基于微波光子的光纤传感系统和光纤传感方法与流程

本申请涉及光纤传感，尤其涉及一种基于微波光子的光纤传感系统和光纤传感方法。

背景技术：

1、随着传感技术的不断发展，对传感系统的灵敏度及响应速度的要求也日益提高。快速精密测量在很多领域都具有重要意义。例如，在结构体的健康监测中，快速、准确的测量结果可以及时反映结构体的运行情况，对保证系统的健康状态、实现快速及时的设备维护具有重要意义。在工程项目的实施过程中，在早期阶段，快速、精确的测量数据是有助于确保项目计划顺利进行的关键信息之一，可降低项目延期、返工或重启的风险。在医疗手术领域中，对如肿瘤位置等的连续精确测量，可减少对邻域组织不必要的伤害，降低并发症，对于确保人体安全健康至关重要。

2、光纤传感器具有固有体积小、重量轻、抗电磁干扰、传感距离长等特性，因此成为一些应用场景中不可替代的传感解决方案，已得到了广泛的研究和应用。

3、目前，基于微波光子滤波器的技术被用于光纤传感系统中。根据系统射频响应中的通带的中心频率的漂移实现对应变、压力、温度等物理量的监测。然而，基于上述技术的信息解调灵敏度非常低，比光学域中基于光谱漂移的方法低几个数量级，测量速度也有待提升。

技术实现思路

1、本申请提供一种基于微波光子的光纤传感系统和光纤传感方法，响应速度快，成本低，并具有高测量灵敏度。

2、本申请提供一种光纤传感系统，用于感测外界物理量变化信息，包括：

3、光信号产生单元，用于产生光信号；

4、微波射频振荡器，用于产生第一射频信号和第二射频信号；

5、微波-光调制器，与所述光信号产生单元和所述微波射频振荡器连接，用于基于所述第一射频信号调制所述光信号，输出调制后光信号；

6、光电转换单元，用于将所述光信号转换为第一电信号；

7、微波相位探测器，用于在感测所述外界物理量变化信息之前，确定所述光纤传感系统的工作频率；所述微波相位探测器与所述光电转换单元连接，且与所述微波射频振荡器连接，用于产生表征所述第一电信号和所述第二射频信号的相位差的第二电信号；所述第一射频信号和所述第二射频信号的频率均为所述工作频率；及

8、信号采集处理组件，与所述微波相位探测器连接，用于采集并解调所述第二电信号的强度，得到所述外界物理量变化信息。

9、可选的，所述微波相位探测器包括矢量网络分析仪，用于在感测所述外界物理量变化信息之前，确定所述外界物理量变化信息的相位变化规律。

10、可选的，所述信号采集处理组件用于根据所述相位变化规律，解调所述第二电信号的强度，得到所述外界物理量变化信息。

11、可选的，所述光信号产生单元包括光源和干涉仪组件；所述光源用于产生宽带连续光；所述干涉仪组件用于对所述宽带连续光进行光学采样，得到采样后光信号。

12、可选的，所述干涉仪组件包括双向耦合器和第一光纤干涉仪；所述双向耦合器包括第一端口、第二端口和第三端口；所述第一端口与所述光源连接，所述第二端口与所述第一光纤干涉仪连接，所述第三端口与所述微波-光调制器连接；所述第一光纤干涉仪用于对所述宽带连续光进行光学采样，得到所述采样后光信号，并将所述采样后光信号传输给所述第三端口。

13、可选的，所述干涉仪组件包括耦合器和多个所述第一光纤干涉仪；所述耦合器连接于所述双向耦合器的第二端口和所述多个第一光纤干涉仪之间；至少两个所述第一光纤干涉仪具有不同的自由光谱范围；所述多个第一光纤干涉仪分别对所述宽带连续光进行光学采样，得到多个所述采样后光信号；所述耦合器用于耦合多个所述采样后光信号。由此可实现多传感器复用。

14、可选的，所述光源包括放大的自发辐射光源或超辐射发光二极管。

15、可选的，所述光电转换单元包括色散组件和光电探测器；所述色散组件用于对所述调制后光信号进行色散，得到色散后光信号；所述光电探测器用于将所述色散后光信号转换为所述第一电信号。

16、可选的，所述光纤传感系统包括放大器，连接于所述光信号产生单元和所述光电探测器之间，用于放大所述光信号。

17、可选的，所述色散组件包括单模光纤、多模光纤、色散补偿光纤中的至少一者。

18、可选的，所述微波射频振荡器包括矢量网络分析仪。

19、可选的，所述微波-光调制器包括电光调制器、马赫曾德调制器、相位调制器中的一者。

20、本申请还提供一种基于微波光子的光纤传感方法，应用于光纤传感系统感测外界物理量变化信息，包括：

21、确定所述光纤传感系统的工作频率；

22、产生光信号；

23、基于第一射频信号调制所述光信号，得到调制后光信号；

24、将所述光信号转换为第一电信号；

25、产生表征所述第一电信号和第二射频信号的相位差的第二电信号；其中，所述第二射频信号与所述第一射频信号的频率均为所述工作频率；

26、解调所述第二电信号的强度，得到所述外界物理量变化信息。

27、可选的，所述确定所述光纤传感系统的工作频率，包括：

28、产生宽带连续光；

29、对所述宽带连续光进行光学采样，得到采样后光信号；

30、基于宽频的射频扫频信号调制所述采样后光信号，得到调制后光信号；

31、对所述调制后光信号进行色散，得到色散后光信号；

32、将所述色散后光信号转换为第三电信号；

33、根据所述第三电信号的强度，将射频通带内的任意频率确定为所述工作频率；

34、根据所述第三电信号的相位，确定所述外界物理量变化信息的所述相位变化规律。

35、可选的，在所述解调所述第二电信号的强度的之前，所述光纤传感方法还包括：

36、去除所述第二电信号的强度的直流信息；

37、去除所述第二电信号的强度的噪声信息。

38、在一些实施例中，第一射频信号和第二射频信号具有相同的频率，微波-光调制器基于第一射频信号调制光信号，微波相位探测器产生表征第一电信号和第二射频信号的相位差的第二电信号，如此光纤传感系统不需要扫频过程，响应速度快且单频工作器件的成本低；通过解调第二电信号的强度，得到第一电信号和第二射频信号的相位差信息，进而得到外界物理量变化信息，如此光纤传感系统的测量灵敏度高。

39、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

技术特征：

1.一种基于微波光子的光纤传感系统，用于感测外界物理量变化信息，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的光纤传感系统，其特征在于，所述微波相位探测器包括矢量网络分析仪，用于在感测所述外界物理量变化信息之前，确定所述外界物理量变化信息的相位变化规律。

3.根据权利要求2所述的光纤传感系统，其特征在于，所述信号采集处理组件用于根据所述相位变化规律，解调所述第二电信号的强度，得到所述外界物理量变化信息。

4.根据权利要求1所述的光纤传感系统，其特征在于，所述光信号产生单元包括光源和干涉仪组件；所述光源用于产生宽带连续光；所述干涉仪组件用于对所述宽带连续光进行光学采样，得到采样后光信号。

5.根据权利要求4所述的光纤传感系统，其特征在于，所述干涉仪组件包括双向耦合器和第一光纤干涉仪；所述双向耦合器包括第一端口、第二端口和第三端口；所述第一端口与所述光源连接，所述第二端口与所述第一光纤干涉仪连接，所述第三端口与所述微波-光调制器连接；所述第一光纤干涉仪用于对所述宽带连续光进行光学采样，得到所述采样后光信号，并将所述采样后光信号传输给所述第三端口。

6.根据权利要求5所述的光纤传感系统，其特征在于，所述干涉仪组件包括耦合器和多个所述第一光纤干涉仪；所述耦合器连接于所述双向耦合器的第二端口和所述多个第一光纤干涉仪之间；至少两个所述第一光纤干涉仪具有不同的自由光谱范围；所述多个第一光纤干涉仪分别对所述宽带连续光进行光学采样，得到多个所述采样后光信号；所述耦合器用于耦合多个所述采样后光信号。

7.根据权利要求4所述的光纤传感系统，其特征在于，所述光源包括放大的自发辐射光源或超辐射发光二极管。

8.根据权利要求1所述的光纤传感系统，其特征在于，所述光电转换单元包括色散组件和光电探测器；所述色散组件用于对所述调制后光信号进行色散，得到色散后光信号；所述光电探测器用于将所述色散后光信号转换为所述第一电信号。

9.根据权利要求8所述的光纤传感系统，其特征在于，所述光纤传感系统包括放大器，连接于所述光信号产生单元和所述光电探测器之间，用于放大所述光信号。

10.根据权利要求8所述的光纤传感系统，其特征在于，所述色散组件包括单模光纤、多模光纤、色散补偿光纤中的至少一者。

11.根据权利要求1所述的光纤传感系统，其特征在于，所述微波射频振荡器包括矢量网络分析仪；和/或

12.一种基于微波光子的光纤传感方法，应用于光纤传感系统感测外界物理量变化信息，其特征在于，包括：

13.根据权利要求12所述的光纤传感方法，其特征在于，所述确定所述光纤传感系统的工作频率，包括：

14.根据权利要求12所述的光纤传感方法，其特征在于，在所述解调所述第二电信号的强度的之前，所述光纤传感方法还包括：

技术总结
本申请提供一种基于微波光子的光纤传感系统和光纤传感方法。光纤传感系统包括：用于产生光信号的光信号产生单元、用于产生第一射频信号和第二射频信号的微波射频振荡器、用于基于第一射频信号调制光信号的微波‑光调制器、用于将光信号转换为第一电信号的光电转换单元、微波相位探测器和信号采集处理组件。微波相位探测器用于在感测外界物理量变化信息之前，确定光纤传感系统的工作频率。微波相位探测器还用于产生表征第一电信号和第二射频信号的相位差的第二电信号。第一射频信号和第二射频信号的频率均为工作频率。信号采集处理组件用于解调第二电信号的强度，得到外界物理量变化信息。本申请的光纤传感系统，响应快，成本低，有高测量灵敏度。

技术研发人员：朱琛,介瑞敏,刘波
受保护的技术使用者：之江实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16