CN104132677A - 外差干涉式光纤传感时分复用*** - Google Patents

外差干涉式光纤传感时分复用*** Download PDF

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方高升
徐团伟
李芳�
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Abstract

一种外差干涉式光纤传感时分复用***，包括：一激光光源；一光隔离器与光隔离器的输出端连接；一三端口光耦合器与激光光源的输出端连接；一光衰减器与三端口光耦合器的端口3连接；一声光调制器与三端口光耦合器的端口2连接；一环形器与声光调制器的端口3连接；一驱动器与声光调制器的端口2连接；一干涉式光纤传感器阵列与环形器的端口2连接；一四端口光耦合器与环形器的端口3连接；一平衡光电探测器与四端口光耦合器的端口3连接；一数据采集卡与平衡光电探测器的端口3连接；一正交解调单元与数据采集卡的输出端口3连接；一信号发生器与驱动器的输入端口连接，其输出端口2与数据采集卡的端口2连接。

Description

外差干涉式光纤传感时分复用***
技术领域
本发明属于光纤传感网络及信号处理领域，更具体的说是一种基于光纤传感技术的外差干涉式光纤传感时分复用***。
背景技术
相对于传统的机械式和电学传感，光纤传感具有诸多的优异性能，如：灵敏度高、动态范围大、抗电磁干扰、抗腐蚀、体积小、重量轻、易于复用等，这使得该技术在井下等恶劣环境、高灵敏度传感(如微地震监测、安全监测等)、海底声呐和水听器等领域拥有广泛的应用前景。随着光纤传感技术的发展，单点的光纤传感***已远远不能满足要求，基于波分复用、频分复用、时分复用、空分复用、相干复用等技术的多点光纤传感网络相继被人们提出，伴随着传感网络的发展，网络信号的分析与处理也日益受到重视与发展。结合干涉式光纤传感灵敏度高和时分复用技术***简单的特点，干涉式光纤传感时分复用及其信号解调技术被人们广泛研究。在该类***中，研究热点集中在以PGC技术为核心的各种组网方式研究和基于PGC的信号处理技术的研究。鉴于PGC技术引入一个载波信号的问题，其可解调信号的频率范围和幅度有限，这些问题限制了基于PGC技术的光纤传感***的发展。这时，解调***必须在完成收集信号的前提下尽可能通过***硬件的优化设计、软件关键参数的优化设计和解调算法的改进使得***的性能尽可能得到优化。
综上所述，为了解决上述面临的技术瓶颈，搭建高性能的光纤传感网络******，目前迫切需要一种外差干涉式光纤传感时分复用***。
发明内容
本发明要解决现有光纤传感网络随着传感网络规模的扩大和应用需求的发展，宽频、大信号实时获取及处理的技术问题。
本发明提供一种外差干涉式光纤传感时分复用***，包括：
一激光光源；
一光隔离器，其输入端与光隔离器的输出端连接；
一三端口光耦合器，其端口1与激光光源的输出端连接；
一光衰减器，其输入端与三端口光耦合器的端口3连接；
一声光调制器，其端口1与三端口光耦合器的端口2连接；
一环形器，其端口1与声光调制器的端口3连接；
一驱动器，其输出端与声光调制器的端口2连接；
一干涉式光纤传感器阵列，其与环形器的端口2连接；
一四端口光耦合器，其端口1与环形器的端口3连接；
一平衡光电探测器，其端口1与四端口光耦合器的端口3连接，其端口2与四端口光耦合器的端口4连接；
一数据采集卡，其端口1与平衡光电探测器的端口3连接；
一正交解调单元，其输入端与数据采集卡的输出端口3连接；
一信号发生器，其输出端口1与驱动器的输入端口连接，其输出端口2与数据采集卡的端口2连接。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
该外差干涉式光纤传感时分复用***结构简单，功耗低，搭建及维护成本低，开发周期短，可实现宽频、大信号的实时获取及处理。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明，其中：
图1是外差干涉式光纤传感时分复用***结构示意图；
图2是正交解调算法原理示意图。
具体实施方式
图1示出了本发明中一种外差干涉式光纤传感时分复用***的结构示意图。如图1所示，所述一种外差干涉式光纤传感时分复用***，包括：
激光光源a，其输出激光分为两路，一路用于向声光调制器e提供连续激光，经过声光调制器e产生脉冲激光，经过环形器f进入干涉式光纤传感器阵列h，激发光纤传感器阵列h产生携带传感信息的激光输出；另一路用于外差干涉式光纤传感时分复用***中参考光；
光隔离器b，其输入端口与激光光源a输入端口连接，用于减小光纤中后向瑞丽散射光对激光光源a的影响，所述光隔离器工作波长与激光光源a的输出激光波长一致；
三端口光耦合器c，其输入端口1与光隔离器b输出端口连接，用于将激光光源a输出光分为两路输出，其输出端口2输出激光进入声光调制器e作为信号光使用；其输出端口3输出激光作为参考光使用；
光衰减器d，其输入端口与三端口光耦合器c的输出端口3连接，用于调节参考光的功率，使其功率与信号光的峰值功率相等；
声光调制器e，其输入端口1与三端口光耦合器c的输出端口2连接，其输入端口2与驱动器g的输出端口连接，用于将激光光源a输出的连续激光调制为脉冲激光，经过环形器f进入干涉光纤传感器阵列h，激发干涉式光纤传感器阵列h产生携带传感信息的激光输出；
环形器f一个，其端口1与声光调制器e的输出端口3连接，其端口2与干涉式光纤传感器阵列h连接，用于控制光纤中光的传输方向；激光光源a输出连续激光经过声光调制器e调制产生脉冲激光输出进如环形器端口1，由端口2出来进入干涉式光纤传感器阵列h，从干涉式光纤传感器阵列h返回来的携带传感信息的光进入2端口，从3端口出来进入4端口光耦合器i的输入端口1；
驱动器g，其输入端口与信号发生器m输出端口1连接，用于驱动声光调制器e工作；
干涉式光纤传感器阵列h，其端口与环形器f的输入端口2连接，用于感知外界信息，输出携带信息的激光；
四端口光耦合器i，其输入端口1与环形器f的输出端口3连接，其输入端口2与光衰减器d的输出端口连接，用于将经过光衰减器d输出的参考光和环形器f输出的信号光进行外差，得到两路外差光信号分别进入平衡探测器j的输入端口1和输入端口2；
平衡光电探测器j，其输入端口1与四端口光耦合器的输出端口3连接，其输入端口2与四端口光耦合器的输出端口4连接，用于探测两路外差光信号并将光信号转换为电信号输出，输出电信号经过数据采集卡k采集，供正交解调单元n使用；
数据采集卡k，其输入端口1与平衡光电探测器输出端口3连接，其输入端口2与信号发生器m的输出端口2连接，用于采集平衡光电探测器j输出的电信号和信号发生器m输出的正弦信号，供正交解调单元n处理得到干涉式光纤传感器阵列h携带的传感信息；
正交解调单元n，其端口与数据采集卡k的输出端口3连接，用于对数据采集卡k采集的数据进行处理，通过正交解调算法得到干涉式光纤传感器阵列h携带的传感信息；
信号发生器m，其输出端口1与驱动器g的输入端口连接，用于产生脉冲信号调制驱动器g产生射频信号输出作用于声光调制器e，其输出端口2与数据采集卡k的输入端口2连接，用于产生频率和声光调制器频移相同的正弦信号。
图2示出了本发明的所述外差干涉式光纤传感时分复用***中正交解调单元算法示意图，其中S(t)为平衡光电探测器j输出的外差信号，sin(2πΔft)和cos(2πΔft)为相互正交的两个信号，Δf为声光调制器的频移，低通滤波器(LPF)的低通截止频率应等于或小于Δf/2。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种外差干涉式光纤传感时分复用***，包括：
一激光光源；
一光隔离器，其输入端与光隔离器的输出端连接；
一三端口光耦合器，其端口1与激光光源的输出端连接；
一光衰减器，其输入端与三端口光耦合器的端口3连接；
一声光调制器，其端口1与三端口光耦合器的端口2连接；
一环形器，其端口1与声光调制器的端口3连接；
一驱动器，其输出端与声光调制器的端口2连接；
一干涉式光纤传感器阵列，其与环形器的端口2连接；
一四端口光耦合器，其端口1与环形器的端口3连接；
一平衡光电探测器，其端口1与四端口光耦合器的端口3连接，其端口2与四端口光耦合器的端口4连接；
一数据采集卡，其端口1与平衡光电探测器的端口3连接；
一正交解调单元，其输入端与数据采集卡的输出端口3连接；
一信号发生器，其输出端口1与驱动器的输入端口连接，其输出端口2与数据采集卡的端口2连接。
2.根据权利要求1所述的外差干涉式光纤传感时分复用***，其中激光光源是窄线宽的连续光源。
3.根据权利要求2所述的外差干涉式光纤传感时分复用***，其中该窄线宽的连续光源是半导体激光器或者光纤激光器，其中心波长处于平衡光电探测器的探测波长范围内。
4.根据权利要求1所述的外差干涉式光纤传感时分复用***，其中声光调制器是将连续光调制为脉冲光的器件。
5.根据权利要求4所述的外差干涉式光纤传感时分复用***，其中声光调制器是电光调制器。
6.根据权利要求1所述的外差干涉式光纤传感时分复用***，其中正交解调单元是硬件数据处理单元。
7.根据权利要求6所述的外差干涉式光纤传感时分复用***，其中硬件数据处理单元是FPGA或DSP。
8.根据权利要求6所述的外差干涉式光纤传感时分复用***，其中正交解调单元是计算机及其软件算法。
9.根据权利要求1所述的外差干涉式光纤传感时分复用***，其中的信号发生器是能产生脉冲信号及正弦信号输出的仪器或者电路板。
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