一种便携式可无线接入的光纤传感网络装置

1.本实用新型涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种便携式可无线接入的光纤传感网络装置。


背景技术：

2.鉴于光纤传感器具有尺寸小、重量轻、抗电磁干扰、耐环境腐蚀等优点，近年来应用光纤传感器的装置受到越来越多的关注。但是受到光谱分析仪硬件的限制，该类系统所得到的光域解调信号的分辨率相对较低且解调速度达不到相应的要求，因此难以在一些高分辨率的需求场景中推广和适用。
3.与此同时，在光纤传感器装置中，其信号传输与解调过程过程繁多且难以自动调控，在大多数应用场景下均依赖人工，这大大影响了该类系统的自主运行。且现有方案中，光信号进入解调单元的方式仅限于有线接入的方式，这不仅产生了过多的局限影响了整个装置的便携性。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.鉴于现有技术的上述缺点、不足，本实用新型提供一种便携式可无线接入的光纤传感网络装置，其解决了现有技术的抗环境扰动的能力弱、解调分辨率和解调速度不佳、解调接入方式受限以及不能支持网络化运行的技术问题。
6.(二)技术方案
7.为了达到上述目的，本实用新型采用的主要技术方案包括：
8.第一方面，本实用新型实施例提供一种便携式可无线接入的光纤传感网络装置，包括：
9.若干具备多个输出通道的时分复用支路；
10.若干与每一时分复用支路连接的在线型马赫增德尔干涉仪传感器；
11.通过无线或有线方式接入所有在线型马赫增德尔干涉仪传感器的输出信号的汇总信号并进行解调的便携式解调单元。
12.可选地，还包括：设置于每一所述时分复用支路前端的宽带光源和输入用光纤耦合器；
13.所述输入用光纤耦合器用于将所述宽带光源分为多个分路并传输至每一所述时分复用支路。
14.可选地，
15.每一所述时分复用支路包括：依次连接的光放大器、通道选择电控光开关、多个输出通道；
16.所述光放大器用于对进入的光信号进行放大；
17.所述电控光开关用于依据所述网络在线控制端的控制指令来选择对应的输出通
道。
18.可选地，所述在线型马赫增德尔干涉仪传感器包括：多个以并联复用方式工作的传感器子单元以及连接所有所述传感器子单元的输出端的输出用光纤耦合器。
19.可选地，在所述在线型马赫增德尔干涉仪传感器和所述便携式解调单元之间设置有：依次连接的汇总用光纤耦合器、接入选择电控开关、有线传输路径以及无线传输路径；
20.所述汇总用光纤耦合器连接所有输出用光纤耦合器的输出端；
21.所述接入选择电控开关用于依据所述网络在线控制端的控制指令从无线传输路径和有线传输路径中择一作为所述便携式解调单元的接入方式；
22.所述有线传输路径为：由依次连接的所述接入选择电控开关的第一输出端口、传输光纤以及光纤准直器所构成的路径；
23.所述无线传输路径包括：由所述接入选择电控开关的第二输出端口直至所述便携式解调单元的路径。
24.可选地，所述光纤传感网络装置还包括：与所述便携式解调单元连接的网络在线控制端。
25.可选地，所述便携式解调单元包括：依次连接的接入用光纤耦合器、电光强度调制器、光纤色散单元、光电探测器以及矢量网络分析仪；
26.所述接入用光纤耦合器的第一端口和第二端口分别用于接收所述有线传输路径所传输过来的光信号和接收所述无线传输路径所传输过来的光信号；
27.所述电光强度调制器用于调制所述接入用光纤耦合器的输出光信号，并传输至所述所述光纤色散单元；
28.所述光纤色散单元用于将经调制的光信号实现从波长到时间的映射转换，并传输至所述光电探测器；
29.所述光电探测器用于将经映射的信号转换为电信号，并输入至所述矢量网络分析仪；
30.所述矢量网络分析仪用于依据所述电信号测量得到频率响应信息，并发送至网络在线控制端。
31.可选地，所述便携式解调单元还包括：设置于所述接入用光纤耦合器前端的光聚焦准直单元；
32.所述光聚焦准直单元用于将接收的所述有线传输路径的光纤准直器所发出的光信号进行聚焦和准直，并发送至所述接入用光纤耦合器的第一端口。
33.可选地，所述矢量网络分析仪还连接电光强度调制器，并向所述电光强度调制器输出扫频微波信号，以控制所述电光强度调制器的调制参数。
34.可选地，所述网络在线控制端包括：时序发生控制器以及分别与所述时序发生控制器和所述矢量网络分析仪连接的计算机；
35.所述计算机用于依据接收的所述矢量网络分析仪所得到频率响应信号控制所述时序发生控制器发出相应的时序数据，以实现分别对每一所述时分复用支路的输出通道的选择以及对所述汇总信号进入所述便携式解调单元的无线或有线方式的选择进行控制。
36.(三)有益效果
37.本实用新型实现了专门针对光纤在线型马赫增德尔干涉仪传感器的网络化运行；
光纤在线型马赫增德尔干涉仪传感器具有结构紧凑、相比于由两个独立光路搭建的传统mzi干涉仪更好的抗环境扰动的能力。
38.本实用新型通过微波光子滤波技术来解调光纤在线型马赫增德尔干涉仪传感器，可以实现高于现有光谱分析仪测量法的解调分辨率和解调速度。
39.同时，本实用新型提供的系统支持空间光耦合无线接入、光纤有线接入两种传感信号接入方式，使得系统的应用场景得以拓展：传统传感系统连接方式都是有线连接方式，但是，在某些连接线缆困难或布线困难的应用场景，传统传感解调方式受限了。因此，该系统相比于传统传感系统具有更广阔的应用场景。再者，本实用新型利用时分复用技术，不仅在最大传感器容量上进行了扩展。
附图说明
40.图1为本实用新型实施例提出的一种便携式可无线接入的光纤传感网络装置的组成示意图。
41.【附图标记说明】
42.1：宽带电源；2：输入用光纤耦合器；3：第一光放大器；4：第二光放大器；5：第一通道选择电控光开关；501～50m：第一输出通道编号； 6：第二通道选择电控光开关；601～60m：第二输出通道编号；7：时序发生控制器：8：第一在线型马赫增德尔干涉仪传感器；9：第二在线型马赫增德尔干涉仪传感器；10：第一输出用光纤耦合器；11：第二输出用光纤耦合器；12：汇总用光纤耦合器；1201：第一光纤光路；1202：第二光纤光路；1203：输出光路；13：接入选择电控开关；1301：传输光纤；1302：输出光纤；14：光纤准直器；15：便携式解调单元；150101：光聚焦单元；150102：光纤准直单元；1502：接入用光纤耦合器；150201：有线接入端口；150202：无线接入端口；1503：电光强度调制器；1504：光纤色散单元；1505：光电探测器；1506：矢量网络分析仪；1507：计算机。
具体实施方式
43.为了更好地解释本实用新型，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本实用新型作详细描述。
44.如图1所示，本实用新型实施例提出的一种便携式可无线接入的光纤传感网络装置，包括：若干具备多个输出通道的时分复用支路；若干与每一时分复用支路连接的在线型马赫增德尔干涉仪传感器；通过无线或有线方式接入所有在线型马赫增德尔干涉仪传感器的输出信号的汇总信号并进行解调的便携式解调单元。
45.基于上述系统，本实用新型实现了专门针对光纤在线型马赫增德尔干涉仪传感器的网络化运行，所提出的光纤在线型马赫增德尔干涉仪传感器具有结构紧凑、相比于由两个独立光路搭建的传统mzi干涉仪更好的抗环境扰动的能力。
46.鉴于传统的光谱仪解调方案的最小分辨率严重受限于光谱解调仪自身的波长分辨率限制，一般商用的osa分辨率是0.01～0.02nm，而当两个光信号是0.001nm时，现有光谱仪无法分辨也测量不出来；但是，如果将0.001nm的波长差值对应转换为125mhz的频率差值的话，这个频率差在电域就上可以轻松区分来，所以把微波信号加载到光信号上，通过光信号的变化转换到微波信号上去，最后恢复出微波信号，得到变化的频率差值，这样就大大提
高了分辨率。这种高分辨率的本质是利用了光信号频率和微波信号频率之间的巨大频率差(光信号是几百thz级别，微波信号300mhz到300ghz)，所以光域上任何微小的波长变化，都会转换为电域上巨大的或明显的频率变化或波动。另外，光谱仪的解调速度很慢，100nm扫波长范围需要秒级时间，而微波域扫频时间为ms级。由此，本实用新型通过微波光子滤波技术来解调光纤在线型马赫增德尔干涉仪传感器，可以实现高于现有光谱分析仪测量法的解调分辨率和解调速度。
47.同时，本实用新型提供的系统支持空间光耦合无线接入、光纤有线接入两种传感信号接入方式，使得系统的应用场景得以拓展：传统传感系统连接方式都是有线连接方式，但是，在某些连接线缆困难或布线困难的应用场景，传统传感解调方式受限了。因此，该系统相比于传统传感系统具有更广阔的应用场景。再者，本实用新型利用时分复用技术，在最大传感器容量上进行了扩展。
48.为了更好地理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本实用新型的示例性实施例。虽然附图中显示了本实用新型的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本实用新型，并且能够将本实用新型的范围完整的传达给本领域的技术人员。
49.进一步地，光线传感器网络系统还包括：设置于每一时分复用支路前端的宽带光源1和输入用光纤耦合器2；输入用光纤耦合器2用于将宽带光源分为多个分路并传输至每一时分复用支路。
50.进一步地，每一时分复用支路包括：依次连接的光放大器、通道选择电控光开关、多个输出通道；光放大器用于对进入的光信号进行放大；电控光开关用于依据网络在线控制端的控制指令来选择对应的输出通道。
51.接着，在线型马赫增德尔干涉仪传感器包括：多个以并联复用方式工作的传感器子单元以及连接所有传感器子单元的输出端的输出用光纤耦合器。
52.然后，在线型马赫增德尔干涉仪传感器和便携式解调单元之间还设置有：依次连接的汇总用光纤耦合器12、接入选择电控开关13、有线传输路径以及无线传输路径；汇总用光纤耦合器12连接所有输出用光纤耦合器的输出端；接入选择电控开关13用于依据网络在线控制端的控制指令从无线传输路径和有线传输路径中择一作为便携式解调单元的接入方式；有线传输路径为：由依次连接的接入选择电控开关13的第一输出端口、传输光纤以及光纤准直器所构成的路径；无线传输路径包括：由接入选择电控开关13的第二输出端口直至便携式解调单元的路径。
53.以及，便携式解调单元15包括：依次连接的接入用光纤耦合器1502、电光强度调制器1503、光纤色散单元1504、光电探测器1505以及矢量网络分析仪1506；接入用光纤耦合器1502的第一端口和第二端口分别用于接收有线传输路径所传输过来的光信号和接收无线传输路径所传输过来的光信号；电光强度调制器1503用于调制接入用光纤耦合器1502的输出光信号，并传输至光纤色散单元1504；光纤色散单元1504用于将经调制的光信号实现从波长到时间的映射转换，并传输至光电探测器1505；光电探测器1505用于将经映射的信号转换为电信号，并输入至矢量网络分析仪1506；矢量网络分析仪1506用于依据电信号测量得到频率响应信息，并发送至网络在线控制端。较佳地，矢量网络分析仪1506还连接电光强
度调制器1503，并向电光强度调制器1503输出扫频微波信号，以控制电光强度调制器的调制参数。
54.再者，便携式解调单元15还包括：设置于接入用光纤耦合器前端的光聚焦准直单元；光聚焦准直单元用于将接收的有线传输路径的光纤准直器所发出的光信号进行聚焦和准直，并发送至接入用光纤耦合器的第一端口。具体地，光聚焦准直单元包括：光聚焦单元150101；光纤准直单元150102。
55.其中，网络在线控制端包括：时序发生控制器7以及分别与时序发生控制器7和矢量网络分析仪1506连接的计算机1507；计算机1507用于依据接收的矢量网络分析仪1506所得到频率响应信号控制时序发生控制器7发出相应的时序数据，以实现分别对每一时分复用支路的输出通道的选择以及对汇总信号进入便携式解调单元15的无线或有线方式的选择进行控制。
56.综上所述，本实用新型公开了一种便携式可无线接入的光纤传感网络装置，如图1所示(图1中实线表示光信号、虚线表示电信号)，其具体实现流程为：宽带光源1发出宽带光信号，输入进入输入用光纤耦合器2，输入用光纤耦合器2对输入的光分为n路，其中201路光进入第一光放大器3(标号a-1)，20n路光进入第二光放大器4(标号a-n)；第一光放大器3输出的光进入第一通道选择电控光开关5(标号os-1)，第一通道选择电控光开关5接受时序发生控制器7的控制指令来选择对应的输出通道(输出通道编号分别为：501～50m)，从第一通道选择电控光开关5输出的光信号进入第一在线型马赫增德尔干涉仪传感器，其包括m个传感器子单元，对应的编号分别为s-1～s-m；从第一在线型马赫增德尔干涉仪传感器8的各个传感子单元输出的光信号在第一输出用光纤耦合器10处汇合；第二光放大器4输出的光信号进入第二通道选择电控光开关6(标号os-n)，第二通道选择电控光开关6同样受到时序发生控制器7的控制来选择对应的输出通道(输出通道编号分别为 601～60m)，从第二通道选择电控光开关6输出的光信号进入第二光纤在线型马赫增德尔干涉仪传感器9，其同样也包括m个传感器子单元，对应的编号也分别为s-1～s-m；从第二光纤在线型马赫增德尔干涉仪传感器 9的各个传感子单元输出的光信号在第二输出用光纤耦合器11处汇合；接着，传感模块光路中的光信号最后分别经过第一光纤光路1201和第二光纤光路1202在汇总用光纤耦合器12处汇合，汇合后的光信号经过输出光路1203输入到接入选择电控光开关13；接入选择电控光开关13接受来自时序发生控制器7的指令，可以选择光信号以空间光耦合的无线接入方式进入便携式解调单元15，即光信号经传输光纤1301输入到光纤准直器14，光纤准直器14把光信号以无线连接的方式发送到光聚焦和准直模块1501，其中，空间光信号先经过光聚焦单元150101，再经过光纤准直单元150102；电控光开关13输出的光信号也可以通过光纤有线连接的方式进入便携式解调单元，即光信号经过输出光纤1302连接到光纤耦合器1502的另外一个输入端口150202；进而，来自接入用光纤耦合器 1502的输出光信号先进入电光强度调制器1503被调制，调制后的光信号经过光纤色散单元1504实现波长到时间的映射转换，之后光信号在光电探测器1505处被转换为电信号，产生的电信号输入进矢量网络分析仪 1506，且矢量网络分析仪1506输出一个扫频微波信号给电光强度调制器 1503；由此，系统中微波光子滤波部分：组成包含宽带光源1、光纤耦合器(2/10/11/12等)、光放大器(a-1～a-n)、电控光开关(os-1～os-n 和13)、光纤在线型马赫增德尔干涉仪传感器模块(8/9等)、光纤准直器14、光聚焦和准直模块1501、电光强度调制器1503、调光纤色散
单元 1504、以及光电探测器1505；矢量网络分析1506在这里对微波光子滤波器系统的频率响应进行测量，测量的结果经过通信线缆传输到计算机 1507，同时计算机端1507可发送控制命令给矢量网络分析仪1506和时序发生控制器7。
57.由于本实用新型上述实施例所描述的系统/装置，为实施本实用新型上述实施例的方法所采用的系统/装置，故而基于本实用新型上述实施例所描述的方法，本领域所属技术人员能够了解该系统/装置的具体结构及变形，因而在此不再赘述。凡是本实用新型上述实施例的方法所采用的系统/装置都属于本实用新型所欲保护的范围。
58.本领域内的技术人员应明白，本实用新型的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本实用新型可采用完全硬件实施例、完全软件实施例，或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本实用新型可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
59.本实用新型是参照根据本实用新型实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。
60.应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何附图标记理解成对权利要求的限制。词语“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本实用新型可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件来具体体现。词语第一、第二、第三等的使用，仅是为了表述方便，而不表示任何顺序。可将这些词语理解为部件名称的一部分。
61.此外，需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
62.尽管已描述了本实用新型的优选实施例，但本领域的技术人员在得知了基本创造性概念后，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，权利要求应该解释为包括优选实施例以及落入本实用新型范围的所有变更和修改。
63.显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种修改和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也应该包含这些修改和变型在内。