WO2015103887A1

WO2015103887A1 - 一种3d矩阵式多通道光纤传感解调系统

Info

Publication number: WO2015103887A1
Application number: PCT/CN2014/085472
Authority: WO
Inventors: 刘得光; 钱亦非; 张益华
Original assignee: 江苏昂德光电科技有限公司
Priority date: 2014-01-10
Filing date: 2014-08-29
Publication date: 2015-07-16
Also published as: US20160025523A1; CN103776474A; US9939294B2; EP3009809A1; EP3009809A4

Abstract

一种3D矩阵式多通道光纤传感解调系统，包括产生入射光的波长扫描光源，还包括通过光纤环形器与所述波长扫描光源连接的光学频域反射器和平衡探测器，所述光学频域反射器包括第一光路和第二光路，其中一条或两条光路上设有移频器，光学频域反射器输出入射光至光开关模块，所述光开关模块不仅可选择地将入射光传输到传感器网络，同时又将来自传感器网络的反射光传输到光学频域反射器。使用现有光学器件，利用FFT变换来分辨传感器的位置，达到复用分布式传感器网络的功能。不仅结构简单成本低，而且可通过增加移频器数量提高空间分辨率。同时相邻传感器的间距能够做到毫米级别，特别适用于微尺度准分布传感系统。

Description

一种 3D矩阵式多通道光纤传感解调系统技术领域

本发明涉及一种 3D矩阵式多通道光纤传感解调系统，属于光纤传感器领域。背景技术

光纤传感器由于其不受电磁干扰、高可靠性和安全性，在多信道长距离传感系统中正日益受到欢迎。光纤布拉格光栅是一种安装在光纤中的分布式布拉格反射器，它反射特定波长的光而让其他波长的光通过。这种功能依靠在光纤中使折射率发生一种周期性的变化。温度或应力的变化会改变布拉格光栅的周期或折射率，进而导致光纤布拉格光栅所反射的波的波长也发生改变。

光纤布拉格光栅（FBG) 有其固有的优点，例如测量波长变化比较准确。大量的光纤布拉格光栅传感器可以组成一个 3D矩阵式多通道传感系统。在该传感系统中，传感器的数量可以根据测量的距离和光学开关的信道数改变。

现有的应用于上述复杂传感系统的探询技术包括波分复用、时分复用和频分复用技术（WDM、 TDM, FDM), 或者这三种的结合。通过在一条光纤传输多个载有对应于不同光学传感器信道的不同波长光信号，波分复用技术能够大幅提高处理能力，并且降低探询成本。时分复用技术使用一个调制过的脉冲实现对多个光学传感器的探询，同时经过调整群延迟提高探询能力。与时分复用类似，频分复用技术通过频率调制和解调来提高探询能力。

虽然上述现有的探询技术已经比较完善，但它们的限制也很明显。波分复用技术要求所有传感器的频率不能重叠。而时分复用和频分复用技术都需要高速脉冲调制器和频率调制器，以及复杂的宽带测量系统。

发明内容

发明目的：本发明提出一种 3D矩阵式多通道光纤传感解调系统，其对于准分布式传感器网络的测量更加快速高效。

技术方案：本发明采用的技术方案为一种 3D矩阵式多通道光纤传感解调系统，包括产生入射光的波长扫描光源，还包括通过光纤环形器与所述波长扫描光源连接的光学频域反射器和平衡探测器，所述光学频域反射器包括第一光路和第二光路，其中一条或两条光路上设有移频器，光学频域反射器输出入射光至光开关模块，所述光开关模块不仅可选择地将入射光传输到传感器网络，同时又将来自传感器网络的反射光传输到光学频域反射器。反射光经过光学频域反射器后所产生的干涉信号由平衡探测器检出。

作为本发明的一种改进，所述光学频域反射器包括第一 3dB 耦合器和第二 3dB耦合器，所述第一光路和第二光路的入口均连接到第一 3dB耦合器，出口均连接到第二 3dB耦合器。

作为本发明的一种改进，其中一条光路上串联至少一个移频器，另一条光路上设置偏振控制器。

作为本发明的一种改进，其中一条光路上串联有偏振控制器和至少一个移频器，另一条光路上串联至少一个移频器。

作为本发明的一种改进，所述两条光路上的移频器对频率的改变方向相反。作为本发明的另一种改进，所述光开关模块由两个并联的光开关，其中一个光开关输入端串接有光纤。或者所述光开关模块由单个光开关组成。

作为本发明的另一种改进，所述传感器网络由多条平行的传感器线缆组成，每条传感器线缆上串联多个 FBG传感器，例如三个相同 FBG传感器。每条传感器线缆也可以串联多个传感器组，每个传感器组由串联的多个 FBG传感器组成。所述相邻传感器组的间距大于空间分辨率。

作为本发明的另一种改进，所述波长扫描光源为可调连续波长激光源或者傅里叶域锁模激光器。

作为一步改进，所述平衡探测器处理后所得到的信号如下式：

}

式中 c是光在真空中的速度， _#是光纤中有效群折射率， ^是第二 3dB 耦合器和第 i个传感器之间的长度。 J。是光纤的长度。 Δ/和 ^分别是移频器的扫频范围和扫频周期。是波长为 A的光在第 i个传感器处的反射率。

作为本发明的更进一步改进，所述传感器网络具有多个 FBG传感器，这些 FBG传感器的空间分辨率为：

式中 Q为移频器的数量， c是真空中的光速， _#为光纤中有效群折射率， Af, ( = 1, 2, ...β ) 是第 i个移频器的扫频范围。

有益效果：本发明改变了现有 0FDR解调系统复杂的结构，使用现有光学器件，利用快速傅里叶变换来分辨 FBG传感器的位置，达到复用分布式传感器网络的功能。本发明不仅结构简单成本低，而且可通过增加移频器数量提高空间分辨率。同时本发明中相邻 FBG传感器的间距能够做到毫米级别，特别适用于微尺度准分布传感系统。

附图说明

图 1为本发明实施例 1的结构示意图；

图 2为验证本发明实施例 1时传感器位置示意图；

图 3 ( a) 为施加应力前所有 FBG传感器的频谱图；

图 3 (b ) 为施加应力后所有 FBG传感器的频谱图；

图 4为本发明实施例 2的结构示意图；

图 5为本发明实施例 2中传感器组的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

实施例 1 : 基于布拉格光栅的 3D矩阵式多通道光纤传感解调系统如图 1所示。整个系统包括一个发射多种不同波长光的波长扫描光源 111。不同波长的光由波长扫描光源 111进入到光纤环行器 112，所述光纤环行器 112的另两个端口分别与光学频域反射器和平衡探测器 130连接。所述光学频域反射器包括平行的第一光路和第二光路，两条光路的入口均连接到第一 3dB耦合器 113，出口均连接到第二 3dB耦合器 116，所述第二光路上设有移频器 115。第一 3dB耦合器 113 将光平均分成第一光束和第二光束两部分，其分别进入光学频域反射器的第一光路和第二光路。偏振控制器 114安装在第一光路上，而移频器 115安装在第二光路上。移频器 115是一种声光调制器。经过移频器 115后，第二光束具有了一个频移 f，频移 f的大小依靠外接的移频驱动器控制。因此当第一光束和第二光束通过第二 3dB耦合器 116后，分为具有 0和 f频移的第三光束和第四光束。第三光束直接进入光开关模块 118的第一输入端 Dl l。

而第四光束为了增加光程以示与第三光束的区别，先经过光纤 117后再进入光开关模块 118的第二输入端 D12。因为如之后所述，光开关模块 118由两个光开关组成，每个光开关都独立工作，两者的光程都是相同的。如果没有光纤 117，则系统无法区分两个光开关各自的反射光。

光开关模块 118由两个光开关组成，第一输入端 D11和第二输入端 D12实际上分别是光开关模块 118中两个光开关各自的输入端。每个光开关具有一路输入四路输出，因此光开关模块 118拥有八个输出端，每个输出端连接到一段传感器线缆。光开关必须是双向的，这样反射信号能够反射回光学频域反射器。对于这种由两个光开关模块成的光开关模块 118来说，它能够同时切换两个信道因而显著提高光路切换的效率。

图 1中，光开关模块 118的输出端连接有第一传感器线缆 122至第八传感器线缆 129。每一段传感器线缆载有 0*M个 FBG传感器，其中 M是波分复用的维度， 0 是在同一传感器线缆上位于同一布拉格波长的传感器数量， M是同一传感器线缆上的 FBG传感器所工作的不同布拉格波长的个数。例如 0*M=3，即图 1中第一传感器线缆 122上串联第一传感器 119、第二传感器 120、第三传感器 121三个 FBG传感器。光纤 117应当比最长的传感器线缆的长度还要长，以防止从不同传感器线缆反射回来的信号发生重叠。光通过光开关模块 118传输到位于同一传感器线缆的一组 FBG传感器。这些 FBG传感器在它们的工作波长上都具有较低的反射率。由于其反射率较低（约为 4%)，当这些 FBG传感器的频谱发生重叠时，位置靠前的 FBG传感器的阴影效应可以忽略。因此所有沿着同一传感器线缆的 FBG传感器都能够反射光线到第一输入端 D11和第二输入端 D12。反射光接着进入第二 3dB耦合器 116。具有 0和 f频移的反射光线被耦合到光学频域反射器的两条光路，即偏振控制器 114和移频器 115各自所在的光路。因此第一 3dB耦合器 113处的反射光线，具有四种频移，它们分别是来自第一光路的 0和 f，以及来自第二光路的 f和 2f。众所周知，只有那些具有相同 f频移的光线才会发生干涉，并形成干涉信号。而其他的光线由于它们具有不同的频移和不平衡的光路，所以不会发生干涉。在第 k根传感器线缆的第 i个传感器处被反射的信号，于第一端口 C11和第二端口 C12处所形成的干涉信号如式（1 ) 所示：

{I- )cncn = R' i 士 0Ο₅(^{47Γ¾ Δ} 1)] + R' (λ){2士 _cos[ ⁴ ( +W _{t]} ( l )} c^{t ct}

上式（1 ) 中的 k表示传感器线缆的序号， )是波长为 A的光在第 i个传感器处的反射率， c是光在真空中的速度， _#是光纤中有效群折射率，是第二 3dB耦合器 116和第 i个传感器之间的长度。 J。是光纤 117的长度。 Δ/和分别是移频器 115的扫频范围和扫频周期。为了简化表达式，所有的传感器线缆都标示为与所在传感器相同的标示。

如图 1所示，在第一端口 C11处的干涉信号耦合到平衡探测器 130的一个输入端。所述平衡探测器 130是一种光电转换装置，并能够过滤直流分量。第二端口 C12处的干涉信号为了平衡直流部分，需经过可变光学衰减器 132后再耦合到平衡探测器 130的另一个输入端。所述光学衰减器 132为折射器或分光器、或者散射器。因此式（1 ) 中的直流部分可以被有效的去除。其他的 FBG传感器所

{Π [ (A)]² R, (A) sin[ ^ ^eff、 ⁰ ') t]} (2)

,=1 j=l ^C

式（2 ) 中 c是光在真空中的速度， _#是光纤中有效群折射率，是第二 3dB耦合器 116和第 i个传感器之间的长度。 J。是光纤 117的长度。 Δ/和分别是移频器 115的扫频范围和扫频周期。是波长为 A的光在第 i个传感器处的反射率。由于波长扫描光源 111的扫描速度比移频器 115慢得多，波长可以被认为在整个移频器 115的扫描周期内都不变。对式（2) 的干涉信号做快速傅里叶变换，则傅里叶分量的强度代表了特定序数的 FBG传感器的反射率，而发生反射的传感器位置的表达式如式（3 ) 所示：

L_t = ^Ctsw F_t ( 3 )

²ⁿeff^Af

上式中 ί=1，2···0*Μ， i 表示传感器的序数。不考虑频谱重叠，当波长扫描光源 111扫描时，所有传感器的频谱就都可以获得。通过扫描光开关模块 118的所有信道，传感器线缆上的所有传感器都被分别探询了。当最小可分辨距离，或者两个相邻传感器之间的空间分辨率在他们的反射频谱发生重叠时，可以表示为式 (4)：

5L =—— -—— （4)

²ⁿeff^Af

为了验证本实施例，用 Lab VIEW编写的程序控制波长扫描光源，同时使用一台电脑获取和处理数据。波长扫描光源以 0.04MHz 的步长从 90MHz扫描到 110MHz, 时间间隔 lms。所有的 FBG传感器的反射率在 4%左右，相邻传感器组间隔 55m。图 2给出了当波长扫描光源发射 1548.675nm波长的光时，本发明所解析出的 G1至 G10十个 FBG传感器的位置（G5， G6， G8， G9和 G10未示出），它们的布拉格波长在 1548.6nm附近。其中 Gl， G2， G3， G4和 G7的频图 3显示出所有十个 FBG传感器的反射谱。其中图 3 ( a) 是施加应力之前的频谱图，图 3 (b)是对 Gl， G2和 G4施加应力后的频谱图。比较（a)和（b) 两张图可以明显看出 Gl， G2和 G4在施加应力后的波长变化。实施例 2: 本发明的另一种实施例如图 4所示，第一移频器 215和第二移频器 216分别位于两条光路上。其中第一移频器 215将入射光信号的频率降低 f ，而第二移频器 216则将入射光信号的频率提高 /₂，并且第一移频器 215和第二移频器 216的扫频方向相反，即第二移频器 216从 90MHz向 110MHz扫描，第一移频器 215从 110MHz向 90MHz扫描。与实施例 1类似地，第三端口 C21和第四端口 C²²处的干涉信号应当包含 -² ， 2f₂, /₂-/,, /₂- 这些频率分量。只有那些有相同频移的光才会发生干涉并产生可测量的干涉信号，例如 /₂- 。分别给定第一移频器 215和第二移频器 216以 Δ/^ΡΔ/₂的频率扫描范围，则实施例 1中的式（2) 变为下式：

I^kW [t[l-R, ( )]^(A)sin(^{4 r}^ - ^{+ Δ/}2 -t)] ₊ — ^ (5) 当对式（5) 做快速傅里叶变换后， FBG传感器的位置就可以从傅里叶分量的频率获得，而傅里叶分量的强度代表了 FBG传感器的反射率。第 i个 FBG传感器的位置如式（6) 所示：

L = ^≡ F (6)

2n_eff(Af_{1 +} Af₂)

空间分辨率则可以表示为式（7):

5L = (7)

2n_eff(Af_{1 +}Af₂) 显然空间分辨率 SJ可以通过移频器产生大的频移来提高。

本实施例中的传感器网络与实施例 1并不相同，光开关模块 219的输出端连接有第一传感器线缆 223至第八传感器线缆 230，每条传感器线缆上均串联了三组 FBG传感器，例如第一传感器线缆 223上串联了第一传感器组 220、第二传感器组 221和第三传感器组 222。以此类推，每条传感器线缆还可以串联更多传感器组，每个传感器组也可以串联更多个传感器。

以第一传感器组 220和第二传感器组 221为例，如图 5所示，每个传感器组中含有四个相同的频谱无重叠的 FBG传感器。第一传感器组 220具有第十一传感器 11、第十二传感器 12、第十三传感器 13和第十四传感器 14。第二传感器组 221具有第二十一传感器 21、第二十二传感器 22、第二十三传感器 23和第二十四传感器 24。同一组内相邻两个 FBG传感器的距离 X非常短甚至相互接触以便于探询，这种布置能够改进空间分辨率，更适用于准分布式传感器网络。而不同组的相应 FBG传感器的距离 y应当大于空间分辨率 SJ。本实施例的其他部分与实施例 1相同。

在光学频域反射器的两条光路上也可以设置更多的移频器，例如 Q个移频器（Q 为正整数）。这些移频器分别具有 Δ/ Af₂ ··· Ag的频率扫描范围，则空间分辨率 SJ表示为式（8):

^eff( fl+ 2 +- + f_e) 从式（8) 可以看出增加移频器数量能够改善空间分辨率实施例 3: 本实施例中光开关模块由单独一个光开关组成，该光开关具有一路输入四路输出。因此与实施例 1中的光开关模块相比，只利用了光学频域反射器中入射光的 50%，另外 50%的入射光没有得到利用。同时该光开关模块所能容纳的传感器数量也减少 50%。所以本实施例的装置较为经济。本实施例的其他部分与实施例 1相同。

Claims

权利要求书

1、一种 3D矩阵式多通道光纤传感解调系统，包括产生入射光的波长扫描光源，其特征在于，还包括通过光纤环形器与所述波长扫描光源连接的光学频域反射器和平衡探测器，所述光学频域反射器包括第一光路和第二光路，其中一条或两条光路上设有移频器，光学频域反射器输出入射光至光开关模块，所述光开关模块不仅可选择地将入射光传输到传感器网络，同时又将来自传感器网络的反射光传输到光学频域反射器，反射光经过光学频域反射器后所产生的干涉信号由平衡探测器检出。

2、根据权利要求 1所述的 3D矩阵式多通道光纤传感解调系统，其特征在于，所述光学频域反射器包括第一 3dB耦合器和第二 3dB耦合器，所述第一光路和第二光路的入口均连接到第一 3dB耦合器，出口均连接到第二 3dB耦合器。

3、根据权利要求 2所述的 3D矩阵式多通道光纤传感解调系统，其特征在于，其中一条光路上串联至少一个移频器，另一条光路上设置偏振控制器。

4、根据权利要求 2所述的 3D矩阵式多通道光纤传感解调系统，其特征在于，其中一条光路上串联有偏振控制器和至少一个移频器，另一条光路上串联至少一个移频器。

5、根据权利要求 4所述的 3D矩阵式多通道光纤传感解调系统，其特征在于，所述两条光路上的移频器对频率的改变方向相反。

6、根据权利要求 1所述的 3D矩阵式多通道光纤传感解调系统，其特征在于，所述光开关模块由两个并联的光开关组成。

7、根据权利要求 1所述的 3D矩阵式多通道光纤传感解调系统，其特征在于，所述光开关模块为单个光开关。

8、根据权利要求 6所述的 3D矩阵式多通道光纤传感解调系统，其特征在于，其中一个光开关输入端串接有光纤。

9、根据权利要求 1所述的 3D矩阵式多通道光纤传感解调系统，其特征在于，所述传感器网络由多条平行的传感器线缆组成，每条传感器线缆上串联多个 FBG 传感器。

10、根据权利要求 9所述的 3D矩阵式多通道光纤传感解调系统，其特征在于，每条传感器线缆上串联三个相同的 FBG传感器。

11、根据权利要求 9所述的 3D矩阵式多通道光纤传感解调系统，其特征在于，每条传感器线缆串联多个传感器组，每个传感器组由串联的多个 FBG传感器组成。

12、根据权利要求 11所述的 3D矩阵式多通道光纤传感解调系统，其特征在于，所述相邻传感器组的间距大于空间分辨率。

13、根据权利要求 1所述的 3D矩阵式多通道光纤传感解调系统，其特征在于，所述波长扫描光源为可调连续波长激光源。

14、根据权利要求 1所述的 3D矩阵式多通道光纤传感解调系统，其特征在于，所述波长扫描光源为傅里叶域锁模激光器。

15、根据权利要求 1所述的 3D矩阵式多通道光纤传感解调系统，其特征在于，所述平衡探测器处理后所得到的信号如下式：

I^k (λ) }

式中 c是光在真空中的速度， _#是光纤中有效群折射率， ^是第二 3dB耦合器和第 i个传感器之间的长度。 J。是光纤的长度。 Δ/和 ^分别是移频器的扫频范围和扫频周期。是波长为 A的光在第 i个传感器处的反射率。

16、根据权利要求 1所述的 3D矩阵式多通道光纤传感解调系统，其特征在于，所述传感器网络具有多个 FBG传感器，这些 FBG传感器的空间分辨率为：

式中 Q为移频器的数量， c是真空中的光速， _#为光纤中有效群折射率， Af, ( = !, 2, . 是第 i个移频器的扫频范围。