一種準分布式光纖振動傳感裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種準分布式光纖振動傳感裝置，其特征在于，包括：寬譜光源，多個傳感單元，馬赫曾德干涉儀，三個波分復(fù)用器，以及三組光探測器；傳感單元均為光纖布拉格光柵法布里泊羅腔，每個傳感單元由兩個串聯(lián)的全同高反光纖布拉格光柵組成，每個傳感單元對應(yīng)一個波段的光，能使該波段的光在其內(nèi)產(chǎn)生振蕩干涉；寬譜光源通過級聯(lián)的多個傳感單元與馬赫曾德干涉儀的輸入端連接，馬赫曾德干涉儀的三個輸出端分別連接三個波分復(fù)用器；受外界振動信號作用的傳感單元對應(yīng)波段的光的游標光譜會發(fā)生漂移，光功率受到調(diào)制，處理光探測器的檢測結(jié)果即可實現(xiàn)振動信號解調(diào)。本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度和大容量復(fù)用傳感，可用于多點微弱振動信號的探測。
【專利說明】一種準分布式光纖振動傳感裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖傳感【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地，涉及一種準分布式光纖振動傳感裝置?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]邊境防范、地震監(jiān)測、海嘯預(yù)警等應(yīng)用領(lǐng)域的傳感報警系統(tǒng)在保障人民生活安定，保護人民生命財產(chǎn)安全方面發(fā)揮著重要的作用，這類系統(tǒng)的本質(zhì)在于對振動信號的檢測和分析。光纖傳感具有抗電磁干擾、易于長距離通信組網(wǎng)的優(yōu)勢，光纖既作為感知單元又作為傳輸介質(zhì)，具有連續(xù)分布、頻帶寬、損耗小等特性，承擔(dān)著分布式振動信號監(jiān)測的任務(wù)。隨著光器件和光通信的發(fā)展，光纖傳感技術(shù)越來越多地應(yīng)用于傳感領(lǐng)域。由于光纖對振動、應(yīng)力及聲波等信號敏感，基于光纖的振動傳感技術(shù)，尤其是分布式傳感受到越來越多的重視。
[0003]在一些特殊的應(yīng)用場合，例如低頻光纖地震波探測領(lǐng)域，由于振動信號非常微弱，探測點多，傳輸距離很長，需要進行高靈敏度的分布式探測，現(xiàn)有的光纖傳感方法很難滿足要求。
[0004]目前，實用的分布式光纖傳感主流技術(shù)有光時域反射和光纖光柵。光時域反射利用了光信號的反射時間進行定位，光纖光柵利用波分復(fù)用技術(shù)進行定位。它們具有定位精度高，傳感頭成本低等優(yōu)勢，但是由于其探測靈敏度較低，只能在例如小區(qū)邊界安防、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、火災(zāi)預(yù)警等強信號探測領(lǐng)域中使用。傳統(tǒng)光纖振動傳感中，靈敏度最高的是干涉儀。干涉?zhèn)鞲惺抢脗鞲行盘枌獾南辔徽{(diào)制實現(xiàn)的。由于光纖上任意兩點的擾動都能夠?qū)膺M行相位調(diào)制，因此在分布式傳感中，干涉儀的多點分布式定位是一個難點。
[0005]因此，如何將高靈敏度與分布式傳感的優(yōu)點集中在一起，是光纖傳感領(lǐng)域亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種準分布式光纖振動傳感裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度和大容量復(fù)用傳感，可用于多點微弱振動信號的探測。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種準分布式光纖振動傳感裝置，其特征在于，包括:寬譜光源，多個傳感單元，馬赫曾德干涉儀，三個波分復(fù)用器，以及三組光探測器；所述多個傳感單元均為光纖布拉格光柵法布里泊羅腔，每個傳感單元由兩個串聯(lián)的全同高反光纖布拉格光柵組成，每個傳感單7Π對應(yīng)一個波段的光，能使該波段的光在其內(nèi)產(chǎn)生振蕩干涉；所述寬譜光源通過級聯(lián)的所述多個傳感單元與所述馬赫曾德干涉儀的輸入端連接，所述馬赫曾德干涉儀的三個輸出端分別連接所述三個波分復(fù)用器，所述三個波分復(fù)用器分別連接所述三組光探測器；所述寬譜光源輸出的寬譜光進入所述多個傳感單元后，不同波段的光分別在各自對應(yīng)的傳感單元內(nèi)振蕩干涉后，再通過所述馬赫曾德干涉儀干涉，產(chǎn)生各自對應(yīng)的游標光譜，所述三個波分復(fù)用器分別將所述多個傳感單元各自對應(yīng)的不同波段的光濾出，并送至所述三組光探測器進行功率檢測，受外界振動信號作用的傳感單元對應(yīng)波段的光的游標光譜會發(fā)生漂移，光功率受到調(diào)制，處理光探測器的檢測結(jié)果即可實現(xiàn)振動信號解調(diào)。
[0008]優(yōu)選地，所述馬赫曾德干涉儀包括第一光纖耦合器、第二光纖耦合器、偏振控制器和延遲光纖，所述第一光纖耦合器為耦合比為1:1的1X2寬帶耦合器，所述第二光纖耦合器為稱合比為1:1:1的3X3寬帶稱合器,所述第一光纖稱合器的第一輸出端與所述第二光纖耦合器的第一輸入端連接，所述第一光纖耦合器的第二輸出端通過所述延遲光纖與所述第二光纖耦合器的第二輸入端連接，所述偏振控制器設(shè)置在所述馬赫曾德干涉儀的任何一臂上，所述第二光纖耦合器的第三輸入端閑置。
[0009]優(yōu)選地，在所述多個傳感單元的兩個串聯(lián)的全同高反光纖布拉格光柵間設(shè)置偏振控制器。
[0010]優(yōu)選地，所述光纖布拉格光柵法布里泊羅腔的精細度大于所述馬赫曾德干涉儀的兩臂光程差和該光纖布拉格光柵法布里泊羅腔的光學(xué)腔長之比。
[0011]優(yōu)選地，所述光纖布拉格光柵法布里泊羅腔的光學(xué)腔長為所述馬赫曾德干涉儀的兩臂光程差的千分之一到百分之一。
[0012]優(yōu)選地，還包括采集解調(diào)模塊，與所述三組光探測器連接，用于解調(diào)振動信號。
[0013]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果:
[0014]1、由于馬赫曾德干涉儀的兩臂光程差近似為光纖布拉格光柵法布里泊羅腔光學(xué)腔長的偶數(shù)倍，靈敏度成倍提高。
[0015]2、由于采用光纖布拉格光柵法布里泊羅腔作為傳感單元，更易于實現(xiàn)單纖大容量復(fù)用，傳感頭彼此之間無干擾，且傳感光路和參考光路在空間上分開，避免了信號對參考光路的干擾。
[0016]3、可通過拉伸光纖使光纖布拉格光柵法布里泊羅腔的光學(xué)腔長與馬赫曾德干涉儀的兩臂光程差匹配，對光纖布拉格光柵法布里泊羅腔長度沒有嚴格的要求，大大降低了傳感頭工藝難度。
[0017]4、結(jié)構(gòu)簡單，成本低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明一個實施例的基于游標效應(yīng)的準分布式光纖振動傳感裝置示意圖；
[0019]圖2是本發(fā)明另一個實施例的基于游標效應(yīng)的準分布式光纖振動傳感裝置示意圖。
[0020]在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)。
【具體實施方式】
[0021] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0022]如圖1所示，本發(fā)明實施例的基于游標效應(yīng)的準分布式光纖振動傳感裝置包括:寬譜光源I，傳感單元Fm、…、傳感單元Fn (η>1且η為整數(shù))，馬赫曾德干涉儀(Mach-Zenhder Interfermeter, MZI),三個波分復(fù)用器(Wavelength DivisionMultiplexer, WDM) 6,三組光探測器(Photo Detector, PD) 7,以及采集解調(diào)模塊8。
[0023]傳感單元F1-1…F1-n均為光纖布拉格光柵法布里泊羅(Fiber BraggGrating-Fabry-Perot, FBG-FP)腔，F(xiàn)BG-FP腔均由兩個串聯(lián)的全同高反光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating, FBG)組成。具體地,傳感單元Fh由兩個串聯(lián)的全同高反FBG GjH成，傳感單元Fm由兩個串聯(lián)的全同高反FBG Gn組成。
[0024]MZI包括第一光纖稱合器2、第二光纖稱合器3、偏振控制器(PolarizationController，PC) 4和延遲光纖5。第一光纖耦合器2為耦合比為1:1的1X2寬帶耦合器，第二光纖I禹合器3為稱合比為1:1:1的3X3寬帶稱合器。第一光纖I禹合器2的第一輸出端與第二光纖稱合器3的第一輸入端連接，第一光纖稱合器2的第二輸出端通過延遲光纖5與第二光纖耦合器3的第二輸入端連接，第一光纖耦合器2與延遲光纖5間的光路中設(shè)置PC4,第二光纖稱合器3的第三輸入端閑置。
[0025]寬譜光源I通過η個級聯(lián)的傳感單元F1^Fh與MZI的第一光纖耦合器2的輸入端連接，MZI的第二光纖耦合器3的三個輸出端分別連接三個WDM6，每個WDM6與一組(η個)PD7連接，所有PD7的另一端連接采集解調(diào)模塊8。
[0026]以上所述光學(xué)器件全部基于單模光纖，以保證理想的濾波特性。
[0027]MZI中的PC4并不局限于上述連接方式，更一般地，PC4可以設(shè)置在MZI的任何一臂上，即PC4可以設(shè)置在第一光纖I禹合器2的第一輸出端與第二光纖I禹合器3的第一輸入端間的光路中，也可以設(shè)置在第一光纖耦合器2的第二輸出端與第二光纖耦合器3的第二輸入端間的光路中。
[0028]本發(fā)明實施例的傳感裝置的工作原理為:寬譜光源1輸出的寬譜光進入傳感單元F1V Fpn后，與傳感單元F1^Fm各自對應(yīng)的不同波段λ1...λ n的光由于FBG的反射，分別在各自對應(yīng)的傳感單元F1VFpn內(nèi)振蕩干涉，再通過MZI干涉，產(chǎn)生游標光譜，這個游標光譜類似法布里拍羅(Fabry-Perot, FP)干涉光譜,其自由光譜范圍(Free SpectralRange, FSR)為:
[0029]
【權(quán)利要求】
1.一種準分布式光纖振動傳感裝置，其特征在于，包括:寬譜光源，多個傳感單元，馬赫曾德干涉儀，三個波分復(fù)用器，以及三組光探測器； 所述多個傳感單元均為光纖布拉格光柵法布里泊羅腔，每個傳感單元由兩個串聯(lián)的全同高反光纖布拉格光柵組成，每個傳感單兀對應(yīng)一個波段的光，能使該波段的光在其內(nèi)產(chǎn)生振蕩干涉； 所述寬譜光源通過級聯(lián)的所述多個傳感單元與所述馬赫曾德干涉儀的輸入端連接，所述馬赫曾德干涉儀的三個輸出端分別連接所述三個波分復(fù)用器，所述三個波分復(fù)用器分別連接所述三組光探測器； 所述寬譜光源輸出的寬譜光進入所述多個傳感單元后，不同波段的光分別在各自對應(yīng)的傳感單元內(nèi)振蕩干涉后，再通過所述馬赫曾德干涉儀干涉，產(chǎn)生各自對應(yīng)的游標光譜，所述三個波分復(fù)用器分別將所述多個傳感單元各自對應(yīng)的不同波段的光濾出，并送至所述三組光探測器進行功率檢測，受外界振動信號作用的傳感單元對應(yīng)波段的光的游標光譜會發(fā)生漂移，光功率受到調(diào)制，處理光探測器的檢測結(jié)果即可實現(xiàn)振動信號解調(diào)。
2.如權(quán)利要求1所述的準分布式光纖振動傳感裝置，其特征在于，所述馬赫曾德干涉儀包括第一光纖稱合器、第二光纖稱合器、偏振控制器和延遲光纖，所述第一光纖稱合器為耦合比為1:1的I X 2寬帶耦合器，所述第二光纖耦合器為耦合比為1:1:1的3 X 3寬帶耦合器，所述第一光纖耦合器的第一輸出端與所述第二光纖耦合器的第一輸入端連接，所述第一光纖耦合器的第二輸出端通過所述延遲光纖與所述第二光纖耦合器的第二輸入端連接，所述偏振控制器設(shè)置在所述馬赫曾德干涉儀的任何一臂上，所述第二光纖耦合器的第三輸入端閑置。
3.如權(quán)利要求1或2所述的準分布式光纖振動傳感裝置，其特征在于，在所述多個傳感單元的兩個串聯(lián)的全同高反光纖布拉格光柵間設(shè)置偏振控制器。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的準分布式光纖振動傳感裝置，其特征在于，所述光纖布拉格光柵法布里泊羅腔的精細度大于所述馬赫曾德干涉儀的兩臂光程差和該光纖布拉格光柵法布里泊羅腔的光學(xué)腔長之比。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項所述的準分布式光纖振動傳感裝置，其特征在于，所述光纖布拉格光柵法布里泊羅腔的光學(xué)腔長為所述馬赫曾德干涉儀的兩臂光程差的千分之一到百分之一。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的準分布式光纖振動傳感裝置，其特征在于，還包括采集解調(diào)模塊，與所述三組光探測器連接，用于解調(diào)振動信號。
【文檔編號】G01H9/00GK103542925SQ201310435105
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月23日
【發(fā)明者】魯平, 張亮, 田銘, 劉德明 申請人:華中科技大學(xué)