一种双基准长度低相干光纤环形网络传感解调装置

摘要

本发明提供的是一种双基准长度低相干光纤环形网络传感解调装置。包括宽谱光源、光电探测器、光纤4×4耦合器、自聚焦透镜、角锥平面反射镜组、单模光纤、光纤环形网络，光纤环形网络是由多个不同长度的光纤传感器串接而成；宽谱光源、光电探测器连接光纤4×4耦合器的两个光纤输入端，光纤4×4耦合器的另外两个光纤输入端分别连接自聚焦透镜，光纤4×4耦合器的两个光纤输出端通过单模光纤连接光纤环形网络，光纤4×4耦合器的另外两个光纤输出端分别连接自聚焦透镜。本发明通过双基准光程可调谐的光纤环形腔，实现光程扫描范围的扩展，增加传感器复用的数量；具有结构简单，容易实现，测量精度高，成本价格低廉等优点。

权利要求

1.一种双基准长度低相干光纤环形网络传感解调装置，包括宽谱光源(1)、光电探测器(2)、光纤4×4耦合器(3)、第一自聚焦透镜组(401)、第二自聚焦透镜组(402)，第一平面反射镜组(501)、第二平面反射镜组(502)、单模光纤(6)，光纤环形网络(7)，所述的光纤环形网络是由多个长光纤传感器(801)和多个短光纤传感器(802)串接而成的，其特征是：宽谱光源(1)、光电探测器(2)连接光纤4×4耦合器(3)的两个光纤输入端，光纤4×4耦合器(3)的另外两个光纤输入端分别连接第一自聚焦透镜组(401)和第二自聚焦透镜组(402)中的各一只，光纤4×4耦合器(3)的两个光纤输出端通过单模光纤(6)连接光纤环形网络(7)，光纤4×4耦合器(3)的另外两个光纤输出端分别连接第一自聚焦透镜组(401)和第二自聚焦透镜组(402)中的各另外一只，光纤4×4耦合器的两个臂连接第一自聚焦透镜组(401)与第一平面反射镜组(501)构成第一基准环，光纤4×4耦合器的两个臂连接第二自聚焦透镜组(402)与第二平面反射镜组(502)构成第二基准环，基准环放置在可动的微调平台上。

2.根据权利要求1所述的双基准长度低相干光纤环形网络传感解调装置，其特征是：第一基准环与第二基准环二者长度不同，分别与光纤环形网络(7)中的长光纤传感器(801)与短光纤传感器(802)的长度相匹配。

3.根据权利要求2所述的双基准长度低相干光纤环形网络传感解调装置，其特征是：

第一平面反射镜组(501)、第二平面反射镜组(502)由两个垂直放置的平面反射镜组成，两平面反射镜分别与第一自聚焦透镜组(401)、第二自聚焦透镜组(402)呈45°角。

4.根据权利要求3所述的双基准长度低相干光纤环形网络传感解调装置，其特征是：

第一平面反射镜组(501)和第二平面反射镜组(502)的扫描运动速度v1和v2不同，或者第一平面反射镜组(501)和第二平面反射镜组(502)的扫描运动分时进行。

说明书

一种双基准长度低相干光纤环形网络传感解调装置

(一)技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种测量装置，具体地说是一种双基准长度低相干环形网络解调方法及其传感装置(二)背景技术

[0002] 使用宽光谱、相干长度很短的低相干光源的光纤干涉测量系统被称为光纤白光干涉仪。作为干涉技术的一个分支，光纤白光干涉仪对电磁干扰不敏感，频响高，环境适应性强。白光干涉信号具有很好的对比度，光纤白光干涉在高精度定位方面有着广泛的应用。干涉仪中的光纤很细，对基体材料强度影响很小，可方便的埋入结构材料中，是具有灵巧结构的传感器之一。广泛应用于建筑结构、石化工业、加速器、环境、生物医学、智能结构、电力、噪声监控等领域。

[0003] 近年来，白光干涉传感技术得到了蓬勃的发展，其中的一个热点就是发展了多种基于多路复用技术的光纤传感器和测试系统，用于应变、温度、压力等物理量的测量。多路复用技术的发展背景主要是由于，在实际测量与测试应用中，单个物理量以及单一位置点的传感，已经远不能满足人们对事物整体或者系统状态感知的要求，这往往需要对多个或者多点物理量的分布进行在线或者实时的量测。例如对大型结构(水电站、大坝、桥梁等)的无损检测与监测以确定其安全的过程中，需要将光纤传感器植入关键部位，并构筑成监测网络，对其内部的应力、应变以及温度等信息进行提取。如此，传感器数量通常为几十个或者上百个，如果测试系统仅以单点传感器进行连接，无疑，其测试造价将大大提高，同时降低了系统可靠性。采用多路复用技术，利用同一个解调系统对多个传感器的测量信息进行问询，这不仅极大简化了系统复杂程度，而且使测量精度和可靠性也得到了保证。同时，由于多路复用技术，降低了单点传感器的造价，从而使测试费用大为降低，提高了性价比，使光纤传感器与传统传感器相比更具优势。

[0004] 与其它类型的光纤传感器比较，基于空分复用技术构成传感系统是白光干涉传感技术的一个特色。在白光干涉传感系统中，通常要求各个传感器长度各不相同，则对于复用阵列中的传感器在其各自相干长度内，只存在单一的白光干涉信号。通过分立参考干涉仪的时间或空间光程扫描，对多传感器的区分，实现待测物理量的解调与问询，很方便的实现多路复用，而勿需更复杂的时间或者频率复用技术。这种复用技术，由于各个传感器所对应的干涉信号在光程扫描空间内的分立性，所以也称为空分复用技术(SDM)。

[0005] [YUAN L B，ZHOU L M，JIN W.Quasi-distributed strain sensing withwhite-light interferometry：a novel approach，Optics Letters，25，1074-1076，2000]发展的空分复用技术(SDM)，通过分立参考干涉仪进行时间和空间连续光程扫描，即可实现对多传感器的解调和问询，从而很方便的实现多路复用，这种方法结构简单，测量精度高。

[0006] 申请人于2006年公开了多路复用光纤干涉仪及其嵌套构建方法(中国专利公开号：CA1963399A)，发明了可以构造传感器阵列和网络的全光纤干涉仪光纤及其实现方法，解决光纤干涉仪的多路复用问题；申请人于2007年公开的低相干绞扭式类Sagnac光纤形变传感装置(中国专利公开号：101074867A)，主要用来解决光纤传感器阵列布设过程中的抗毁坏的问题。在上述应用中，特别是白光干涉仪连接有光纤传感器阵列时，本地的解调干涉仪与远端的传感干涉仪的光程通过光程匹配来实现光纤传感器阵列的问讯与解调。这样传感干涉仪阵列可以是完全无源的，其好处是阵列中输出的多个干涉信号对本地解调干涉仪和传感器阵列之间的连接光纤长度的变化不灵敏，增强了测量的稳定性和可靠性。

[0007] 但上述基于空分复用的干涉仪结构中，为了能保证阵列或者网络中的每一个传感器正常工作，需要传感器之间的长度差异大于测量范围，同时也需要留有一定的余量，通常其差值在10mm，或者更大。这样解调干涉仪光程扫描范围的大小将决定传感网络中光纤传感器连接数量，以光程扫描范围为200mm的光纤延迟线为例，则理论上其最大连接传感器的个数为20个，显然无法满足大数量(几百上千个)传感器复用的要求，急需一种有效的方法，扩展光程扫描范围，增加传感器的复用个数。

[0008] 此外，光纤网络中，有时连接的光纤传感器长度相差较大(例如1米以上)，例如在智能结构检测中，特别是对于局部点应变测量与大尺度形变监测同时感知的应用中，对于这种长度差异较大传感器的同时测量有着特别迫切的需求。为了在一个光纤传感系统中，实现大小尺度传感器的同时解调，目前的方法是更换为光程扫描长度较长的光学延迟结构，这将使系统的制作难度和体积成倍的增加；如果需要同时维持大小尺度传感器的测量精度、测量稳定性、可靠性等技术指标，以及减小温度、振动等环境因素对光程扫描机构的影响，将导致系统的复杂程度和造价呈几何级数增加。(三)发明内容

[0009] 本发明的目的在于提供一种能够扩展光程扫描范围，完成大小尺度光纤传感器同时问询和解调的一种双基准长度低相干光纤环形网络传感解调装置。

[0010] 本发明的目的是这样实现的：

[0011] 双基准长度低相干光纤环形网络传感解调装置，包括宽谱光源1、光电探测器2、光纤4×4耦合器3、第一自聚焦透镜组401、第二自聚焦透镜组402，第一平面反射镜组501、第二平面反射镜组502、单模光纤6，光纤环形网络7，所述的光纤环形网络是由多个长光纤传感器801和多个短光纤传感器802串接而成的，宽谱光源1、光电探测器2连接光纤
4×4耦合器3的两个光纤输入端，光纤4×4耦合器3的另外两个光纤输入端分别连接第一自聚焦透镜组401和第二自聚焦透镜组402中的各一只，光纤4×4耦合器3的两个光纤输出端通过单模光纤6连接光纤环形网络7，光纤4×4耦合器3的另外两个光纤输出端分别连接第一自聚焦透镜组401和第二自聚焦透镜组402中的各另外一只。

[0012] 所述的双基准长度低相干光纤环形网络传感解调装置中，光纤4×4耦合器的两个臂连接自聚焦透镜组401与反射镜组501构成第一基准环，光纤4×4耦合器的两个臂连接自聚焦透镜组402与反射镜组502构成第二基准环，基准环放置在可动的微调平台上，实现光程调谐。

[0013] 所述的第一基准环和第二基准环二者的长度不同，分别与光纤环形网络7中的光纤传感器801和802的长度相匹配；

[0014] 所述的双基准长度低相干光纤环形网络传感解调装置中，平面反射镜组501、502由两个垂直放置的平面反射镜组成，两平面反射镜分别与自聚焦透镜401、402呈45°角。

[0015] 第一平面反射镜组501和第二平面反射镜组502的扫描运动速度v1和v2不同，或者第一平面反射镜组501和第二平面反射镜组502的扫描运动分时进行，用于不同长度的光纤传感器的信号解调。

[0016] 本发明的环形网络的解调方法和传感解调装置的构成及其工作原理为：

[0017] 光纤传感网络7是由一系列的不同长度的光纤传感器801、802首尾依次串接组成。光纤传感器801、802的结构完全一致，其结构图如图2所示，由一段长度不同的单模光纤803两端加装单模光纤插芯804构成。传感器801和802再利用光纤套管805连接构成串行阵列，这样光纤套管连接的光纤插芯之间形成一个光学反射率1％～3％的光学反射面805，如图2所示。

[0018] 宽谱光源1发出的光进入单模光纤后，经单模光纤4×4耦合器3将光分成四束，其中两束光分别经过自聚焦透镜401和402进入两个长度不同的基准环，另外两束光经单模连接光纤6，相向而行进入光纤环形网络7。如图3所示，进入基准环的光束以入射到自聚焦透镜401的为例(进入402的光束与其类似)，如果从光源发出光强为I0，则从401中出射的功率减小为aI0，a的大小与4×4光纤耦合器的分光比有关；光束通过光程扫描反射镜组501的反射，回到另外一只自聚焦透镜401中；此时光束再次经过4×4耦合器3时，会再次被分成四束，两束光进入两个基准环中不断地循环，另外两束光经单模光纤6，再次进入到光纤网络7中，依次递推。上述光束除光强大小的区别外，主要是光束每经过一次基准环，则光程增加量为：

[0019] n·2L401+2(X1+ΔX1) (1)

[0020] 式中：n为光纤纤芯折射率；L401为一个自聚焦透镜的长度，假设两个自聚焦透镜的长度相同；X1为自聚焦透镜组401与反射镜组501之间固定距离，ΔX1为反射镜组501的移动距离，即可变光程调谐量。

[0021] 考察进入光纤环形网络7其中的一束测量光束，被串行阵列中第j个光纤传感器长度为lj的前后两个端面反射后，形成了两束具有一定不同光程的反射测量信号，其差值刚好为光束在光纤传感器中行走的光程，即

[0022] n·2lj (2)

[0023] 光程较小的反射测量信号经光纤4×4耦合器3进入基准环，在基准环中循环一次，经由光纤4×4耦合器3回到探测器端，；另一束光程较大的反射测量信号直接经4×4耦合器3回到探测器端。如果基准环的长度恰为光纤传感器的长度(两反射端面的距离)，即

[0024] n·2L401+2(X1+ΔX1)＝n·2lj (3)

[0025] 则两束光在探测器表面相遇，发生光程匹配，产生干涉现象，探测器获得白光干涉条纹。两测量光束具有光程匹配关系时所得到的白光干涉条纹为中心条纹，即一个主极大值，通过移动微调平台，来改变基准环的长度，使经过基准环的测量信号的光程发生变化，可以获得中心干涉条纹。中心条纹位置为测量提供了一—个可靠的绝对位置参考，当光纤传感器由于外界待测物理量的影响使测量光程发生变化时，只需通过微调基准环的长度扫描得到白光干涉条纹的位置变化，即可获得被测量物理量的绝对值。进而可知，不仅是这两束光，只要在任意传感器前后两个端面引入的光程差的测量光束，在基准环的光程延迟的作用下，凡是能够得到光程补偿的，即在标准环引入的光程差与在传感器中引入的光程差相等，都可以产生白光干涉现象。

[0026] 由于光纤4×4光纤耦合器可以连接两个基准环，因此对于环形网络中的光纤传感器，可以有两个光程匹配光纤；

[0027]

[0028] 式中：n为光纤纤芯折射率；L402为一个自聚焦透镜402的长度，假设两个自聚焦透镜的长度相同；X2为自聚焦透镜组402与反射镜组502之间固定距离，ΔX2为反射镜组502的移动距离，即可变光程调谐量，li为第i个传感器的长度。

[0029] 从式(4)可知，双基准环结构同时具备两个光程匹配条件，可以同时用于两个传感器的长度的解调。因此基准环长度的选取原则可以根据网络中传感器的特性，大致区分两种情况和用途。

[0030] (1)如果环形网络中传感器的数量较多，它们之间的长度差异不大时，并且对于扫描延迟量ΔX1、ΔX2无法单独的完成解调是，可以令

[0031]

[0032] 这样在不增加可变光程调谐量ΔX的前提下，只通过改变L401和L402初值设置的大小的调节，使两个基准环光程延迟量接续后，总光程延迟量增大一倍。对于L401和L402的具体数值选择，可以将所有传感器的长度按照大小排序，从平均值为区分点分成两组，将两组各自的长度的平均值即为l1和l2，则令

[0033]

[0034] 即可。

[0035] (1)环形网络中传感器长度差异太大，也将所有传感器的长度按照大小排序，从长度的差异的跳变点为区分点，也将其分成两组，同样计算得出两组各自的长度的平均值l1和l2，令

[0036]

[0037] 即可。

[0038] 上述传感装置由于存在两个光程匹配条件，因此在测量时，可能会有两个传感器同时满足光程匹配条件的情况，如果此时，两个基准环同时进行光程扫描，则这样两个传感器的白光干涉条纹将会相互叠加，产生串扰，使白光干涉条纹的识别受到影响，这样会降低测量精度，严重时使测量无法进行。一种可行的方法是基准环的光程扫描分时进行，即一个基准环的光程扫描反射镜运动时，另外一个保持不动，当其完成全部光程扫描过程后，另外一个再开始运动。这种分时操作的方法与单个光程扫描过程相比，使测量时间增加一倍。

[0039] 另外一种巧妙的白光信号解调方法是，通过控制两个基准环内的光程扫描发反射镜组的运动速度各不相同。根据多普勒效应，光电探测器接收到的白光干涉信号的中心频率f可以表示为：

[0040]

[0041] 式中：v为扫描反射镜组的运动速度，λ为白光光源的中心波长。

[0042] 假设v1基准环1中扫描反射镜组的运动速度，v2基准环2中扫描反射镜组的运动速度，令

[0043] v1＝2v2 (9)

[0044] 则有

[0045] f1＝2f2 (9)

[0046] 式中：f1为序列1中光纤传感器1的白光干涉信号的中心频率，f2为序列2中光纤传感器2的白光干涉信号的中心频率。

[0047] 这样即使传感器1和2同时发生光程匹配，白光干涉条纹也仅在时域发生混叠，在频域还是各自独立的，通过滤波处理，可以将两个白光干涉信号加以区分。

[0048] 本发明的优点和特点是：

[0049] (1)本发明利用光纤4×4耦合器的两个输入端和两个输入端，分别连接不同长度的基准环，并进行光程调谐，在不改动可变光程扫描范围的前提下，增加了光程扫描的范围，一方面可以增加了传感器的复用数量，另外一方面也可用于对大小尺度不同的光纤传感器进行同时测量，结构简单，容易实现。

[0050] (2)本发明采用的双基准环，通过控制基准环内的扫描反射镜工作在不同的扫描速度，可以是来自于不同传感器端面的白光干涉信号呈现不同信号频率，实现了在空分复用的基础上的干涉信号的频分复用，减小了测试时间。

[0051] (3)本发明基于空分复用技术，利用光纤4×4耦合器的两个光纤输出端，将多个光纤传感器进行串联嵌套，构成光纤环形网络，实现光纤传感器布设的阵网络化。

[0052] (4)本发明构建的光纤环形网络及双基准环共用一个光纤4×4耦合器，提高了耦合器的利用率，有效地简化了系统的复杂程度。

[0053] (5)本发明采用的光纤材料和器件均为标淮光纤通信元件，成本价格低廉，容易获得，有利于推广。(四)附图说明

[0054] 图1是本发明的结构示意图。

[0055] 图2是光纤传感器结构及其连接方法示意图。

[0056] 图3是光纤基准环的结构示意图。(五)具体实施方式

[0057] 下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

[0058] 图1给出了本发明的具体实施方式。双基准长度的低相干光纤环形网络包括宽谱光源1、光电探测器2、光纤4×4耦合器3、自聚焦透镜组401、402，平面反射镜组501、502、单模光纤6，光纤环形网络7，其中的光纤环形网络是由多个光纤传感器801、802串接而成。平均长度为200mm的光纤传感器801数量取为5个，长度各相差10mm，首尾相接串联为一列；平均长度为200mm的光纤传感器802数量也取为5个，长度各相差10mm，也首尾相接串联为一列；传感器端面的光学反射率在1％～3％之间。光纤耦合器选取功率均为的工作波长为1310nm的4×4单模耦合器。光源选用中心波长为1310nm，出纤功率为800μW，半谱宽度为80nm的SLD光源，其相干长度为10μm。

[0059] 宽谱光源1、光电探测器2连接光纤4×4耦合器3的两个光纤输入端，光纤4×4耦合器3的另外两个光纤输入端分别连接自聚焦透镜401和402，其中两个聚焦透镜401的长度取为100mm，两个聚焦透镜402的长度取为500mm；光纤4×4耦合器3的两个光纤输出端通过单模光纤6连接光纤环形网络7，光纤4×4耦合器3的另外两个光纤输出端分别连接另外两个自聚焦透镜401和402。平面反射镜组501、502由两个垂直放置的平面反射镜组成，两平面反射镜分别与自聚焦透镜4成45°角，扫描反射镜的移动距离取为100mm。单个自聚焦透镜401和402的插入损失范围为0.5dB，自聚焦透镜与扫描反射镜之间的插入损耗为4～8dB。

[0060] 宽谱光源1发出的光进入单模光纤后，经单模光纤4×4耦合器3将光分成四束，其中两束光进入双基准环，两束光经单模连接光纤6进入光纤环形网络7。进入光纤环形网络7的测量光束被串行阵列中光纤传感器的各个端面反射后，形成了一系列具有不同光程的反射测量信号，在同一光纤传感器端面上反射的信号，经基准环达到光程匹配，产生相干叠加，输出白光干涉图样。测量时，为了防止白光干涉信号发生混叠，使基准环1中光程扫描发反射镜组的运动速度为10mm/s，基准环2的运动速度为20mm/s，其相对应的中心信号频率为f1＝7.63kHz，f2＝15.27kHz。