CN103389120A - 基于波分复用的光纤衰荡腔传感阵列装置 - Google Patents
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Abstract
基于波分复用的光纤衰荡腔传感阵列装置，涉及传感器网络化***，本发明为了解决现有多位置物理量测量中需要多个光纤衰荡腔传感器，而每一个光纤衰荡腔传感器对应需要一个光源及解调光路所产生的成本高和资源浪费的问题，本发明包括可调谐激光器、声光调制器、隔离器、光电探测器、M个光纤衰荡腔传感器和M个光纤光栅，可调谐激光器、声光调制器和隔离器依次串接在光路中，M组光纤衰荡腔传感器的耦合器和光纤光栅通过光纤依次串接在一路光路中，隔离器与所述光路的输入端连通；M个光纤衰荡腔传感器的输出耦合器通过光纤依次串接在输出光路中，输出光路中光信号由光电探测器接收，光电探测器的输出为传感信号的输出。本发明适用于传感器网络化。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感测量技术领域，它涉及传感器网络化***。
背景技术
光腔衰荡(ringdown)技术在20世纪80年代被提出后，就被人们广泛的研究和使用，特别是在微量变化测量方面的应用。光电子技术和光通信技术的快速发展，促使以光纤为基础的传感器得到更为广泛的应用，于是在2001年，G.Stewart等首次提出光纤环形衰荡腔***，并将其用于应力、压力和微量气体等方面。
由于光纤传感器具有价格低廉、轻便、耐酸碱、抗腐蚀和抗电磁干扰等优良特性，基于光纤结构的环形腔衰荡(ringdown)传感器因此受到广泛的关注。这种技术也被称为光纤衰荡(ringdown)腔技术，它是利用光纤环形腔内的光损耗与外界的相关物理量变化相关，通过拟合可以得出相应物理量变化信息。
这种技术被广泛应用于压力、折射率变化、化学及生物溶液的浓度变化、温度变化等物理量测量上。由于在实际应用中需要多位置物理量测量，而且要求实时性，这样就需要多个光纤衰荡(ringdown)腔传感器同时测量。而目前，每一个光纤衰荡(ringdown)腔传感器需要一个光源及解调光路，在多位置测量时，需要布置多个传感器，因此需要多个光源及解调光路，成本高且资源的大量浪费。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有实时多位置同时测量中需每一个光纤衰荡腔传感器对应需要一个光源及解调光路所产生的成本高和资源浪费的问题，提供一种基于波分复用的光纤衰荡腔传感阵列装置。
基于波分复用的光纤衰荡腔传感阵列装置，它包括可调谐激光器、声光调制器、隔离器、光电探测器、检测单元、M个光纤衰荡腔传感器和M个光纤光栅，M为大于1的整数，可调谐激光器、声光调制器和隔离器依次串接在光路中，光纤衰荡腔传感器包括输入耦合器、光纤和输出耦合器，输入耦合器与输出耦合器之间利用光纤连接成为一个环形闭合腔结构，一个光纤衰荡腔传感器的输入耦合器对应与一个光纤光栅通过光纤串接组成一组，M组光纤衰荡腔传感器的输入耦合器和光纤光栅通过光纤依次串接在一路光路中，隔离器的输出端与所述光路的输入端连通；M个光纤衰荡腔传感器的输出耦合器通过光纤依次串接在输出光路中，输出光路中光信号由光电探测器接收，光电探测器的检测信号的输出端与检测单元的检测信号的输入端连通，光电探测器的输出端为传感信号的输出端。
本发明通过一个光源及解调光路实现了同时获取M个光纤衰荡腔传感器传感信号，实现了M个衰荡腔传感探头复用。解决了现有单个光纤衰荡腔传感器的无法同时获知多个位置的同时监测、实时测量以及多个光纤衰荡腔传感器需要多个光源及解调光路的问题。降低了应用传感器阵列的成本，使衰荡腔传感技术的应用更加经济实用。
附图说明
图1为具体实施方式一中本发明的结构示意图，图2为具体实施方式二中可调谐激光器的组成结构示意图，图3为具体实施方式三中单个光纤环形腔的衰荡曲线，图4为具体实施方式四中无外界环境变化时衰荡曲线波形，图5为具体实施方式五中有应力施加时的衰荡曲线波形。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于波分复用的光纤衰荡腔传感阵列装置，它包括可调谐激光器1、声光调制器2、隔离器3、光电探测器4、检测单元7、M个光纤衰荡腔传感器5和M个光纤光栅6，M为大于1的整数，可调谐激光器1、声光调制器2和隔离器3依次串接在光路中，光纤衰荡腔传感器5包括输入耦合器5-1、光纤5-2和输出耦合器5-3，输入耦合器5-1与输出耦合器5-3之间利用光纤5-2连接成为一个环形闭合腔结构，一个光纤衰荡腔传感器5的输入耦合器5-1对应与一个光纤光栅6通过光纤串接组成一组，光纤光栅6反射回来的信号光作为衰荡腔传感器的衰荡信号。M组光纤衰荡腔传感器5的输入耦合器5-1和光纤光栅6通过光纤依次串接在一路光路中，隔离器3的输出端与所述光路的输入端连通；M个光纤衰荡腔传感器5的输出耦合器5-3通过光纤依次串接在输出光路中，输出光路中光信号由光电探测器4接收，光电探测器4的检测信号的输出端与检测单元7的检测信号的输入端连通，光电探测器4的输出端为传感信号的输出端。
本发明利用将M个光纤环形腔连接起来，并利用光纤光栅进行选波，然后输入到相应的衰荡腔中，保证了每个光纤衰荡腔中的光为单一波长。
一个可调谐的光源产生波长连续可变的激光，这束激光通过声光调制器调制成脉冲(得到较高的消光比)，然后经由光隔离器进入2*2的分光比为99：1的耦合器，光在第一个输入耦合器的输入端输入后，从第一个输入耦合器的99%端耦合出去。第一个输入耦合器的99%输出端加上第一个布拉格光纤光栅。
t1时刻，可调谐激光器输出的激光正好与第一个光纤光栅的波长温和，特定波长的光反射回两个99：1耦合器形成的光纤环形腔中。光在光纤环形腔中在运行到2*2的99：1的输出耦合器时，有1%的光耦合出去，耦合出去的光被探测器接收转换为电信号。这时光纤环形腔中剩下的大部分光继续在光纤环形腔中传播，同时强度发生衰减，光传输一圈后又回到输出耦合器上，再次输出1%的光，光在光纤环形腔中形成衰荡。如此反复，从t1时刻开始，形成多个指数衰减的电脉冲串。当有物理量加载到衰荡腔中，使光纤的衰荡时间产生变化。将电信号输入到解调装置根据衰荡时间的变化，可以测得物理量变化信息。
t2时刻，激光器输出的光与第二个光纤光栅吻合，这个信号光将陆续经过第一个输入耦合器，第一个光纤光栅。经过第二个输入耦合器，进入第二个光纤光栅。由于波长正好等于第二个光纤光栅的反射波长，因此这个信号光将发生反射，进入第二个衰荡腔。光的运行过程与第一级相同，光在第二级光纤环形腔中发生衰减，并每在光纤环形腔中传输一圈就输出一次光强，如此反复，形成第二级衰荡串。同样通过解调装置读出相应的光强变化量，得出第二级的衰荡衰减时间，确定第二个衰荡腔的物理量变化。
第M级光纤环形腔的运行方式与上述前两级相一致的。利用可调激光器进行周期扫波，就可以的到周期性输出。由于每个光纤环形腔的波长不同，因此可以轻易区分出ringdown时间的变化来自于哪一个光纤环形腔，即可以确定来自于哪个位置的传感器信息。
由于可调谐激光器的波长是连续可调的，通过合理设置两个光栅的波长间距和可调谐激光器的波长随时间的变化率，我们可以通过M个衰荡腔的不同衰荡谱的时序差别来区别不同波长的衰荡腔传感器的传感信息。
利用该项技术或原理的传感器均应属于其权利要求的范围。
具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述基于波分复用的光纤衰荡腔传感阵列装置的可调谐激光器1。可使用如下结构，它包括波分复用器1-1、80:20耦合器1-2、隔离器1-3、掺饵光纤1-4、F-P滤波器1-5和半导体激光器1-6，波分复用器1-1、掺饵光纤1-4、隔离器1-3、F-P滤波器1-5和80:20耦合器1-2通过光纤依次串接在闭环光路中，半导体激光器1-6的光输出端与波分复用器1-1的光输入端连通，80:20耦合器1-2的20%信号输出端为可调谐激光器1的输出端。
可调谐激光器1，在波分复用式ringdown腔传感器中，提供一个扫波的作用，也就是在声光调制器2输出一个脉冲的时候，可以完成一个周期的扫波，做M个光纤环的复用，需要在这段时间内能输出覆盖M个波长的连续激光，而其中提供可变波长的是F-P滤波器1-5，由于这种滤波器的透过波长和控制电压满足线性关系，可以利用连续调节电压将需要的光波长利用F-P滤波器1-5连续调谐输出。
由980nm的光源1-6进行泵浦，利用掺饵光纤产生1550nm的宽带激光，使用F-P滤波器选择性透过需要的波长，实现可调谐光源设计。
本方案利用自主设计的可调谐激光器实现波长控制，但不限制于这种可调谐光源类型，满足可以实现光纤传感器复用条件的连续可调谐光源均可。
具体实施方式三：利用光纤衰荡环的原理，我们设计的四个衰荡腔复用传感阵列结构。选择光纤衰荡腔长为60m时，ringdown时间满足这样的公式：
其中光纤环形腔一圈的损耗应满足：A=αL+E+γ，考虑到散射损耗一般情况很小，散射损耗γ=0，也就是会有这样公式：A=αL+E，其中L=60m，同时α=0.34dB/km，耦合器的***损耗假定一为0.09dB，光纤连接点损耗0.02dB，最后得出：E=2×0.09+3×0.02dB=0.24dB。这样得出
=0.0599，(4.343的引入是将dB转换为1为单位的数据过程量dB=10/ln10)。即：中得出t0=4.88μs。其中常用单模光纤折射率n=1.464。同时会得出光在光纤中传输一圈的时间：
图3给出了单个衰荡腔的衰荡图。
我们制作4个衰荡腔，选取光纤光栅波长1530nm，1535nm，1540nm，1545nm，对应的每个衰荡环衰荡时间是4.88μs。因此需要的是F-P滤波器1530-1545nm的连续调谐扫描周期大于20μs。既F-P滤波器调制周期要覆盖4个衰荡腔的ringdown时间。图4给出了四个光纤衰荡腔传感器复用的衰荡图。
具体实施方式四：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述基于波分复用的光纤衰荡腔传感阵列装置的进一步限定，声光调制器2采用AMM-55-8-70-1550-2FP。
该声光调制器仅作为例证，其他任意满足使用条件的声光调制器均可。
声光调制器的型号是BRIMROSE的AMM-55-8-70-1550-2FP，S/N：0611-SY-7400。同时使用BRIMROSE的ACOUSTO-OPTIC DRIVER作为驱动，信号控制使用的是Tektronix的AFG320。通过计算可知道，若想实现M个复用或者更多，信号源周期必须满足大于M倍的ringdown时间，声光调制器信号源频率为30KHz，将占空比设置为1%。将信号幅值设定为3V，offset设置为1.5V。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述基于波分复用的光纤衰荡腔传感阵列装置的进一步限定，光纤光栅6采用布拉格光纤光栅。
具体实施方式六：结合图1、图4和图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述基于波分复用的光纤衰荡腔传感阵列装置的进一步限定，光电探测器4采用Low Noise Photoreceiver型号为DC-125MHZ的探测器。
该光电探测器仅作为例证，其他任意满足使用条件的光电探测器均可。
传感器的主要部分是光纤环形腔，设定环形腔长度为L=60m，使用的是99：1的耦合器和光纤，构成光纤ringdown腔。
实现光电转换功能的光探测器是Low Noise Photoreceiver(DC-125MHZ)，使用0901形Current-Limited Power Supply为其提供电源。这样就将电信号转换为光信号，然后可以利用示波器进行分析。
应力施加在光纤环形腔上，输出光强度波形发生的变化。由于每个光纤环感知的是不同位置的应力变化，各自衰荡时间的改变是不同的，例如，图5中第四个光纤环的ringdown时间和图4中对应的未加应力的ringdown时间对比，ringdown时间变为2μs。通过线性拟合，得出衰荡时间和外界压力的关系参量k的数值。
当然，这种复用技术不止适用于应力测量，如果可以使光纤环形腔对温度敏感，这种传感器也可以做成温度检测仪。由于该传感器可实现对不同物理量敏感，因此这种传感器，可以凭借其多位置物理量测定能力，实时监测能力强等优良特性得到广泛的使用。
解决了现有单个光纤ringdown腔传感器的无法同时获知多个位置物理量的能力，不使用大量延时光纤，就可实现更多传感探头复用，提高资源利用率，并且使用光纤作为材料，便于成网铺设，对安放环境条件要求低，具有更高的实用性。由于以上的优点这种波分复用式ringdown腔传感器阵列在实际工程应用中会有更广泛的前景，是未来理想的结构监测传感器阵列。
Claims (5)
1.基于波分复用的光纤衰荡腔传感阵列装置，其特征在于，它包括可调谐激光器(1)、声光调制器(2)、隔离器(3)、光电探测器(4)、检测单元(7)、M个光纤衰荡腔传感器(5)和M个光纤光栅(6)，M为大于1的整数，可调谐激光器(1)、声光调制器(2)和隔离器(3)依次串接在光路中，光纤衰荡腔传感器(5)包括输入耦合器(5-1)、光纤(5-2)和输出耦合器(5-3)，输入耦合器(5-1)与输出耦合器(5-3)之间利用光纤(5-2)连接成为一个环形闭合腔结构，一个光纤衰荡腔传感器(5)的输入耦合器(5-1)对应与一个光纤光栅(6)通过光纤串接组成一组，M组光纤衰荡腔传感器(5)的输入耦合器(5-1)和光纤光栅(6)通过光纤依次串接在一路光路中，隔离器(3)的输出端与所述光路的输入端连通；M个光纤衰荡腔传感器(5)的输出耦合器(5-3)通过光纤依次串接在输出光路中，输出光路中光信号由光电探测器(4)接收，光电探测器(4)的检测信号的输出端与检测单元(7)的检测信号的输入端连通，光电探测器(4)的输出端为传感信号的输出端。
2.根据权利要求1所述基于波分复用的光纤衰荡腔传感阵列装置，其特征在于，可调谐激光器(1)包括波分复用器(1-1)、80:20耦合器(1-2)、隔离器(1-3)、掺饵光纤(1-4)、F-P滤波器(1-5)和半导体激光器(1-6)，波分复用器(1-1)、掺饵光纤(1-4)、隔离器(1-3)、F-P滤波器(1-5)和80:20耦合器(1-2)通过光纤依次串接在闭环光路中，半导体激光器(1-6)的光输出端与波分复用器(1-1)的光输入端连通，80:20耦合器(1-2)的20%信号输出端为可调谐激光器(1)的输出端。
3.根据权利要求1所述基于波分复用的光纤衰荡腔传感阵列装置，其特征在于，声光调制器(2)采用AMM-55-8-70-1550-2FP。
4.根据权利要求1所述基于波分复用的光纤衰荡腔传感阵列装置，其特征在于，光纤光栅(6)采用布拉格光纤光栅。
5.根据权利要求1所述基于波分复用的光纤衰荡腔传感阵列装置，其特征在于，光电探测器(4)采用Low Noise Photoreceiver型号为DC-125MHZ的探测器。
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