CN109631963A - 基于微结构光纤干涉微波光子传感方法的多元参量测量***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明给出一种基于微结构光纤干涉微波光子传感方法的多元参量测量***及方法，***主要包括宽谱光源(1)、光滤波器(2)、3dB光纤耦合器(3)、可调光延时线(4)、可调光衰减器(5)、微结构光纤环(6)、2×2光纤耦合器(7)、干涉传感单元(8)、光谱分析仪(9)、电光调制器(10)、色散单元(11)、光电探测器(12)以及矢量网络分析仪(13)。本发明通过将光纤干涉结构和微结构光纤环结合，实现对多元参量的传感；同时，结合微波光子滤波器，实现光谱测量到频域测量的转化，从而大幅提高传感灵敏度，还具有多元参量同时测量的能力。
Description
技术领域
本发明涉及微波光子、光电子学、光纤光学和光纤传感技术等领域，特别涉及一种基于微结构光纤干涉微波光子传感方法的多元参量测量***及方法。
背景技术
重大土木工程结构，如桥梁、大坝、隧道、铁路等，在长期使用过程中不可避免的会受到各种自然以及人为因素的作用而发生损伤，其安全问题关乎人民的生命财产安全，正引起人们的广泛关注。在重大工程结构健康监测中，往往需要对结构内部受力特征、温度变化乃至其所在环境参数如折射率等参数进行综合分析判断，以此对其内部损伤程度做出正确评估。因此，发展具有多参量同时测量的高精度探测***成为重要趋势。
在现有的传感器中，光纤传感器以其独特的优势受到了极大重视并已广泛应用于工程结构健康监测领域。其中，基于光纤光栅的传感装置因其结构简单、稳定性高、抗电磁干扰等优势在桥梁、大坝、铁路等工程中均已得到应用。
目前，常规光纤光栅型传感器仅能实现温度和应力等参数的测量，无法实现多元参量的同时敏感；另一方面，其传统的波长或强度解调方式也带来了如灵敏度不高、难以克服交叉敏感等劣势。因此，急需从理论上研究新的能满足上述条件的传感装置。
微波光子技术的发展为解决目前光纤传感***面临的瓶颈问题提供了新的可能途径。微波光子技术将电子技术和光子技术有机结合，具有大带宽、低损耗、体积小等优势。近年来，微波光子技术已广泛应用于雷达、通信、医学、军事等领域。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，在高精度、多元参量、分布式/准分布式光纤传感领域取得一系列创新性研究成果，对利用微波光子技术进行传感研究具有一定的积极作用，特别是在当前经济建设的重要阶段，本发明结构简单、制作方便、全光纤化、超高灵敏度等特点令其在生物医疗工程、环境工程、结构工程等领域中能够获得广泛应用，并为桥梁、隧道、铁路等重大工程的结构健康监测提供一种新的途径，对提升重大工程质量监控体系的精确性和可靠性具有重要的理论和现实指导意义。
本发明提供的一种基于微结构光纤干涉微波光子传感方法的多元参量测量***，主要包括宽谱光源、光滤波器、3dB光纤耦合器、可调光延时线、可调光衰减器、微结构光纤环、2×2光纤耦合器、干涉传感单元、光谱分析仪、电光调制器、色散单元、光电探测器以及矢量网络分析仪，上述光滤波器的输出端口与3dB光纤耦合器的输入端口相连；上述3dB光纤耦合器的两个输出端口分别与可调光延时线和微结构光纤环的输入端口相连；上述3dB光纤耦合器的两个输入端口分别与可调光衰减器和微结构光纤环的输出端口相连；上述3dB光纤耦合器的两个输出端口分别与光谱分析仪和电光调制器的光输入端口相连；上述电光调制器的光输出端口与色散单元的输入端口相连；上述电光调制器的射频输入端与矢量网络分析仪的射频输出端口相连；上述色散单元的输出端口与光电探测器的光输入端口相连；上述光电探测器的电输出端口与矢量网络分析仪的输入段相连。
优选的，上述微结构光纤环包括单模光纤和微米光纤环，通过利用熔融拉锥技术拉伸得到的微米光纤在显微镜下经微加工工艺得到。
优选的，上述电光调制器是强度调制型调制器、相位调制型调制器或偏振调制型调制器中的任意一种。
优选的，上述色散单元是任意具有一定色散的器件或模块。
优选的，上述色散单元为单模光纤或色散补偿光纤。
本发明还提供一种根据上述的基于微结构光纤干涉微波光子传感方法的多元参量测量***进行测量的方法，宽谱光源发出的光经过用于光谱整形的光滤波器后由3dB光纤耦合器分为两路信号，一部分输入到微结构光纤环，另一部分输入到可调光延时线和可调光衰减器，接着经过2×2光纤耦合器后分为两路，一路由光谱分析仪进行光谱检测和分析。
优选的，上述可调光延时线和可调光衰减器用于调节干涉谱的自由光谱范围以及平衡两路干涉光束的功率。
优选的，上述微结构光纤环和马赫增德尔干涉仪共同构成了一个独立的干涉传感单元。
优选的，上述3dB光纤耦合器的另一路输出送入电光调制器调制，输出信号经过色散单元进行色散控制后，送入光电探测器转换为电信号；最终，通过矢量网络分析仪提供电光调制器的输入信号，并接收光电探测器的信号从而将干涉形成的光谱转换到频域测量。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)融合了微光纤的倏逝场效应，光纤环的模式耦合效应以及马赫增德尔干涉仪的精细光谱谐振效应，因此能表现出极为优异的光谱选择特性，对外界参量如温度、折射率、应力等均具有较强的敏感特性。
(2)通过光谱分析仪和矢量网络分析仪分别测量光域和频域的特征参数，即波长和频率，可实现微光纤周围环境的双参量或多元参量传感。
(3)通过将干涉形成的光谱转换到频域测量，因此极大地提高了测量灵敏度和精度。
(4)通过改变微结构光纤环的直径或色散单元的色散值，可改变最终的干涉谱和频谱的值，因此具有极大的测量范围。
(5)其干涉传感单元具有可复用的潜质，因而在准分布式传感领域也具有一定的潜在应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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。
图1是本发明实施例提供的基于微结构光纤干涉微波光子传感方法的多元参量测量***的结构示意图；
图2是本发明实施例中的微结构光纤环单元的结构示意图。
其中，1-宽谱光源；2-光滤波器；3-3dB光纤耦合器；4-可调光延时线；5-可调光衰减器；6-微结构光纤环；6-1-单模光纤；6-2-微米光纤环；7-2×2光纤耦合器；8-干涉传感单元；9-光谱分析仪；10-电光调制器；11-色散单元；12-光电探测器；13-矢量网络分析仪。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，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过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
如图1所示，本实施例提供一种基于微结构光纤干涉微波光子传感方法的多元参量测量***，基于微结构光纤干涉微波光子传感方法的多元参量测量***，其连接方式为：宽带光源1与光滤波器2的输入端口相连，光滤波器2的输出端口与3dB光纤耦合器3的输入端口相连，3dB光纤耦合器3的两个输出端口分别与可调光延时线4和微结构光纤环5的输入端口相连；2×2光纤耦合器7的两个输入端口分别与可调光衰减器5和微结构光纤环6的输出端口相连；光谱分析仪的输入端口与2×2光纤耦合器7的其中一个输出端口相连；电光调制器10的光输入端口与2×2光纤耦合器7的另一个输出端口相连；色散单元11的输入端口与电光调制器10的光输出端口相连；光电探测器12的光输入端口与色散单元11的输出端口相连；矢量网络分析仪13的射频输出端口与电光调制器10的射频输入端口相连；矢量网络分析仪13的射频输入端口与光电探测器12的射频输出端口相连；其中光电探测器12与矢量网络分析仪13之间，矢量网络分析仪13与电光调制器10之间用标准射频电缆连接，其他器件间用标准单模光纤连接。
为进一步阐述本发明的方案原理，下面对方案中各部分的原理进行进一步说明：
***共分为两部分，第一部分为微结构光纤干涉多元参量敏感单元，包括宽谱光源1、光滤波器2和干涉传感单元8内的全部器件。其中，宽谱光源1发出的光经过光滤波器2进行整形后送入由3dB光纤耦合器3，可调光延时线4，可调光衰减器5，微结构光纤环6以及2×2光纤耦合器7共同构成的干涉传感单元。其中的微结构光纤环用于敏感外界环境参量，由于其特有的倏逝场效应，因而对外界环境的变化几位灵敏。可调光延时线4用于调节干涉仪两臂之间的臂长差，可调光衰减器5用于匹配两臂间的功率。通过调节可调光延时线4改变臂长差，即可改变最终干涉谱的自由光谱范围。
当外界环境参量发生变化时，微结构光纤的长度、折射率等参数将会发生相应变化，从而导致干涉仪两臂长差发生变化，从而导致干涉光谱的谐振波长以及自由光谱范围的改变，其中谐振波长的变化可通过光谱得出，干涉谱FSR的变化可通过将光谱转化到频域(傅里叶域)得出。
***的第二部分为微波光子频域解调增敏传感单元，包括除第一部分外的其他器件和设备。将马赫增德尔干涉仪的输出端送入电光调制器调制10，输出信号经过色散单元11进行色散控制后，送入光电探测器12转换为电信号。通过控制色散单元11的色散值，可控制干涉梳状谱相邻间隔频率之间的延时差。最终，通过矢量网络分析仪13提供电光调制器10的输入信号，并接收光电探测器12探测的信号从而将干涉形成的光谱转换到频域测量。由于频率测量的频率分辨能力远高于光谱测量，因此该解调机制将极大提高测量的灵敏度和精度。另外，通过光谱分析仪9和矢量网络分析仪13分别测量光域和频域的特征参数，即波长和频率，可实现微结构光纤周围环境的双参量或多元参量传感。
当外界环境参量如温度、应力、折射率等发生变化时，外界参量的变化会导致微结构光纤环6参数的变化，从而导致干涉光谱的谐振波长以及自由光谱范围的改变，其中谐振波长的变化可通过光谱得出，干涉谱自由光谱范围的变化可通过将光谱转化到频域(傅里叶域)得出。因此，利用微结构光纤环6结合马赫增德尔干涉仪的光域和频域特性进行联合分析，即可实现多参量的同步传感，同时具备自反馈和自补偿的特征。
与现有技术相比，本发明总体而言，能够取得下列有益效果：
(1)融合了微光纤的倏逝场效应，光纤环的模式耦合效应以及马赫增德尔干涉仪的精细光谱谐振效应，因此能表现出极为优异的光谱选择特性，对外界参量如温度、折射率、应力等均具有较强的敏感特性。
(2)通过光谱分析仪和矢量网络分析仪分别测量光域和频域的特征参数，即波长和频率，可实现微光纤周围环境的双参量或多元参量传感。
(3)通过将干涉形成的光谱转换到频域测量，因此极大地提高了测量灵敏度和精度。
(4)通过改变微米光纤环的直径或色散单元的色散值，可改变最终的干涉谱和频谱的值，因此具有极大的测量范围。
(5)其干涉传感单元具有可复用的潜质，因而在准分布式传感领域也具有一定的潜在应用价值。
需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或***。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，应理解，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于微结构光纤干涉微波光子传感方法的多元参量测量***，其特征在于，所述测量***主要包括宽谱光源(1)、光滤波器(2)、3dB光纤耦合器(3)、可调光延时线(4)、可调光衰减器(5)、微结构光纤环(6)、2×2光纤耦合器(7)、干涉传感单元(8)、光谱分析仪(9)、电光调制器(10)、色散单元(11)、光电探测器(12)以及矢量网络分析仪(13)，所述光滤波器(2)的输出端口与3dB光纤耦合器(3)的输入端口相连；所述3dB光纤耦合器(3)的两个输出端口分别与可调光延时线(4)和微结构光纤环(6)的输入端口相连；所述3dB光纤耦合器(3)的两个输入端口分别与可调光衰减器(5)和微结构光纤环(6)的输出端口相连；所述3dB光纤耦合器(3)的两个输出端口分别与光谱分析仪(9)和电光调制器(10)的光输入端口相连；所述电光调制器(10)的光输出端口与色散单元(11)的输入端口相连；所述电光调制器(10)的射频输入端与矢量网络分析仪(13)的射频输出端口相连；所述色散单元(11)的输出端口与光电探测器(12)的光输入端口相连；所述光电探测器(12)的电输出端口与矢量网络分析仪(13)的输入段相连。
2.根据权利要求1所述的基于微结构光纤干涉微波光子传感方法的多元参量测量***，其特征在于，所述微结构光纤环包括单模光纤(6-1)和微米光纤环(6-2)，通过利用熔融拉锥技术拉伸得到的微米光纤在显微镜下经微加工工艺得到。
3.根据权利要求1所述的基于微结构光纤干涉微波光子传感方法的多元参量测量***，其特征在于，所述电光调制器(10)是强度调制型调制器、相位调制型调制器或偏振调制型调制器中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的基于微结构光纤干涉微波光子传感方法的多元参量测量***，其特征在于，所述色散单元(11)是任意具有一定色散的器件或模块。
5.根据权利要求4所述的基于微结构光纤干涉微波光子传感方法的多元参量测量***，其特征在于，所述色散单元(11)为单模光纤或色散补偿光纤。
6.一种根据权利要求1-5所述的基于微结构光纤干涉微波光子传感方法的多元参量测量***进行测量的方法，其特征在于，宽谱光源(1)发出的光经过用于光谱整形的光滤波器(2)后由3dB光纤耦合器(3)分为两路信号，一部分输入到微结构光纤环(6)，另一部分输入到可调光延时线(4)和可调光衰减器(5)，接着经过2×2光纤耦合器(7)后分为两路，一路由光谱分析仪(9)进行光谱检测和分析。
7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述可调光延时线(4)和可调光衰减器(5)用于调节干涉谱的自由光谱范围以及平衡两路干涉光束的功率。
8.根据权利要求6或7所述的测量方法，其特征在于，所述微结构光纤环(6)和马赫增德尔干涉仪共同构成了一个独立的干涉传感单元(8)。
9.根据权利要求6或7所述的测量方法，其特征在于，所述3dB光纤耦合器(3)的另一路输出送入电光调制器(10)调制，输出信号经过色散单元(11)进行色散控制后，送入光电探测器(12)转换为电信号；最终，通过矢量网络分析仪(13)提供电光调制器(10)的输入信号，并接收光电探测器(12)的信号从而将干涉形成的光谱转换到频域测量。
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