一種基於多機理融合的多參量分布式光纖傳感器的製作方法

2023-05-18 00:30:21

專利名稱：一種基於多機理融合的多參量分布式光纖傳感器的製作方法
技術領域：
本發明屬於光電信號處理領域，尤其涉及一種基於多機理融合的多參量分布式光纖傳感器。
背景技術：
分布式光纖傳感器(DOFS)以其可對被測量場的連續空間進行傳感而成為傳感領域中引人注目的一項技術，充分利用了光纖的傳和感的能力，沿光纖可同時得到被測量場在時間和空間上的分布信息，具有普通電傳感器所無法替代的獨特應用前景。不同機理分布式光纖傳感主要包括瑞利(Rayleigh)散射D0FS、光纖幹涉儀D0FS、光纖的偏振模式f禹合DOFS、拉曼(Raman)散射DOFS和布裡淵(Brillouin)散射DOFS等。目前針對單一機理的分布式光纖傳感器的研究相對深入:公開號為CN 101324424A的專利申請文件公開了一種新型光纖布裡淵光時域分析器，其利用光纖寬帶非線性光放大效應和相關方法的布裡淵散射光的應變、溫度效應和光時域分析器。包括窄帶單頻光纖雷射器，光纖分路器，脈衝調製器，兩個光纖環形器，外差接收器數位訊號處理器，光纖光柵濾波器，單模光纖和連續運行的光纖拉曼泵浦雷射器。授權公告號為CN 1232846C的中國專利公布了一種基於微彎傳輸波導的馬赫-曾德幹涉型傳感裝置，該傳感裝置輸入光波導的一端與雷射光源連接，其另一端與第一耦合器的一端連接後，分別接彎折的傳感光波導臂和彎折的參考光波導臂的一端，再經第二耦合器接輸出光 波導，傳感光波導臂的外側裝有傳感樣品池，參考光波導臂的外側裝有標準樣品池。申請公布號為CN 102818657 A的專利申請文件公開了一種基於EDFA放大技術的遠程分布式拉曼溫度傳感器，其特徵在於至少設有兩條傳感光纖，相鄰的兩條傳感光纖之間設有兩個環形器和放大器，其中上一級傳感光纖中的信號依次經過第一環形器、EDFA放大器、第二環形器後進入下一級傳感光纖，下一級傳感光纖中的背向反射信號依次經第二環形器、第一環形器後返回上一級傳感光纖並經波分復用器送入數據採集器。但以上現有技術受各自技術特點的制約，難以實現分布式光纖傳感器的理想應用目標:對靜態和動態多參量進行大範圍的實時在線監測，特別是對於建築結構、輸電/通信線纜、輸油/氣管道、橋梁、水庫水壩、軍事場地等的監測，單一的應變或溫度等檢測難以達到行業應用規範的多參量檢測需要。例如要同時對靜態、動態和大幅度應變等進行傳感，這是單一傳感機理的分布式光纖傳感器難以達到的。

發明內容
本發明針對目前對多機理融合的分布式光纖傳感器研究較少，而單機理分布式光纖傳感器難以實現對多機理多結構的傳感光纖理想應用的技術問題，提出了一種基於多機理融合的多參量分布式光纖傳感器。—種基於多機理融合的多參量分布式光纖傳感器，包括參數可控光源、可調光信號處理系統和可重配置光電信號處理系統；其中可調光信號處理系統的一端由光纖並聯連接參數可控光源和可重配置光電信號處理系統，另一端設有與待檢測的多機理多結構的傳感光纖相連接的接口；由參數可控光源產生多機理的光信號，所述多機理的光信號經光纖進入可調光信號處理系統完成光路控制後，經過待檢測的多機理多結構的傳感光纖，重返可調光信號處理系統，並在實現解復用和直接光功率檢測、光相干檢後進入可重配置光電信號處理系統進行分析檢測，得出待檢測的多機理多結構的傳感光纖的傳感結果；所述的參數可控光源由波長可移窄帶光源、電光相位調製器、聲光調製器、馬赫-曾德電光調製器、可調濾波器、高速光偏振控制器、電子控制系統組成；由電子控制系統通過雙向控制信號對依次串聯的波長可移窄帶光源、電光相位調製器、聲光調製器、馬赫-曾德電光調製器、可調濾波器、高速光偏振控制器進行參數選擇控制，從而得到多機理光信號;所述的可調光信號處理系統包括光路控制模塊、直接光功率檢測器或光相干檢測器，由光路控制模塊對所述多機理光信號進行光路控制，由直接光功率檢測器或光相干檢測器對所述多機理光信號進行檢測；所述的可重配置光電信號處理系統由光電檢測器、電子放大器、濾波器、高速AD轉換器和基於FPGA的DSP處理模塊組成，用來分析檢測接收到光信號，並得出最後的傳感結果。所述的參數可控光源由波長可移窄帶光源作為單獨的中心波長可以控制原始光源，發出原始光信號；電光相位調製器接收到所述原始光信號後對所述原始光信號的相位進行調製，可作為幹涉儀分布式光纖傳感器的預調製、編碼分布式光纖傳感器的相位移動；聲光調製器對經相位調製後的光信號完成光頻率移動和幅度調製，使經聲光調製器調製後的光信號構成一定的結構可產生多種光頻率變化，可用於布裡淵分布式光纖傳感器的光頻移；馬赫-曾德電光調製器對聲光調製後的光信號進行電光調製，調製光信號的幅度，產生光脈衝，產生η相移；高速光偏振控制器對經馬赫-曾德電光調製器幅度調製的光信號進行偏振態控制，可用於一般分布式光纖傳感器常用的偏振擾偏，也可用於特殊的偏振控制和跟蹤。所述的光路控制模塊由光放大模塊、光功率分配模塊、波分復用與解復用模塊構成，其中由光放大模塊對所述的多機理光信號進行光路放大；光功率分配模塊對不同機理光信號的光功率進行分配；波分復用與解復用模塊對不同機理光信號的光路進行波分控制，波分復用是把幾路信號光合在一起，或信號光和輔助光一起輸入光纖，如進行拉曼放大；波分解復用是把頻譜傳感信號光分開，如布裡淵散射光和拉曼散射光分開接收、斯託克斯光和反斯託克斯光分開；信號光和輔助光分開，如拉曼放大。所述的可重配置光電信號處理系統由光電檢測器對接收到的光檢測信號進行光電轉換；電子放大器對所述光電轉換後得到的微弱電信號進行增強；濾波器對所述增強了的電信號進行濾波，得到模擬信號；高速AD轉換器將所述模擬信號轉化為數位訊號；基於FPGA的DSP處理模塊對所述數位訊號進行時域、頻域、相關域分析和編解碼。所述的參數可控光源的控制參數為波長、幅度、頻率、偏振或相位。本發明技術方案的有益效果為:通過參數可控光源產生可用於檢測多機理多結構傳感光纖的多機理光信號，通過可調光信號處理系統對參數可控光源產生的多機理光信號進行光放大、光功率分配、波分復用、波分解復用等光路控制，多機理光信號對多機理多結構的傳感光纖進行傳感測量後反射回可調光信號處理系統，由其對反射回的光信號進行直接光功率檢測或光相干檢測，並由可重配置光信號處理系統對該光信號完成分析與檢測，最後得出傳感結果。本發明實現了對多機理多結構的傳感光纖的傳感檢測，可根據實際需求產生和調節用於傳感檢測的多機理光信號，操作簡單，應用廣泛。


圖1為本發明基於多機理融合的多參量分布式光纖傳感器結構框圖。圖2為本發明中參數可控光源的構成原理框圖。圖3為本發明中可重配置光電信號處理系統的構成原理框圖。
具體實施例方式一種基於多機理融合的多參量分布式光纖傳感器，其結構框圖如圖1所示，可調光信號處理系統2的一端通過光纖5並聯連接參數可控光源I和可重配置光電信號處理系統3，另一端連接到待檢測的多機理多結構傳感光纖4。其中，參數可控光源I構成原理框圖如圖2所示，參數可控光源I由波長可移窄帶光源6、電光相位調製器7、聲光調製器8、馬赫-曾德電光調製器9、可調濾波器10、高速光偏振控制器11和電子控制系統12組成。其中由電子控制系統12通過雙向控制信號對其餘組成部分進行參數選擇控制；波長可移窄帶光源6作為單獨的中心波長可以控制原始光源，發出原始光信號；電光相位調製器7接收到所述原始光信號後對所述原始光信號的相位進行調製；聲光調製器8對經相位調製後的光信號完成光頻率移動和幅度調製，使經聲光調製器8調製後的光信號構成一定的結構可產生多種光頻率變化；馬赫-曾德電光調製器9對聲光調製後的光信號進行電光調製，調製光信號的幅度，產生光脈衝，產生31相移；高速光偏振控制器11對經馬赫-曾德電光調製器9幅度調製的光信號進行偏振態控制後產生多機理的光信號，進入接下來的傳輸過程。可重配置光電信號處理系統3構成結構圖如圖3所示，由光電檢測13、電子放大器14、濾波器15、高速AD轉換16、基於FPGA的DSP處理模塊17組成。光信號進入可重配置光電信號處理系統3後由光電檢測器13對接收到的光信號進行光電轉換；電子放大器14對所述光電轉換後得到的微弱電信號進行增強；濾波器15對所述增強了的電信號進行濾波，得到模擬信號；高速AD轉換器16將所述模擬信號轉化為數位訊號；基於FPGA的DSP處理模塊17對所述數位訊號進行時域、頻域、相關域分析和編解碼。對於如馬赫-曾德光纖傳感器之類的幹涉型光纖傳感器，由波長可移窄帶光源6產生一直流光，經過電光相位調製器7進行直流光的相位調製，電子控制系統12將聲光調製器8、馬赫曾德電光調製器9的調製信號控制為零，將可調濾波器10調整為波長可移窄帶光源6的中心波長濾波，並使用高速光偏振控制器11對光偏振態進行調整，得到馬赫曾德傳感的光信號，進入可調光信號處理系統2。可調光信號處理系統2中光放大模塊對馬赫曾德傳感器光信號進行光路放大，光功率分配模塊對雙路光功率進行50-50分配，波分復用與解復用模塊在此可處於關閉狀態。所得到雙路光信號進入多機理多結構傳感光纖4感應外界環境的實時振動，雙端檢測機理的馬赫曾德傳感光信號通過傳輸光纖5的後端返回可調光信號處理系統2，在可調光信號處理系統2中進行直接光功率檢測後，進入可重配置光電信號處理系統3,通過光電檢測器13、電子放大器14、濾波器15、高速AD轉換器16分別完成電信號的光電檢測、電子放大、濾波、AD轉換功能，並在基於FPGA的DSP處理模塊17中實現電信號的時域互相關分析，得到馬赫曾德傳感的振動定位信息，並在計算機上進行顯示。對於布利淵光纖傳感器，復用兩組參數可控光源I的結構，由波長可移窄帶光源6產生一直流光，均分兩路，一路光經過電光相位調製器7進行相位調製，並使用高速光偏振控制器11對光偏振態進行調整，得到直流光的相位調製信號；另一路光經過馬赫曾德爾電光調製器9和聲光調製器8，再經過可調光濾波器10，得到窄帶光脈衝信號，與另一路的相位調製信號同時輸出進入可調光信號處理系統2。可調光信號處理系統2中，由光放大模塊對相位調製信號和脈衝信號進行光路放大後輸出，輸入多機理多結構傳感光纖4。與脈衝光傳輸方向相反的布利淵信號通過傳輸光纖5的後端返回可調光信號處理系統3，通過光電檢測器13、電子放大器14、濾波器15、高速AD轉換器16分別完成電信號的光電檢測、電子放大、濾波、AD轉換功能，並在基於FPGA的DSP處理模塊17中進行時域信號的累加等運算，得到傳感光纖上各點布利淵信號的強度信息，在計算機上進行顯示。
權利要求
1.一種基於多機理融合的多參量分布式光纖傳感器，其特徵在於，包括參數可控光源(1)、可調光信號處理系統(2)和可重配置光電信號處理系統(3);其中可調光信號處理系統(2)的一端由光纖(5)並聯連接參數可控光源(I)和可重配置光電信號處理系統(3)，另一端設有與待檢測的多機理多結構的傳感光纖(4)相連接的接口 ； 由參數可控光源(1)產生多機理的光信號，多機理的光信號經光纖(5)進入可調光信號處理系統(2)完成光路控制後，經過待檢測的多機理多結構的傳感光纖(4)，重返可調光信號處理系統(2)，並在實現解復用和直接光功率檢測、光相干檢後進入可重配置光電信號處理系統(3)進行分析檢測，得出待檢測的多機理多結構的傳感光纖(4)的傳感結果；所述的參數可控光源(I)包括波長可移窄帶光源(6)、電光相位調製器(7)、聲光調製器(8)、馬赫-曾德電光調製器(9)、可調濾波器(10)、高速光偏振控制器(11)、電子控制系統(12);由電子控制系統(12)通過雙向控制信號對依次串聯的波長可移窄帶光源(6)、電光相位調製器(7)、聲光調製器(8)、馬赫-曾德電光調製器(9)、可調濾波器(10)、高速光偏振控制器(11)進行參數選擇控制，從而得到多機理光信號； 所述的可調光信號處理系統(2)包括光路控制模塊、直接光功率檢測器或光相干檢測器，由光路控制模塊對所述多機理光信號進行光路控制，由直接光功率檢測器或光相干檢測器對所述多機理光信號進行檢測； 所述的可重配置光電信號處理系統(3)由光電檢測器(13)、電子放大器(14)、濾波器(15)、高速AD轉換器(16)和基於FPGA的DSP處理模塊(17)組成，用於分析檢測接收到光信號，並得出最後的傳感結果。
2.根據權利要求1所述的基於多機理融合的多參量分布式光纖傳感器，其特徵在於，所述的參數可控光源(I)中: 波長可移窄帶光源(6)，作為單獨的中心波長控制原始光源，發出原始光信號； 電光相位調製器(7)，接收到所述原始光信號後對所述原始光信號的相位進行調製；聲光調製器(8)，對經相位調製後的光信號完成光頻率移動和幅度調製，使經聲光調製器(8)調製後的光信號構成一定的結構產生多種光頻率變化； 馬赫-曾德電光調製器(9)，對聲光調製後的光信號進行電光調製，調製光信號的幅度,產生光脈衝,產生π相移； 高速光偏振控制器(11)，對經馬赫-曾德電光調製器(9)幅度調製的光信號進行偏振態控制後產生多機理的光信號。
3.根據權利要求1所述的基於多機理融合的多參量分布式光纖傳感器，其特徵在於，所述的光路控制模塊包括: 光放大模塊，對所述的多機理光信號進行光路放大； 光功率分配模塊，對不同機理光信號的光功率進行分配； 波分復用與解復用模塊，對不同機理光信號的光路進行波分控制。
4.根據權利要求1所述的基於多機理融合的多參量分布式光纖傳感器，其特徵在於，所述的可重配置光電信號處理系統(3)中， 由光電檢測器(13 )，對接收到的光檢測信號進行光電轉換； 電子放大器(14)，對所述光電轉換後得到的微弱電信號進行增強； 濾波器(15)，對經過電子放大器(14)增強後的電信號進行濾波，得到模擬信號；高速AD轉換器(16)，將所述模擬信號轉化為數位訊號； 基於FPGA的DSP處理模塊(17)，對所述數位訊號進行時域、頻域、相關域分析和編解碼。
5.根據權利要求1所述的基於多機理融合的多參量分布式光纖傳感器，其特徵在於，所述的參數可控光源(I)的控制參數為波 長、幅度、頻率、偏振或相位。
全文摘要
本發明公開了一種基於多機理融合的多參量分布式光纖傳感器，由參數可控光源、可調光信號處理系統、可重配置光電信號處理系統三部分組成；其中可調光信號處理系統的一端由光纖並聯連接參數可控光源和可重配置光電信號處理系統，另一端設有可與待檢測的多機理多結構的傳感光纖相連接的接口。本發明實現了對多機理多結構的傳感光纖的傳感檢測，可根據實際需求產生和調節用於傳感檢測的多機理光信號，操作簡單，應用廣泛。
文檔編號G01D5/26GK103175555SQ20131006696
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月1日 優先權日2013年3月1日
發明者宋牟平, 董沛君 申請人:浙江大學