一种低相干多路复用准分布光纤应变测量系统的制作方法
【专利摘要】本发明属于光纤连接【技术领域】，具体涉及的是一种基于Sagnac-Fizeau级联型解调干涉仪的低相干多路复用准分布光纤应变测量系统。低相干多路复用准分布光纤应变测量系统，由宽谱光源、四端口光纤环行器、Sagnac-Fizeau级联型解调干涉仪、传输光纤、光纤传感器阵列、光电探测信号放大器以及信号处理单组成，宽谱光源发出的光经由四端口光纤环行器后被注入到Sagnac-Fizeau级联型解调干涉仪，Sagnac-Fizeau级联型解调干涉仪产生光程差可调的两束问讯光信号。由于四端口光纤环形器的使用，消除了反馈回光源的信号，提高了光源的稳定性，同时增强了光源功率的利用率，能够使光源发出的光全部得到利用，也进一步提高了传感系统的复用能力。
【专利说明】-种低相干多路复用准分布光纤应变测量系统
【技术领域】
[0001] 本发明属于光纤连接【技术领域】，具体设及的是一种基于Sagnac-Fizeau级联型解 调干设仪的低相干多路复用准分布光纤应变测量系统。
【背景技术】
[0002] 光纤白光干设仪的优点之一就是可W很容易地实现多路复用。多个传感器在各自 的相干长度内，只存在单一的光干设信号，因而勿需更复杂的时间或者频率复用技术对信 号进行处理。近年来，白光干设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W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，该往往需要对多个或 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、大巧、桥梁等） 的无损检测与监测W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W及温度等信息进行提取。因此，传感器数量通常为几十个 或者上百个，如果测试系统仅W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，该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。
[0003] 白光干设光纤传感器可W有效地避免很多长相干长度的信号所遇到的限制和问 题。空分复用白光干设光纤传感器的一个主要优点是可W测量绝对长度和时间延迟。另外， 由于传感信号的相干长度短，可W消除系统杂散光的时变干扰。空分复用白光干设技术的 另一个优点是不需要相对复杂的时分复用或频分复用技术便可W将多个传感器相干复用 在一个信号中。空分复用技术是通过使用扫描干设仪（如迈克尔逊干设仪）实现信号光与 参考光的光程相匹配来实现的。如果两路信号光的光程相匹配，在干设仪的输出信号中会 观察到白光干设条纹。可实现高精度的绝对测量，能够测量的参量包括位置、位移、应变和 温度等。
[0004] 在实际应用中，尤其是在建筑结构的监测中，通常需要对建筑结构进行长距离、多 点的准分布式测量。然而，对于传统的光纤白光干设仪结构，传感光纤的长度受到可变扫描 臂的调节范围的限制。另外，即使可W得到长距离的调节范围，光信号在长距离的空间光路 中传输的损耗也会很大。
[0005] 为解决上述问题，1995年美国H-P公司Wayne V. Sorin和Douglas M. Ban巧公开 了一种基于光程自相关器的白光干设传感器的复用方法（美国专利；专利号5557400)，基 于Michelson干设仪结构，利用光信号在Michelson干设仪固定臂和可变扫描臂之间形成 的光程差与光纤传感器的前后两个端面反射光信号光程差之间的匹配实现光程自相关，获 得该传感器的白光干设信号，再利用改变扫描臂与固定臂之间光的程差与多个首尾相接的 串行光纤传感器阵列中的每个传感器逐一匹配，完成光纤传感器的多路复用。
[0006] 另外， 申请人:于2007年和2008年公开的低相干绞扭式类Sagnac光纤形变传感 装置（中国专利；200710072350. 9)和空分复用Mach-Zehnder级联式光纤干设仪及测量方 法（中国专利号；ZL 200810136824.6)主要用来解决光纤传感器复用阵列布设过程中抗毁 坏的问题； 申请人:于2008年公开的光纤Mach-Zehnder与Michelson干设仪阵列的组合测 量仪（中国专利；ZL 200810136819. 5)和李生阵列Michelson光纤白光干设应变仪（中国 专利号；ZL200810136820.8)主要用于解决白光光纤干设仪多路复用中温度对测量干扰， W及温度和应变同时测量问题； 申请人:于2008年公开的一种简化式多路复用白光干设光 纤传感解调装置（中国专利；ZL 200810136826. 5)和基于可调F油巧-Perot谐振腔的分布 式光纤白光干设传感器阵列（中国专利；ZL 200810136833. 5)，引入环形腔、F-P腔光程自 相关器主要用于简化多路复用干设仪的拓扑结构，构造共光路形式，提高温度稳定性；申请 人于2008年公开的一种双基准长度低相干光纤环形网络传感解调装置（中国专利申请号： 200810136821. 2)4X4光纤禪合器光程自相关器的引入，目的是解决多基准传感器的同时 测量问题。
[0007] 但在上述基于空分复用的干设仪结构中，光源功率衰减大、光源利用率低，由光源 发出的光，仅有较小的一部分达到传感器阵列，被探测器接收形成干设图样。W W. V. Sorin 公开的光路结构而言，当传感器阵列反射的光信号通过光纤禪合器1时，只有一半的光进 入Michelson自相关器，而另一半光沿与光源相连的光路损耗掉。另外，进入Michelson自 相关器的光，被反射镜反射后经过禪合器2时又只有一半光进入光电探测器，另一半光回 馈到禪合器1中。因此，该种结构最多只有1/4的光源功率对传感过程有贡献。另外，经过 禪合器1回馈的光会直接进入光源，虽然使用的光源类型为宽谱光，与激光光源相比，对回 馈不十分敏感，但是过大的信号功率反馈，特别是对于SLD和ASE等自发福射增益较大的光 源，回馈光会引起光源的较大的噪声。
【发明内容】
[000引本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、操作调节容易的基于Sagnac-Fizeau 级联型解调干设仪的低相干多路复用准分布光纤应变测量系统。
[0009] 本发明的目的是该样实现的：
[0010] 低相干多路复用准分布光纤应变测量系统，由宽谱光源1、四端口光纤环行器 2、Sagnac-Fizeau级联型解调干设仪3、传输光纤4、光纤传感器阵列5、光电探测信号放 大器6 W及信号处理单元7组成，宽谱光源发出的光经由四端口光纤环行器后被注入到 Sagnac-Fizeau级联型解调干设仪，Sagnac-Fizeau级联型解调干设仪产生光程差可调的 两束问讯光信号，经由四端口光纤环行器后通过传输光纤被送入光纤传感器阵列，由传感 器阵列反射回来的干设信号光再次通过传输光纤，经由四端口光纤环行器被光电探测器接 收并被放大，信号最后经由信号处理单元处理后给出测量结果。
[0011] Sa即ac-Fizeau级联型解调干设仪是通过将Sa即ac环形光纤反射镜与一个光纤 自聚焦透镜准直器相连接构成的，光纤自聚焦透镜准直器被固定在一个精密滑移台的基座 上，一个平面光学反射镜被固定在可W滑移的平台上，正对着光纤自聚焦透镜准直器，构成 了一个光程可调的Fizeau干设仪。
[0012] 光纤传感器阵列由首尾依次串接的光纤传感器组成，而光纤传感器由一段两端带 有光纤插巧的单模光纤组成一系列长度不等的单模光纤段构成首尾相接的串行阵列。
[0013] 光纤传感阵列可通过增加一个1XM多路光纤开关的选通连接将M个光纤传感阵 列构造成一个NXM的光纤传感器矩阵。
[0014] 通过四端口光纤环行器将Sagnac-Fizeau级联型解调干设仪和准分布光纤传感 器阵列进行连接的。
[0015] 本发明的有益效果在于：
[0016] 本发明公开了一种基于Sagnac-Fizeau级联型解调干设仪的低相干多路复用准 分布光纤应变测量系统。可用于多点准分布应变或者准温度分布等物理量的实时监测与测 量，可广泛用于大尺寸的智能结构监测等领域。它采用光纤环行器来连接Sagnac-Fizeau 级联型解调干设仪、光纤传感器阵列和光电探测器，使光纤传感器反射的信号全部禪合到 光电探测器中，与在先技术相比，由于四端口光纤环形器的使用，消除了反馈回光源的信 号，提高了光源的稳定性，同时增强了光源功率的利用率，能够使光源发出的光全部得到利 用，也进一步提高了传感系统的复用能力。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1是基于Sagnac-Fizeau级联型解调干设仪的低相干多路复用准分布光纤应变 测量系统的结构示意图。
[0018] 图2是在图1所示的低相干多路复用准分布光纤应变测量系统的基础上，增加了 一个1 XM多路选通光纤开关8,构成了一个NXM个光纤传感器矩阵光纤应变分布式测量系 统。
[0019] 图3是在图1的基础上，该低相干多路复用准分布光纤应变测量系统中通过四端 口光纤环行器端口 b和端口 C相互连接的Sagnac-Fizeau级联型解调干设仪和准分布光纤 传感器阵列，该两者先后连接的顺序进行了互换，互换后的系统仍具有相同的有效性。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图对本发明做进一步描述。
[0021] 该准分布光纤应变测量系统由低相干宽谱光源、用作空分复用扫描的 Sagnac-Fizeau级联型解调干设仪、光纤传感器阵列和光电信号接收放大器与信号处理单 元构成。该系统围绕一个四端口光纤环形器依次连接起来。来自低相干宽谱光源1(例如： ASE光源）的光首先进入光纤环形器的端口 a,经由出口 b，到达光程可调的Sagnac-Fizeau 级联型解调干设仪3。该Sa即ac-Fizeau级联型解调干设仪的作用有二，一是将来自同一 光源的光分成两束；二是使该两束光信号产生可调整的光程差。在结构上由下述器件组成： 一个Sagnac环形光纤反射镜和一个光纤准直器相互连接，与光纤准直器正对着的是一个 光程可调的扫描反射镜，从而构成了空间光程可调的Sagnac-Fizeau级联型解调干设仪。 来自光源的光经过Sagnac-Fizeau级联型解调干设仪后被分成具有一定光程差的两束光 经过四端口光纤环形器的b端口后，由端口 C通过传输光纤4被送入光纤传感器阵列5,在 光纤传感器阵列中，由于每段光纤互相连接的交界面都会发生反射，于是由每个光纤反射 面反射回来的光经过传输光纤4后，通过四端口光纤环形器的端口 d被光电探测器所接收， 该信号被放大器6放大后抵达信号采集与处理系统7,对信号进行分析与处理。
[0022] 由于该光纤传感器阵列是由N段光纤首尾串接形成的，就组成了 N个传感器阵列。 每段传感光纤的长度分别为li、I2、…、1m，与Sagnac-Fizeau级联型解调干设仪中产生的 两光程差L。的长度接近，每段光纤的长度都不同，且满足如下关系 [002引 nL0+Xj= nl J, j = 1, 2. . . N (1)
[0024] 式中n为光纤巧的折射率，且有li声1 j.，因而有Xi声X j.，也就是说每一个传感器都 对应于各自独立的空间位置，当在传感光纤上施加一个分布式应力，各传感器的长度分别 从li变为1 1+A li、12变为1 2+A 12、…、1/变为1 W+A Iw，那么可W得到该分布式应变为 A/i A/, AL 川、
[0025] s' 二 、^2 - ~Y~ ' …、占W 二~ (2j
[0026] 通过对光程变化的反复扫描，对于任意第i个传感器时，可W通过测量获得传感 器长度li的变化量A马=^除W已知长度量li来测得每一段光纤上的平均应变。
[0027] 为了进一步扩展光纤传感器的数量，本发明还可在图1所示的系统中将光纤传感 阵列的数目增加到M个阵列，该样，光纤传感系统可通过增加一个1 XM多路光纤开关8的 选通连接，将每列含有N个光纤传感器的M个光纤传感阵列构造成一个NXM个光纤传感器 矩阵，如图2所示。
[002引通过远传光纤将Sagnac-Fizeau级联型解调干设仪和光纤传感器阵列进行互 连时，存在两种主要的方式：其一是先将白光光源通过四端口光纤环形器的端口 b送到 Sagnac-Fizeau级联型解调干设仪，该解调干设仪将一束光分成两路并给出预设光程差，然 后再通过光纤环形器端口 C经过远传光纤抵达光纤传感器阵列进行匹配干设，最后再将干 设信号通过端口 d传回到探测器，如图1所示；其二则是先通过端口 b通过远传光纤将光信 号送到光纤传感器阵列，进行分光并生成测量光程差，然后再通过远传光纤传回到光纤环 形器，经过端口 C到达解调干设仪实现光程匹配和干设测量，最后再将干设测量信号通过 端口 d传回到探测器，如图3所示。当系统中的所有光学器件都是光互易的且是线性的，贝U 该两者没有本质差别。
[0029] 图1是基于Sagnac-Fizeau级联型解调干设仪的低相干多路复用准分布光纤应变 测量系统的结构示意图。它由宽谱光源1、四端口光纤环行器2、Sagnac-Fizeau级联型解 调干设仪3、传输光纤4、首尾依次连接而成的光纤传感器阵列5、光电探测信号放大器6 W 及信号处理单元7组成。系统中宽谱光源1发出的光经由四端口光纤环行器2后被注入到 Sa即ac-Fizeau级联型解调干设仪3,该解调干设仪产生光程差可调的两束问讯光信号，经 由四端口光纤环行器后通过传输光纤4被送入光纤传感器阵列5,由传感器阵列5反射回来 的干设信号光再次通过传输光纤4,经由四端口光纤环行器2被光电探测器6所接收并被放 大，该信号最后经由信号处理单元处理后给出测量结果。
[0030] 图2是在图1所示的基于Sa即ac-Fizeau级联型解调干设仪的低相干多路复用准 分布光纤应变测量系统的基础上，增加了一个1XM多路选通光纤开关8,构成了一个NXM 个光纤传感器矩阵光纤应变分布式测量系统。
[0031] 图3是在图1的基础上，该基于Sagnac-Fizeau级联型解调干设仪的低相干多 路复用准分布光纤应变测量系统中通过四端口光纤环行器端口 b和端口 C相互连接的 Sagnac-Fizeau级联型解调干设仪和准分布光纤传感器阵列，该两者先后连接的顺序进行 了互换，互换后的系统仍具有相同的有效性。
[0032] 图1对应的情况是，所给出的Sagnac-Fizeau级联型解调干设仪是反射型的，在该 种情况下，对应的拓扑连接属于典型的四点之间的连接，因此需要采用四端口光纤环形器。 为了进一步给出更为直观的说明，图1中W Sagnac-Fizeau级联型解调干设仪为实施例，给 出了典型光路的连接组合方式。在该系统中，通过四端口光纤环形器，将宽带ASE光源通过 端口 a到端口 b注入到Sagnac-Fizeau级联型解调干设仪中。该光程相关器的作用有二，一 是将来自同一光源的光分成两束；二是使该两束光信号产生可调整的光程差。被分成两束 并具有一定预设光程差的光信号离开端口 b，通过端口 C，再经过远传光纤，被送入光纤传 感阵列中。该系统中的光纤传感器是由一系列标准单模光纤被切割成长度大致相等的光纤 段进行级联后组成的，其中每一段光纤的长度都不同Li声L j. i，j = 1，2,. . .，N，该时每一段 光纤都可看做一个独立的长度微小形变测量仪，该就形成了准分布式光纤测量系统，如图1 所示。该种系统即可用于准分布式应变的测量，也可用于实现准分布式温度测量。可在± 木工程的智能结构健康监测领域中得到广泛的应用。
【权利要求】
1. 一种低相干多路复用准分布光纤应变测量系统，由宽谱光源（1)、四端口光纤环行 器（2)、SagnaC-FiZeau级联型解调干涉仪（3)、传输光纤（4)、光纤传感器阵列（5)、光电探 测信号放大器（6)以及信号处理单元（7)组成，其特征是：宽谱光源发出的光经由四端口光 纤环行器后被注入到Sagnac-Fizeau级联型解调干涉仪，Sagnac-Fizeau级联型解调干涉 仪产生光程差可调的两束问讯光信号，经由四端口光纤环行器后通过传输光纤被送入光纤 传感器阵列，由传感器阵列反射回来的干涉信号光再次通过传输光纤，经由四端口光纤环 行器被光电探测器接收并被放大，信号最后经由信号处理单元处理后给出测量结果。
2. 根据权利要求1所述的一种低相干多路复用准分布光纤应变测量系统，其特征是： 所述的Sagnac-Fizeau级联型解调干涉仪是通过将Sagnac环形光纤反射镜与一个光纤自 聚焦透镜准直器相连接构成的，光纤自聚焦透镜准直器被固定在一个精密滑移台的基座 上，一个平面光学反射镜被固定在可以滑移的平台上，正对着光纤自聚焦透镜准直器，构成 了一个光程可调的Fizeau干涉仪。
3. 根据权利要求2所述的一种低相干多路复用准分布光纤应变测量系统，其特征是： 所述的光纤传感器阵列由首尾依次串接的光纤传感器组成，而光纤传感器由一段两端带有 光纤插芯的单模光纤组成一系列长度不等的单模光纤段构成首尾相接的串行阵列。
4. 根据权利要求3所述的一种低相干多路复用准分布光纤应变测量系统，其特征是： 所述的光纤传感阵列通过一个1 XM多路光纤开关的选通连接将M个光纤传感阵列构造成 一个NXM的光纤传感器矩阵。
5. 根据权利要求1所述的一种低相干多路复用准分布光纤应变测量系统，其特征是： 通过所述的四端口光纤环行器将Sagnac-Fizeau级联型解调干涉仪和准分布光纤传感器 阵列进行连接的。
【文档编号】G01B11/16GK104501731SQ201410777316
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月15日 优先权日:2014年12月15日
【发明者】苑立波, 苑勇贵, 张晓彤, 杨军 申请人:哈尔滨工程大学