CN109150311A - 一种基于光纤环腔衰荡技术的多参量传感网络 - Google Patents

一种基于光纤环腔衰荡技术的多参量传感网络 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光纤环腔衰荡技术的多参量传感网络，沿光信号的传输方向依次设置有信号发生器、激光调制器、激光源、隔离器、光纤放大器、耦合器、光纤延迟线、光纤环、光纤合束器、光电探测器及示波器，耦合器、光纤延迟线及光纤环均有多个，各个光纤环均形成衰荡腔，每个光纤环的输入端和输出端分别设置有第一耦合器和第二耦合器，每个光纤环上均设有传感单元，经光纤放大器放大后的激光源依次进入各个光纤环，相邻两个光纤环之间设有光纤延迟线，各个光纤环的长度不同，各个光纤延迟线的长度也不同。本发明可以满足利用光纤腔衰荡技术进行多参量同时测量的目的，同时能够将各通道的传感信号区分开，降低后续数据处理量。

Description

一种基于光纤环腔衰荡技术的多参量传感网络
技术领域
本发明属于光纤传感网络领域，具体涉及一种基于光纤环腔衰荡技术的多参量传感网络。
背景技术
光纤环腔衰荡技术在传感检测中日趋成熟，具有不受光源波动的影响、灵敏度高、抗电磁干扰等优点，广泛应用于固体、液体、气体等微弱信号的检测中。但这些研究和应用大都是针对单一参量而言，光纤腔衰荡技术已实现的功能还远未满足实际应用的需要。
由于单通道单参量的光纤传感器成本相对较高，故针对这一问题，提出了光纤传感中传感器的聚合，这样可以共享光源、光电探测器和示波器等昂贵器件，降低传感***的平均成本，具有很高的使用价值。光纤传感网络可以复用大量传感器，开发多个测量点以实现多参量同时测量。2003年，喻洪波等人将锁模激光技术与光纤环形内腔***体传感技术相结合，提出并实现一套以锁模光纤环形腔激光器为复用基础的光纤内腔***体传感网络***，此传感网络***可同时对多个气体传感单元进行高灵敏度测量。2013年，R.A.Perez-Herrera等人介绍了传感器网络，重点研究了鲁棒、远程和分布式布里渊网络。2014年，尚佳彬等人提出并实现了基于腔衰荡光谱技术的三参量同时测量的光纤微腔传感器。2016年，Deming LIU等人讨论了光纤气体传感网络和应变传感网络等。
光纤传感网络在进行多参量同时测量时总要面对后续数据处理的问题，即区分衰荡信号与多个参量的对应关系，基于此，2010年高扬等人实现了温度补偿的四通道压力传感器，但实验结果显示各通道的传感信号在时域上并未分开，从而给后续的数据处理带来许多困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光纤环腔衰荡技术的多参量传感网络，可以满足利用光纤腔衰荡技术进行多参量同时测量的目的，同时能够将各通道的传感信号区分开，降低后续数据处理量。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于光纤环腔衰荡技术的多参量传感网络，设置于气室内，沿光信号的传输方向依次设置有信号发生器、激光调制器、激光源、隔离器、光纤放大器、耦合器、光纤延迟线、光纤环、光纤合束器、光电探测器及示波器，其中，信号发生器、激光调制器和激光源之间由线路连接，光电探测器与示波器之间用线路连接，其它器件之间都由单模光纤连接；所述耦合器、光纤延迟线及光纤环均有多个，各个光纤环均形成衰荡腔，经光纤放大器放大后的激光源依次进入各个光纤环的衰荡腔内，每个光纤环的输入端和输出端分别设置有第一耦合器和第二耦合器，每个光纤环上均设有传感单元，光信号都是从光纤环上的第一耦合器的低分光比端进入，经过传感单元和第二耦合器，经每个光纤环上的第二耦合器的低分光比端输出，进入光纤合束器，相邻两个光纤环之间设有光纤延迟线，各个光纤环的长度不同，各个光纤延迟线的长度也不同；
被光纤放大器放大的脉冲激光经由第一个光纤环上的第一耦合器分成两路，一路进入第一个光纤环的衰荡腔中，经过传感单元后，经第一个光纤环的第二耦合器的输出，另一路经过光纤延迟线进入第二个环形腔的第一耦合器中，与第一个光纤环一样，经由传感单元和第二个光纤环的第二耦合器输出；依次类推，光信号分别接入各个传感单元，相邻两个光纤环之间接入光纤延迟线，每个光纤环的输出均接入光纤合束器，再由光电探测器转换成电信号，显示在示波器上。
优选地，每个所述耦合器均为2*2的光纤耦合器，其耦合比为99％：1％，被光纤放大器放大的脉冲激光经第一光纤环上的第一耦合器的1％功率输出端口进入第一光纤环的衰荡腔中，并经第一光纤环上的第二耦合器的1％端输出，第一光纤环上的第一耦合器和第一光纤环上的第二耦合器的99％功率端口熔接在一起；第一光纤环上的第一耦合器的99％功率端口经过第一光纤延迟线进入第二光纤环上的第一耦合器中，与第一光纤环一样，经由第二光纤环上的第二耦合器的1％端输出，第二光纤环上的第一耦合器和第二光纤环上的第二耦合器的99％功率端口熔接在一起，以此类推，接入多个光纤环和多个传感单元。
优选地，沿光信号的传输方向，进入每个光纤环的衰荡腔内的光依次为100％、99％、98％、97％，各个脉冲激光的强度相等。
优选地，每个光纤延迟线均由单模光纤构成，各个光纤延迟线的长度各不相同，即延迟时间不同。
优选地，所述光纤延迟线的长度L0由公式L0＝tc/neff决定，其中t为脉冲激光在长度为L0的光纤内的传播时间，c为光速，neff为光纤的有效折射率，第一个光纤延迟线的长度为：L1＝5·τ1·c/neff，第二个光纤延迟线的长度为：L2＝5·(τ1+τ2)·c/neff，第三个光纤延迟线的长度为：L3＝5·(τ1+τ2+τ3)·c/neff，τ1、τ2和τ3分别为第一个光纤环、第二个光纤环及第三个光纤环内脉冲激光的衰荡时间，依次类推可得到每个光纤延迟线的长度。
优选地，所述激光源采用波长为1550nm的激光源。
优选地，所述光纤放大器采用掺铒光纤放大器，掺铒光纤放大器由一段2m的掺铒光纤和980nm泵浦光源通过一个980/1550波分复用器制成。
优选地，所述的传感元件采用错位干涉结构、光纤对准气室，或法布里-珀罗光纤腔。
优选地，各个所述光纤环的长度不同，即每个环腔的腔长不同。
本发明通过将各个传感单元分别设置于不同光纤环所形成的衰荡腔内，来组成多参量的光纤传感网络，能够同时实现多种参数的同时测量，利用光时分复用技术，将多路光信号复用后在同一根光纤中传输，各个光纤环的长度不同，能够使得混合在一起的多个传感信号可以通过快速傅里叶变换将其分辨出来，从而从频域上区别出不同物理参量；相邻两个光纤环之间设有光纤延迟线，各个光纤延迟线的长度不同，利用光纤延迟线可以使输出的衰荡信号在时域上区分开，以达到利用光腔衰荡技术进行多参量传感测量的目的，便于后续对各个传感信号进行处理，降低数据处理量。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明所述不同长度的光纤环的FFT谱图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明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发明的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明所述的一种基于光纤环腔衰荡技术的多参量传感网络，设置于气室内，沿光信号的传输方向依次设置有信号发生器1、激光调制器2、激光源3、隔离器4、光纤放大器5、耦合器、光纤延迟线、光纤环、光纤合束器11、光电探测器12及示波器13，其中，信号发生器1、激光调制器2和激光源3之间由线路14连接，光电探测器12与示波器13之间用线路14连接，其它连接都由单模光纤15连接；在本实施例中，激光源3采用波长为1550nm的激光源，光纤放大器5采用掺铒光纤放大器，掺铒光纤放大器由一段2m的掺铒光纤和980nm泵浦光源通过一个980/1550波分复用器制成，光纤环均多个，在本实施例中，采用三个光纤环，分别为第一光纤环7-1、第二光纤环7-2及第三光纤环7-3，各个光纤环均形成衰荡腔，经光纤放大器5放大后的激光源依次进入第一光纤环7-1、第二光纤环7-2和第三光纤环7-3的衰荡腔内，每个光纤环的输入端和输出端分别设置有第一耦合器和第二耦合器，各个光纤环上依次设有第一传感单元8-1、第二传感单元8-2及第三传感单元8-3，传感单元用于检测气室内的各种物理信号，如液体浓度、湿度和烟雾浓度等，光信号从光纤环上的第一耦合器的低分光比端进入，经过传感单元和第二耦合器后，经第二耦合器的低分光比端输出，进入光纤合束器11，相邻两个光纤环之间设有光纤延迟线。
在本实施例中，各个耦合器均为2*2的光纤耦合器，其分光比为99％：1％，传感单元采用错位干涉结构、光纤对准气室，或法布里-珀罗光纤腔。
被光纤放大器5放大的脉冲激光经由第一光纤环7-1上的第一耦合器6-11分成两路，其中一路经第一光纤环7-1上的第一耦合器6-11的1％功率输出端口进入第一光纤环7-1的衰荡腔中，经过第一光纤环7-1后，经第一光纤环7-1上的第二耦合器6-12的1％端输出，第一光纤环7-1上的第一耦合器6-11和第一光纤环7-1上的第二耦合器6-12的99％功率端口熔接在一起；另一路依次经第一光纤环7-1对的第一耦合器6-11的99％功率端口和第一光纤延迟线10-1进入第二光纤环7-2上的第一耦合器6-21中，与第一光纤环7-1一样，经由第二传感单元8-2和第二光纤环7-2上的第二耦合器6-22输出，第二光纤环7-2上的第一耦合器6-21和第二光纤环7-2上的第二耦合器6-22的99％功率端口熔接在一起；第二光纤环7-2上的第一耦合器6-21的99％功率端口经过第二光纤延迟线10-2进入第三光纤环7-3上的第一耦合器6-31中，与第二光纤环7-2一样，经由第三传感单元8-3和第三光纤环7-3上的第二耦合器6-32输出；依次类推，光信号分别接入多个传感单元，相邻两个光纤环之间接入光纤延迟线，每个光纤环的输出均接入光纤合束器11，再由光电探测器12转换成电信号，显示在示波器13上；进入每个光纤环的衰荡腔内的光分别为100％、99％、98％、97％，脉冲激光强度相等，便于与光电探测器12的探测能力相匹配。
每段光纤延迟线均由单模光纤构成，各个光纤延迟线的长度各不相同，即延迟时间不同，从而从时域上区分每个参量的衰荡曲线，光纤延迟线的长度L0由公式L0＝tc/neff决定，其中t为脉冲激光在长度为L0的光纤内的传播时间，c为光速，neff为光纤的有效折射率，第一光纤延迟线10-1的长度为：L1＝5·τ1·c/neff，第二光纤延迟线10-2的长度为：L2＝5·(τ1+τ2)·c/neff，第三光纤延迟线10-3的长度为：L3＝5·(τ1+τ2+τ3)·c/neff，其中，τ1、τ2和τ3分别为第一光纤环7-1、第二光纤环7-2及第三光纤环7-3内脉冲激光的衰荡时间，依次类推可得到每个光纤延迟线的长度，这样使得输出的信号能在时域上分开，多个衰荡信号依次输出，相互不重叠。
此外，各个光纤环的长度不同，即每个环腔的腔长不同，以便后续的数据处理。在使用时，可以根据需要增加和减少光纤环和传感单元的数量，也可以加入光纤放大器，以扩大传感器复用量，满足实际需要。
在对传感信号进行处理时，一般利用时分复用解调技术，时分复用解调技术属于光强度解调，受解调精度较低，实用性不强。为了解决这一问题，在时分复用的基础上结合频分复用技术，使每个光纤环的长度不同，即让每个环腔的腔长不同，频率不同，这样混在一起的多个传感信号可以通过快速傅立叶变换(FFT)将其分辨出来。如图2所示，通过每个峰的中心频率可判断出待测量。随着每个环腔参量的变化，每个峰的宽度也随之变化。取每个峰的3db带宽作为衡量每个参量变化的标准，既每个参量变化对应的衰荡时间，即可以实现多参量的同时测量。
本发明可以满足利用光纤腔衰荡技术进行多参量同时测量的目的，同时能够将各通道的传感信号区分开，降低后续数据处理量。

Claims (9)

1.一种基于光纤环腔衰荡技术的多参量传感网络，设置于气室内，其特征在于：沿光信号的传输方向依次设置有信号发生器、激光调制器、激光源、隔离器、光纤放大器、耦合器、光纤延迟线、光纤环、光纤合束器、光电探测器及示波器，其中，信号发生器、激光调制器和激光源之间由线路连接，光电探测器与示波器之间用线路连接，其它器件之间都由单模光纤连接；所述耦合器、光纤延迟线及光纤环均有多个，各个光纤环均形成衰荡腔，经光纤放大器放大后的激光源依次进入各个光纤环的衰荡腔内，每个光纤环的输入端和输出端分别设置有第一耦合器和第二耦合器，每个光纤环上均设有传感单元，光信号都是从光纤环上的第一耦合器的低分光比端进入，经过传感单元和第二耦合器，经每个光纤环上的第二耦合器的低分光比端输出，进入光纤合束器，相邻两个光纤环之间设有光纤延迟线，各个光纤环的长度不同，各个光纤延迟线的长度也不同；
被光纤放大器放大的脉冲激光经由第一个光纤环上的第一耦合器分成两路，一路进入第一个光纤环的衰荡腔中，经过传感单元后，经第一个光纤环的第二耦合器的输出，另一路经过光纤延迟线进入第二个环形腔的第一耦合器中，与第一个光纤环一样，经由传感单元和第二个光纤环的第二耦合器输出；依次类推，光信号分别接入各个传感单元，相邻两个光纤环之间接入光纤延迟线，每个光纤环的输出均接入光纤合束器，再由光电探测器转换成电信号，显示在示波器上。
2.如权利要求1所述的一种基于光纤环腔衰荡技术的多参量传感网络，其特征在于：每个所述耦合器均为2*2的光纤耦合器，其耦合比为99％：1％，被光纤放大器放大的脉冲激光经第一光纤环上的第一耦合器的1％功率输出端口进入第一光纤环的衰荡腔中，并经第一光纤环上的第二耦合器的1％端输出，第一光纤环上的第一耦合器和第一光纤环上的第二耦合器的99％功率端口熔接在一起；第一光纤环上的第一耦合器的99％功率端口经过第一光纤延迟线进入第二光纤环上的第一耦合器中，与第一光纤环一样，经由第二光纤环上的第二耦合器的1％端输出，第二光纤环上的第一耦合器和第二光纤环上的第二耦合器的99％功率端口熔接在一起，以此类推，接入多个光纤环和多个传感单元。
3.如权利要求2所述的一种基于光纤环腔衰荡技术的多参量传感网络，其特征在于：沿光信号的传输方向，进入每个光纤环的衰荡腔内的光依次为100％、99％、98％、97％，各个脉冲激光的强度相等。
4.如权利要求1所述的一种基于光纤环腔衰荡技术的多参量传感网络，其特征在于：每个光纤延迟线均由单模光纤构成，各个光纤延迟线的长度各不相同，即延迟时间不同。
5.如权利要求4所述的一种基于光纤环腔衰荡技术的多参量传感网络，其特征在于：所述光纤延迟线的长度L0由公式L0＝tc/neff决定，其中t为脉冲激光在长度为L0的光纤内的传播时间，c为光速，neff为光纤的有效折射率，第一个光纤延迟线的长度为：L1＝5·τ1·c/neff，第二个光纤延迟线的长度为：L2＝5·(τ1+τ2)·c/neff，第三个光纤延迟线的长度为：L3＝5·(τ1+τ2+τ3)·c/neff，τ1、τ2和τ3分别为第一个光纤环、第二个光纤环及第三个光纤环内脉冲激光的衰荡时间，依次类推可得到每个光纤延迟线的长度。
6.如权利要求1所述的一种基于光纤环腔衰荡技术的多参量传感网络，其特征在于：所述激光源采用波长为1550nm的激光源。
7.如权利要求1所述的一种基于光纤环腔衰荡技术的多参量传感网络，其特征在于：所述光纤放大器采用掺铒光纤放大器，掺铒光纤放大器由一段2m的掺铒光纤和980nm泵浦光源通过一个980/1550波分复用器制成。
8.如权利要求1所述的一种基于光纤环腔衰荡技术的多参量传感网络，其特征在于：所述的传感元件采用错位干涉结构、光纤对准气室，或法布里-珀罗光纤腔。
9.如权利要求8所述的一种基于光纤环腔衰荡技术的多参量传感网络，其特征在于：各个所述光纤环的长度不同，即每个环腔的腔长不同。
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