調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)的光纖光柵復(fù)用系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)的光纖光柵復(fù)用系統(tǒng)，涉及一種基于調(diào)頻連續(xù)波復(fù)用技術(shù)的分布式光纖測(cè)量裝置。本實(shí)用新型是為了解決現(xiàn)有技術(shù)光纖布拉格光柵FBG傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目少、分布單一和利用率低的問(wèn)題，以及現(xiàn)有技術(shù)測(cè)量能力差和靈敏度低的問(wèn)題。本系統(tǒng)采用光纖光柵陣列實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，所述光纖光柵陣列是由多根光纖和多個(gè)光纖布拉格光柵FBG傳感器組成的陣列，所述陣列中的所有光纖布拉格光柵FBG傳感器用于采集數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)經(jīng)光纖和光纖耦合器發(fā)送給光電探測(cè)器，該光電探測(cè)器發(fā)送電信號(hào)給乘法器，該乘法器將該信號(hào)與壓控振蕩器VCO輸出的高頻信號(hào)相乘后獲得差頻信號(hào)輸出給信號(hào)處理單元。本實(shí)用新型適用于測(cè)量距離、溫度或壓力測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】。
【專(zhuān)利說(shuō)明】調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)的光纖光柵復(fù)用系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種新型基于調(diào)頻連續(xù)波復(fù)用(Frequency-modulatedcontinuous wave, FMCff)技術(shù)的分布式光纖測(cè)量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]利用光纖布拉格光柵FBG(Fiber Bragg Grating)傳感器構(gòu)成分布式測(cè)量系統(tǒng),是光纖傳感器的獨(dú)有技術(shù)，它通過(guò)在一條光纖上布置多個(gè)傳感器，實(shí)現(xiàn)沿光纖鋪設(shè)路徑上分布場(chǎng)的測(cè)量。光纖既是傳感器也是測(cè)量信息傳輸通道，這就不需要額外的引線(xiàn)來(lái)構(gòu)成測(cè)量系統(tǒng)，從而降低系統(tǒng)復(fù)雜程度，節(jié)約系統(tǒng)的組成和運(yùn)行成本。這在大型結(jié)構(gòu)(如水壩、橋梁、建筑和飛行器等)的安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，特別是在智能蒙皮結(jié)構(gòu)中，利用光纖傳感器構(gòu)成分布式測(cè)量系統(tǒng)幾乎是唯一選擇。
[0003]在光纖傳感器分布式測(cè)量系統(tǒng)中，信息解調(diào)是關(guān)鍵技術(shù)之一，即利用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)方法，將來(lái)自傳感器的測(cè)量和位置信息正確解讀。調(diào)頻連續(xù)波復(fù)用(FMCW)是實(shí)現(xiàn)信息解調(diào)的方法之一，與其他解調(diào)方法，例如，波分復(fù)用(WDM)、時(shí)分復(fù)用(TDM)、空分復(fù)用(SDM)、光時(shí)域反射計(jì)(OTDR)等相比，本實(shí)用新型將不同串光纖布拉格光柵FBG傳感器有機(jī)結(jié)合起來(lái)，使分布式傳感二維甚至立體化，具有可支持大量的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目、分辨力高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。既保證了較寬的調(diào)諧范圍，又可獲得較高的信噪比。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]本實(shí)用新型是為了解決現(xiàn)有技術(shù)光纖布拉格光柵FBG傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目少、分布單一和利用率低的問(wèn)題，同時(shí)為了解決現(xiàn)有技術(shù)測(cè)量能力差和靈敏度低的問(wèn)題。
[0005]調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)的光纖光柵復(fù)用系統(tǒng)，主要包括ASE (Amplified SpontaneousEmission)光源1、可調(diào)諧F-P濾波器2、光強(qiáng)調(diào)制器3、鋸齒波發(fā)生器4、壓控振蕩器VCO(Voltage Controlled Oscillator) 5、光纖稱(chēng)合器6、光纖光柵陣列7、光電探測(cè)器8、乘法器9和信號(hào)處理單兀10 ;光柵光纖陣列7為由多根光纖和多個(gè)光纖布拉格光柵FBG傳感器組成的陣列；
[0006]ASE光源I發(fā)射寬帶光源給可調(diào)諧F-P濾波器2，所述寬帶光源的工作波長(zhǎng)范圍為1525-1566nm，所述可調(diào)諧F-P濾波器2輸出濾波后的光信號(hào)給光強(qiáng)調(diào)制器3，所述光強(qiáng)調(diào)制器3輸出光信號(hào)給光纖f禹合器6,所述光纖f禹合器6將輸入的光信號(hào)同時(shí)輸出給光纖光柵陣列7的每一根光纖；
[0007]由所述光纖光柵陣列7中的所有光纖布拉格光柵FBG傳感器反射回的光信號(hào)經(jīng)光纖和光纖耦合器6發(fā)送給光電探測(cè)器8，所述光電探測(cè)器8將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后經(jīng)電信號(hào)輸出端輸出給乘法器9的一個(gè)信號(hào)輸入端；
[0008]鋸齒波發(fā)生器4的低頻鋸齒波電壓信號(hào)輸出端連接壓控振蕩器VC05的控制信號(hào)輸入端，壓控振蕩器VC05的一個(gè)高頻信號(hào)輸出端連接光強(qiáng)調(diào)制器3的控制信號(hào)輸入端，所述壓控振蕩器VC05的另一個(gè)高頻信號(hào)輸出端連接乘法器9的參考信號(hào)輸入端；所述乘法器9的信號(hào)輸出端連接信號(hào)處理單元10的差頻信號(hào)輸入端。
[0009]所述光纖光柵陣列7中的每一根光纖的長(zhǎng)度均位于為本系統(tǒng)的最小分辨距離至幾十千米之間。
[0010]所述本系統(tǒng)的最小分辨距離是指調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)的光纖光柵復(fù)用系統(tǒng)能夠辨識(shí)的最小距離，由系統(tǒng)本身特性決定。在實(shí)際情況中，可通過(guò)調(diào)節(jié)鋸齒波發(fā)生器4和壓控振蕩器VC05來(lái)確定和改變系統(tǒng)的最小分辨率距離。
[0011]所述光纖光柵陣列7中,位于同一根所述光纖上的所有光纖布拉格光柵FBG傳感器的中心波長(zhǎng)均都不相同，且位于同一根所述光纖上的任意相鄰的兩個(gè)光纖布拉格光柵FBG傳感器之間的距離為最小分辨距離的整數(shù)倍。
[0012]所述光纖光柵陣列7中，在每根光纖的相同位置上所放置的光纖布拉格光柵FBG傳感器的中心波長(zhǎng)都不相同。
[0013]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn):
[0014]本實(shí)用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用光纖光柵陣列作為信號(hào)采集部件，該光纖光柵陣列是由多根光纖和多個(gè)光纖布拉格光柵FBG傳感器組成的陣列結(jié)構(gòu)，每根光纖上均設(shè)置有多個(gè)布拉格光柵FBG傳感器；相較現(xiàn)有技術(shù)的串聯(lián)方式，本實(shí)用新型將串聯(lián)在一起的光纖布拉格光柵FBG傳感器又并聯(lián)到一起,光纖的數(shù)目越多，光纖布拉格光柵FBG傳感器的數(shù)目越多，節(jié)點(diǎn)數(shù)目成倍增長(zhǎng)且分布廣泛，每一個(gè)光纖布拉格光柵FBG傳感器都可檢測(cè)外界變化，提高了節(jié)點(diǎn)的利用率。
[0015]現(xiàn)有的光纖測(cè)量技術(shù)，一般只能用來(lái)測(cè)量距離，而本實(shí)用新型通過(guò)測(cè)量每個(gè)受外界影響的光纖布拉格光柵FBG傳感器中心波長(zhǎng)的變化，可以計(jì)算出出外界溫度和壓力的變化，提高了測(cè)量能力；而且利用FMCW技術(shù)，通過(guò)可調(diào)諧F-P濾波器的控制電壓的變化可以精確計(jì)算出外界影響參數(shù)數(shù)值的大小，提高了靈敏度。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)的光纖光柵復(fù)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2為調(diào)頻連續(xù)波FMCW產(chǎn)生差頻的原理圖；
[0018]圖3為可調(diào)諧F-P濾波器的電壓與波長(zhǎng)關(guān)系示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]【具體實(shí)施方式】一:參照?qǐng)D1和圖2具體說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)的光纖光柵復(fù)用系統(tǒng)，主要包括ASE光源1、可調(diào)諧F-P濾波器2、光強(qiáng)調(diào)制器3、鋸齒波發(fā)生器4、壓控振蕩器VC05、光纖稱(chēng)合器6、光纖光柵陣列7、光電探測(cè)器8、乘法器9和信號(hào)處理單兀10 ;光柵光纖陣列7為由多根光纖和多個(gè)光纖布拉格光柵FBG傳感器組成的陣列；
[0020]ASE光源I發(fā)射寬帶光源給可調(diào)諧F-P濾波器2，所述寬帶光源的工作波長(zhǎng)范圍為1525-1566nm，所述可調(diào)諧F-P濾波器2輸出濾波后的光信號(hào)給光強(qiáng)調(diào)制器3，所述光強(qiáng)調(diào)制器3輸出光信號(hào)給光纖f禹合器6,所述光纖f禹合器6將輸入的光信號(hào)同時(shí)輸出給光纖光柵陣列7的每一根光纖；
[0021]由所述光纖光柵陣列7中的所有光纖布拉格光柵FBG傳感器反射回的光信號(hào)經(jīng)光纖和光纖耦合器6發(fā)送給光電探測(cè)器8，所述光電探測(cè)器8將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后經(jīng)電信號(hào)輸出端輸出給乘法器9的一個(gè)信號(hào)輸入端；
[0022]鋸齒波發(fā)生器4的低頻鋸齒波電壓信號(hào)輸出端連接壓控振蕩器VC05的控制信號(hào)輸入端，壓控振蕩器VC05的一個(gè)高頻信號(hào)輸出端連接光強(qiáng)調(diào)制器3的控制信號(hào)輸入端，所述壓控振蕩器VC05的另一個(gè)高頻信號(hào)輸出端連接乘法器9的參考信號(hào)輸入端；所述乘法器9的信號(hào)輸出端連接信號(hào)處理單元10的差頻信號(hào)輸入端。
[0023]ASE光源I用于產(chǎn)生平坦化C波段光信號(hào)?？烧{(diào)諧F-P濾波器2，用于接受ASE光源產(chǎn)生的光信號(hào)，并使特定波長(zhǎng)的光信號(hào)通過(guò)。光強(qiáng)調(diào)制器3，其在壓控振蕩器VC05產(chǎn)生的信號(hào)的控制下，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的強(qiáng)度調(diào)制。鋸齒波發(fā)生器4，用于周期性的產(chǎn)生鋸齒形信號(hào)。壓控振蕩器VC05，其在鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)控制下，產(chǎn)生頻率在周期性的線(xiàn)性增大的余弦信號(hào)。光纖耦合器6，用于接收光強(qiáng)調(diào)制器產(chǎn)生的光信號(hào)，并將光信號(hào)分為若干分路，而且其可接收從光纖光柵陣列7反射回來(lái)的光信號(hào)，并將它們合為一路后輸出。光纖光柵陣列7,是多根光纖和多個(gè)光纖布拉格光柵FBG傳感器組成的陣列,其通過(guò)位于光纖上的光纖布拉格光柵FBG傳感器感知外界的變化，并將相應(yīng)的信號(hào)通過(guò)光纖反饋光纖耦合器6。光電探測(cè)器8，將從光纖耦合器6接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并將該電信號(hào)放大。乘法器9，用于將壓控振蕩器VC05產(chǎn)生的信號(hào)和光電探測(cè)器8檢測(cè)出的信號(hào)相乘，產(chǎn)生差頻；信號(hào)處理單元10，用于檢測(cè)差頻頻率的大小。
[0024]由ASE光源I發(fā)出的光入射到可調(diào)諧F-P濾波器2中，調(diào)節(jié)可調(diào)諧F-P濾波器2的中心波長(zhǎng)與某一組光纖布拉格光柵FBG傳感器的中心波長(zhǎng)相同,滿(mǎn)足條件的光信號(hào)會(huì)從可調(diào)諧F-P濾波器2中通過(guò)，然后輸入光強(qiáng)調(diào)制器3 ；由鋸齒波發(fā)生器4產(chǎn)生的低頻鋸齒波作為壓控振蕩器VC05的外加控制電壓對(duì)其進(jìn)行調(diào)制，使其輸出信號(hào)的頻率按線(xiàn)性變化；然后再用這個(gè)高頻信號(hào)作為光強(qiáng)調(diào)制器3的控制電壓，對(duì)輸入的光信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制；光信號(hào)通過(guò)光纖耦合器6，入射到光纖光柵陣列7中，滿(mǎn)足布拉格波長(zhǎng)條件的光從某個(gè)光柵中反射回來(lái)，進(jìn)入光電探測(cè)器8中，被探測(cè)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；光電探測(cè)器8得到的信號(hào)和壓控振蕩器VC05的輸出參考信號(hào)一起進(jìn)入到乘法器9中產(chǎn)生穩(wěn)定的差頻如圖2所示，通過(guò)信號(hào)處理單兀10分析差頻的大小來(lái)確定每個(gè)光纖布拉格光柵FBG傳感器的位置。
[0025]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式是對(duì)【具體實(shí)施方式】一所述的調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)的光纖光柵復(fù)用系統(tǒng)作進(jìn)一步說(shuō)明，本實(shí)施方式中，所述光纖光柵陣列7中的每一根光纖的長(zhǎng)度均位于為本系統(tǒng)的最小分辨距離至幾十千米之間。
[0026]所述本系統(tǒng)的最小分辨距離是指調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)的光纖光柵復(fù)用系統(tǒng)能夠辨識(shí)的最小距離，由系統(tǒng)本身特性決定。在實(shí)際情況中，可通過(guò)調(diào)節(jié)鋸齒波發(fā)生器4和壓控振蕩器VC05來(lái)確定和改變系統(tǒng)的最小分辨率距離。
[0027]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式是對(duì)【具體實(shí)施方式】二所述的調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)的光纖光柵復(fù)用系統(tǒng)作進(jìn)一步說(shuō)明，本實(shí)施方式中，所述的最小分辨距離為I米至100米。
[0028]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式是對(duì)【具體實(shí)施方式】一、二或三所述的調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)的光纖光柵復(fù)用系統(tǒng)作進(jìn)一步說(shuō)明，本實(shí)施方式中，所述光纖光柵陣列7中，位于同一根所述光纖上的所有光纖布拉格光柵FBG傳感器的中心波長(zhǎng)均都不相同，且位于同一根所述光纖上的任意相鄰的兩個(gè)光纖布拉格光柵FBG傳感器之間的距離為最小分辨距離的整數(shù)倍。[0029]【具體實(shí)施方式】五:參照?qǐng)D1、圖2和圖3具體說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是對(duì)【具體實(shí)施方式】四所述的調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)的光纖光柵復(fù)用系統(tǒng)作進(jìn)一步說(shuō)明，本實(shí)施方式中，所述光纖光柵陣列7中，在每根光纖的相同位置上所放置的光纖布拉格光柵FBG傳感器的中心波長(zhǎng)都不相同。
[0030]先設(shè)置好調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)的光纖光柵復(fù)用系統(tǒng)，調(diào)節(jié)可調(diào)諧F-P濾波器2的中心波長(zhǎng)與某一組光纖布拉格光柵FBG傳感器的中心波長(zhǎng)相同，當(dāng)光信號(hào)經(jīng)過(guò)稱(chēng)合器分為若干路之后，會(huì)在所述相同中心波長(zhǎng)的光纖布拉格光柵FBG傳感器處被反射,信號(hào)處理單兀10檢測(cè)差頻頻率的大小，進(jìn)而獲得所述光纖布拉格光柵FBG傳感器的位置信息；
[0031]當(dāng)光纖布拉格光柵FBG傳感器受外界參量干擾而中心波長(zhǎng)發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)調(diào)整可調(diào)諧F-P濾波器2的中心波長(zhǎng)如圖3所示，使信號(hào)處理單元10獲得與所述光纖布拉格光柵FBG傳感器不受外界干擾時(shí)相一致的差頻頻率，通過(guò)可調(diào)諧F-P濾波器2的控制電壓的變化量就可獲得所述光纖布拉格光柵FBG傳感器所受外界干擾參量的大小。
[0032]本實(shí)用新型利用一組光纖測(cè)量和測(cè)試裝置來(lái)探測(cè)乘法器產(chǎn)生的差頻頻率的大小，以達(dá)到同時(shí)兼顧測(cè)量傳感器的距離，和感知外界的溫度和壓力的變化的目的。
[0033]本系統(tǒng)與其他現(xiàn)有技術(shù)相互比較時(shí)，更具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0034]1、本系統(tǒng)具有抗電磁干擾，抗腐蝕，以及在高溫可達(dá)230°C，特種光纖可達(dá)650°C的條件下正常工作。
[0035]2、本系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，它能夠在數(shù)公里的測(cè)量距離上達(dá)到毫米量級(jí)的空間精度。
[0036]3、本系統(tǒng)對(duì)信號(hào)強(qiáng)度要求不高，可探測(cè)極微弱的信號(hào)，能夠取得-1OOdB的敏感度，可測(cè)量范圍能夠達(dá)到數(shù)百公里。
[0037]4、本系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了立體化的分布式傳感，大大提高了 FBG的復(fù)用數(shù)量，提高了光源帶寬的利用率。
[0038]5、本系統(tǒng)具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，維護(hù)效率高。
[0039]本實(shí)用新型所述的調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)的光纖光柵復(fù)用系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)不局限于上述各個(gè)實(shí)施方式所記載的具體結(jié)構(gòu)，還可以是上述個(gè)實(shí)施方式所記載的技術(shù)特征的合理組
口 ο
【權(quán)利要求】
1.調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)的光纖光柵復(fù)用系統(tǒng)，其特征在于:主要包括ASE光源(I)、可調(diào)諧F-P濾波器(2)、光強(qiáng)調(diào)制器(3)、鋸齒波發(fā)生器(4)、VCO (5)、光纖耦合器(6)、光纖光柵陣列(7)、光電探測(cè)器(8)、乘法器(9)和信號(hào)處理單元(10);光柵光纖陣列(7)為由多根光纖和多個(gè)光纖布拉格光柵FBG傳感器組成的陣列； ASE光源(I)發(fā)射寬帶光源給可調(diào)諧F-P濾波器(2)，所述寬帶光源的工作波長(zhǎng)范圍為1525-1566nm，所述可調(diào)諧F-P濾波器(2)輸出濾波后的光信號(hào)給光強(qiáng)調(diào)制器(3)，所述光強(qiáng)調(diào)制器(3)輸出光信號(hào)給光纖f禹合器(6),所述光纖f禹合器(6)將輸入的光信號(hào)同時(shí)輸出給光纖光柵陣列(7)的每一根光纖； 由所述光纖光柵陣列(7)中的所有光纖布拉格光柵FBG傳感器反射回的光信號(hào)經(jīng)光纖和光纖耦合器(6 )發(fā)送給光電探測(cè)器(8 )，所述光電探測(cè)器(8 )將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后經(jīng)電信號(hào)輸出端輸出給乘法器(9)的一個(gè)信號(hào)輸入端； 鋸齒波發(fā)生器(4 )的低頻鋸齒波電壓信號(hào)輸出端連接壓控振蕩器VCO (5 )的控制信號(hào)輸入端，壓控振蕩器VCO (5)的一個(gè)高頻信號(hào)輸出端連接光強(qiáng)調(diào)制器(3)的控制信號(hào)輸入端，所述壓控振蕩器VCO (5)的另一個(gè)高頻信號(hào)輸出端連接乘法器(9)的參考信號(hào)輸入端；所述乘法器(9)的信號(hào)輸出端連接信號(hào)處理單元(10)的差頻信號(hào)輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)的光纖光柵復(fù)用系統(tǒng)，其特征在于:所述光纖光柵陣列(7)中的每一根光纖的長(zhǎng)度均位于為本系統(tǒng)的最小分辨距離至幾十千米之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)的光纖光柵復(fù)用系統(tǒng)，其特征在于:所述的最小分辨距離為I米至100米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)的光纖光柵復(fù)用系統(tǒng)，其特征在于:所述光纖光柵陣列(7)中，位于同一根所述光纖上的所有光纖布拉格光柵FBG傳感器的中心波長(zhǎng)均都不相同，且位于同一根所述光纖上的任意相鄰的兩個(gè)光纖布拉格光柵FBG傳感器之間的距離為最小分辨距離的整數(shù)倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)的光纖光柵復(fù)用系統(tǒng)，其特征在于:所述光纖光柵陣列(7)中，在每根光纖的相同位置上所放置的光纖布拉格光柵FBG傳感器的中心波長(zhǎng)都不相同。
【文檔編號(hào)】G01D5/353GK203385436SQ201320526186
【公開(kāi)日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2013年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月27日
【發(fā)明者】熊燕玲, 李守鐸, 李喬藝, 楊文龍, 沈濤, 余晟佐, 任乃魁, 徐浩 申請(qǐng)人:哈爾濱理工大學(xué)