一种波分复用光纤心冲击图传感器

1.本实用新型涉及光纤传感技术领域，特别是一种波分复用光纤心冲击图传感器。


背景技术：

2.光纤心冲击图传感器，可以无感监测人体或动物的生命体征参数(如呼吸率、心率和体动等)，不需要身体皮肤的直接接触即可测量。光纤心冲击图传感器主要有微弯光纤心冲击图传感器，光纤光栅心冲击图传感器，传统光纤干涉仪心冲击图传感器，光纤模式干涉心冲击图传感器等。这些传感器目前面临的主要问题是心冲击图信号消逝和外界干扰的问题。最近发表的论文(noninvasive measurement of heart rate and respiratory rate for perioperative infants,j.lightwave technol.37,2807-2814,2019；assessment of heart rate and respiratory rate for perioperative infants based on elc model,ieee sensors journal,vol.21,no.12,pp.13685-13694,june 15,2021；deep learning-based ballistocardiography
3.reconstruction algorithm on the optical fiber sensor，optics express vol.30,no.8，pp13121，11apr2022.)利用深度学习模型来解决心冲击图信号消逝和外界干扰问题。尽管深度学习方法很好，但是建立的模型需要大量的数据训练。针对不同的人群不同的应用，需要不同人群或应用的数据重新训练模型。中国发明专利申请202010741628.2利用一种凹凸降噪构件的光纤心冲击图传感器，试图利用双通道硬件的方法来解决心冲击图信号消逝和外界干扰问题。该发明需要双光纤回路。
4.美国专利us 6,498,652 b1提出用光纤干涉仪监测人体呼吸率和心率。缺点是所提出的光纤干涉仪系统不够紧凑，参考臂和传感臂之间需要分开、隔离。基于光纤模式干涉的心冲击图传感器(cn210144637u，cn107854119a，“xuw，et al.，long modal interference in multimode fiber and its application in vital signs monitoring，optics communications，2020,474:126100”)，结构简单，参考臂和传感臂之间不需要分开、隔离。但是这些专利和方法从硬件原理方面来看如果不采用复杂的硬件相位补偿方法等都不能解决心冲击图信号消逝的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种波分复用光纤心冲击图传感器，实现有效地降低测量过程中各种噪声带来的干扰和误报。
6.为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种波分复用光纤心冲击图传感器，包括mcu微处理器、第一光源发生器、第二光源发生器、第一光电探测器、第二光电探测器、第一波分复用器、第二波分复用器、双端口模式干涉光纤组件及终端；所述双端口模式干涉光纤组件包括第一端口和第二端口；所述mcu微处理器连接所述终端；
7.所述第一光源发生器的两端分别连接mcu微处理器和第一波分复用器，所述第一光电探测器的两端分别连接mcu微处理器电路和第一波分复用器；所述第二光源发生器的
两端分别连接mcu微处理器电路和第二波分复用器，所述第二光电探测器的两端分别连接mcu微处理器和第二波分复用器；所述第一波分复用器的另一端通过第一光纤连接器连接所述第一端口，所述第二波分复用器的另一端通过第二光纤连接器连接所述第二端口。
8.在一较佳的实施例中，所述双端口模式干涉光纤组件包括第一传感回路、第二传感回路及第三传感回路。
9.在一较佳的实施例中，第一光源从第一光源发生器发射通过第一波分复用器和第一光纤连接器入射到双端口模式干涉光纤组件的第一端口，第一光源经过第一传感回路、第二传感回路及第三传感回路，再经由第二端口输出至第二光纤连接器及第二波分复用器到达第二光电探测器。
10.在一较佳的实施例中，第二光源从第二光源发生器发射通过第二波分复用器和第二光纤连接器入射到双端口模式干涉光纤组件的第二端口，第二光源经过第三传感回路、第二传感回路以及第一传感回路，再经由第一端口输出至第一光纤连接器及第一波分复用器到达第一光电探测器。
11.在一较佳的实施例中，第一光源的波长为λ1，第一光源位于线性工作区域；第二光源的波长为λ2，第二光源位于非线性工作区域。
12.在一较佳的实施例中，所述第一光源到达第二光电探测器及第二光源到达第一光电探测器后，形成光电流输出至mcu微处理器电路，所述mcu微处理器电路接收光电流信号处理后输出至终端。
13.在一较佳的实施例中，所述第一光源发生器和第二光源发生器具体为激光光源或发光二极管。
14.在一较佳的实施例中，所述第二传感回路具体为敏感单元。
15.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
16.1.硬件装置结构具有单纤双通道简单结构，且结构简单易组装,成本低。
17.2.双工作点方案能够有效地降低测量过程中各种噪声带来的干扰和误报。
18.3.采用光通信元器件成本低廉，易于制造应用和推广。
附图说明
19.图1为传感器工作特性曲线工作点示意图；
20.图2为传感器工作特性曲线工作点右漂移示意图；
21.图3为传感器工作特性曲线工作点左漂移示意图；
22.图4为本发明装置实施例传感器工作特性曲线双工作点示意图；
23.图5为本发明装置实施例传感器工作特性曲线双工作点右漂移示意图；
24.图6为本发明装置实施例传感器工作特性曲线双工作点左漂移示意图；
25.图7为本发明装置实施例传感器装置结构示意图；
26.图8为本发明装置实施例传感器工作特性曲线示意图；
27.图9为本发明装置实施例在线性工作区解调的心冲击图示意图；
28.图10为本发明装置实施例在非线性工作区解调的心冲击图示意图；
29.图11为本发明装置实施例在线性工作区解调的6秒心冲击图示意图；
30.图12为本发明装置实施例在非线性工作区解调的6秒心冲击图示意图。
具体实施方式
31.下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步说明。
32.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
33.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式；如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
34.一种波分复用光纤心冲击图传感器，参考图1至12，包括mcu微处理器电路、第一光源发生器ld1、第二光源发生器ld2、第一光电探测器pd1、第二光电探测器pd2、第一波分复用器wdm1、第二波分复用器wdm2、双端口模式干涉光纤组件5及终端；所述双端口模式干涉光纤组件包括第一端口1和第二端口2；所述mcu微处理器电路通过wifi或蓝牙无线连接所述终端；第一光源发生器ld1、第二光源发生器ld2、第一光电探测器pd1、第二光电探测器pd2、第一波分复用器wdm1、第二波分复用器wdm2及双端口模式干涉光纤组件5组成光电收发模块6。
35.所述第一光源发生器ld1的两端分别连接mcu微处理器电路和第一波分复用器wdm1，所述第一光电探测器pd1的两端分别连接mcu微处理器电路和第一波分复用器wdm1；所述第二光源发生器ld2的两端分别连接mcu微处理器电路和第二波分复用器wdm2，所述第二光电探测器pd2的两端分别连接mcu微处理器电路和第二波分复用器wdm2；所述第一波分复用器wdm1的另一端通过第一光纤连接器11连接所述第一端口1，所述第二波分复用器wdm2的另一端通过第二光纤连接器22连接所述第二端口2。
36.所述双端口模式干涉光纤组件5包括第一传感回路13、第二传感回路34及第三传感回路24。
37.第一光源从第一光源发生器ld1发射通过第一波分复用器wdm1和第一光纤连接器11入射到双端口模式干涉光纤组件5的第一端口1，第一光源经过第一传感回路13、第二传感回路34及第三传感回路24，再经由第二端口2输出至第二光纤连接器22及第二波分复用器wdm2到达第二光电探测器pd2。
38.第二光源从第二光源发生器ld2发射通过第二波分复用器wdm2和第二光纤连接器22入射到双端口模式干涉光纤组件5的第二端口2，第二光源经过第三传感回路13、第二传感回路34以及第一传感回路24，再经由第一端口1输出至第一光纤连接器11及第一波分复用器wdm1到达第一光电探测器pd1。
39.第一光源的波长为λ1，第一光源位于线性工作区域；第二光源的波长为λ2，第二光源位于非线性工作区域。
40.所述第一光源到达第二光电探测器pd2及第二光源到达第一光电探测器pd1后，形成光电流输出至mcu微处理器电路，所述mcu微处理器电路接收光电流信号处理后输出至终端。所述第一光源发生器ld1和第二光源发生器ld2具体为激光光源或发光二极管。所述第二传感回路34具体为敏感单元。
41.图1是典型的光纤模式干涉仪心冲击图传感器工作特性曲线，其中工作点a位于线
性工作区域。在线性工作区域，心冲击图传感器心冲击图信号没有信号消逝问题。当非生命体征振动等干扰信号使模式干涉传感器结构参数发生微小变化时，传感器工作特性曲线会漂移，这样原来工作点a从线性工作区域漂移到非线性工作区，如图2-3所示。传感器工作在非线性工作区域，心冲击图信号就会畸变消逝。为了解决光纤模式干涉仪心冲击图传感器心冲击图信号消逝问题，我们提出一个新的传感器装置与抗心冲击图信号消逝的方法，即双工作点方法，一个工作点工作在线性工作区域a，另一个工作点工作在非线性工作区域b，确保有一个工作点工作在线性工作区域，如图4所示。如果非生命体征振动等干扰信号使传感器工作特性曲线漂移变化，工作点的位置a从线性工作区域漂移到非线性工作区域，另一工作点的位置b则从原来非线性工作区域漂移到线性工作区域，如图5(左漂移)、图6(右漂移)所示。这样，即使非生命体征振动等干扰信号使传感器工作特性曲线发生了漂移变化，仍然有一个工作点工作在线性工作区域。因此，该方法及其装置能解决心冲击图传感器心冲击图信号消逝的问题。需要注意的是，图1既是典型的光纤模式干涉仪心冲击图传感器工作特性曲线也是典型的弯曲光纤心冲击图传感器工作特性曲线图。因此，上述方法也适用于其它有类似工作特性曲线的光纤心冲击图传感器。另外本发明的传感器具有单纤双通道结构，利用传感器融合技术，该传感器也可附带消除外界其它噪声的干扰问题。
42.本发明的光纤心冲击图传感器从根本上消除心冲击图信号消逝的原理如下。
43.我们提出一个新的传感器装置与抗心冲击图信号消逝的方法，即双工作点方法，一个工作点λ1工作在线性工作区域a，另一个工作点λ2工作在非线性工作区域b，确保有一个工作点工作在线性工作区域，如图4所示。当生命体征振动信号作用于双端口模式干涉光纤组件5中敏感单元34，传感器工作特性曲线随着生命体征信号的振动而变化。由第二光电探测器pd2探测到来自第一光源传感回路的光，可以正确解调出心冲击图信号，如图9所示。在图9中，心冲击图有明显的ijk峰。而由光电探测器pd1探测到来自第二光源传感回路的光，心冲击图信号消逝，没有明显的ijk峰，如图10所示。如果传感器工作特性曲线由于非生命体征振动等干扰信号使其漂移变化时，工作点的位置a从线性工作区域漂移到非线性工作区域，另一工作点的位置b则从原来非线性工作区域漂移到线性工作区域，如图5(左漂移)、图6(右漂移)所示。这样，即使传感器工作特性曲线发生了漂移变化，仍然有一个工作点工作在线性工作区域。这样，我们可以确保有一光源传感回路能解调出心冲击图信号。因此，该方法及其装置能解决心冲击图传感器心冲击图信号消逝的问题。
44.另外该传感器有双通道结构，利用传感器融合技术，该传感器也可附带消除外界其它噪声的干扰问题(不是工作点的干扰问题)。噪声干扰来自系统本身和外界的干扰包括非呼吸心跳振动的干扰，比如轻微讲话，手、脚轻微移动和肌肉颤动等。根据我们单纤双通道传感器结构装置的特点，同一传感回路有二个通道，同一噪声源对二个通道传感回路有相同的干扰。但是干扰的效果可能不一样，主要是一个通道工作在线性工作区域，而另一个则工作在非线性工作区域。在输出信号幅度方面，λ1光源传感回路这一路，未干扰的平均幅度为f1；λ2光源传感回路这一路，未干扰的平均幅度为f2。传感回路受到干扰后，如果λ1光源传感回路平均幅度f1与原来相比超过一个值的范围，比如+/-15％或者λ2光源传感回路平均幅度f2与原来相比超过一个值的范围，比如+/-15％那么这个时段的数据质量不好，不能用于构建心冲击图信号。在输出信号频谱方面，λ1光源传感回路，未干扰前主峰频谱平均幅度为fp1，λ2光源传感回路未干扰前主峰频谱平均幅度为fp2。传感回路受到干扰后，如果
λ1光源传感回路主峰频谱平均幅度fp1变化超过一个值的范围，比如+/-30％或λ2光源传感回路这一路主峰频谱平均幅度fp2变化超过+/-30％，那么这个时段的数据质量不好，也不能用于构建心冲击图信号。再加上确保一个光源传感回路工作在线性工作区，这就根本消除了可能出现的误报。
45.上述mcu处理器电路用来对光电探测器pd1和光电探测器pd2做放大、滤波、模数转换和计算等一系列处理，无线传输到终端。
46.终端报告心冲击图，心率、呼吸率、睡眠质量和报警等。
47.所述光电探测器与光源的工作波段相匹配。