专利名称：时间相关光信号直接累加方法及实现该方法的装置的制作方法
技术领域：
本发明属于光纤测量技术领域，具体涉及一种时间相关光信号直接累加方法及实现该方法的装置。
背景技术：
当一个激光脉冲射入到光纤中时，光纤本身会不断产生反向的瑞利散射，通过测量分析这些反向散射光的功率，可以得到沿光纤长度分布的衰减曲线，得到整个光纤线路的损耗相对距离的变化。目前在处理沿光纤后向散射的信号时，由于光信号非常微弱，信噪比极差，这类信号的处理通常采用“取样平均”技术来提高信噪比。具体有以下两类方法1、数字累加平均法。光纤的后向散射信号经光电元件转换成电信号，用宽带放大器放大，然后用高速的AD卡连续采集。每一个信号周期都可以采集一个时间序列信号，这些时间序列信号对应进行累加。对于信号而言，多次累加以后，信号的幅值会线性增大；对于随机噪声来说，高低不平的噪声幅值多次迭加后会趋于一个固定值，这样，一边是信号增大，一边是噪声缩小，所以信噪比便可获得大幅度的提高。信噪比提高的程度与累加的次数有关，累加越多，信噪比提高越好。该方法的特点对激光脉冲的利用率高，一个激光脉冲就可以获得整个曲线的信号，信号的空间分辩率要受到AD采集频率的限制，采集频率越高，空间分辨率就越高，但数据量也相应增加，累加耗时也随之增加。目前该方法受到的限制主要是AD采集频率的提高难度较大，成本增加很快，同时，信号处理的耗时极大限制了该方法在光时域反射技术和分布式光纤温度测量技术等领域的应用。
2、模拟累加平均法。该方法不用高速AD采集卡，模拟信号的累加是直接通过在电容上积分来完成。模拟信号通过一个场效应管(相当于一个开关)，对积分电容进行充电，在每一个信号周期定时打开进行充电，其他时间关闭，多次重复后，电容上的电压就代表了信号在该点的累加值。这是定点模式。如果要对整个曲线进行取样平均，可以采用两种办法来完成A)，一个积分电容，但积分开启的时间缓慢移动，这样便可完成对整个曲线的扫描，这个方法的缺点是对激光脉冲的利用率最低，一个激光脉冲只能进行一次积分，如果曲线的长度比较长，则处理的时间也将是很长的；B)，并行处理。由若干个积分单元组成，每个单元负责曲线上一点的累加，特点是一个激光脉冲可以进行若干次积分，如果有M个积分单元，则总耗时比单个积分单元要小M倍。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述问题，提出一种时间相关光信号直接累加方法及实现该方法的装置，直接使用光电探测器阵列作为接收元件，微弱光信号的累加利用接收器件的积分功能来实现，取样积分的空间分辨率高，耗时极少，系统成本低。
本发明的方法如下(1)对光纤的向后散射信号经光纤定向耦合器输出；(2)将该信号输入光偏转器进行调制，光偏转器由锯齿波驱动；(3)信号经光偏转器调制后射入探测器阵列的特定像元，通过延长探测器阵列的读出周期，实现光信号直接在探测器阵列上的积分，将时间序列信号转化成了随空间分布的光信号，该时间序列信号随即可用普通的AD采集卡采集。
为实现上述方法，本发明设计了时间相关光信号直接累加装置，它包括激光器、光纤定向耦合器、光纤，在由光纤定向耦合器B脚输出的后向散射光的光路上依次设置有光偏转器和光电探测器阵列，光偏转器由驱动器驱动。
所述的光偏转器可以是声光偏转器或电光偏转器，光偏转器的驱动器为锯齿波驱动，波形可调。光电探测器阵列可以是光电二极管阵列或电荷耦合器，探测器阵列可以是线阵，也可以是面阵。
另外在光偏转器的前后方分别设有透镜，前方的透镜为准直透镜，后方的透镜为聚焦透镜。
本发明的优点1、空间分辨率，如果要提高取样积分的空间分辨率，只需要简单调整驱动光偏转器的锯齿波信号的斜率即可，可以很容易达到0.1米的空间分辨率(传统的方法则必须采用上G的高速AD卡)。利用本发明的方法，可以开发出一种全新的分布式光纤温度传感器系统。目前，这样的系统在国内的空间分辨率只能做到4-5米，测量时间50秒左右(2公里的传感范围)，价格约20万左右；国外的系统空间分辨率可以到0.5米，但价格近100万。采用本发明的方法，可以轻易做到0.1米的空间分辨率，成本不超过15万。对于分布式光纤温度传感器来说，由于采用单根光纤作为传感和传输元件，可以测量出沿光纤分布的温度场信息。空间分辨率越高，则温度场信息越细腻，例如在水坝裂缝的监测中，空间分辨率超过1米就无法使用；在航天器中，国外也使用该系统来监测各部位的温度分布，一旦异常便能及时报警；在火灾监测中，温度异常的敏锐程度也与空间分辨率密切相关。
2、信号的累加不花时间，也就是说，取样积分的耗时基本上与空间分辨率无关，只受光信号沿光纤的传输时间限制(也就是只受光纤长度的限制)。测量时间是传感器的一个关键指标，尤其是在安全监测、火灾报警等领域，传感器系统能否及时报警至关重要。采用本发明的方法开发的系统，其完成一次测量的时间非常短，该指标远远优于国外的指标。
3、通过控制锯齿波的相位，可以用一个探测器阵列实现对整个光纤任意位置的扫描，即可以实现对探测器阵列的接长使用，也就是说，用一个低成本的512像元的阵列实现昂贵的1024甚至4096像元的效果。
本发明在能源、化工、废料处理、管道泄漏、航空航天、舰船以及智能大厦等诸方面都有广阔的应用前景。
以下是本发明方法与传统方法的技术特征对比(统一按2公里光纤计算)
图1是本发明的结构示意图。
具体实施例方式
参见图1，激光脉冲由激光器1发出，从光纤定向耦合器2的A脚输入，然后通过光纤定向耦合器的C脚进入测量光纤3，后向散射光经光纤定向耦合器2的B脚输出，经准直透镜4准直后进入声光偏转器5，该信号通过声光偏转器5调制后，再经过聚焦透镜7聚焦，射入光电探测器阵列8的特定像元。声光偏转器5由锯齿波驱动器6，不同时刻锯齿波的电压也不同，对光束的偏转角度也不同，这样就将随时间变化的光信号序列转换成随光电探测器阵列上空间位置(角度)变化的光信号序列，光电探测器阵列的每一个像元就对应了光纤中一特定位置的反馈信号，通过延长探测器阵列的读出周期，就可以实现光信号直接在光电探测器阵列上的积分。积分结束后通过一般的低速AD卡便可将整个信号序列依次采集到计算机中。
权利要求
1.时间相关光信号直接累加方法，其特征在于包括以下步骤(1)对光纤的向后散射信号经光纤定向耦合器输出；(2)将该信号输入光偏转器进行调制，光偏转器曲锯齿波驱动；(3)信号经光偏转器调制后射入探测器阵列的特定像元，通过延长探测器阵列的读出周期，实现光信号直接在探测器阵列上的积分，该时间序列信号随即可用普通的AD采集卡采集。
2.实现权利要求1所述方法的时间相关光信号直接累加装置，包括激光器、光纤定向耦合器、光纤，其特征在于由光纤定向耦合器B脚输出的后向散射光的光路上依次设置有光偏转器和光电探测器阵列，光偏转器由驱动器驱动。
3.根据权利要求2所述的时间相关光信号直接累加装置，其特征在于光偏转器可以是声光偏转器或电光偏转器。
4.根据权利要求2所述的时间相关光信号直接累加装置，其特征在于光电探测器阵列可以是光电二极管阵列或电荷耦合器，探测器阵列可以是线阵，也可以是面阵。
5.根据权利要求2、3或4所述的时间相关光信号直接累加装置，其特征在于光偏转器的前方设有透镜。
6.根据权利要求5所述的时间相关光信号直接累加装置，其特征在于光偏转器前方的透镜为准直透镜，后方的透镜为聚焦透镜。
7.根据权利要求2、3或4所述的时间相关光信号直接累加装置，其特征在于光偏转器的驱动器为锯齿波驱动，波形可调。
全文摘要
一种时间相关光信号直接累加方法及实现该方法的装置，其方法是对光纤的向后散射信号经光纤定向耦合器输入由锯齿波驱动的光偏转器进行调制，然后射入到探测器阵列的特定像元，通过延长探测器阵列的读出周期，实现光信号直接在探测器阵列上的积分，该时间序列信号随即可用普通的AD采集卡采集。该方法的装置由激光器、光纤定向耦合器、光纤、光偏转器和光电探测器阵列构成，在由光纤定向耦合器B脚输出的后向散射光的光路上依次设置有光偏转器和光电探测器阵列，光偏转器由驱动器驱动。本发明直接使用光电探测器阵列作为接收元件，微弱光信号的累加利用接收器件的积分功能来实现，具有取样积分的空间分辨率高，耗时极少，系统成本低的优点。
文档编号G01M11/00GK1442684SQ0311765
公开日2003年9月17日 申请日期2003年4月9日 优先权日2003年4月9日
发明者邹建 申请人:重庆大学