CN211927235U - 一种基于光频梳技术的ofdr多路光纤传感系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于光频梳技术的OFDR多路光纤传感系统，包括：光频梳激光器、扫频发生器、单边带调制器、辅助干涉仪、主干涉仪、数据采集卡以及数据处理器；所述单边带调制器，用于接收所述光频梳激光器产生的频谱为离散谱线的脉冲光信号和所述扫频发生器输出的线性扫频的电信号，并调制为多波长同时扫频的复合扫频信号；所述辅助干涉仪，用于接收多波长同时扫频的复合扫频信号后产生外部时钟信号；所述主干涉仪，用于接收多波长同时扫频的复合扫频信号后产生拍频干涉信号；所述数据处理器，对所述数据采集卡中接收到的所述外部时钟信号和所述拍频干涉信号处理，获得多段光纤的同时测量结果。提升传感系统的空间分辨率和传感效率。

Description

一种基于光频梳技术的OFDR多路光纤传感系统

技术领域

本实用新型属于光纤传感领域，涉及一种基于光频梳技术的OFDR多路光纤传感系统。

背景技术

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不仅输出功率较低，无法满足同时测量多段光纤的要求，并且价格十分昂贵，从而导致了OFDR传感系统的造价成本居高不下。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提供一种基于光频梳技术的OFDR多路光纤传感系统，以解决如上技术问题之一。

根据本实用新型的第一实施方式，本实用新型提供的一种基于光频梳技术的OFDR多路光纤传感系统，包括：

光频梳激光器、扫频发生器、单边带调制器、辅助干涉仪、主干涉仪、数据采集卡以及数据处理器；其中，

所述光频梳激光器，用于产生频谱为离散谱线的脉冲光信号；

所述扫频发生器，用于输出线性扫频的电信号和触发信号；

所述单边带调制器，用于接收所述光频梳激光器产生的频谱为离散谱线的脉冲光信号和所述扫频发生器输出的线性扫频的电信号，将所述光频梳激光器产生的频谱为离散谱线的脉冲光信号和所述扫频发生器输出的线性扫频的电信号调制为多波长同时扫频的复合扫频信号；

所述辅助干涉仪，用于接收所述多波长同时扫频的复合扫频信号后产生外部时钟信号；

所述主干涉仪，与所述辅助干涉仪并列设置，用于接收所述多波长同时扫频的复合扫频信号后产生拍频干涉信号；

所述数据采集卡，在所述触发信号的控制下接收所述外部时钟信号和所述拍频干涉信号；

所述数据处理器，用于对所述数据采集卡中接收到的所述外部时钟信号和所述拍频干涉信号处理，获得多段光纤的同时测量结果。

优选的，所述主干涉仪包括N个干涉支路，N为大于等于2的自然数；

其中，每个所述干涉支路包括第四光纤耦合器c4、第五光纤耦合器c5、偏振控制器、环形器、测试光纤和光电探测器。

优选的，所述N个干涉支路中的每个所述干涉支路，通过所述第四光纤耦合器c4分为两路，包括：

第一路包括顺次连接的所述第四光纤耦合器c4、所述偏振控制器和所述第五光纤耦合器c5；第二路包括顺次连接的所述第四光纤耦合器c4、环形器、测试光纤以及所述第五光纤耦合器c5；其中，所述第四光纤耦合器c4与所述第五光纤耦合器c5之间存在光程差。

优选的，所述辅助干涉仪，包括：第二光纤耦合器c2、第三光纤耦合器c3和光电探测器；

其中，所述第二光纤耦合器c2与所述第三光纤耦合器c3分别以两种不同的光纤长度进行耦合后，再共同与所述光电探测器依次相连，所述第二光纤耦合器c2和所述第三光纤耦合器c3之间存在臂程差。

优选的，所述波长对应的频率范围Δf为0-1000GHZ。

优选的，所述光程差为0-50米。

优选的，所述臂程差为主干涉仪光程差两倍以上。

优选的，还包括：

阵列波导光栅，所述阵列波导光栅与所述第四光纤耦合器c4的另一端相连，所述主干涉仪通过所述阵列波导光栅分为N个干涉支路。

优选的，还包括：

第一光纤耦合器c1，所述第一光纤耦合器c1的一端与所述单边带调制器相连，另一端分别与所述主干涉仪和所述辅助干涉仪相连，用于将所述多波长同时扫频的复合扫频信号分路给所述辅助干涉仪和主干涉仪。

本实用新型的有益效果

本实用新型将光频梳技术和光频域反射技术相结合。利用光频梳激光器作为信号源，通过和扫频信号发生器进行信号调制产生包含多波长范围同时线性扫频信号的连续光，利用这种复合线性扫频光作为光频域反射仪的扫频光源。将多波长范围的扫频光分离为多束扫频光，将不同波段的扫频光分别输入多根待测光纤中进行传感测试。

本实用新型在光频域反射仪的结构中，通过波分复用的技术将多波长范围的扫频光分离为多束扫频光。

本实用新型充分利用了光频域反射仪的传感结构提升传感系统的空间分辨率和传感精度的同时，提升了光频域反射仪的传感效率，降低了利用光频域反射仪对多段光纤进行检测的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例中一种基于光频梳技术的OFDR多路光纤传感系统示意图；

图2为本实用新型实施例中一种OFDR多路分布式光纤传感原理示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

下面结合附图详细说明本实用新型的优选实施例。

如图1所示，根据本实用新型的第一实施方式，本实用新型提供的一种基于光频梳技术的OFDR多路光纤传感系统，通过光频梳激光器产生多波长扫频信号叠加的信号源，解决了直接利用可调谐激光器进行探测时的功率受限问题，从而提升了OFDR系统接入传感光纤的数量，拓展了OFDR系统的可应用场景。

本实用新型的一种基于光频梳技术的OFDR多路光纤传感系统示意图，如图1所示，整个OFDR系统由光频梳激光器、扫频发生器，单边带调制器，辅助干涉仪、主干涉仪、数据采集模块四部分组成，辅助干涉仪、主干涉仪均使用马赫-曾德尔干涉仪。

光频梳激光器产生等频率间隔Δf＝1000GHZ的频谱为离散谱线的脉冲光，扫频发生器发出频率Δf＝1000GHZ线性扫频的电信号和触发信号，其扫频范围与光频梳输出信号谱线间隔相等，两路信号通过单边带调制后生成多段波长同时扫频的扫频光。其中，触发信号来控制采集数据的开启闭合时间。

从单边带调制器输出的扫频光进入OFDR光路后被耦合器c1分为两路，一路进入辅助干涉仪，产生数据采集模块所用的外部时钟信号辅助信号采集，另一路进入主干涉仪，产生数据采集模块最终要采集的拍频干涉信号。主干涉仪与辅助干涉仪并列设置，耦合器c1的一端与单边带调制器相连，另一端分别与主干涉仪和辅助干涉仪相连，将所述多波长同时扫频的复合扫频信号分路给所述辅助干涉仪和主干涉仪。

主干涉仪，通过阵列波导光栅分为N个干涉支路，N为大于等于2的自然数，本实施例以N＝2为例进行描述。

在N个干涉支路中的每个干涉支路，包括第四光纤耦合器c4、第五光纤耦合器c5、偏振控制器、环形器、测试光纤和光电探测器。通过耦合器c4分为两路，一路包括顺次连接的光纤耦合器c4、偏振控制器和光纤耦合器c5；另一路包括顺次连接的光纤耦合器c4、环形器、测试光纤以及光纤耦合器c5；其中，光纤耦合器c4与光纤耦合器c5之间存在光程差为0-50米。扫频光进入主干涉仪后被光纤耦合器c4分为两路，其中一路光通过环形器进入测试光纤中，扫频光在待测光纤中传输产生与传播方向相反的后向瑞利散射信号，该信号通过环形器返回，与另一路经过偏振控制器的光信号在光纤耦合器c5处发生拍频干涉，产生的拍频干涉信号输入光电探测器中，被转化为电信号后被采集卡采集。

辅助干涉仪，包括：光纤耦合器c2、光纤耦合器c3和光电探测器；其中，光纤耦合器c2与光纤耦合器c3分别以两种不同的光纤长度相连，再与光电探测器相连，光纤耦合器c2和光纤耦合器c3之间存在臂程差为主干涉仪光程差的两倍以上，使辅助干涉仪产生的拍频信号频率为主干涉仪产生的拍频信号频率的两倍以上，从而满足奈奎斯特采样定理，保证采集信号不失真。

数据采集卡的一端与光电探测器相连，另一端与数据处理器相连，接收从光电探测器输出的电信号，经过数据处理器的处理，获得多段光纤的同时测量结果。

本实用新型将光频梳技术和光频域反射技术相结合。利用光频梳激光器作为信号源，通过和扫频信号发生器进行信号调制产生包含多波长范围同时线性扫频信号的连续光，利用这种复合线性扫频光作为光频域反射仪的扫频光源。将多波长范围的扫频光分离为多束扫频光，将不同波段的扫频光分别输入多根待测光纤中进行传感测试。

本实用新型在光频域反射仪的结构中，通过波分复用的技术将多波长范围的扫频光分离为多束扫频光。

本实用新型充分利用了光频域反射仪的传感结构提升传感系统的空间分辨率和传感精度的同时，提升了光频域反射仪的传感效率，降低了利用光频域反射仪对多段光纤进行检测的成本。

如图2所示，根据本实用新型的第二实施方式，本实用新型提供的一种基于光频梳技术的OFDR多路光纤传感方法。

图2为一种基于光频梳技术的OFDR多路分布式光纤传感原理示意图，图中详细描述了系统结构和信号波形的构成，由光频梳激光器发出形为竖直线的，且每两条竖线之间为等频率间隔Δf＝1000GHZ的脉冲序列光，扫频发生器发出三角形的周期为T1，频率Δf＝1000GHZ的线性扫频信号，二者通过单边带调制器利用电能和带宽的调幅技术，将其调制为周期为Δt的多波长同时扫频的复合扫频信号。复合扫频信号经过光纤耦合器c1分为两路，一路进入辅助干涉仪，由于耦合器c2，c3之间以不同光纤长度进行连接，使得两路光纤存在臂程差，通常为主干涉仪光程差的两倍以上，故光信号在c3耦合器处发生拍频干涉，生成携带光源相位信息的拍频干涉信号即外部时钟信号，通过光电探测器PD转换为电信号后，作为采集卡时钟输入采集卡。

阵列波导光栅通常用于波分复用WDM系统中的光复用器，这些设备能够把许多波长的光复合到单一的光纤中，从而提高光纤网络的传播效率。本实用新型设置将另外一路经过阵列波导光栅AWG，分为N路不同波长范围的扫频光，波长扫描范围为Δf＝1000GHZ。每一路信号都输入搭建的一路相互独立的主干涉仪中。以图中画出的其中一路主干涉仪为例，信号在独立的主干涉仪中被耦合器c4分为两路，一路作为参考臂经过偏振控制器，到耦合器c5，另一路作为信号臂通过环形器进入待测光纤中，再由待测光纤回到环形器，然后到耦合器c5。信号臂中的后向瑞利散射信号与参考臂中的光信号之间存在光程差，光程差为传感光纤长度，通常为0-50m因此两路信号所携带光信号的频率不同，会在耦合器c5中发生拍频干涉。拍频信号输入光电探测器将干涉光信号转换为电信号，被数据采集卡采集。

另外，数据采集卡的工作状态受扫频发生器发出的另一种周期为t1的方波TTL触发信号来控制，此信号是一个直流信号，用于控制采集卡开始采集和结束采集的时间点，使每一路拍频干涉信号采集同步。当在0-t1内，该触发信号会控制开启采集卡，使采集卡处于采集数据的工作状态；t1-t2内，该触发信号会控制关闭采集卡，使采集卡处于非采集数据的状态；当t3-t4内，该触发信号会控制开启采集卡，使采集卡处于采集数据的工作状态。

经过数据处理器生成采集信号的功率谱信息，功率谱信息反映了整段测量光纤中的信号反射强度，获得多段光纤的同时测量结果。

本实用新型将光频梳技术和光频域反射技术相结合。利用光频梳激光器作为信号源，通过和扫频信号发生器进行信号调制产生包含多波长范围同时线性扫频信号的连续光，利用这种复合线性扫频光作为光频域反射仪的扫频光源。将多波长范围的扫频光分离为多束扫频光，将不同波段的扫频光分别输入多根待测光纤中进行传感测试。

本实用新型在光频域反射仪的结构中，通过波分复用的技术将多波长范围的扫频光分离为多束扫频光。

本实用新型充分利用了光频域反射仪的传感结构提升传感系统的空间分辨率和传感精度的同时，提升了光频域反射仪的传感效率，降低了利用光频域反射仪对多段光纤进行检测的成本。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于光频梳技术的OFDR多路光纤传感系统，其特征在于，包括：

光频梳激光器、扫频发生器、单边带调制器、辅助干涉仪、主干涉仪、数据采集卡以及数据处理器；其中，

所述光频梳激光器，用于产生频谱为离散谱线的脉冲光信号；

所述扫频发生器，用于输出线性扫频的电信号和触发信号；

所述单边带调制器，用于接收所述光频梳激光器产生的频谱为离散谱线的脉冲光信号和所述扫频发生器输出的线性扫频的电信号，将所述光频梳激光器产生的频谱为离散谱线的脉冲光信号和所述扫频发生器输出的线性扫频的电信号调制为多波长同时扫频的复合扫频信号；

所述辅助干涉仪，用于接收所述多波长同时扫频的复合扫频信号后产生外部时钟信号；

所述主干涉仪，与所述辅助干涉仪并列设置，用于接收所述多波长同时扫频的复合扫频信号后产生拍频干涉信号；

所述数据采集卡，在所述触发信号的控制下接收所述外部时钟信号和所述拍频干涉信号；

所述数据处理器，用于对所述数据采集卡中接收到的所述外部时钟信号和所述拍频干涉信号处理，获得多段光纤的同时测量结果。

2.根据权利要求1所述的基于光频梳技术的OFDR多路光纤传感系统，其特征在于，所述主干涉仪包括N个干涉支路，N为大于等于2的自然数；

其中，每个所述干涉支路包括第四光纤耦合器c4、第五光纤耦合器c5、偏振控制器、环形器、测试光纤和光电探测器。

3.根据权利要求2所述的基于光频梳技术的OFDR多路光纤传感系统，其特征在于，所述N个干涉支路中的每个所述干涉支路，通过所述第四光纤耦合器c4分为两路，包括：

第一路包括顺次连接的所述第四光纤耦合器c4、所述偏振控制器和所述第五光纤耦合器c5；第二路包括顺次连接的所述第四光纤耦合器c4、环形器、测试光纤以及所述第五光纤耦合器c5；其中，所述第四光纤耦合器c4与所述第五光纤耦合器c5之间存在光程差。

4.根据权利要求1所述的基于光频梳技术的OFDR多路光纤传感系统，其特征在于，所述辅助干涉仪，包括：

第二光纤耦合器c2、第三光纤耦合器c3和光电探测器；

其中，所述第二光纤耦合器c2与所述第三光纤耦合器c3分别以两种不同的光纤长度进行耦合后，再共同与所述光电探测器依次相连，所述第二光纤耦合器c2和所述第三光纤耦合器c3之间存在臂程差。

5.根据权利要求1所述的基于光频梳技术的OFDR多路光纤传感系统，其特征在于，所述波长对应的频率范围Δf为0-1000GHZ。

6.根据权利要求3所述的基于光频梳技术的OFDR多路光纤传感系统，其特征在于，所述光程差为0-50米。

7.根据权利要求4所述的基于光频梳技术的OFDR多路光纤传感系统，其特征在于，所述臂程差为主干涉仪的两倍以上。

8.根据权利要求2所述的基于光频梳技术的OFDR多路光纤传感系统，其特征在于，还包括：

阵列波导光栅，所述阵列波导光栅与所述第四光纤耦合器c4的另一端相连，所述主干涉仪通过所述阵列波导光栅分为N个干涉支路。

9.根据权利要求1所述的基于光频梳技术的OFDR多路光纤传感系统，其特征在于，还包括：

第一光纤耦合器c1，所述第一光纤耦合器c1的一端与所述单边带调制器相连，另一端分别与所述主干涉仪和所述辅助干涉仪相连，用于将所述多波长同时扫频的复合扫频信号分路给所述辅助干涉仪和主干涉仪。

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