光纖傳感系統(tǒng)以及光纖傳感系統(tǒng)線路消擾的方法
【專利摘要】本發(fā)明屬光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種使光纖傳感系統(tǒng)中具有傳感功能的光纖傳輸路徑的外界噪聲擾動消減的方法。該方法在感應(yīng)光纖末端使用光纖分路器，在構(gòu)成原光路傳輸路徑的同時，增加一新的光傳輸路徑，該新的傳輸路徑由具有感應(yīng)能力而僅用于傳輸功能的光纖和反饋裝置構(gòu)成，用于獨立提取傳輸路徑上的外界噪聲擾動信號；利用反射鏡和法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的傳輸特性，在干涉信號中產(chǎn)生的獨特相位效果，將傳輸路徑拾取的外界噪聲信號直接從光信號中消減，從而獲得目標(biāo)測量信號。這種方法結(jié)構(gòu)簡單，信號處理極其方便，且在感應(yīng)光纖末端連接的裝置為無源，無需供電，系統(tǒng)易于實現(xiàn)。該技術(shù)可用于語音傳感，也可用于自由振動面測量或速度測量等。
【專利說明】
光纖傳感系統(tǒng)以及光纖傳感系統(tǒng)線路消擾的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光纖傳感系統(tǒng)以及光纖傳感系統(tǒng)線路 消擾的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感的應(yīng)用愈加廣泛，通過光路的構(gòu)建，直接以光 纖為傳感元，或以光纖為傳輸路徑，以接觸、或非接觸的方式，進(jìn)行物理量的探測。在光纖傳 感系統(tǒng)的實際應(yīng)用中，通常會有長距離的傳輸光纖或光纜，對于這些光纖或光纜，從功能設(shè) 計的角度來說，僅僅是用以光的傳輸，但從結(jié)構(gòu)原理上來說，其自身可以感應(yīng)外界物理量， 比如外界噪聲擾動。參見完成于2006年5月的復(fù)旦大學(xué)材料學(xué)院的碩士論文，題目為全光纖 單芯語音傳輸系統(tǒng)及其保密性研究，在論文中提到一種進(jìn)行語音傳輸?shù)墓饫w傳感裝置，其 具體結(jié)構(gòu)參見圖1，其中，標(biāo)記1、2、3、4、5分別為標(biāo)記30的3*3耦合器的端口，標(biāo)記6、7、8為標(biāo) 記50的2*2親合器的端口，標(biāo)記9為傳輸光纖，標(biāo)記40為光纖延遲線，標(biāo)記10為一端面鍍有高 反射率A1膜的話筒;3*3耦合器與2*2耦合器、光纖延遲線、傳輸光纖9以及高反射A1膜構(gòu)成 一完整的干涉結(jié)構(gòu)。在該語音傳輸系統(tǒng)中，兩路相互干涉的光傳輸路徑分別為： 1:1 ~>4~>6~>8~>9~>10~>9~>8~>7~>5~>2(3) II ： 1 ~>5~>7~>8~>9~>10~>9~>8~>6~>4~>2(3) 其中，表示光束傳輸方向。該結(jié)構(gòu)屬于一種單芯反饋式干涉結(jié)構(gòu):兩路相干涉的光 傳輸方向相反，從端口8輸出的光沿傳輸光纖9傳輸?shù)椒答佈b置(在圖1中，反饋裝置為具有 反射膜的話筒10)，經(jīng)反射后重新回到傳輸光纖9中反向傳輸。圖1所示裝置中，感應(yīng)元為A1 膜一一當(dāng)外界有聲音信號作用在此感應(yīng)元，A1膜會產(chǎn)生相應(yīng)的振動;針對傳輸光纖9,從功 能上來說，僅用于傳輸，而不用于感應(yīng)。然而，從干涉結(jié)構(gòu)的構(gòu)成上來說，傳輸光纖9上的每 一點，都具有感應(yīng)外界振動的能力，也就是說，當(dāng)外界的振動引起傳輸光纖9上的某點發(fā)生 相應(yīng)的物理變化時，根據(jù)光彈效應(yīng)，在傳輸光纖9中傳輸?shù)墓庑盘柕南辔粫l(fā)生改變。傳輸 光纖9上感應(yīng)的信號會與A1膜感應(yīng)的信號疊加在一起，干擾A1膜感應(yīng)的信號，因而，傳輸光 纖9感應(yīng)的信號是有害信號，從系統(tǒng)功能的角度來說，是不希望存在的。
[0003] 因而，為了減少外界噪聲擾動對具有傳感功能卻僅用作傳輸功能的光纖的影響， 希望這部分傳輸光纖被放置在隔音箱或布設(shè)于相對安靜的環(huán)境中。但在實際應(yīng)用中，這種 方案實現(xiàn)難度極大，而且在某些應(yīng)用場合，只能利用已布設(shè)好的光纖(或光纜)作為傳輸路 徑，當(dāng)這部分光纜所處環(huán)境難以符合所期望的環(huán)境狀態(tài)時，系統(tǒng)的傳感效果會受極大影響， 甚至無法正常使用。
[0004] 在先技術(shù)如專利申請?zhí)枺?013104738119記載的技術(shù)，利用波分復(fù)用技術(shù)將僅包含 傳輸路徑光纖拾取的信號（即噪聲干擾信號）提取出來，作為參考信號，用于將受到傳輸路 徑光纖拾取信號的干擾的目標(biāo)信號分離出來。這種技術(shù)，噪聲干擾信號的消除，是在將光信 號轉(zhuǎn)變成電信號之后，對電信號進(jìn)行進(jìn)一步處理才能完成，因而需要對提取干擾信號的光 信號進(jìn)行單獨的處理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種使光纖傳感系統(tǒng)中具有傳感功能的光纖傳輸路徑的 外界噪聲擾動消減的方法。
[0006] 光纖傳感系統(tǒng)，包括： 光源； 兩個光纖親合器，分別為第一光纖親合器和第二光纖親合器，用于光信號的分離和親 合； 光纖，用于光信號的傳輸； 光纖延遲器； 光源通過光纖與第一光纖耦合器連接，且第一光纖耦合器的兩個端口分別通過光纖、 光纖延遲器與第二光纖耦合器的兩個端口連接； 光探測器，通過光纖與第一光纖耦合器的另外兩個端口連接； 第二光纖耦合器的外接端口連接有反饋時的復(fù)用單元，復(fù)用單元設(shè)有兩路光路徑裝 置，其中一路光路徑裝置用于拾取目標(biāo)信號和外界擾動噪聲信號；另一路光路徑裝置用于 拾取外界擾動噪聲信號。
[0007] 光纖延遲器為光纖延長線。
[0008] 所述其中一路光路徑裝置包括用于感應(yīng)外界擾動的傳輸光纖和用于感應(yīng)目標(biāo)信 號的傳感光纖以及光信號反饋裝置，所述另一路光路徑裝置包括用于感應(yīng)外界擾動的傳輸 光纖和光信號反射裝置。
[0009] 光信號反饋裝置為法拉第旋轉(zhuǎn)鏡和反射鏡中的一個;光信號反射裝置為法拉第旋 轉(zhuǎn)鏡和反射鏡中的另一個。
[0010] 第一光纖親合器、第二光纖親合器均為均分親合器。
[0011] 光纖傳感系統(tǒng)線路消擾的方法，本發(fā)明提出利用反射鏡和法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的傳輸特 性，在干涉信號中產(chǎn)生的獨特相位效果，將傳輸路徑拾取的外界噪聲信號直接從光信號中 消減。本方法特征是:沿著光纖傳輸路徑，使用光纖分路器，在構(gòu)成原光路傳輸路徑的同時， 增加一新的光傳輸路徑，該新的傳輸路徑不包含感應(yīng)單元，由具有感應(yīng)能力而僅用于傳輸 功能的光纖和反饋裝置構(gòu)成。采用的反射裝置類型，與原光路使用的結(jié)構(gòu)相對，即，原光路 使用法拉第旋轉(zhuǎn)反射結(jié)構(gòu)，新路徑則采用反射鏡;原光路使用反射結(jié)構(gòu)，新路徑則采用法拉 第旋轉(zhuǎn)鏡。這樣，通過光纖分路器的分光作用，將原光路中一部分光功率的光分離出來，用 于獨立提取傳輸路徑光纖拾取的信號。由于從光纖傳輸路徑分離出的僅包含外界噪聲擾動 的信息的干涉信號，與包含外界噪聲擾動的信息以及目標(biāo)信息的干涉信號，具有180°的相 位差，從而通過調(diào)節(jié)原路徑與新路徑的光傳輸損耗，使這兩路干涉光均衡，可在光信號中直 接將外界噪聲擾動信號消減，從而直接將在傳輸路徑上受到外界噪聲擾動的目標(biāo)信號分離 出來。具體方法如下。
[0012] 圖2、圖3、圖4是光纖分路器采用2X2光纖耦合器時進(jìn)行的光纖路徑局部連接方 式，其中，傳感單元連接在傳輸光纖末端。
[0013] 圖2至圖7中，11為傳輸光纖，12為傳感光纖，13為法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，14為由12、13構(gòu)成 的傳感單兀；16為2 X 2單模均分親合器，16a、16b為親合器輸入端口，16c、16d為輸出端口； 15為接在光纖末端，用于構(gòu)成完整干涉結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)單元；18為反饋單元，17為耦合器16、傳 感單元14、結(jié)構(gòu)單元15構(gòu)成的復(fù)用單元。如圖2所示，原結(jié)構(gòu)中，傳感單元14直接連接在傳輸 光纖11的末端。采用本發(fā)明的方法，連接方法如圖3所示，耦合器16串接在傳輸光纖11與傳 感單元14之間，傳輸光纖11與端口 16a相連，端口 16c與傳感單元14相連，端口 16d與結(jié)構(gòu)單 元15相連，從干涉光路結(jié)構(gòu)構(gòu)成的角度來說，結(jié)構(gòu)單元15具有與傳感單元14相似的功能。當(dāng) 干涉結(jié)構(gòu)采用諸如單芯反饋式結(jié)構(gòu)時，光進(jìn)入傳感單元14后，經(jīng)傳感單元14內(nèi)部的反饋裝 置作用后，光最終經(jīng)14端口輸出，重新進(jìn)入傳輸光纖，在這種情況下，采用本發(fā)明的方法，結(jié) 構(gòu)單元15可為另一反饋裝置18,如圖4所示，端口 16d與反饋裝置18相連。因而，采用本發(fā)明 的方法，在11中傳輸?shù)囊话牍鈴姷墓獾刃в谌匝刂瓊鬏斅窂?1 - 14-11傳輸，而另一半 光強的光則避開傳感單元，等效于直接由傳輸光纖11 - 11。
[0014]當(dāng)傳感系統(tǒng)的光路傳感結(jié)構(gòu)為如圖5所示的單芯反饋式干涉結(jié)構(gòu)時，使用本發(fā)明 方法構(gòu)成的結(jié)構(gòu)形式如圖6所示。圖5至圖7中，19為光源，20為3 X 3耦合器，22為2 X 2耦合 器，21光纖延遲器，23、24為光電探測器;光源19從耦合器20的端口輸入，干涉信號亦從20 的端口輸出，進(jìn)入光電探測器23、24。圖5中，在傳輸光纖路徑的末端接一傳感單元14,耦合 器20、22,及光纖延遲器21與傳感單元14共同構(gòu)成完整的干涉結(jié)構(gòu)；圖7按照本發(fā)明圖3所示 的方法，將傳感單元14連接成復(fù)用單元17。在圖7中，存在兩個單芯反饋路徑，一條路徑為 11 -14- 11，該路徑包括傳輸光纖和傳感單元;另一條路徑為靈：11 - 11，該路徑僅包含傳 輸光纖，無傳感單元。兩條路徑分別形成的干涉信號，皆從耦合器20的端口輸出并進(jìn)入光電 探測器23、24。
[0015] 在傳感光路中，設(shè)傳感單元內(nèi)光行走的路徑很短，同總的干涉光束行走光纖路徑 長度相比，可以忽略不計。設(shè)2X2耦合器為均分，即分光比為50:50,由于傳感單元中的反饋 裝置使用的是法拉第旋轉(zhuǎn)鏡FRM，則在傳輸路徑I:中傳輸?shù)墓庑纬傻母缮孑敵鲂盘?，由探測 器23探測到的干涉光強Pn和由探測器24探測到的干涉光強P 12可以表示為：
其中，為傳感單元感應(yīng)外界物理量變化產(chǎn)生的相位差信號，為傳輸光纖感 應(yīng)到的外界擾動產(chǎn)生的相位差信號，疼為系統(tǒng)的初始相位，為常數(shù)，^為與系統(tǒng)參數(shù)相關(guān)的 量，為常數(shù)。由于在另一條傳輸路徑ti:中使用的反饋裝置是反射鏡RM，由于它與FRM在偏振 特性上的差異，則在傳輸路徑I中傳輸?shù)墓庑纬傻母缮孑敵鲂盘?，由探測器23、24分別探測 到的干涉光強可表示為：
其中，/2為與系統(tǒng)參數(shù)相關(guān)的量，為常數(shù)。
[0016] 由于在傳感系統(tǒng)中使用的耦合器全為均分耦合器，則有; ￡;::
。且系 統(tǒng)傳感的聲音信號為小信號，幅度較小，則由聲音信號引起的相位差信號也較小，因此可得 至H-
在傳感系統(tǒng)中，探測器23、24探測到的是路徑I和路徑I的疊加干涉光強，分別表示為：
由式（14)即可得義_，因而，采用相應(yīng)的信號處理手段，可以分離出目標(biāo)測量信號，消 減傳輸路徑上的外界噪聲擾動。
[0017] 本發(fā)明的優(yōu)點在于可有效地消減光纖傳感光路中僅用作傳輸功能、卻擁有感應(yīng)能 力的光纖引入的外界噪聲擾動信號，將目標(biāo)信號有效的提取出來，信號處理手段簡便，提高 了信號測量的精度，同時，可增強干涉測量系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)性。該發(fā)明利用光器件的傳輸 特性對光干涉信號產(chǎn)生的作用，構(gòu)建參考傳輸路徑，獲取傳輸路徑光纖感應(yīng)的外界噪聲擾 動信號，對噪聲干擾信號的消除，在光合同的時候，自動完成，無需對提取干擾信號的光信 號進(jìn)行單獨的處理，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。
[0018] 該技術(shù)可用于語音傳感，也可用于自由振動面測量或速度測量等。
【附圖說明】
[0019] 圖1為現(xiàn)有技術(shù)一種用來傳輸聲音的光纖傳感裝置。
[0020] 圖2至圖4均為傳感單元連接在傳輸光纖末端時的光路連接方式。其中圖2為現(xiàn)有 技術(shù)原連接方式。圖3為采用本發(fā)明所示方法的連接方式。圖4為傳感單元為具有反饋式結(jié) 構(gòu)時本發(fā)明的連接方式。
[0021]圖5為傳感系統(tǒng)的光路傳感結(jié)構(gòu)為單芯反饋式干涉結(jié)構(gòu)時的原結(jié)構(gòu)，圖6為采用本 發(fā)明實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。
[0022]圖7是采用本發(fā)明方法構(gòu)成的一單芯反饋式電機振動信號傳感結(jié)構(gòu)。
[0023]圖中標(biāo)號：1、2、3、4、5分別為3*3耦合器的端口，6、7、8為2*2耦合器的端口，9為傳 輸光纖，10為一端面鍍有高反射率A1膜的話筒；11為傳輸光纖，12為傳感光纖，13為法拉第 旋轉(zhuǎn)鏡，14為由12、13構(gòu)成的傳感單元；15為接在光纖末端，用于構(gòu)成完整干涉結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 單元；16為2 X 2單模均分耦合器，16a、16b為耦合器輸入端口，16c、16d為輸出端口； 17為耦 合器16、傳感單元14、結(jié)構(gòu)單元15構(gòu)成的復(fù)用單元;18為反射鏡，19為光源，20為均分的3X3 光纖熔融拉錐型單模耦合器，其中，20al、20a2、20a3為同相端口，20bl、20b2為同向端口； 21 光纖延遲器，22為均分的2X2光纖熔融拉錐型單模耦合器，其中，22al、22a2為同相端口， 22bl、22b2為同向端口； 23、24為光電探測器;25為傳輸光纖;26為電機振動信號。
【具體實施方式】
[0024] 圖7是一利用單芯反饋式干涉結(jié)構(gòu)進(jìn)行電機振動信號傳感的光路結(jié)構(gòu)。圖中，20為 均分的3*3光纖熔融拉錐型單模耦合器，其中，11、25為傳輸光纖，12為傳感光纖，13為法拉 第旋轉(zhuǎn)鏡，18為反射鏡，19為光源，20為均分的3X3光纖熔融拉錐型單模耦合器，其中， 20al、20a2、20a3為同相端口，20bl、20b2為同向端口；21為光纖延遲器；22為均分的2X2光 纖熔融拉錐型單模耦合器，其中，22al、22a2、為同相端口，22bl、22b2為同向端口； 23、24為 光電探測器；26為電機振動信號。
[0025] 在該實施例中，沿傳輸光纖11傳輸?shù)絺鞲泄饫w12的光受到電機振動信號的作用， 光相位將發(fā)生改變，光入射法拉第旋轉(zhuǎn)鏡13并經(jīng)其反射后重新沿光纖路徑17原路返回。在 該測量結(jié)構(gòu)中，傳感元是傳感光纖12和法拉第旋轉(zhuǎn)鏡13的組合，傳輸路徑11雖具有拾取外 界噪聲擾動信號的能力，但希望這部分光纖僅做傳輸功用，因此，根據(jù)本發(fā)明的方法，在2X 2親合器的端口 22b2，由一段極短的傳輸光纖接入反射鏡18。
[0026] 光源發(fā)出的光輸入到耦合器20al的端口；干涉信號從端口 20a2、20a3輸出后，分別 接入光電探測器23、24。該結(jié)構(gòu)中傳輸路徑：[和ri相干涉的光傳輸路徑為： !-l:20al -20bl -21 -22al -22bl -11 -12-13-12-11 -22bl -22a2-20b2- 20a2(20a3) !::-2:20al -20b2-22a2-22bl -11 -12-13-12-11-22bl-22al-21-20bl - 20a2(20a3)
li-l:20al-20bl-21-22al-22b2-25-18-25-22b2-22a2-20b2-20a2(20a3) n-2：20al^20b2^22a2^22b2^25^18^25^22b2^22al^21^20bl^20a2(20a3) 從沿鐘-1和懸-2傳輸?shù)倪@兩束光相干涉的信號，可獲得純粹的傳輸路徑外界噪聲擾動 信號;從沿1-1和1-2傳輸?shù)倪@兩束光相干涉的信號，可獲得純粹的傳輸路徑外界噪聲擾動 信號以及傳感單元測量的目標(biāo)信號。在這種測量結(jié)構(gòu)中， 對光電探測器23、24獲得的干涉光強，采用信號處理手段，即可把目標(biāo)測量信號，即電 機振動信號26提取出來。
【主權(quán)項】
1. 光纖傳感系統(tǒng)，包括： 光源； 兩個光纖親合器，分別為第一光纖親合器和第二光纖親合器，用于光信號的分離和親 合； 光纖，用于光信號的傳輸； 光纖延遲器； 光源通過光纖與第一光纖耦合器連接，且第一光纖耦合器的兩個端口分別通過光纖、 光纖延遲器與第二光纖耦合器的兩個端口連接； 光探測器，通過光纖與第一光纖耦合器的另外兩個端口連接； 其特征在于:第二光纖耦合器的外接端口連接有反饋時的復(fù)用單元，復(fù)用單元設(shè)有兩 路光路徑裝置，其中一路光路徑裝置用于拾取目標(biāo)信號和外界擾動噪聲信號；另一路光路 徑裝置用于拾取外界擾動噪聲信號。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于:光纖延遲器為光纖延長線。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于:所述其中一路光路徑裝置包括用 于感應(yīng)外界擾動的傳輸光纖和用于感應(yīng)目標(biāo)信號的傳感光纖以及光信號反饋裝置，所述另 一路光路徑裝置包括用于感應(yīng)外界擾動的傳輸光纖和光信號反射裝置。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于:光信號反饋裝置為法拉第旋轉(zhuǎn)鏡 和反射鏡中的一個;光信號反射裝置為法拉第旋轉(zhuǎn)鏡和反射鏡中的另一個。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于:第一光纖耦合器、第二光纖耦合 器均為均分親合器。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于:包括有兩個光探測器。7. 光纖傳感系統(tǒng)線路消擾的方法，光信號通過第一器件形成兩束光信號，兩束光信號 經(jīng)歷兩種光程形成兩種具有相位差的光信號，其特征在于:兩種光信號通過第二器件傳輸 到復(fù)用單元，復(fù)用單元包含兩路光信號傳輸途徑，其中一路傳輸途徑主要由可感應(yīng)外界干 擾的傳輸光纖和反饋裝置構(gòu)成，另一路傳輸途徑主要由傳輸光纖、用于感應(yīng)目標(biāo)信號的傳 感光纖和反射結(jié)構(gòu)組成;其中，反饋裝置為反射鏡、法拉第旋轉(zhuǎn)鏡中的一個，反射結(jié)構(gòu)為另 外一個;兩路光信號傳輸途徑中，其中一路光信號中包含有外界干擾信號和目標(biāo)信號信號； 另一路光信號中只包含有外界干擾信號;調(diào)整兩路光信號，使得這兩路光信號干涉均衡，從 而使得外界噪聲擾動信號消除，獲取目標(biāo)信號。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的光纖傳感系統(tǒng)線路消擾的方法，其特征在于:第一器件、第二 器件均為均分耦合器;第一器件還連接有光探測器;復(fù)用單元對光信號進(jìn)行反射，光探測器 探測有4種光程的光信號； 其中，通過法拉第旋轉(zhuǎn)鏡反射的兩種光信號的干涉光強為：其中，為傳感光纖感應(yīng)目標(biāo)信號光信號產(chǎn)生的相位差量，為傳輸光纖感應(yīng)到 的外界擾動光信號產(chǎn)生的相位差量，_為系統(tǒng)光信號的初始相位，為常數(shù)，為與光纖傳 感系統(tǒng)參數(shù)相關(guān)的量，為常數(shù)； 其中，通過反射鏡反射的兩種光信號的干涉光強為：其中，&為與光纖傳感系統(tǒng)參數(shù)相關(guān)的量，為常數(shù)； 由于全為均分耦合器，則有A =仏，：；且光纖傳感系統(tǒng)傳感的信號為小信 號，幅度較小，則由小信號引起的相位差量#也較小，因此可得到： ^ ^ _轉(zhuǎn).涔！(5) 則式(1)、（2)、（3)、（4)可簡化為：在傳感系統(tǒng)3(b)中，探測器23、24探測到的是路徑I:和路徑II的疊加干涉光強，分別表示 為：由式（14)即可得表_，即目標(biāo)信號。
【文檔編號】G01D3/028GK106052720SQ201610391796
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月6日
【發(fā)明人】肖倩, 賈波
【申請人】東莞先進(jìn)光纖應(yīng)用技術(shù)研究院有限公司