋转镜反射沿路返回，在光纤耦合器18处发生拍频干涉，产生的第二拍频信号进入光电探测器22。
本发明实施例中，所述光纤分束器具体将扫频激光分为10：90两路。
所述线性扫频激光器为窄线宽激光器，扫描范围为1520nm-1630nm，扫频速度2nm/s-2000nm/s。
本实用新型采用辅助干涉仪产生的拍频信号作为数据采集卡的外部时钟，对主干涉仪的拍频信号实现等频率间隔采样。
其基本原理是基于光外差干涉技术。具体的，由窄线宽激光器发出的线性扫频激光经过光纤耦合器分为两路，一路进入主干涉仪系统，一路进入辅助干涉仪系统。
在主干涉仪系统中，光经过光纤耦合器分为两路，一路为待测器件(即待测光纤)中，作为信号臂；另一路进入末端置有法拉第旋转镜的长度固定的光纤链路中，作为参考臂。信号臂中的瑞利后向散射信号与参考臂中端面反射信号在耦合器中发生干涉。
由于两路返回信号的光程不同，引入了时延，则干涉信号中含有拍频信号。
在辅助干涉仪中，光经过光纤耦合器分为两路，设计成M-Z干涉仪，末端放置法拉第旋转镜。光进入辅助干涉仪，经法拉第旋转镜反射回来的两路光在光纤耦合器处发生拍频干涉。拍频信号作为高速数据采集卡的外部时钟，用于触发采集主干涉仪的拍频信号。根据采样定理，辅助干涉仪的拍频大小决定了光频域反射装置的最大可测量距离。
两路干涉仪系统的拍频信号经光电探测器后，光信号转换为电信号。其中，主干涉仪拍频信号接高速数据采集卡的输入通道，辅助干涉仪的拍频信号接高速数据采集卡的外部时钟通道。
高速数据采集卡采集到的主干涉仪电信号，在PC处理分析。测得的拍频信号频率可映射为物理距离，根据光频域反射技术定位原理可将反射点位置信息由以下公式表示：
(其中z为该反射点位置处与参考臂法拉第旋转镜位置处距离差，fb为拍频信号拍频大小，γ为线性光源扫频速率，c为光速，n为光纤折射率。)
具体表现为：测得的拍频信号频率大小和传感臂中该反射点位置处与参考臂法拉第旋转镜位置处距离差成线性关系。而拍频信号功率则反应了其相应反射点的反射率。
在分布式温度和应变传感中，选取待测位置处附近区间(待测位置前后区间大小选取是根据测量空间分辨率和测量精度的来判定)所有反射点所映射的拍频信号进行分析。待测位置处温度、应变发生变化时，该选取区间所映射的拍频信号对应的频谱整体发生平移，平移量跟温度和应变的变化量成线性相关。对温度、应变变化前后的两组数据进行互相关运算可以算出该选取区间所映射的拍频信号对应频谱的整体平移量，进而实现对该位置处的温度、应变测量。当对整个待测光纤沿线逐一采用上述运算方式时，即可实现分布式温度、应变传感。
提高光频域反射技术中短距离传感稳定性的关键方法是：相比于传统的光频域反射装置，本实用新型将主干涉仪的参考臂为反射式，将参考臂加长，使其大于传感臂。使得光频域反射系统在测量距离固定的前提下，探测到的主干涉仪拍频信号由高频到低频映射的物理距离为从近到远。
用户在使用光频域反射装置时，通常只利用装置可测量范围的一小部分，因而在近距离测量使用居多。因此，本实用新型探测到的主干涉仪中近距离拍频信号为高频信号，受外界环境低频信号影响减少，系统稳定性提高。
本实用新型的关键技术为：设计光频域反射装置主干涉仪3中的参考臂10，令参考臂10为反射式且在末端加法拉第旋转镜15。
优选的，令参考臂10长度大于传感臂9。从而使得探测到的主干涉仪中的近距离拍频信号为高频信号，减少外界低频噪声干扰，提高系统稳定性。
所述的光频域反射装置的工作原理为：线性扫描激光器1发出激光波长周期性线性变化的激光，激光进入光纤分束器(10：90)2分为两路光(本实用新型采用10：90的光纤分束器目的是为了让更多的光信号进入主干涉仪)。
一路光进入主干涉仪3(90％输出端)，一路光进入辅助干涉仪4。主干涉仪3中，在光纤耦合器(2x2)8中的1端口光路放置光隔离器7防止1端口反射光进入线性扫描激光器1。光在光纤耦合器(2x2)8的1端口入射，在3端口和4端口出射，两路光分别进入传感臂9和参考臂10。传感臂9中的后向瑞利散射沿着单模光纤11返回到光纤耦合器(2x2)8，参考臂10中的光被末端法拉第旋转镜15反射沿着单模光纤14返回到光纤耦合器(2x2)8。因为单模光纤11与单模光纤14长度不一，两路光返回信号的光程不同，因此从传感臂9和参考臂10返回的两路光信号在光纤耦合器(2x2)8上发生拍频干涉并从光纤耦合器(2x2)8中的2端口出射，进入光电探测器16。
辅助干涉仪4中，在光纤耦合器(2x2)18的1端口光路放置光隔离器17防止1端口反射光进入线性扫描激光器1。光由1端口入射进入3端口和4端口，在辅助干涉仪4的其中一个臂接入一卷单模光纤20作为延迟光纤用。两路光经过法拉第旋转镜19和21反射沿路返回在光纤耦合器(2x2)18处发生拍频干涉并在2端口出射进入光电探测器22。
辅助干涉仪4的拍频信号经光电探测器22转化为电信号后作为高速数据采集卡5的外部时钟，触发采集主干涉仪3中的拍频信号，实现等频域间隔采样。采集到的拍频信号导入计算机6分析处理。
测得的拍频信号频率可映射为物理距离，而拍频信号功率则反应了其相应反射点的反射率。选取待测位置处温度、应变变化前后的设定数据点，做互相关运算分析，可以对待测位置处进行温度、应变传感。
在主干涉仪3中，令参考臂9长度大于传感臂10。假设传感臂9中有两个反射点R112和反射点R213，两个反射点距离为d，反射点R112与参考臂10中法拉第旋转镜15位置处臂差为z。则反射点R112与参考臂10中法拉第旋转镜15处的拍频干涉频率大小可有公式(1)
得到：
(其中z为该反射点位置处与参考臂法拉第旋转镜位置处距离差，γ为线性光源扫频速率，c为光速，n为光纤折射率。)
而反射点R213参考臂10中法拉第旋转镜15处的拍频干涉频率大小为：
(其中z为该反射点位置处与参考臂法拉第旋转镜位置处距离差，d两个反射点距离，γ为线性光源扫频速率，c为光速，n为光纤折射率。)
分析式(2)和式(3)，可以得出，反射点R112与参考臂10的拍频干涉频率大小大于反射点R213与参考臂10的拍频干涉频率大小。因此，本实用新型在测量距离固定的前提下，探测到的主干涉仪拍频信号由高频到低频映射的物理距离为从短到长。由于外界环境噪声以低频信号为主，因此，探测到的主干涉仪中近距离拍频信号为高频信号受外界环境低频信号影响减少，系统稳定性提高。
用户在使用光频域反射装置时，通常只利用到装置可测量范围的一小部分，因而在近距离测量使用居多。本实用新型可在近距离测量中，特别是在外界环境恶劣的情况下，能有效减少外界环境的干扰，提高系统稳定性。
本领域的技术人员容易理解，此处所说明的附图及实施例仅用以说明本实用新型技术方案而非对其限制，凡不脱离本实用新型方案的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。
Claims (7)
1.一种光频域反射技术中可提高近距离传感稳定性的装置，其特征在于，该装置包括线性扫频激光器、光纤分束器、主干涉仪、辅助干涉仪、数据采集卡和计算机，其中：
所述线性扫频激光器，发出激光波长周期性线性变化的扫频激光；
所述光纤分束器，与所述线性扫频激光器连接，将扫频激光分为两路，分别进入辅助干涉仪和主干涉仪；
所述主干涉仪，与所述光纤分束器连接，使进入该主干涉仪的扫频激光发生拍频干涉，产生第一拍频信号；
所述辅助干涉仪，与所述光纤分束器连接，使进入该辅助干涉仪的扫频激光发生拍频干涉，产生第二拍频信号，该第二拍频信号经过转化后作为所述数据采集卡的外部时钟；
所述数据采集卡，与所述辅助干涉仪连接，在外部时钟的触发下等频域间隔采样第一拍频信号；
所述计算机，与所述数据采集卡连接。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主干涉仪包括传感臂和参考臂，且参考臂大于传感臂的长度，参考臂的末端连接法拉第旋转镜。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述主干涉仪还包括第一光隔离器和第一光纤耦合器，所述第一光隔离器的一端连接光纤分束器，另一端与所述第一光纤耦合器的一端连接，所述第一光纤耦合器的另一端与传感臂和参考臂连接，传感臂和参考臂的反射信号在所述第一光纤耦合器处发生拍频干涉。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，该主干涉仪还包括第一光电探测器，其一端与第一光纤耦合器连接，另一端与数据采集卡连接。
5.如权利要求1-4中任一项所述的装置，其特征在于，该辅助干涉仪包括第二光隔离器、第二光纤耦合器、两路单模光纤和第二光电探测器，该两路单模光纤的末端均连接法拉第旋转镜，两路光经过两个法拉第旋转镜反射沿路返回，在第二光纤耦合器处发生拍频干涉，产生的第二拍频信号进入第二光电探测器。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述光纤分束器具体将扫频激光分为10：90两路。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述线性扫频激光器为窄线宽激光器，扫描范围为1520nm-1630nm，扫频速度2nm/s-2000nm/s。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20201229 Address after: 430074 room 02, 9 / F, building 1, SBI Chuangye street, Dongxin Road, Donghu New Technology Development Zone, Wuhan City, Hubei Province Patentee after: Wuhan Haoheng Technology Co.,Ltd. Address before: No. 999, Gaoxin Avenue, Donghu New Technology Development Zone, Wuhan City, Hubei Province, 430074 Patentee before: WUHAN JUNNO TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right |