CN213238958U - 基于光电振荡器和光纤布拉格光栅阵列的传感解复用装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于光电振荡器和光纤布拉格光栅阵列的传感解复用装置，包含光源装置、光电振荡器及均匀光纤布拉格光栅阵列，光电振荡器包含电光调制器、环行器、光放大器、光带通滤波器、光电探测器、电放大器及电带通滤波器；电光调制器用于调制激光，在满足谐振条件的噪声处产生振荡信号；环行器用于连接均匀光纤布拉格光栅阵列，传递光栅反射信号；均匀光纤布拉格光栅阵列用于测量发生应变的光栅位置，采用准分布式排列；根据电频谱仪测量电带通滤波器输出端的电信号的最大功率获取目标位置对应的电信号频率，从而通过简单的结构实现光栅阵列传感与解复用，防电磁干扰、适宜量化生产，大大降低光纤传感与解调技术在推广过程中所需成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及光纤准分布式传感解复用技术领域，特别涉及一种基于光电振荡器和光纤布拉格光栅阵列的传感解复用装置。
背景技术
光纤光栅传感器已经被认为是一种主流传感技术，相比于传统传感器，由于光纤具备固有优势与特性，比如体积小、重量轻、抗电磁干扰以及先进的多路复用和通信性能，光纤光栅传感器在过去的几十年中被广泛地研究。
传统光纤光栅传感器由于自身特点存在以下两个方面的问题：首先，识别速度和识别精度之间存在矛盾。在给定的频谱范围内，系统使用光谱仪或者光扫频滤波器对传感信号在光域里进行解调，扫描精度越高，扫描时间就越长，而识别速度就越低。比如，采用不同中心波长的均匀光纤布拉格光栅组成传感器阵列，利用扫频光源或扫频滤波器去识别反射回来的信号波长，现阶段该方案只能在80m范围内实现25个传感器的复用，很难达到大规模的多点检测。
实用新型内容
为了解决上述问题，本实用新型提出一种基于光电振荡器和光纤布拉格光栅阵列的传感解复用装置，结构简便，运行稳定，便于量化生产，且制造成本低，有利于光纤准分布式传感器阵列与解复用技术的推广。为了实现以上目的，本实用新型采取的一种技术方案是：
一种基于光电振荡器和光纤布拉格光栅阵列的传感解复用装置，包含光源装置、光电振荡器及均匀光纤布拉格光栅阵列，所述光电振荡器包含电光调制器、环行器、光放大器、光带通滤波器、光电探测器、电放大器及电带通滤波器，所述光源装置包含可调激光器及偏振控制器；
所述可调激光器的输出端口和偏振控制器的输入端口连接，所述偏振控制器的输出端口和电光调制器的光输入端口连接，所述电光调制器的电驱动端口与电带通滤波器的输出端口相连，所述电光调制器的光输出端口与所述环行器的一号端口相连，所述均匀光纤布拉格光栅阵列的端口与所述环行器的二号端口相连，所述环行器的三号端口与所述光放大器的输入端口相连，所述光放大器的输出端口和所述光带通滤波器的输入端口连接，所述光带通滤波器的输出端口与光电探测器的输入端口连接，所述光电探测器的输出端口和电放大器的输入端口连接，所述电放大器的输出端口和电带通滤波器的输入端口连接，所述电带通滤波器的输出端口和所述电带通滤波器的输入端口连接。
进一步地，所述电带通滤波器带宽小于光电探测器解调出的周期性电信号的最小自由谱范围，用于滤波并选择单个电信号；
所述光电振荡器的振荡频率和振荡周期为：
其中，f0为所有均匀光纤布拉格光栅均不发生形变时光电振荡器的初始振荡频率，k为均匀光纤布拉格光栅的振荡周期系数，c为真空中光速，n和n'分别为光介质和电介质的折射率，Le为电介质长度，Lo为距离环行器最近的第1个均匀光纤布拉格光栅反射时的环路长度，Ln为第n个所述均匀光纤布拉格光栅和第1个均匀光纤布拉格光栅之间的距离。
进一步地，所述可调激光器发射中心波长等于1537.5nm的光载波，所述各布拉格光栅的反射率大于98％，布拉格中心波长为1537nm，3-dB带宽为0.15～0.25nm，所述电光调制器的工作带宽为10GHz，所述光电探测器的工作带宽为3GHz，所述电放大器工作带宽为12GHz，所述光带通滤波器的通带带宽为0.08～0.12nm，所述电带通滤波器的3-dB带宽为9MHz。
进一步地，所述光放大器为掺铒光纤放大器，增益为0～39dB，所述电放大器增益为0～35dB。
本实用新型的有益效果在于：
1、利用多个均匀光纤布拉格光栅(UFBG)构成均匀光纤布拉格光栅阵列，其中各均匀光纤布拉格光栅之间的物理间隔可以相同也可以不相同，结合光电振荡器形成准分布式传感器，当各均匀光纤布拉格光栅在受到外部环境变化而将布拉格波长移至更长的波长，从而均匀光纤布拉格光栅会将携带信息的光信号反射至光电振荡器并发生振荡，从而将发生变化的均匀光纤布拉格光栅的目标位置将映射到振荡频率中，由于同一个均匀光纤布拉格光栅在受到不同大小应变量产生的最大频率偏移量远远小于不同位置均匀光纤布拉格光栅受到应变影响时产生振荡频率的差值,同时光带通滤波器限制半峰全宽，因此能够实现大规模的多点均匀光纤布拉格光栅传感器的检测，本发明的基于光电振荡器和光纤布拉格光栅阵列的传感解复用装置结构简单、防电磁干扰、适宜量化生产，大大降低光纤传感与解调技术在推广过程中所需成本。
2、利用限制电带通滤波器的带宽保证增益带宽内仅仅存在一个振荡频率，方便定位目标均匀光纤布拉格光栅位置。
3、优选可调激光器发射激光的波长，提高了定位目标均匀光纤布拉格光栅位置的灵敏度。
附图说明
图1为本实用新型实施例中提供的基于光电振荡器和光纤布拉格光栅阵列的传感解复用装置整体结构图；
图2为本实用新型实施例中提供的基于光电振荡器和光纤布拉格光栅阵列的传感解复用装置的原理示意图；
图3为本实用新型实施例中提供的基于光电振荡器和光纤布拉格光栅阵列的传感解复用装置的不同位置均匀光纤布拉格光栅收到应变影响时对应的振荡频率；
图4为本实用新型实施例中不同应变量和光电振荡器起振的初始波长关系图；
图5为本实用新型实施例中不同位置均匀光纤布拉格光栅受到不同应变量测得振荡频率、频偏；
图6为本实用新型实施例中超长间隔均匀光纤布拉格光栅受到应变影响时测得的振荡频率；
图中标识：50.光源装置，51.可调激光器、52.偏振控制器、10.光电振荡器,11.电光调制器，12.环行器，13.光放大器,14.光带通滤波器，15.光电探测器，16.电放大器，17.电带通滤波器,20.均匀光纤布拉格光栅阵列，21.均匀光纤布拉格光栅，22.光纤，40.电信号测量装置，41.电功分器,42.电频谱仪，30.光信号测量装置，31.光纤耦合器，32.光谱仪。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型提供的一种基于光电振荡器和光纤布拉格光栅阵列的传感解复用装置，如图1所示，包含光源装置50、光电振荡器10及均匀光纤布拉格光栅阵列20，所述光电振荡器10包含电光调制器11、环行器12、光放大器13、光带通滤波器14、光电探测器15、电放大器16及电带通滤波器17，所述光源装置50包含可调激光器51、偏振控制器52，所述偏振控制器52用于调整可调激光器51输出激光的偏振态，偏振控制器52用于调整可调激光器51出射激光和电光调制器11主轴之间的偏振关系，使电光调制器11工作在正交点；所述均匀光纤布拉格光栅21两两之间的间隔可以相同也可以不相同，取决于在电频谱仪上观察到的最大功率对应的电信号频率分布，为了更好地观测到反射回来且带有位置信息的光信号和电带通滤波器输出的电信号波形，可以通过在光电振荡器10增加了电信号测量装置40及光信号测量装置30，所述电信号测量装置40包含电功分器41及电频谱仪42，所述光信号测量装置30包含光纤耦合器31及光谱仪32。
所述可调激光器51的输出端口和偏振控制器52的输入端口连接，所述偏振控制器52的输出端口和电光调制器11的光输入端口连接，所述电光调制器11的电驱动端口与电功分器41的第二输出端口相连，所述电光调制器11的光输出端口与所述环行器12的一号端口相连，所述均匀光纤布拉格光栅阵列20的端口与所述环行器12的二号端口相连，所述环行器12的三号端口与所述光放大器13的输入端口相连，所述光放大器13的输出端口和所述光带通滤波器14的输入端口连接，所述光带通滤波器14的输出端口与光纤耦合器31的输入端口连接,所述光纤耦合器31的第一输出端口和所述光谱仪32连接，所述光纤耦合器31的第二输出端口和所述光电探测器15的输入端口连接，所述光纤耦合器31可为90:10光纤耦合器，所述光纤耦合器的第一输出端口为10％输出端口，所述光纤耦合器的第二输出端口为90％输出端口；所述光电探测器15的输出端口和电放大器16的输入端口连接，所述电放大器16的输出端口和电带通滤波器17的输入端口连接，所述电带通滤波器17的输出端口和所述电功分器41的输入端口连接，所述电功分器41的第一输出端口和电频谱仪42连接，所述电功分器41的第二输出端口和电光调制器11的电驱动端口连接，所述电功分器可为50:50光纤耦合器，所述电功分器的第一输出端口为50％输出端口，所述电功分器的第二输出端口为50％输出端口，所述光放大器为掺铒光纤放大器，增益为0～39dB，所述电放大器增益为0～35dB。
所述电光调制器11用于根据所述电带通滤波器17反馈的电信号对所述光源装置50输出的激光进行调制，以输出调制光信号；所述均匀光纤布拉格光栅阵列20包含多个强反射率、光栅周期相同的均匀光纤布拉格光栅21，当某个均匀光纤布拉格光栅21受到应变影响时会将布拉格波长拉长，从而将携带外界环境的变化信息的光信号进行反射并在光电振荡器10内形成周期性的振荡信号，通过对所述可调激光器51输出激光的反射，实现光电振荡器10振荡或者不振荡；所述光放大器13用于放大反射回来的光信号，以提高光信号功率；所述光带通滤波器14用于限制光信号频率宽度，以减小光信号半高全宽，从而增加分辨率、系统容量和系统复用能力；所述光电探测器15用于对所述振荡光信号进行恢复已获得电信号；所述电放大器16用于对所述恢复电信号进行功率放大，满足光电振荡器10振荡的功率要求；
本实施例的基于光电振荡器及均匀光纤布拉格光栅阵列的传感器解复用装置工作原理如下：所述可调激光器51发射光信号经过偏振控制器52进入电光调制器11，所述电光调制器11根据电带通滤波器17反馈的电信号对光信号进行调制，调制后的光信号经过环行器12的一号及二号端口进入均匀光纤布拉格光栅阵列20，当某个均匀光纤布拉格光栅21受到应变的环境影响时导致布拉格波长拉长，从而实现将携带位置信息的光信号反射至环行器12的三号端口，携带位置信息的光信号通过放大器12提高功率、光带通滤波器14限制光信号频率宽度，以减小光信号半高全宽，进入光电探测器15实现电信号的解调，所述电信号通过电放大器16提高功率满足光电振荡器10振荡的功率条件，如果此时没有电带通滤波器17进行带宽限制而是直接将电放大器16接入至电光调制器11的电驱动端口导致各振荡频点能量分散无法保证光电振荡器10振荡的自我保持，在无电带通滤波器17时，光电振荡器10的振荡频率和自由谱范围为：
其中，f0为所有均匀光纤布拉格光栅21均无应变影响时光电振荡器10的初始振荡频率，c为真空中光速，k为均匀光纤布拉格光栅21的振荡周期系数，n和n'分别为光介质和电介质的折射率，Le为电介质长度，Lo为距离环行器12最近的第1个均匀光纤布拉格光栅21反射时的环路长度，Ln为第n个所述均匀光纤布拉格光栅21和第1个均匀光纤布拉格光栅21之间的距离。
由公式1可知，虽然电带通滤波器17可以增加光电振荡器10振荡的自我保持时间，但是如果电带通滤波器17的带宽范围过宽，导致在增益带宽内存在2个甚至多个振荡频率，增加了定位目标均匀光纤布拉格光栅21位置的复杂度，因此可以通过限制所述电带通滤波器带宽小于光电探测器解调出的周期性电信号的最小自由谱范围，可保证在增益带宽内只存在单个频点的电信号。
如图2所示，此时均匀光纤布拉格光栅阵列20存在N个均匀光纤布拉格光栅21，Laser&Modulator为可调激光器51&电光调制器11，PD为光电探测器15，EA为电放大器16，EBPF为电通滤波器，Divider为电功分器，光栅传感器收到外界的应变会将布拉格波长拉长，从而将携带外界环境的变化信息的光进行反射并在光电振荡器10内形成周期性的振荡信号，由于单个均匀光纤布拉格光栅21的应变量不同时只会在公式1中的中心振荡频率周围发生很小的频率迁移，其迁移量远远小于任意两个均匀光纤布拉格光栅21发生形变时对应振荡频率之间的差值，因此可以振荡频率差值得到发生形变光线均匀光纤布拉格光栅21的位置，不同位置光栅发生形变时对应的振荡频率差值：
其中，FSRn为第n个均匀光纤布拉格光栅21的自由频谱范围，FSR1为第1个均匀光纤布拉格光栅21的自由频谱范围，kn为第n个均匀光纤布拉格光栅21的振荡周期系数，可以通过获得，k1为第1个均匀光纤布拉格光栅21的振荡周期系数，所述振荡周期系数可以通过测量结果计算获得，因此可以通过公式3准确定位到目标均匀光纤布拉格光栅21的位置。如图3所示，选取编号为1-4的光纤布拉格光栅阵列，其中
分别为第1个均匀光纤布拉格光栅21收到应变影响时在相邻的3个振荡周期内对应的振荡频率，
分别为第2个光纤均匀光纤布拉格光栅21收到应变影响时在相邻的3个振荡周期内对应的振荡频率，
分别为第3个光纤均匀光纤布拉格光栅21收到应变影响时在相邻的3个振荡周期内对应的振荡频率；
分别为第4个光纤均匀光纤布拉格光栅21收到应变影响时在相邻的3个振荡周期内对应的振荡频率，图中最远距离的均匀光纤布拉格光栅21对应的自由谱范围FSR(
和
之间的频率差)最小，且需要满足要大于电带通滤波器17的带宽。
如图4所示，不同应变量和光电振荡器10开始振荡的初始波长成线性关系，也就是说初始波长越长即越远离均匀光纤布拉格光栅21初始布拉格波长时，需要增加应变量才能使光电振荡器10发生振荡从而识别到目标拉格光栅位置，灵敏度降低，因此可优选所述可调激光器发射中心波长等于1537.5nm的激光，所述各布拉格光栅的反射率大于98％，布拉格中心波长为1537nm，3-dB带宽为0.15～0.25nm，所述电光调制器的工作带宽为10GHz，所述光电探测器的工作带宽为3GHz，所述电放大器工作带宽为12GHz，所述光带通滤波器的通带带宽为0.08～0.12nm，所述电带通滤波器的3-dB带宽为9MHz。
本实施例中选取所述可调激光器51发射中心波长等于1537.5nm的激光，所述各均匀光纤布拉格光栅21的反射率大于98％，布拉格中心波长为1537nm，3-dB带宽为0.15～0.25nm，所述电光调制器11的工作带宽为10GHz，所述光电探测器15的工作带宽为3GHz，所述电放大器16工作带宽为12GHz，所述光带通滤波器14的带宽为0.08～0.12nm，所述电带通滤波器17的3-dB带宽为9MHz；布均匀光纤布拉格光栅阵列20中共存在9个均匀光纤布拉格光栅21，距离环行器12最近的第1个均匀光纤布拉格光栅21反射时的环路长度L0＝6m，其余8个均匀光纤布拉格光栅21和第1个均匀光纤布拉格光栅21之间的距离分别为L1＝1m,L2＝2m,L3＝3m,L4＝5m,L5＝10m,L6＝15m,L7＝20m,L8＝25m。
在图5a中，可以看出每个均匀光纤布拉格光栅21受到应变影响时光电振荡器10发生振荡，在电带通滤波器17的增益带宽内出现9个中心频率不重叠的电信号，两个相邻振荡波形的间距均大于106kHz，其中距离第一个均匀光纤布拉格光栅21距离为5m、10m、15m、20m和25m的5个均匀光纤布拉格光栅2对应的振荡频率分别为339.6336MHz、337.7688MHz、339.5048MHz、338.496MHz和339.0936MHz，对应的振荡周期系数kn分别为26、42、59、75和92。为了清楚显示轴向应变量对中心频率造成的频偏远远小于最小振荡频率差值，在各均匀光纤布拉格光栅21上的应变从0με增加到590με，振荡信号的功率和频率变化如图5b及5c所示。随着匀光纤布拉格光栅21的中心波长增大，振荡过程经历了三个阶段：无振荡→振荡→无振荡。在图5b中，无振荡过程很短，而稳定振荡过程则保持较长时间。如果将振荡范围定义为应变测量范围，可以通过改变均匀光纤布拉格光栅21(实验中FBG的3-dB带宽为0.18nm)来进行调整。在图5c中，随着应变增大，频率变化很小，说明位置识别精确度较高。为了考察了基于光电振荡器及均匀光纤布拉格光栅阵列的传感解复用装置的频率稳定性能，如图5d所示，共统计100次振荡，频偏均小于28kHz，图5a显示两个相邻振荡波形的最小间距大于106kHz，比FWHM最大值65kHz和频偏最大值28kHz都要大。
图6表示了长距离传感的复用结果，两个相隔1km、完全相同的强反射率均匀光纤布拉格光栅21串联在一起，轴向应变达到441με，由于长距离传输中瑞利散射导致的噪声，在振荡信号峰值功率基本保持不变的情况下，SNR从69dB降低到35.66dB(FBG1到FBG2)，但是仍能清楚地从背景噪声中识别出振荡峰值，此时本发明的传感解复用装置没有使用光带通滤波器(OBPF)。由于
ΔfFWHM与时延τ的平方成反比，与输入信噪比δ成线性关系。本发明中的光带通滤波器(OBPF)，由于滤除部分信号会降低SNR，因此会减小ΔfFWHM。比较图5a和图6的波形，半峰全宽(FWHM)从65kHz变为129kHz，说明加入OBPF会使FWHM明显减小，这样能够增加系统容量，增强系统复用能力。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于光电振荡器和光纤布拉格光栅阵列的传感解复用装置，其特征在于，包含光源装置、光电振荡器及均匀光纤布拉格光栅阵列，所述光电振荡器包含电光调制器、环行器、光放大器、光带通滤波器、光电探测器、电放大器及电带通滤波器，所述光源装置包含可调激光器及偏振控制器；
所述可调激光器的输出端口和偏振控制器的输入端口连接，所述偏振控制器的输出端口和电光调制器的光输入端口连接，所述电光调制器的电驱动端口与电带通滤波器的输出端口相连，所述电光调制器的光输出端口与所述环行器的一号端口相连，所述均匀光纤布拉格光栅阵列的端口与所述环行器的二号端口相连，所述环行器的三号端口与所述光放大器的输入端口相连，所述光放大器的输出端口和所述光带通滤波器的输入端口连接，所述光带通滤波器的输出端口与光电探测器的输入端口连接，所述光电探测器的输出端口和电放大器的输入端口连接，所述电放大器的输出端口和电带通滤波器的输入端口连接，所述电带通滤波器的输出端口和所述电带通滤波器的输入端口连接。
2.根据权利要求1所述的光电振荡器和光纤布拉格光栅阵列的传感解复用装置，其特征在于，所述电带通滤波器带宽小于光电探测器解调出的周期性电信号的最小自由谱范围，用于滤波并选择单个电信号；
所述光电振荡器的振荡频率和振荡周期为：
其中，f0为均匀光纤布拉格光栅均不发生形变时光电振荡器的初始振荡频率，k为均匀光纤布拉格光栅的振荡周期系数，c为真空中光速，n和n'分别为光介质和电介质的折射率，Le为电介质长度，Lo为距离环行器最近的第1个均匀光纤布拉格光栅反射时的环路长度，Ln为第n个所述均匀光纤布拉格光栅和第1个均匀光纤布拉格光栅之间的距离。
3.根据权利要求2所述的光电振荡器和光纤布拉格光栅阵列的传感解复用装置，其特征在于，所述可调激光器发射中心波长等于1537.5nm的激光，所述各布拉格光栅的反射率大于98％，布拉格中心波长为1537nm，3-dB带宽为0.15～0.25nm，所述电光调制器的工作带宽为10GHz，所述光电探测器的工作带宽为3GHz，所述电放大器工作带宽为12GHz，所述光带通滤波器的通带带宽为0.08～0.12nm，所述电带通滤波器的3-dB带宽为9MHz。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的光电振荡器和光纤布拉格光栅阵列的传感解复用装置，其特征在于，所述光放大器为掺铒光纤放大器，增益为0～39dB，所述电放大器增益为0～35dB。
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| CN202022400126.1U CN213238958U (zh) | 2020-10-26 | 2020-10-26 | 基于光电振荡器和光纤布拉格光栅阵列的传感解复用装置 |
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