CN215114590U - 一种基于ofdr技术的光纤传感系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于OFDR技术的光纤传感系统，包括：OFDR传感设备及数据处理中心，所述OFDR传感设备包括依次通过第一传输光纤连接的可调谐激光器、第一耦合器、辅助干涉仪、第二耦合器、第三耦合器及光纤环形器，还包括通过第二传输光纤连接的波分复用器及模式匹配器，待测光纤的芯径大于第一传输光纤的芯径，第二传输光纤芯径等于待测光纤芯径；所述OFDR传感设备用于产生拍频干涉信号及外部时钟信号；所述数据处理中心用于得到待测光纤的传感数据。本实用新型能够解决光纤传感系统中瑞利散射信号从大芯径光纤到小芯径光纤的插入损耗问题。

Description

一种基于OFDR技术的光纤传感系统

技术领域

本实用新型涉及光纤传感技术领域，具体而言，涉及一种基于OFDR技术的光纤传感系统。

背景技术

光纤传感技术是指光在光纤中传输时，光的强度、波长、相位、频率等特性会随外界施加应力、温度的变化而发生改变；将光信号转化为电信号，使用特定算法对数字信号进行数据解调，就能获得外界的变化情况，起到传感器的作用。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。

现有技术中，OFDR系统的应用场景主要基于单模光纤进行传感，传感方法是通过将泵浦光和OFDR系统的测试光各自接入单模波分复用器的两个输入端，然后将输入端的两种光信号复用到一根待测GDF光纤中，使两种光信号各自传输。由于待测GDF光纤的芯径大于单模光纤的芯径，需要在所述单模波分复用器与所述待测GDF光纤之间连接模式匹配器。

然而，当待测GDF光纤产生背向瑞利散射信号需反向传输时，由于模式匹配器为单向传输，会出现逆向插入损耗的问题，从而造成背向瑞利散射信号的衰减，影响传感结果。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于OFDR技术的光纤传感系统，能够解决上述提到的至少一个技术问题。具体方案如下：

根据本实用新型的具体实施方式，一种基于OFDR技术的光纤传感系统，包括：OFDR传感设备及数据处理中心，其中，所述OFDR传感设备包括可调谐激光器、第一光纤耦合器、辅助干涉仪、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、光纤环形器、波分复用器以及模式匹配器；其中，所述可调谐激光器、第一光纤耦合器、辅助干涉仪、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、光纤环形器之间通过第一传输光纤连接；

所述波分复用器的一端通过第二传输光纤连接所述光纤环形器，另一端连接待测光纤；

所述模式匹配器的一端通过第二传输光纤连接所述光纤环形器，另一端通过所述第一传输光纤连接所述第三光纤耦合器；其中，所述待测光纤的芯径大于所述第一传输光纤的芯径，所述第二传输光纤的芯径等于所述待测光纤的芯径；

所述OFDR传感设备用于产生拍频干涉信号及外部时钟信号；所述数据处理中心用于接收所述拍频干涉信号及外部时钟信号，并进行处理，得到所述待测光纤的传感数据。

可选的，所述第一传输光纤的芯径范围为9μm～10μm。

可选的，所述第二传输光纤的芯径范围为20μm～100μm。

可选的，所述第二传输光纤与所述待测光纤为无源GDF单模双包层光纤。

可选的，所述辅助干涉仪为马赫-曾德尔干涉仪。

可选的，所述模式匹配器用于将所述待测光纤返回的背向瑞利散射信号进行转换，并通过所述第一传输光纤传输至所述第三光纤耦合器。

可选的，所述光纤传感系统进一步包括，在所述波分复用器与所述待测光纤之间接入泵浦光源，所述泵浦光源用于向所述待测光纤输入需要传输的光信号。

可选的，所述第二光纤耦合器用于将所述第一光纤耦合器输出的扫频光信号分为两路，一路进入所述第三光纤耦合器，一路进入所述待测光纤产生背向瑞利散射信号，所述背向瑞利散射信号与扫频光信号在所述第三光纤耦合器进行混频，产生拍频干涉信号。

可选的，所述第三光纤耦合器为50:50光纤耦合器。

可选的，所述数据处理中心包括依次连接的光电转换模块、数据采集模块以及数据处理模块，其中，所述光电转换模块用于将所述第三光纤耦合器输出的拍频干涉光信号转换为电信号，所述数据采集模块用于基于所述外部时钟信号采集所述拍频干涉光信号，所述数据处理模块用于控制所述数据采集模块进行采集并对采集的所述拍频干涉信号进行处理，获得每个所述待测光纤的传感结果。

本实用新型实施例的上述方案与现有技术相比，至少具有以下有益效果：

本实用新型提供了一种光纤传感系统，通过改变传统OFDR传感系统中传输光纤的芯径大小及模式匹配器的连接关系，解决了OFDR传感系统中瑞利散射信号从大芯径进入小芯径的插入损耗问题，能够提高传感效率。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本实用新型的实施例，并与说明书一起用于解释本实用新型的原理。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。在附图中：

图1示出了根据本实用新型实施例的光纤传感系统的整体示意图；

图2示出了根据本实用新型实施例的数据处理中心的具体结构示意图；

图3示出了根据本实用新型实施例的数据处理模块执行处理过程的原理示意图。

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。

在本实用新型实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

应当理解，尽管在本实用新型实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述，但不应限于这些术语。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。

下面结合附图详细说明本实用新型的可选实施例。

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OFDR技术的光纤传感系统，通过改变传统OFDR传感系统中传输光纤的芯径大小及模式匹配器的连接关系，解决了OFDR传感系统中瑞利散射信号从大芯径进入小芯径的插入损耗问题，能够提高传感效率，拓宽OFDR系统的可应用场景；进一步能够节约光纤传感系统的造价成本。

本实用新型的一种基于OFDR技术的光纤传感系统示意图，如图1所示，整个光纤传感系统由OFDR传感设备10及数据处理中心20这两部分组成，所述OFDR传感设备10用于产生拍频干涉信号及外部时钟信号；所述数据处理中心20用于接收所述拍频干涉信号及外部时钟信号，并进行处理，得到所述待测光纤的传感数据。

如图1所示，所述OFDR传感设备10包括可调谐激光器1、第一光纤耦合器2、辅助干涉仪3、第二光纤耦合器4、第三光纤耦合器5、光纤环形器6、波分复用器7及模式匹配器8。

所述可调谐激光器1用于发出扫频光信号，所述扫频光信号经过第一光纤耦合器2分为两路，一路进入所述辅助干涉仪3，产生所述数据处理中心20所用的外部时钟信号；另一路进入所述第二光纤耦合器4，产生所述数据处理中心20最终要采集的拍频干涉信号。所述可调谐激光器1具有较高的扫描速度，其扫描速度可达2000nm/s。本实施例中，所述可调谐激光器1的扫描速率为80nm/s，扫描范围为16nm。所述第一光纤耦合器1为10:90耦合器，90％的扫频光信号进入所述第二光纤耦合器4，10％的扫频光信号进入所述辅助干涉仪3。

所述辅助干涉仪3是基于马赫-曾德尔干涉仪搭建，用于将光源发出的扫频光，在辅助干涉仪中发生拍频效应，产生携带有光源相位信息的扫频光，即外部时钟信号。本实施例中，所述辅助干涉仪3通过两个50:50的光纤耦合器和两段长度相差200米的单模光纤构成。通过所述第一光纤耦合器2输出的光信号输入辅助干涉仪3后，被第一个光纤耦合器分为两路，由于两路光之间存在光程差，故会在第二个光纤耦合器处发生拍频干涉。所述辅助干涉仪3最高支持OFDR传感设备接入200/4＝50米的传感光纤。

辅助干涉仪产生的拍频信号为具有一定变化的正弦信号，在理想情况下，其频率稳定不变，但是由于光源存在非线性调谐效应，使拍频信号产生不规则的频率变化，这种不规则的频率变化代表了激光器的非线性扫频，当作为数据采集卡的外部时钟时，类似于时钟抖动现象，通过利用这种抖动时钟进行采集主干涉仪信号，达到消除光源非线性的目的。

所述第二光纤耦合器4的一端与所述第一光纤耦合器1连接，用于接收所述第一光纤耦合器1输出的扫频光，并将该扫频光分为两路，一路进入所述第三光纤耦合器5，包括依次连接的第二光纤耦合器4及第三光纤耦合器5，一路进入所述光纤环形器6，包括依次连接的第二光纤耦合器4、光纤环形器6、波分复用器7、待测光纤及第三光纤耦合器5。本实施例中，所述第二光纤耦合器4为1:99耦合器。所述第三光纤耦合器5为50:50光纤耦合器。

所述可调谐激光器1、第一光纤耦合器2、辅助干涉仪3、第二光纤耦合器4、第三光纤耦合器5、光纤环形器6之间通过第一传输光纤30连接。优选的，所述第一传输光纤的芯径范围为9μm～10μm。本实施例中，所述第一传输光纤为单模光纤，芯径为9μm，包层直径为125μm。

可选的，所述OFDR传感设备10进一步包括偏振控制器11，用于控制扫频光信号与背向瑞利散射信号在所述第三光纤耦合器5处混频，产生拍频干涉信号。所述偏振控制器11的一端通过所述第一传输光纤30与所述第二光纤耦合器4连接，另一端通过所述第一传输光纤30与所述第三光纤耦合器5连接。

所述光纤环形器6用于将扫频光输出至待测光纤，同时输出所述待测光纤的瑞利散射光至所述第三光纤耦合器5。具体的，所述光纤环形器6的接口一通过第一传输光纤30连接所述第二光纤耦合器4，接口二通过第二传输光纤40连接所述波分复用器；接口三通过第二传输光纤40连接所述第三光纤耦合器5。

所述波分复用器7的一端通过第二传输光纤40连接所述光纤环形器6，另一端连接待测光纤。其中，所述待测光纤的芯径大于所述第一传输光纤的芯径，所述第二传输光纤的芯径等于所述待测光纤的芯径。优选的，所述第二传输光纤为特种光纤。所述第二传输光纤的芯径范围为20μm～100μm。本实施例中，所述第二传输光纤与所述待测光纤均为无源GDF单模双包层光纤。

在本实用新型实施例中，当光纤传感系统开始工作时，需给所述待测光纤输入泵浦光，该泵浦光为待测光纤需要传输的高功率光信号，使待测光纤处于工作状态下；由于待测光纤在传输高功率光信号时光纤自身会产生温度变化，因此，通过扫频光监测待测光纤处于工作状态时温度/应力变化。优选的，在所述波分复用器7与所述待测光纤之间接入泵浦光源(图中未示)，所述泵浦光源用于向所述待测光纤输入需要传输的光信号。所述波分复用器7用于将所述泵浦光及扫频光进行汇合并输出给所述待测光纤。

所述模式匹配器8用于单向传输所述待测光纤产生的背向瑞利散射信号。所述模式匹配器8的一端通过第二传输光纤40连接所述光纤环形器6，另一端通过所述第一传输光纤30连接所述第三光纤耦合器。本实施例中，由于背向瑞利散射光信号从光纤环形器6输出给第三耦合器5，因此，所述模式匹配器8的大直径接口端连接所述光纤环形器6，小直径接口端连接所述第三光纤耦合器5。

可选的，所述OFDR传感设备10进一步包括偏振分束器12，所述偏振分束器12一端连接所述第三光纤耦合器5，另一端连接所述数据处理中心20。所述偏振分束器12用于接收所述第三光纤耦合器5输出的拍频干涉光信号，并将所述拍频干涉光信号分成相互正交的P光信号和S光信号，输出给所述数据处理中心20。其中，所述P光信号和S光信号具有相位差。采用偏振分束器12能够抑制拍频干涉光信号在传输过程中的光功率衰落，提高传感效率。

可选的，所述OFDR传感设备10进一步包括第四光纤耦合器(图中未示)，该第四光纤耦合器一端连接所述第一光纤耦合器2，另一端连接所述第二光纤耦合器4，用于将所述第一光纤耦合器2输出的扫频光分成N路，N为大于等于2的自然数，每一路扫频光进入一个第二光纤耦合器4，可对多段待测光纤同时实现传感。

所述数据处理中心20基于所述外部时钟信号采集拍频干涉光信号并进行处理，获取多个待测光纤的传感结果。具体的，如图2所示，所述数据处理中心20包括依次连接的光电转换模块21、数据采集模块22以及数据处理模块23。

所述光电转换模块21用于将所述第三光纤耦合器5输出的拍频干涉光信号转化为电信号。所述光电转换模块21的一端连接所述第三光纤耦合器5，另一端连接所述数据采集模块22，本实施例中，所述光电转换模块21包括至少一个光电探测器，每个光电探测器接收一路P光信号及一路S光信号。

所述数据采集模块22的一端连接光电转换模块21，另一端连接所述数据处理模块23，第三端连接所述可调谐激光器1，第四端连接所述辅助干涉仪3。所述数据采集模块22用于接收所述可调谐激光器1发出的扫频触发信号，该扫频触发信号用来控制所述数据采集模块22采集数据的开启闭合时间。所述数据采集模块22还用于根据所述辅助干涉仪3输出的外部时钟信号采集所述光电转换模块21输出的电信号并数字化。具体的，如图3所示，所述可调谐激光器1每次扫频开始时，所述扫频触发信号会出现一个下降沿，此时所述数据采集模块22开启采集模式；当外部时钟信号每出现一个上升沿时，所述数据采集模块22采集一次电信号并保存，采集指定时间后停止采集，然后等待所述扫频触发信号的下一个下降沿，再次进行采集。本实施例中，所述数据采集模块22为数据采集卡。

所述数据处理模块23的一端连接所述数据采集模块22，另一端连接计算机30。所述数据处理模块23用于控制所述数据采集模块22采集所述OFDR传感设备10中待测光纤处于当前工作状态下的拍频干涉信号作为测试数据，并采集所述OFDR传感设备10中待测光纤处于初始工作状态下的拍频干涉信号作为参考数据，其中，所述初始工作状态包括待测光纤处于正常受力状态下，比如给光纤施加一定应变使其抻直，此时处于正常受力状态；所述工作状态包括待测光纤受应变或温度较所述初始状态发生变化时所处的状态；之后利用FPGA技术对所述参考数据及测试数据进行计算，获取所述待测光纤的传感结果。本实施例中，所述数据处理模块23对所述OFDR传感设备10输出的参考数据二维FFT计算，将原始数据转化为沿光纤长度上散射和反射光强的分布，将频域数据进行保存；接着对频域数据选取滑动窗，对滑动窗的数据进行补零插值及IFFT计算，将其变换到时域并保存；对所述OFDR传感设备10输出的测试数据进行同样的FFT、补零插值、IFFT计算后，将每个滑动窗内的时域数据与频域数据进行互相关计算，得到所述待测光纤的传感结果，例如GDF光纤所受的应力信息或温度信息。

所述计算机30分别连接所述可调谐激光器1和所述数据处理模块23，用于控制所述可调谐激光器1进行扫频，还用于接收所述数据处理模块23输出的多个待测光纤的传感数据并进行显示。基于所述可调谐激光器1的高扫描速度，所述数据处理模块23将待测光纤的传感结果发送给计算机进行实时显示，实现了待测光纤的实时传感。

本实用新型提供的基于OFDR技术的光纤传感系统，通过改变传统OFDR传感系统中传输光纤的芯径大小及模式匹配器的连接关系，解决了OFDR传感系统中瑞利散射信号从大芯径进入小芯径的插入损耗问题，能够提高传感效率，拓宽了OFDR系统的可应用场景；进一步，通过仅改变部分传输光纤的芯径大小，能够节约光纤传感系统的造价成本。

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 (10)

1.一种基于OFDR技术的光纤传感系统，其特征在于，包括：

OFDR传感设备及数据处理中心，其中，所述OFDR传感设备包括可调谐激光器、第一光纤耦合器、辅助干涉仪、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、光纤环形器、波分复用器以及模式匹配器；其中，

所述可调谐激光器、第一光纤耦合器、辅助干涉仪、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、光纤环形器之间通过第一传输光纤连接；

所述波分复用器的一端通过第二传输光纤连接所述光纤环形器，另一端连接待测光纤；

所述模式匹配器的一端通过第二传输光纤连接所述光纤环形器，另一端通过所述第一传输光纤连接所述第三光纤耦合器；其中，所述待测光纤的芯径大于所述第一传输光纤的芯径，所述第二传输光纤的芯径等于所述待测光纤的芯径；

所述OFDR传感设备用于产生拍频干涉信号及外部时钟信号；所述数据处理中心用于接收所述拍频干涉信号及外部时钟信号，并进行处理，得到所述待测光纤的传感数据。

2.根据权利要求1所述的光纤传感系统，其特征在于，所述第一传输光纤的芯径范围为9μm～10μm。

3.根据权利要求1所述的光纤传感系统，其特征在于，所述第二传输光纤的芯径范围为20μm～100μm。

4.根据权利要求1所述的光纤传感系统，其特征在于，所述第二传输光纤与所述待测光纤为无源GDF单模双包层光纤。

5.根据权利要求1所述的光纤传感系统，其特征在于，所述辅助干涉仪为马赫-曾德尔干涉仪。

6.根据权利要求1所述的光纤传感系统，其特征在于，所述模式匹配器用于将所述待测光纤返回的背向瑞利散射信号进行转换，并通过所述第一传输光纤输出至所述第三光纤耦合器。

7.根据权利要求1所述的光纤传感系统，其特征在于，进一步包括，在所述波分复用器与所述待测光纤之间接入泵浦光源，所述泵浦光源用于向所述待测光纤输入需要传输的光信号。

8.根据权利要求1所述的光纤传感系统，其特征在于，所述第二光纤耦合器用于将所述第一光纤耦合器输出的扫频光信号分为两路，一路进入所述第三光纤耦合器，一路进入所述待测光纤产生背向瑞利散射信号，所述背向瑞利散射信号与扫频光信号在所述第三光纤耦合器进行混频，产生拍频干涉信号。

9.根据权利要求1所述的光纤传感系统，其特征在于，所述第三光纤耦合器为50:50光纤耦合器。

10.根据权利要求1所述的光纤传感系统，其特征在于，所述数据处理中心包括依次连接的光电转换模块、数据采集模块以及数据处理模块，其中，所述光电转换模块用于将所述第三光纤耦合器输出的拍频干涉光信号转换为电信号，所述数据采集模块用于基于所述外部时钟信号采集所述拍频干涉光信号，所述数据处理模块用于控制所述数据采集模块进行采集并对采集的所述拍频干涉信号进行处理，获得每个所述待测光纤的传感结果。

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