CN208140166U - 一种低反射能量光纤光栅的检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种低反射能量光纤光栅的检测装置，该装置由宽带光源、高速光开关一、衰耗器一、环形器、光缆、光纤光栅、衰耗器二、高速光开关二、跟踪滤波器、解调仪、逻辑控制器组成。该装置使用两个高速光开关，对发射光和反射光进行高精度的时域控制，并利用跟踪滤波器，对光纤光栅反射光进行特定波段滤波处理，结合背景噪声抑制技术，可实现低反射能量光纤光栅波长的稳定识别及距离精确测量。该技术具有结构简单，低成本，检测准确性高等特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种低能量反射光纤光栅的检测装置，属于光纤通信以及光纤光栅传感器领域，可实现对低能量反射光纤光栅的检测和识别。
背景技术
随着光纤传感技术的不断发展，光纤光栅被大量使用，广泛应用于多种物理量测量的传感领域，以及通信环节等。目前光纤光栅检测系统主要受限于解调仪的动态响应性能、信号解调及噪声处理技术，使得光纤光栅的使用受限，比如在远距离，或者是有大衰耗场合使用时，由于光纤光栅的反射能量值较低，造成第低能量反射光纤光栅的检测和识别困难。
在现有技术中，需要两个光纤光栅传感器、波长解调器、密集波分解复用器及光电探测器等，组成多通道光纤光栅传感装置，来实现对传感器的检测。这种装置，不仅调谐技术成本高，而且系统复杂。现有技术中也有其它替代方法，比如采用宽带光源，成对使用的串联在一起的光纤光栅实现对光纤光栅反射的波长变化的线性关系，来实现探测。以上装置和检测方法对包含有大量的光纤光栅传感器的光纤的进行检测时，多个光栅之间经常出现串扰，并且其探测距离有限，不能很好地应用于复杂的长距离光纤光栅网络中。
另外的现有技术方案包括：为了在具有大光纤光栅传感器的光纤中实现对光纤光栅的检测，通过设置两对SOA高速光电开关和信号发生器的方式，采用时分复用和波分复用相结合的方式，实现对大量光想光栅传感器的探测，但是，这一设置方式系统结构复杂，且对其容易受环境及光纤自身弯曲、折损等因素的影响，造成检测到的曲线相互叠加严重，从而影响传感器的探测精度，且容易造成误读。
基于上述现有技术中存在的问题，如果能在不增加太大投入的前提下，识别到更远距离的FBG，将有效提高FBG解调仪的利用率和降低成本。
实用新型内容
为了解决上述现有技术中存在的问题，本实用新型提出了一种低反射能量光纤光栅的检测和识别装置，可大大提高光纤光栅的检测距离及识别精度，扩大了光纤光栅的可使用范围。具体而言，本实用新型提供了以下技术方案：
一种低反射能量光纤光栅检测装置，其包含：宽带光源、高速光开关一、衰耗器一、环形器、光缆、光纤光栅串、衰耗器二、高速光开关二、跟踪滤波器、解调仪以及逻辑控制器；其中，
所述宽带光源、高速光开关一、衰耗器一与环形器相连；所述解调仪、跟踪滤波器、高速光开关二、衰耗器二与环形器相连；所述环形器与光缆相连，所述光纤光栅置于光缆的光纤中；所述逻辑控制器分别与宽带光源、高速光开关一、衰耗器一、衰耗器二、高速光开关二、跟踪滤波器和解调仪相连，并对这些部件进行逻辑控制；所述光纤光栅串由多个不同波长的光纤光栅组成，串接在光纤中。
优选地，通过所述高速光开关一对发射光进行控制，形成一段固定脉宽的探测光，随后通过控制高速光开光二的通断时间延迟，选择性的接收某一时间延时后的反射光脉冲。不同的时间延迟，则对应不同的反射距离。
优选地，通过所述衰耗器一、衰耗器二，根据不同探测距离的远近，对宽带光源发出的光强进行调节，使得解调仪可接收到合适的反射光强。
优选地，逻辑控制器实时读取解调仪检测到的光功率信号，根据所述光功率信号的强弱实时调节衰耗器一和衰耗器二的衰耗幅度，通过反馈控制，使得解调仪始终可以获取到稳定的光功率，从而可提高识别的稳定性和准确性。
优选地，逻辑控制器根据所测光纤光栅的波长范围，动态调节跟踪滤波器的滤波参数，过滤掉光纤光栅波长范围外的噪声信号，提高系统的信噪比。
优选地，对于具有低反射能量的光纤光栅，通过动态减小衰耗器一和衰耗器二的衰耗值，增大入射光及反射光的光功率，提高系统对低反射能量光栅的识别灵敏度。
优选地，由逻辑控制器控制所述解调仪，按照所检测的光纤光栅所处的波长范围，动态调整解调仪的波长探测参数，保证在目标波长处的探测灵敏度远高于其它波长处的灵敏度，进一步提高系统的检测灵敏度。
优选地，利用光纤光栅解调仪采集光纤光栅的反射光信号，并转换成电信号，并判断该段接收到的反射脉冲中是否有光纤光栅的反射特征，从而判断该距离处是否有光纤光栅，如检测到有光栅，通过两个光开关的相对延时时间，即可确定该光栅的距离。
优选地，通过调整不同的高速光开关二的通断延时，对光缆各个不同位置进行连续检测，完成整条光纤上光纤光栅的识别和测距。
优选地，由逻辑控制器实时读取光纤光栅解调仪检测到的光功率信号，根据检测信号的强弱实时调节衰耗器一和衰耗器二的衰耗幅度，通过反馈控制，使得解调仪始终可以获取到稳定的光功率，从而可提高识别的稳定性和准确性。
优选地，逻辑控制器可根据所测光纤光栅的波长范围，动态调节跟踪滤波器的滤波参数，可过滤掉光纤光栅波长范围外的噪声信号，以提高系统的信噪比。
优选地，对于具有低反射能量的光纤光栅串，例如远距离光纤光栅串，通过逻辑控制器动态减小衰耗器一增大入射光的光功率，提高光纤光栅的反射能量值，可提高系统对低反射能量光栅的识别灵敏度。
优选地，对于具有低反射能量的光纤光栅串，例如远距离光纤光栅串，通过逻辑控制器动态减小衰耗器二增大反射光的光功率，可提高系统对低反射能量光栅的识别灵敏度。
优选地，所述反射光线在光纤光栅解调仪处得到的光功率为：
其中，z为光纤光栅所在的位置，Pg(z,λg)为光纤光栅的反射信号，r(z,λg) 是反射系数，Pi(λ)为入射光的光功率分布，这个功率是波长λ的函数， Ps(z,λs)为光纤中的后向散射信号，a(x,λg)为正向传播单位长度的损耗系数，d(x,λ)是背向散射光单位长度衰减系数，这三个参量都以波长和距离为变量，λg是所要测量的光纤光栅的中心反射波长。
系统在光纤光栅解调仪端接收到的光能量中包含光纤光栅的反射能量和后向散射能量。实际测量中，为了更准确的反应光纤光栅的反射特性，从总反射功率中去除后向散射的光功率，后向散射光功率由以下公式确定：
在式(2)中，k(λ)为光纤散射系数，是波长λ的函数，a为光纤的纤芯半径， Pi(λ)为输入光功率谱，vg为光纤中的光传播群速度。
优选地，根据公式(2)计算得出光纤光栅的后向散射光的光功率，由接收到的总光功率减去后向散射光的光功率，即可得到光纤光栅反射的光功率。
优选地，该装置根据工作的光波波长范围以及所要检测的光纤光栅串所处的波长范围，动态调整滤波参数，使得其中心频率处于工作的波长中心频率处，带宽满足所要探测的光纤光栅串波长范围。
本实用新型的上述技术方案的有益效果如下：
1、采用高速光开关控制发光和收光的相对延时，对光纤上的光栅进行分段检测，可有效避免多个光纤光栅反射光互相叠加串扰造成的识别困难；
2、通过高速光开关选择性的接收单个光纤光栅的反射信号，可有效提高低反射能量值的光纤光栅的发射信号的信噪比，提高识别率和准确性，可有效实现远距离或有较大衰耗光栅的识别和测距；
3、通过发光和收光相对延时来测量光纤光栅距离，通过高精度的时间控制和时间测量，可提高光纤光栅测距的准确度；
附图说明
图1为本实用新型结构示意图；
图2为本实用新型的光栅结构示意图；
图3为低反射能量光纤光栅反射波形图示意图。
其中，图1中：1-宽带光源、2-高速光开关一、3-衰耗器一、4-环形器、 5-光缆、6-光纤光栅串、7-衰耗器二、8-高速光开关二、9-跟踪滤波器、10- 解调仪、11-逻辑控制器；
图2中，6-1-光缆、6-2、6-3、6-4均为光纤光栅；
图3中：3-1-光纤光栅反射谱。
具体实施方式
为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。本领域技术人员应当知晓，下述具体实施例或具体实施方式，是本实用新型为进一步解释具体的实用新型内容而列举的一系列优化的设置方式，而该些设置方式之间均是可以相互结合或者相互关联使用的，除非在本实用新型明确提出了其中某些或某一具体实施例或实施方式无法与其他的实施例或实施方式进行关联设置或共同使用。同时，下述的具体实施例或实施方式仅作为最优化的设置方式，而不作为限定本实用新型的保护范围的理解。
另外需要指出的是，本实用新型所提出的对于提高低反射能量光栅检测效果的各个可实施方式或方法，是可以进行任意结合或组合使用的，例如可以将其中任意两种或更多种调整方式结合起来使用，以提高检测效果和系统精度，也可以仅采用其中的单个方式，上述这些组合或者拆分，均应视为落入本实用新型的保护范围之内。
实施例1
在一个具体的实施例中，本实用新型提供了一种低反射能量光纤光栅检测装置，所述装置包含：宽带光源、高速光开关一、衰耗器一、环形器、光缆、光纤光栅串、衰耗器二、高速光开关二、跟踪滤波器、解调仪以及逻辑控制器；
所述宽带光源、高速光开关一、衰耗器一与环形器相连；所述解调仪、跟踪滤波器、高速光开关二、衰耗器二与环形器相连；所述环形器与光缆相连，所述光纤光栅置于光缆的光纤中；所述逻辑控制器分别与宽带光源、高速光开关一、衰耗器一、衰耗器二、高速光开关二、跟踪滤波器和解调仪相连，并对宽带光源、高速光开关一、衰耗器一、衰耗器二、高速光开关二、跟踪滤波器和解调仪这些部件进行逻辑控制；所述光纤光栅串由多个不同波长的光纤光栅组成，串接在光纤中。
优选地，通过所述高速光开关一对发射光进行控制，形成一段固定脉宽的探测光，随后通过控制高速光开光二的通断时间延迟，选择性的接收某一时间延时后的反射光脉冲。不同的时间延迟，则对应不同的反射距离。
优选地，通过所述衰耗器一、衰耗器二，根据不同探测距离的远近，对宽带光源发出的光强进行调节，使得解调仪可接收到合适的反射光强。
优选地，逻辑控制器实时读取解调仪检测到的光功率信号，根据所述光功率信号的强弱实时调节衰耗器一和衰耗器二的衰耗幅度，通过反馈控制，使得解调仪始终可以获取到稳定的光功率，从而可提高识别的稳定性和准确性。
优选地，逻辑控制器根据所测光纤光栅的波长范围，动态调节跟踪滤波器的滤波参数，过滤掉光纤光栅波长范围外的噪声信号，提高系统的信噪比。
优选地，对于具有低反射能量的光纤光栅，通过动态减小衰耗器一和衰耗器二的衰耗值，增大入射光及反射光的光功率，提高系统对低反射能量光栅的识别灵敏度。
优选地，由逻辑控制器控制所述解调仪，按照所检测的光纤光栅所处的波长范围，动态调整解调仪的波长探测参数，保证在目标波长处的探测灵敏度远高于其它波长处的灵敏度，进一步提高系统的检测灵敏度。
优选地，利用光纤光栅解调仪采集光纤光栅的反射光信号，并转换成电信号，并判断该段接收到的反射脉冲中是否有光纤光栅的反射特征，从而判断该距离处是否有光纤光栅，如检测到有光栅，通过两个光开关的相对延时时间，即可确定该光栅的距离。
优选地，通过调整不同的高速光开关二的通断延时，对光缆各个不同位置进行连续检测，完成整条光纤上光纤光栅的识别和测距。
优选地，由逻辑控制器实时读取光纤光栅解调仪检测到的光功率信号，根据检测信号的强弱实时调节衰耗器一和衰耗器二的衰耗幅度，通过反馈控制，使得解调仪始终可以获取到稳定的光功率，从而可提高识别的稳定性和准确性。
优选地，逻辑控制器可根据所测光纤光栅的波长范围，动态调节跟踪滤波器的滤波参数，可过滤掉光纤光栅波长范围外的噪声信号，以提高系统的信噪比。
优选地，对于具有低反射能量的光纤光栅串，例如远距离光纤光栅串，通过逻辑控制器动态减小衰耗器一增大入射光的光功率，提高光纤光栅的反射能量值，可提高系统对低反射能量光栅的识别灵敏度。
优选地，对于具有低反射能量的光纤光栅串，例如远距离光纤光栅串，通过逻辑控制器动态减小衰耗器二增大反射光的光功率，可提高系统对低反射能量光栅的识别灵敏度。
优选地，所述反射光线在光纤光栅解调仪处得到的光功率为：
其中，z为光纤光栅所在的位置，Pg(z,λg)为光纤光栅的反射信号，r(z,λg) 是反射系数，Pi(λ)为入射光的光功率分布，这个功率是波长λ的函数， Ps(z,λs)为光纤中的后向散射信号，a(x,λg)为正向传播单位长度的损耗系数，d(x,λ)是背向散射光单位长度衰减系数，这三个参量都以波长和距离为变量，λg是所要测量的光纤光栅的中心反射波长。
系统在光纤光栅解调仪端接收到的光能量中包含光纤光栅的反射能量和后向散射能量。实际测量中，为了更准确的反应光纤光栅的反射特性，从总反射功率中去除后向散射的光功率，后向散射光功率由以下公式确定：
在式(2)中，k(λ)为光纤散射系数，是波长λ的函数，a为光纤的纤芯半径， Pi(λ)为输入光功率谱，vg为光纤中的光传播群速度。
优选地，根据公式(2)计算得出光纤光栅的后向散射光的光功率，由接收到的总光功率减去后向散射光的光功率，即可得到光纤光栅反射的光功率。
实施例2
在本实用新型的一具体实施方式中，结合本实用新型图1中所给出的一实施例的结构，以一具体的优选实施方式，进一步阐述低反射能量光纤光栅的检测方法。该方法可适用于光缆系统中，在一具体的实施方式中，如图1所示，该系统包括宽带光源、分光器、高速光开关一、环形器、光缆、光纤光栅串、高速光开关二、光纤光栅解调仪，以及逻辑控制器。所述逻辑控制器(11)与宽带光源(1)、光纤光栅解调仪(10)、高速光开关一(2)、高速光开关二(8)、衰耗器一(3)以及衰耗器二(7)相连；宽带光源(1)与高速光开关一(2) 相连；高速光开关一(2)与衰耗器一(3)相连；衰耗器一(3)与环形器(4) 入口端相连；环形器(4)出口端与光缆(5)相连；光缆(5)上串接光纤光栅串(6)；环形器(4)回端出口与衰耗器二(7)相连；衰耗器二(7)与高速光开关二(8)相连；高速光开关二(8)与跟踪滤波器(9)相连；跟踪滤波器(9)与光纤光栅解调仪(10)相连。
在一具体的实施方式中，该系统可具体设置如下：系统包括至少一个宽带光源(1)，中心波长为1550nm，带宽为20nm；高速光开关一(2)，中心波长为1550nm，3dB带宽为1.5nm；衰耗器一(4)，为TTL驱动光纤衰耗器，调节范围0-30db；环形器(4)用来对反射光进行分光；光缆(5)，对于1550nm左右光纤的传输损耗为0.25dB/km；光纤光栅串(6)，数个中心波长为1550nm附近，且波长不重复，波长间隔最少0.5nm的光纤光栅；衰耗器二(7)，参数同衰耗器一；高速光开关二(8)，中心波长为1550nm，3dB带宽为1.5nm；跟踪滤波器(9)，中心波长为1595nm，3dB带宽为2nm；光纤光栅解调仪(10)，可检测的中心波长为1550nm，检测带宽为20nm；逻辑控制器(11)，与各个器件相连并对其实现控制。
图3是为低反射能量光纤光栅的反射波形图，图中可以看出在杂散光以及本底噪声的信号波形之上，叠加有实际接收到的光纤光栅的反射信号，如图中波峰处所示。通常实际系统中，对于低反射能量光栅，比如距离较远或者光纤中间存在较大衰耗的情况下，在接收端检测到的光纤光栅反射信号往往很小，会被本地杂波等噪声信号所淹没，所以距离越远的光栅越难被检测。
在一具体的实施方式中，系统中的逻辑控制器首先启动光源发出入射光，入射光在经过高速光开关一时，光开关只开通很短的时间，比如500皮秒，则会形成一段约15cm长的入射光，该入射光在每个光纤光栅处都会被反射，形成反射光。随后，逻辑控制器控制高速光开关二相对于高速光开关一的开通时间后的一段时间延迟后打开同样的开通时间后(500皮秒)关断。两个光开关的打开延时时间对应的入射光在光纤中的传输距离的一半，即为此次检测的距离。
随后，光纤光栅解调仪将反射光信号转换成相对应的电信号，对收到的光进行解调，并进行光纤光栅的识别，如果识别出有光纤光栅存在，此次的探测距离即为该光纤光栅所处的距离。由于系统每次只探测一个较小距离范围内的光纤光栅反射信号，从而有效的避免了光纤上多个光栅多次的反射信号的互相叠加串扰，从而降低了信号识别的难度，提高了识别精度。
在一具体的实施方式中，为了提高系统的灵敏度，增强对低反射能量光纤光栅的探测能力，可自动对系统参数进行进一步的优化，具体地：
对于远距离光栅的探测，由逻辑控制单元根据光纤光栅解调仪所探测到的反射光信号，结合所探测的距离范围，动态调整衰耗器一，减小其衰耗幅度，以增加入射光的强度，这样可以提高光纤光栅反射光的光功率，提高检测的分辨率；
对于远距离光栅的探测，由逻辑控制单元根据光纤光栅解调仪所探测到的反射光信号，结合所探测的距离范围，由逻辑控制单元动态调整衰耗器二，减小其衰耗幅度，以增加反射光的强度，同样可以提高系统的检测的分辨率；
通过以上两个衰耗器参数的调整，保证光纤光栅解调仪处可以获取到足够强度的光纤光栅反射信号，从而可以对信号进行识别；
在一具体的实施方式中，系统可根据工作的波长范围以及所要检测的光纤光栅所处的波长范围，动态调整跟踪滤波器的滤波参数，使得其中心频率处于工作的波长中心频率处，带宽满足系统所要探测的光纤光栅波长范围。从而可以滤除掉反射信号中的噪声信号，提高系统的分辨率。
以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (6)
1.一种低反射能量光纤光栅检测装置，其特征在于，所述装置包含：宽带光源、高速光开关一、衰耗器一、环形器、光缆、光纤光栅串、衰耗器二、高速光开关二、跟踪滤波器、解调仪以及逻辑控制器；
所述宽带光源、高速光开关一、衰耗器一与环形器相连；所述解调仪、跟踪滤波器、高速光开关二、衰耗器二与环形器相连；所述环形器与光缆相连，所述光纤光栅置于光缆的光纤中；所述逻辑控制器分别与宽带光源、高速光开关一、衰耗器一、衰耗器二、高速光开关二、跟踪滤波器和解调仪相连，并对这些部件进行逻辑控制；所述光纤光栅串由多个不同波长的光纤光栅组成，串接在光纤中。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，通过所述高速光开关一对发射光进行控制，形成一段固定脉宽的探测光，随后通过控制高速光开光二的通断时间延迟，选择性的接收某一时间延时后的反射光脉冲。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，通过所述衰耗器一、衰耗器二，根据不同探测距离的远近，对宽带光源发出的光强进行调节。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：逻辑控制器实时读取解调仪检测到的光功率信号，根据所述光功率信号的强弱实时调节衰耗器一和衰耗器二的衰耗幅度。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于：逻辑控制器根据所测光纤光栅的波长范围，动态调节跟踪滤波器的滤波参数，过滤掉光纤光栅波长范围外的噪声信号，提高系统的信噪比。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于：由逻辑控制器控制所述解调仪，按照所检测的光纤光栅所处的波长范围，动态调整解调仪的波长探测参数。
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| CN201820510076.2U CN208140166U (zh) | 2018-04-11 | 2018-04-11 | 一种低反射能量光纤光栅的检测装置 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109357693A (zh) * | 2018-04-11 | 2019-02-19 | 金帆智华（北京）科技有限公司 | 一种低反射能量光纤光栅的检测系统及方法 |
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2018
- 2018-04-11 CN CN201820510076.2U patent/CN208140166U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109357693A (zh) * | 2018-04-11 | 2019-02-19 | 金帆智华（北京）科技有限公司 | 一种低反射能量光纤光栅的检测系统及方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |