一种多路并行测量光频域反射仪

本发明属于光纤传感领域，具体涉及一种多路并行测量光频域反射仪。

背景技术：

1、在过去几十年里，形状传感技术的重要性得到了显著提升，不管是在航空航天领域中关键结构的形变监测、医疗领域中活检针和内窥镜形状监测，还是在多自由度机器人三维形状传感、管道监测及桥梁结构健康监测等场合，形状传感技术成为各个领域研究人员主要研究方向，尤其是光纤传感技术。近几年，光纤传感技术得到快速发展，是因为光纤传感技术已经在大量领域里得到应用，并且光纤传感技术与其他学科的交叉可以很容易实现。

2、由于光纤传感器具有尺寸小、重量轻、不受电磁干扰、并且对应变和温度具有非常高的灵敏度等特性，光纤形状传感技术被认为是内窥镜检查、心脏手术、动脉内手术、活检针取样等生物医学应用的最佳选择。

3、光频域反射仪(ofdr)，是准确解调出光纤中由温度和应变产生波长变化的关键技术。传统的ofdr技术在解调多根光纤时，只能一根一根的进行访问，把数据存储下来后集中进行处理。在三维形状检测中，最少也要访问三根光纤，一般的方法是利用光开关或者是由耦合器组成的空分复用器，这两种方法或多或少存在一些缺点。光开关在实际使用时损耗很大，而且需要分别访问不同的测量光纤，成倍的增加了测量时间，耦合器组成的空分复用器虽然可以解决损耗的问题，但是需要利用特种光纤来区分本路信号和其他路信号，特种光纤的价格一般都比较昂贵。

技术实现思路

1、本发明提供一种多路并行测量光频域反射仪，以解决目前光频域反射仪在实现多路并行同时测量时光损、测量时间和成本难以同时兼顾的问题。

2、根据本发明实施例的第一方面，提供一种多路并行测量光频域反射仪，包括主干涉仪以及用于产生线性扫频激光的扫频激光器，所述主干涉仪包括第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、n个延迟介质、n个环形器、第四耦合器、第一光电探测器、数据采集器和处理器，n为大于1的整数，其中所述扫频激光器的输出端连接该第一耦合器的输入端，所述第一耦合器的两个输出端分别连接该第二耦合器的输入端、该第四耦合器的第一输入端，所述第二耦合器上设有n个输出端，所述第三耦合器上设有n个输入端，所述第二耦合器的每个输出端均连接有一个测量支路，每个测量支路均包括延迟介质、环形器和传感光纤，该测量支路中延迟介质的一端与该第二耦合器上对应输出端连接，另一端与该测量支路中环形器的第一端连接，该环形器的第二端连接该测量支路中的传感光纤，第三端连接该第三耦合器上的对应输入端；所述第三耦合器的输出端连接该第四耦合器的第二输入端；所述第四耦合器的输出端依次通过该第一光电探测器、数据采集器连接该处理器；

3、所述第一耦合器将所述扫频激光器提供的线性扫频激光分为两路，一路作为参考信号传输给该第四耦合器，一路作为测量信号传输给该第二耦合器；

4、所述第二耦合器将该测量信号分成n路，分别传输给n个测量支路，在每个测量支路中，对应一路测量信号经其延迟介质延迟处理后，通过其环形器传输给与其传感光纤；该传感光纤将散射光信号原路反向传输回该环形器，由该环形器传输给该第三耦合器的对应输入端；

5、所述第三耦合器将接收到的散射光信号传输给该第四耦合器，所述参考信号与散射光信号在该第四耦合器处发生拍频，产生第一拍频信号，该第一拍频信号被该第一光电探测器转换为第一电信号；所述数据采集器对该第一电信号进行采集，所述处理器对该数据采集器采集到的第一电信号进行处理，获得各个传感光纤上不同位置处的待测参数；

6、针对每个测量支路，通过对该测量支路的光程进行调节，来对不同传感光纤对应第一拍频信号的拍频频率进行调节，以使不同传感光纤对应第一拍频信号的拍频频率互不重叠，从而将不同传感光纤对应第一拍频信号分离开，其中在完成各个测量支路的光程调节后，各个测量支路的光程逐渐增大，且当上一测量支路中传感光纤终止位置反射回的散射光信号到达该第四耦合器时，下一测量支路中传感光纤起始位置反射回的散射光信号尚未到达该第四耦合器。

7、在一种可选的实现方式中，所述测量支路对应第一拍频信号的拍频频率与该测量支路中的光程大小有关，所述测量支路的光程越大，其对应第一拍频信号的拍频频率越大。

8、在另一种可选的实现方式中，设所述第一耦合器与第四耦合器之间的光路为参考支路，各个测量支路中除传感光纤和延迟介质外其他部分的光程相等，且各个测量支路中除传感光纤和延迟介质外其他部分的光程，均大于或者等于该参考支路的光程，各个测量支路之间通过各个测量支路中延迟光纤和传感光纤的光程加以区分；

9、所述测量支路对应第一拍频信号的拍频频率与该测量支路中延迟光纤和传感光纤的光程的关系为：

10、

11、其中li表示第i个测量支路相对于参考支路的光程差，ni1表示第i个测量支路中延迟光纤的折射率，di1表示第i个测量支路中延迟光纤的长度，ni2表示第i个测量支路中传感光纤的折射率，di2表示第i个测量支路中传感光纤的长度，l表示第i个测量支路中除该延迟光纤和传感光纤外其他部分的光程，与该参考支路的光程的光程差，fb表示第一拍频信号的拍频频率，c表示光速度，γ是线性扫频激光器的扫频速度，i为大于0且小于或者等于n的整数。

12、在另一种可选的实现方式中，各个测量支路中延迟介质的延迟时长逐渐增大，且下一测量支路中延迟介质的延迟时长大于或者等于上一测量支路中延迟介质的延迟时长加上传感时长，该传感时长为光信号在上一测量支路的传感光纤中的往返传输时长。

13、在另一种可选的实现方式中，当所述延迟介质为延迟光纤，各个测量支路中延迟光纤和传感光纤的折射率相同时，下一测量支路中延迟光纤的长度大于或者等于上一测量支路中延迟光纤的长度加上该上一测量支路中传感光纤长度的两倍。

14、在另一种可选的实现方式中，所述延迟介质为延迟光纤，若各个测量支路中传感光纤和延迟光纤的折射率相同，则测量支路对应第一拍频信号的拍频频率与该测量支路中延迟光纤和传感光纤的光程的关系表示为：

15、

16、其中li表示第i个测量支路相对于参考支路的光程差，n表示各个测量支路中延迟光纤和传感光纤的共同折射率，di1表示第i个测量支路中延迟光纤的长度，di2表示第i个测量支路中传感光纤的长度，l表示第i个测量支路中除该延迟光纤和传感光纤外其他部分的光程，与该参考支路的光程的光程差，fb表示第一拍频信号的拍频频率，c表示光速度，γ是线性扫频激光的扫频速度，i为大于0且小于或者等于n的整数。

17、在另一种可选的实现方式中，针对各个测量支路中不同的传感长度需求，按照以下步骤确定各个测量支路中延迟光纤和传感光纤的共同折射率n以及第1个测量支路中延迟光纤的长度d01，以实现多路并行同时测量：

18、步骤s110、根据以下公式，计算出第n个测量支路中延迟光纤长度和两倍传感光纤长度之和dn：

19、

20、其中d01表示第1个测量支路中延迟光纤的长度，di2表示第i个测量支路中传感光纤的长度，表示各个传感光纤长度之和的两倍；

21、步骤s120、使dn＝di1+2di2，将dn代入公式中，获得

22、步骤s130、由于已知，因此根据所述扫频激光器的扫频速度γ以及由该数据采集器对应采样率上限决定的第一拍频信号的最大拍频频率fb，对n和d01进行确定，以在各个测量支路中选用确定出的折射率为n的延迟光纤和传感光纤，并在第1个测量支路中接入长度为d01的延迟光纤，从而实现各个传感光纤在其对应传感长度要求下的多路并行同时测量。

23、在另一种可选的实现方式中，各个测量支路中的延迟光纤和传感光纤均为普通单模光纤。

24、在另一种可选的实现方式中，还包括第五耦合器和辅助干涉仪，所述辅助干涉仪包括第六耦合器、第七耦合器和第二光电探测器，其中所述扫频激光器的输出端连接该第五耦合器的输入端，所述第五耦合器的第一输出端连接该辅助干涉仪中第六耦合器的输入端，第二输出端连接该主干涉仪中第一耦合器的输入端；所述第六耦合器的第一输出端连接该第七耦合器的第一输入端，第二输出端通过参考延迟介质连接该第七耦合器的第二输入端，该第七耦合器的输出端通过该第二光电探测器、数据采集器连接该处理器，该处理器连接该扫频激光器；

25、所述第五耦合器将该扫频激光器提供的线性扫频激光分为两路，一路传输给该辅助干涉仪中的第六耦合器，一路传输给该主干涉仪中的第一耦合器；

26、所述第六耦合器将该线性扫频激光分成两路，一路直接传输给该第七耦合器，一路经该参考延迟介质延迟后，传输给该第七耦合器；该线性扫频激光和经延迟后的线性扫频激光在该第七耦合器处发生拍频，生成第二拍频信号，该第二拍频信号被该第二光电探测器转换为第二电信号，该数据采集器对该第二电信号进行采集，所述处理器根据该数据采集器采集到的第二电信号来对该扫频激光器进行非线性补偿。

27、在另一种可选的实现方式中，所述第1个测量支路中延迟介质的延迟时长为0。

28、本发明的有益效果是：

29、1、本发明通过向主干涉仪输入线性扫频激光，使主干涉仪中各个测量支路对应第一拍频信号的拍频频率与测量支路中的光程大小有关，通过在各个测量支路中增设延迟介质，通过调节延迟介质的光程来对测量支路的光程进行调节，从而对各个测量支路对应拍频频率进行调节，使各个测量支路对应拍频频率不出现重叠，如此可以将不同测量支路对应第一拍频信号分离开，可见本发明光频域反射仪可以实现多路并行同时测量，成倍的提高了测量速度；此外，由于本发明不是采用光开关对光路选择，而是采用耦合器对测量信号进行分光，因此光损较小；由于本发明在采用耦合器进行分光，实现多路并行同时测量时，并不需要采用特种光纤，因此成本较低；可见，本发明同时兼具了光损、测量时间和成本均低的优点；

30、2、本发明使各个测量支路中传感光纤和延迟光纤的折射率相同，如此可以方便组件选择；

31、3、本发明在实现多路并行同时测量时，针对各个测量支路不同的传感长度需求，只需要根据数据采集器的采样率上限和扫频激光器的扫频速度，确定出对各个测量支路中延时光纤和传感光纤的共同折射率，以及第1个测量支路中延迟光纤的长度，从而选用对应折射率的延迟光纤和传感光纤，并在第1个测量支路中接入对应长度的延迟光纤即可，并不需要替换数据采集器和扫频激光器，因此实现多路并行同时测量的方法简单且成本较低；并且本发明在第1个测量支路中也设有延迟光纤，根据数据采集器的采样率和扫频激光器的扫频速度确定出的参数是共同折射率和第1个测量支路中延迟光纤长度这两个参数，提高了传感光纤和延迟光纤选择灵活度，如此可以保证多路并行同时测量更容易实现；

32、4、本发明各个测量支路中的延迟光纤和传感光纤均为普通单模光纤，而不是特种光纤，如此可以降低多路并行同时测量的成本；

33、5、本发明还可以对扫频激光器进行非线性补偿，由此可以进一步提高多路并行同时测量准确度。