一種基於ofdr系統測量保偏光纖拍長及應變的高解析度傳感系統的製作方法
2023-10-05 09:45:54 2
專利名稱：一種基於ofdr系統測量保偏光纖拍長及應變的高解析度傳感系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於分布式光纖傳感器技術領域，特別涉及一種利用OFDR系統測量保偏光纖拍長以及應力或應變的傳感系統。
背景技術：
隨著通信系統傳輸速率的提高和光纖陀螺、光纖水聽器等高級光纖傳感器件的發展，在以光學相干檢測為基礎的幹涉型光纖傳感器中，控制偏振態方向不變，提高相干信躁t匕，以實現對物理量的高精度測量變得十分迫切。光纖的應力測量通常採用四分之一波片法，這種方法已經普遍地用於普通光學玻璃和晶體的應力測量。但是目前分布式光纖傳感器使用的普通光纖易受彎曲、壓力、扭轉、電磁場、溫度等外界因素產生的雙折射的擾動，這些外界擾動的不確定性導致了光纖輸出偏振態隨時間和空間變化的不穩定，所以要在光纖中利用偏振態或相位的性能是十分困難的。
發明內容
針對上述現有的技術和存在的問題，本發明提供一種高解析度測量保偏光纖拍長和應力或應變的OFDR的傳感系統。能夠精確的控制偏振態，獲得穩定的偏振模式，使光纖對外界因素幹擾的影響顯著變小，實現對應力或應變的高解析度精確測量。本發明所採用的技術方案如下:
一種基於OFDR系統測量保偏光纖拍長及應變的高解析度傳感系統，其特徵在於:包括線性掃頻窄線寬光源、起偏器、幹涉系統、光電探測器、光外差接收機和信號處理系統，所述線性掃頻窄線寬光源產生的光通過起偏器轉換為線偏振光後注入幹涉系統，幹涉系統通過光電探測器與光外差接收機連接，信號處理系統與光外差接收機連接。進一步地，所述幹涉系統為麥可遜幹涉系統，所述麥可遜幹涉系統由保偏光纖耦合器、保偏光纖、反射鏡構成，保偏光纖耦合器I埠連接光源輸入端，2埠連接應變測試所用保偏光纖，3埠連接一段保偏光纖作為參考臂，並在參考臂末端連接反射鏡，4埠通過光纖與光電探測器相連。進一步地，所述幹涉系統為MZ幹涉系統，所述MZ幹涉系統由第一保偏光纖耦合器、第二保偏光纖耦合器、環行器和保偏光纖構成，環行器的1，2，3埠分別與第一耦合器的2埠、測試保偏光纖、第二稱合器的2埠相連接,第一保偏光纖稱合器與第二保偏光纖耦合器的連接部構成參考臂，第二保偏光纖耦合器與光電探測器相連。進一步地，第二保偏光纖耦合器的3或4埠與光電探測器相連，構成單端非平衡探測方式。進一步地，第二保偏光纖耦合器的3和4埠與光電探測器相連，構成雙路平衡探測方式。進一步地，所述線性掃頻窄線寬光源的掃頻範圍和重複頻率可根據測量距離以及空間解析度進行調節，可用光纖雷射器，也可採用半導體雷射器。進一步地，所述保偏光纖為熊貓型、領結型或橢圓型。所述保偏光纖為常見的工作波段在1550nm的保偏光纖。當測試保偏光纖上某一點受到應力或應變時，將使該位置的拍長發生變化，其變化量與受到的應力或應變成比例。同時在該位置處所產生的瑞利後向散射信號將傳播到保偏光纖耦合器與參考臂返回的光信號發生混頻幹涉，輸出拍頻信號。拍頻信號頻率大小反映了所受應力或應變的位置，而拍頻幅值大小則該點處光功率的大小。通過檢測某一偏振態光功率變化的周期即可得到此時的拍長，最後通過拍長與變化信號的映射模型得到相應的應變大小。本發明採用OFDR傳感系統用於保偏光纖拍長以及應變的測量中，能夠實現對拍長以及應力或應變的高空間解析度，高靈敏度及大動態範圍的測量。同時也能實現快速的信號處理與解調。與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
1.設計適當的窄線寬線性掃頻光源的掃頻速率，重複頻率，光功率以及接收機帶寬，利用光外差探測能實現對應變位置的高精度測量。2.將通過拍長測量應力大小的方法和OFDR高解析度精確測量應力或應變位置的系統相結合，實現了對保偏光纖拍長與光接受機探測光功率的相互映射，能夠準確的計算拍長的大小。3.系統結構簡單、全光纖化，雷射器線性調頻可控，通過光頻域探測，不僅避免了時域探測中空間解析度受光脈衝寬度與數據採樣率的限制，獲得高空間解析度，而且通過光外差探測還可提高系統的靈敏度和動態範圍。
圖1是本發明對一種基於OFDR系統以及邁克耳遜幹涉結構測量保偏光纖拍長及應力或應變的高解析度傳感系統示意 圖2是一種基於OFDR系統以及MZ幹涉結構(單端探測)測量保偏光纖拍長及應力或應變的高解析度傳感系統示意 圖3是一種基於OFDR系統以及MZ幹涉結構(平衡探測)測量保偏光纖拍長及應力或應變的高解析度傳感系統示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖及具體實施方式
對本發明進行詳細說明。一種基於OFDR系統測量保偏光纖拍長及應變的高解析度傳感系統，其特徵在於:包括線性掃頻窄線寬光源、起偏器、幹涉系統、光電探測器、光外差接收機和信號處理系統，所述線性掃頻窄線寬光源產生的光通過起偏器轉換為線偏振光後注入幹涉系統，幹涉系統通過光電探測器與光外差接收機連接，信號處理系統與光外差接收機連接。進一步地，所述幹涉系統為麥可遜幹涉系統，所述麥可遜幹涉系統由保偏光纖耦合器、保偏光纖、反射鏡構成，保偏光纖耦合器I埠連接光源輸入端，2埠連接應變測試所用保偏光纖，3埠連接一段保偏光纖作為參考臂，並在參考臂末端連接反射鏡，4埠通過光纖與光電探測器相連。進一步地，所述幹涉系統為MZ幹涉系統，所述MZ幹涉系統由第一保偏光纖耦合器、第二保偏光纖耦合器、環行器和保偏光纖構成，環行器的1，2，3埠分別與第一耦合器的2埠、測試保偏光纖、第二稱合器的2埠相連接,第一保偏光纖稱合器與第二保偏光纖耦合器的連接部構成參考臂，第二保偏光纖耦合器與光電探測器相連。當第二保偏光纖耦合器的3或4埠與光電探測器相連，構成單端非平衡探測方式。當第二保偏光纖耦合器的3和4埠與光電探測器相連，構成雙路平衡探測方式。所述線性掃頻窄線寬光源的掃頻範圍和重複頻率可根據測量距離以及空間解析度進行調節，可用光纖雷射器，也可採用半導體雷射器。所述保偏光纖為熊貓型、領結型或橢圓型。實施例1
如圖1所示，為基於OFDR系統以及邁克耳遜幹涉結構測量保偏光纖拍長及應力或應變的高解析度傳感系統示意圖，線性掃頻窄線寬光源工作波長為1550nm，掃頻範圍和重複頻率可根據測量距離以及空間解析度進行調節。線性掃頻窄線寬光源產生的光，通過光纖起偏器轉換為線偏振光，並注入到保偏光纖耦合器中；光纖耦合器其中一個輸出端連接應變測試所用保偏光纖，另一端連接一段保偏光纖作為參考臂，並在參考臂末端連接反射鏡。實施例2
如圖2所示，為一種基於OFDR系統以及MZ幹涉結構採用單端探測測量保偏光纖拍長及應力或應變的高解析度傳感系統示意圖。將與第一保偏光纖耦合器連接的作為參考臂的一段保偏光纖與環行器輸出端通過第二保偏光纖耦合器連接產生幹涉，通過一路探測器探測幹涉信號。實施例3
圖3所示則為雙路平衡探測結構示意圖。當測試保偏光纖上某一點受到應變時，將使該位置的拍長發生變化，其變化量與受到的應變成比例。同時在該位置處所產生的瑞利後向散射信號將傳播到保偏光纖耦合器與參考臂返回的光信號發生混頻幹涉，輸出拍頻信號，拍頻信號頻率大小反映了所受應力或應變的位置，而拍頻幅值大小則該點處光功率的大小。通過檢測某一偏振態光功率變化的周期即可得到此時的拍長，最後通過拍長與變化信號的映射模型得到相應的應力或應變大小。
權利要求
1.一種基於OFDR系統測量保偏光纖拍長及應變的高解析度傳感系統，其特徵在於:包括線性掃頻窄線寬光源、起偏器、幹涉系統、光電探測器、光外差接收機和信號處理系統，所述線性掃頻窄線寬光源產生的光通過起偏器轉換為線偏振光後注入幹涉系統，幹涉系統通過光電探測器與光外差接收機連接，信號處理系統與光外差接收機連接。
2.根據權利要求1所述的一種基於OFDR系統測量保偏光纖拍長及應變的高解析度傳感系統，其特徵在於:所述幹涉系統為麥可遜幹涉系統，所述麥可遜幹涉系統由保偏光纖稱合器、保偏光纖、反射鏡構成，保偏光纖稱合器I埠連接光源輸入端，2埠連接應變測試所用保偏光纖，3埠連接一段保偏光纖作為參考臂，並在參考臂末端連接反射鏡，4埠通過光纖與光電探測器相連。
3.根據權利要求1所述的一種基於OFDR系統測量保偏光纖拍長及應變的高解析度傳感系統，其特徵在於:所述幹涉系統為MZ幹涉系統，所述MZ幹涉系統由第一保偏光纖耦合器、第二保偏光纖耦合器、環行器和保偏光纖構成，環行器的1，2，3埠分別與第一耦合器的2埠、測試保偏光纖、第二稱合器的2埠相連接,第一保偏光纖稱合器與第二保偏光纖耦合器的連接部構成參考臂，第二保偏光纖耦合器與光電探測器相連。
4.根據權利要求3所述的一種基於OFDR系統測量保偏光纖拍長及應變的高解析度傳感系統，其特徵在於:第二保偏光纖耦合器的3或4埠與光電探測器相連，構成單端非平衡探測方式。
5.根據權利要求3所述的一種基於OFDR系統測量保偏光纖拍長及應變的高解析度傳感系統，其特徵在於:第二保偏光纖耦合器的3和4埠與光電探測器相連，構成雙路平衡探測方式。
6.根據權利要求1-5任一項所述的一種基於OFDR系統測量保偏光纖拍長及應變的高解析度傳感系統，其特徵在於:所述線性掃頻窄線寬光源的掃頻範圍和重複頻率可根據測量距離以及空間解析度進行調節，可用光纖雷射器，也可採用半導體雷射器。
7.根據權利要求1-5任一項所述的一種基於OFDR系統測量保偏光纖拍長及應變的高解析度傳感系統，其特徵在於:所述保偏光纖為熊貓型、領結型或橢圓型。
全文摘要
本發明公開了一種基於OFDR系統測量保偏光纖拍長及應變的高解析度傳感系統，其特徵在於包括線性掃頻窄線寬光源、起偏器、幹涉系統、光電探測器、光外差接收機和信號處理系統，所述線性掃頻窄線寬光源產生的光通過起偏器轉換為線偏振光後注入幹涉系統，幹涉系統通過光電探測器與光外差接收機連接，信號處理系統與光外差接收機連接。本系統結構簡單、全光纖化，雷射器線性掃頻可控，通過光頻域探測，不僅避免了時域探測中空間解析度受光脈衝寬度與數據採樣率的限制，獲得高空間解析度，而且通過光外差探測還可提高系統的靈敏度和動態範圍。
文檔編號G01L1/24GK103090813SQ20131001395
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月15日 優先權日2013年1月15日
發明者歐中華, 陳玉, 李劍鋒, 嶽慧敏, 劉永, 代志勇 申請人:電子科技大學