基于光譜受限混沌光信號的準(zhǔn)分布式光纖傳感系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及準(zhǔn)分布式光纖傳感系統(tǒng)，首次提出了一種基于光譜受限混沌光信號的大容量、高精度、故障自檢測的準(zhǔn)分布式光纖傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過波分復(fù)用和時分復(fù)用極大程度上對傳感系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容；同時通過光柵波長漂移向功率變化的轉(zhuǎn)換，也提升了探測的精度；另外，基于混沌光信號這一特點(diǎn)也使得該傳感系統(tǒng)兼具精確定位的功能，其在斷點(diǎn)故障自檢測上的應(yīng)用大大提升了系統(tǒng)的可靠性。
【專利說明】基于光譜受限混沌光信號的準(zhǔn)分布式光纖傳感系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖傳感領(lǐng)域，具體涉及一種基于光譜受限混沌光信號的準(zhǔn)分布式光纖傳感系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]光纖傳感系統(tǒng)是光纖傳感技術(shù)工程化研究的一個重要的領(lǐng)域。以光纖作為傳輸介質(zhì)，通過各種傳感復(fù)用技術(shù)大規(guī)模接入光纖傳感單元，從而實(shí)現(xiàn)大容量、高精度、長距離的傳感。由于光纖具有體積小、質(zhì)量輕、安全性高、抗電磁干擾、耐腐蝕等獨(dú)特優(yōu)勢，相較傳統(tǒng)的傳感系統(tǒng)，光纖傳感系統(tǒng)更加廣泛地應(yīng)用于電網(wǎng)檢測、海洋勘探等領(lǐng)域中。目前，光纖傳感系統(tǒng)面臨著傳感精度的提聞、傳感各量擴(kuò)大以及系統(tǒng)智能化的挑戰(zhàn)。冋時，傳感系統(tǒng)故障自檢測功能也成新型光纖傳感系統(tǒng)研究的關(guān)鍵。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于光譜受限混沌光信號的準(zhǔn)分布式光纖傳感系統(tǒng)，以克服傳統(tǒng)的光纖傳感系統(tǒng)容量小以及無法進(jìn)行故障自診斷的不足。
[0004]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于光譜受限混沌光信號的準(zhǔn)分布式光纖傳感系統(tǒng)。通過對參考信號和探測信號的互相關(guān)運(yùn)算，可以實(shí)現(xiàn)傳感系統(tǒng)的擴(kuò)容以及系統(tǒng)故障自監(jiān)測的功能。
[0005]本發(fā)明基于光譜受限混沌光信號的準(zhǔn)分布式光纖傳感系統(tǒng)，包括光源、傳感鏈路、第一光電探測器、第二光電探測器和數(shù)據(jù)處理裝置，
[0006]所述光源為包含半導(dǎo)體光放大器、光隔離器、偏振控制器、第一光纖耦合器的環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，通過半導(dǎo)體光放大器的增益自反饋效應(yīng)產(chǎn)生寬譜混沌信號；其中，所述光隔離器用于環(huán)形腔內(nèi)光的單向傳輸，所述偏振控制器用于控制腔內(nèi)光的偏振態(tài)，所述第一光纖I禹合器用作輸出端口；
[0007]所述傳感鏈路包括傳感主路和若干傳感支路，所述傳感主路包括摻鉺光纖放大器、第二光纖耦合器、光環(huán)形器、光帶通濾波器和光功分器，所述摻鉺光纖放大器用于對光源輸出光進(jìn)行放大，并由所述第二光纖耦合器將其分為參考光信號和探測光信號光；所述參考光信號經(jīng)所述第一光電探測器換為電信號后進(jìn)入所述數(shù)據(jù)處理裝置；所述探測光信號經(jīng)光環(huán)形器后，由光功分器分流，分別進(jìn)入不同的所述傳感支路進(jìn)行探測；所述光功分器分別連接所述傳感支路，每個傳感支路分別包括延遲線和啁啾布拉格光柵，所述啁啾布拉格光柵用作傳感單元，所述延遲線用于使其所在的傳感支路的傳感單元與其它傳感支路的傳感單元在空間上分開，實(shí)現(xiàn)時分復(fù)用；作為傳感單元的啁啾布拉格光柵帶寬和所述光帶通濾波器各通帶帶寬一致，且不同波長的啁啾布拉格光光柵對應(yīng)著所述光帶通濾波器的某一通帶，實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用；
[0008]經(jīng)所述啁啾布拉格光柵反射后的光譜受限混沌探測光信號經(jīng)由所述光功分器耦合，并經(jīng)由所述光環(huán)形器進(jìn)入所述光帶通濾波器中；所述光帶通濾波器連接所述第二光電探測器，所述光譜受限混沌探測光信號通過第二光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號后進(jìn)入所述數(shù)據(jù)處理裝置；
[0009]所述數(shù)據(jù)處理裝置對進(jìn)入的多路光譜受限混沌探測光和參考光進(jìn)行互相關(guān)處理。
[0010]優(yōu)選的，所述延遲線使其所在的所述傳感支路的傳感單元與其它傳感支路的傳感單元在空間上分開，所采用的結(jié)構(gòu)為:任一傳感支路中，所述延遲線與傳感單元的長度之和，不同于其它傳感支路上的延遲線與傳感單元的長度之和。
[0011]優(yōu)選的，所述第一光纖耦合器的耦合比選擇為50:50、60:40、70:30、80:20或90:10。所述第一光纖稱合器的稱合比為99:1。
[0012]所述數(shù)據(jù)處理裝置的互相關(guān)處理方法是利用參考信號和探測信號互相關(guān)峰值的時延和強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式的傳感。基本原理解釋如下:光源產(chǎn)生的寬譜混沌光信號具有白噪聲的特性，即其自相關(guān)函數(shù)為一沖擊函數(shù)。其經(jīng)過摻鉺光纖放大器放大后，由光纖耦合器分為參考光信號和探測光信號兩路。其中參考光信號經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換為參考電信號，探測光信號經(jīng)光環(huán)形器和光功分器進(jìn)入到傳感支路中，延遲線使得每條支路的傳感單元在空間上分開，實(shí)現(xiàn)時分復(fù)用。探測光信號經(jīng)不同位置的傳感單元反射，對應(yīng)的光譜受限混沌光信號攜帶著傳感信息經(jīng)光功分器耦合后，由光環(huán)形器進(jìn)入光帶通濾波器中。需要說明的是，作為傳感單元的啁啾布拉格光柵帶寬和光帶通濾波器各通帶帶寬一致，且不同波長的光柵也正好對應(yīng)著帶通濾波器某一通帶，這里采用了波分復(fù)用的技術(shù)。當(dāng)光柵處于自由狀態(tài)時，即此時無外界參量作用，其反射的光譜受限混沌光信號恰好可以完整的透過對應(yīng)的通帶；外界參量作用時，光柵反射波長發(fā)生漂移，使得反射的混沌光信號與對應(yīng)通帶在光譜上發(fā)生錯位，導(dǎo)致透過光功率的降低，從而實(shí)現(xiàn)了波長漂移向功率變化的轉(zhuǎn)換，這也極大地簡化了解調(diào)方案并提高了測量精度。最后，經(jīng)光帶通濾波器透射的光譜受限探測光信號由光電探測器轉(zhuǎn)換為探測電信號，與之前的參考電信號一同進(jìn)入信號處理端進(jìn)行解調(diào)。
[0013]對參考信號和探測信號采用互相關(guān)運(yùn)算的方式進(jìn)行處理。光譜受限的混沌光信號具有和寬譜混沌光信號相似的特性。考慮到兩者的自相關(guān)函數(shù)都是沖擊函數(shù)，本傳感系統(tǒng)中，不同傳感單元(啁啾光纖布拉格光柵)對應(yīng)的光譜受限混沌探測光信號滯后于參考光信號，兩者之間產(chǎn)生了特定的相對時延。經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后，對參考電信號和探測電信號進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，得到橫軸為相對時延，縱軸為強(qiáng)度的互相關(guān)譜，從而實(shí)現(xiàn)各個探測單元在時間上的分離，通過計(jì)算亦可得到傳感單元的相對距離。同時，結(jié)合前面所述的波長漂移向功率變化的轉(zhuǎn)換，該解調(diào)方案使得外界參量的變化轉(zhuǎn)換為傳感單元對應(yīng)互相關(guān)峰值強(qiáng)度的變化。
[0014]另外，該傳感系統(tǒng)也具有系統(tǒng)斷點(diǎn)故障的自檢測能力。當(dāng)傳感支路某處光纖發(fā)生斷裂，斷點(diǎn)端面處發(fā)生菲涅爾反射，該反射光同探測光一樣反映在自相關(guān)譜上。由此，可以精確的檢測出斷點(diǎn)所在，極大程度上提升了系統(tǒng)的可靠性。
[0015]同時需要指出的是，光帶通濾波器的通帶數(shù)目與光功分器的分功路數(shù)的乘積決定了該傳感系統(tǒng)的容量。通過調(diào)整光帶通濾波器的通帶數(shù)目與光功分器的分功路數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)大容量的光纖傳感系統(tǒng)。
[0016]本發(fā)明首次提出了一種基于光譜受限混沌光信號的大容量、高精度、故障自檢測的準(zhǔn)分布式光纖傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過波分復(fù)用和時分復(fù)用極大程度上對傳感系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容；同時通過光柵波長漂移向功率變化的轉(zhuǎn)換，也提升了探測的精度；另外，基于混沌光信號這一特點(diǎn)也使得該傳感系統(tǒng)兼具精確定位的功能，其在斷點(diǎn)故障自檢測上的應(yīng)用大大提升了系統(tǒng)的可靠性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體說明。
[0018]圖1為本發(fā)明的準(zhǔn)分布式光纖傳感系統(tǒng)示意圖。其中I一半導(dǎo)體光放大器，2—光隔離器，3一偏振控制器,4一第一光纖稱合器,5一摻鉺光纖放大器,6一第二光纖稱合器，7—光環(huán)行器，8—光功分器，9 一延遲線，10—啁啾光纖布拉格光柵，11 一光帶通濾波器，12—第一光電探測器，13—數(shù)據(jù)處理裝置，14 一第二光電探測器。

【具體實(shí)施方式】
[0019]如圖1所示，本例中傳感系統(tǒng)的光源由環(huán)形腔結(jié)構(gòu)提供。其中，半導(dǎo)體光放大器I用作增益介質(zhì)；光隔離器2保證腔內(nèi)光單向運(yùn)轉(zhuǎn)，偏振控制器3調(diào)節(jié)腔內(nèi)偏振態(tài)；第一光纖I禹合器4進(jìn)行分光,第一光纖I禹合器4的f禹合比可以為50:50、60:40、70:30、80:20或90:10。本例中選用80:20的光纖耦合器，80%的光留在腔內(nèi)進(jìn)行自反饋放大，20%輸出用于后續(xù)傳感。
[0020]輸出光經(jīng)摻鉺光纖放大器5放大后，由99:1的第二光纖I禹合器6分光；其中1%用作參考光，99%用作探測光。參考光信號經(jīng)第一光電探測器14換為電信號后進(jìn)入數(shù)據(jù)處理裝置13。探測光經(jīng)由光環(huán)形器7和光功分器8進(jìn)入傳感支路，各個支路中的延遲線9使得傳感單元在空間上分開，即任一傳感支路中，所述延遲線與傳感單元的長度之和，不同于其它傳感支路上的延遲線與傳感單元的長度之和。經(jīng)作為傳感單元的啁啾光纖布拉格光柵10反射后的各探測光由光功分器8和光環(huán)形器7進(jìn)入光帶通濾波器11，透射的探測光與之前的參考光被第二光電探測器12接收并轉(zhuǎn)換為電信號后，在數(shù)據(jù)處理裝置13中進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，得到互相關(guān)譜。
[0021]延遲線用于使其所在的傳感支路的傳感單元與其它傳感支路的傳感單元在空間上分開，實(shí)現(xiàn)時分復(fù)用；作為傳感單元的啁啾布拉格光柵帶寬和光帶通濾波器各通帶帶寬一致，且不同波長的啁啾布拉格光光柵對應(yīng)著光帶通濾波器11的某一通帶，實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用。
[0022]數(shù)據(jù)處理裝置13對參考信號和探測信號采用互相關(guān)運(yùn)算的方式進(jìn)行處理。光譜受限的混沌光信號具有和寬譜混沌光信號相似的特性。由于光譜受限的混沌光信號與參考信號兩者的自相關(guān)函數(shù)都是沖擊函數(shù)，不同傳感單元(啁啾光纖布拉格光柵)對應(yīng)的光譜受限混沌探測光信號滯后于參考光信號，兩者之間產(chǎn)生了特定的相對時延。對參考電信號和探測電信號進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，得到橫軸為相對時延，縱軸為強(qiáng)度的互相關(guān)譜，從而實(shí)現(xiàn)各個探測單元在時間上的分離，通過計(jì)算亦可得到傳感單元的相對距離。同時，結(jié)合波長漂移向功率變化的轉(zhuǎn)換，使得外界參量的變化轉(zhuǎn)換為傳感單元對應(yīng)互相關(guān)峰值強(qiáng)度的變化。
[0023]當(dāng)傳感支路某處光纖發(fā)生斷裂，斷點(diǎn)端面處發(fā)生菲涅爾反射，該反射光同探測光一樣反映在自相關(guān)譜上。由此，可以精確的檢測出斷點(diǎn)所在，所以，本發(fā)明同時具有系統(tǒng)斷點(diǎn)故障的自檢測能力，極大程度上提升了系統(tǒng)的可靠性。
[0024]同時，通過調(diào)整光帶通濾波器的通帶數(shù)目與光功分器的分功路數(shù)，提高本發(fā)明傳感系統(tǒng)的容量，可以實(shí)現(xiàn)大容量的光纖傳感系統(tǒng)。
[0025]最后所應(yīng)說明的是，以上【具體實(shí)施方式】僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種基于光譜受限混沌光信號的準(zhǔn)分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于，包括光源、傳感鏈路、第一光電探測器、第二光電探測器和數(shù)據(jù)處理裝置， 所述光源為包含半導(dǎo)體光放大器、光隔離器、偏振控制器、第一光纖耦合器的環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，通過半導(dǎo)體光放大器的增益自反饋效應(yīng)產(chǎn)生寬譜混沌信號；其中，所述光隔離器用于環(huán)形腔內(nèi)光的單向傳輸，所述偏振控制器用于控制腔內(nèi)光的偏振態(tài)，所述第一光纖I禹合器用作輸出端口； 所述傳感鏈路包括傳感主路和若干傳感支路，所述傳感主路包括摻鉺光纖放大器、第二光纖稱合器、光環(huán)形器、光帶通濾波器和光功分器，所述摻鉺光纖放大器用于對光源輸出光進(jìn)行放大，并由所述第二光纖耦合器將其分為參考光信號和探測光信號光；所述參考光信號經(jīng)所述第一光電探測器換為電信號后進(jìn)入所述數(shù)據(jù)處理裝置；所述探測光信號經(jīng)光環(huán)形器后，由光功分器分流，分別進(jìn)入不同的所述傳感支路進(jìn)行探測；所述光功分器分別連接所述傳感支路，每個傳感支路分別包括延遲線和啁啾布拉格光柵，所述啁啾布拉格光柵用作傳感單元，所述延遲線用于使其所在的傳感支路的傳感單元與其它傳感支路的傳感單元在空間上分開，實(shí)現(xiàn)時分復(fù)用；作為傳感單元的啁啾布拉格光柵帶寬和所述光帶通濾波器各通帶帶寬一致，且不同波長的啁啾布拉格光光柵對應(yīng)著所述光帶通濾波器的某一通帶，實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用； 經(jīng)所述啁啾布拉格光柵反射后的光譜受限混沌探測光信號經(jīng)由所述光功分器耦合，并經(jīng)由所述光環(huán)形器進(jìn)入所述光帶通濾波器中；所述光帶通濾波器連接所述第二光電探測器，所述光譜受限混沌探測光信號通過第二光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號后進(jìn)入所述數(shù)據(jù)處理裝置； 所述數(shù)據(jù)處理裝置對進(jìn)入的多路光譜受限混沌探測光和參考光進(jìn)行互相關(guān)處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光譜受限混沌光信號的準(zhǔn)分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述延遲線使其所在的所述傳感支路的傳感單元與其它傳感支路的傳感單元在空間上分開，所采用的結(jié)構(gòu)為:任一傳感支路中，所述延遲線與傳感單元的長度之和，不同于其它傳感支路上的延遲線與傳感單元的長度之和。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于光譜受限混沌光信號的準(zhǔn)分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述第一光纖耦合器的耦合比選擇為50:50、60:40、70:30、80:20或90:10。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于光譜受限混沌光信號的準(zhǔn)分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述第一光纖稱合器的稱合比為99:1。
【文檔編號】G01D5/26GK104048685SQ201410311280
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年7月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月1日
【發(fā)明者】夏歷, 羅亦楊, 黃笛, 孫琪真, 劉德明 申請人:華中科技大學(xué)