專利名稱：一種光頻域反射光纖傳感系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖傳感系統(tǒng)，特別涉及到一種基于光頻域反射的光纖 傳感系統(tǒng)，是一種利用光纖作為傳感介質(zhì)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，光纖傳感技術(shù)有了大大發(fā)展。光纖有著自身特殊的優(yōu)點(diǎn)，
例如價(jià)格低廉，普通的單模裸光纖成本只有每公里不到100元，普通的
多模裸光纖價(jià)格在每公里300元以下；易于安裝，隱蔽性好，并且由于
光纖不含任何金屬成分，無(wú)法用探測(cè)器探測(cè)到光纖的存在；不受電磁干 擾，光纖不含金屬成分且內(nèi)部傳輸?shù)臑楣庑盘?hào)而非電信號(hào)，因此對(duì)于電 磁的干擾完全免疫，在惡劣的天氣條件下如雷電天氣也可以完全正常運(yùn) 行，在電力節(jié)點(diǎn)的附近也可以正常工作；光纖在正常工作時(shí)內(nèi)部不傳輸 電信號(hào)，因此在某些敏感場(chǎng)所不會(huì)造成電引發(fā)的安全隱患；并且光纖的 壽命較高，可以正常工作達(dá)30年以上。
在光纖傳感技術(shù)中，分布式光纖傳感技術(shù)具有較高的性能。在分布 式的光纖傳感技術(shù)中，光纖不僅作為傳感介質(zhì)從而保證連續(xù)不斷的探測(cè)， 還同時(shí)作為信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ?，因此相比起普通的點(diǎn)式傳感技術(shù)有較大的 優(yōu)點(diǎn)。在現(xiàn)有的分布式光纖傳感技術(shù)中，主要基于兩種原理光吋域反 射技術(shù)(Optical Time-Domain Reflectometry ， OTDR)和光頻域反射技 術(shù)(0ptical Frequency-Domain Ref lectometry ， OFDR)。前者本質(zhì)為時(shí) 分復(fù)用技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于通信光纖探傷、分布式溫度及應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 中。但是OTDR技術(shù)有著其固有的缺點(diǎn)，由于光纖的背向散射信號(hào)及其微 弱，需要對(duì)其進(jìn)行大量的平均才能得到所需的信噪比，只能進(jìn)行靜態(tài)或 變化緩慢的參數(shù)監(jiān)測(cè)， 一次它們不能捕捉瞬時(shí)事件；并且由于OTDR采用 脈沖調(diào)制技術(shù)，對(duì)于較長(zhǎng)距離的應(yīng)用脈沖占空比極低，造成信號(hào)較小，
3限制了其最大應(yīng)用距離；在精度要求十分高比如厘米及以下的量級(jí)上， 要求激光脈沖的寬度十分小，是比較難以達(dá)到的。
因此人們又發(fā)明了 0FDR技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的或者精度要求極高的 傳感要求。0FDR借鑒了雷達(dá)技術(shù)中的連續(xù)波調(diào)制(Frequency-modulated continuous wave, FMCW)技術(shù)，其本質(zhì)是頻分復(fù)用技術(shù)。通過(guò)對(duì)光源輸 出的激光頻率進(jìn)行連續(xù)的調(diào)制并入射到探測(cè)光纖中，進(jìn)而在同一時(shí)刻， 探測(cè)光纖上的每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光頻率不相同，產(chǎn)生的瑞利背向散射光頻率 也就各不相同，因此可以利用探測(cè)返回光信號(hào)的頻率信息來(lái)確定外界擾 動(dòng)的位置。
在Brain Culshaw和Join Dakin的經(jīng)典著作《Optical Fiber Sensors》里面就提到了光頻域反射系統(tǒng)，傳統(tǒng)的OFDR系統(tǒng)如圖1所示， 窄線寬激光器1經(jīng)頻率調(diào)制后射入到3dB光纖耦合器2,并進(jìn)入探測(cè)臂 的單模光纖3，在單模光纖3中的各處都會(huì)產(chǎn)生瑞利散射，其中瑞利背 向散射部分經(jīng)由單模光纖3返回3dB光纖耦合器2。 3dB光纖耦合器2 出射的另一端作為參考臂，有部分光被反射。探測(cè)臂的瑞利背向散射光 信號(hào)和參考臂反射的光信號(hào)進(jìn)行相干探測(cè)，會(huì)在光電探測(cè)器4處產(chǎn)生兩 個(gè)光信號(hào)的拍頻信號(hào)。利用頻譜分析儀5分析此拍頻信號(hào)，可以得到實(shí) 時(shí)的分布式干擾信息。
標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中瑞利背向散射的強(qiáng)度十分低，為入射光強(qiáng)度的-81 dB 左右。激光經(jīng)過(guò)3dB耦合器后，只有不到1/2的光進(jìn)入探測(cè)光纖，再產(chǎn) 生瑞利背向散射光并返回，在3dB耦合器處又損耗掉l/2多，在本來(lái)瑞 利背向散射光強(qiáng)度就很弱的情況下，這樣的損耗是很關(guān)鍵的。
因此我們需要一種能夠充分利用光源的強(qiáng)度并且能夠接收大部分瑞 利背向散射光的辦法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有問(wèn)題的不足，提出了一種光頻域反 射傳感系統(tǒng)，在此技術(shù)中，我們利用了光環(huán)形器來(lái)充分利用激光光源的
4強(qiáng)度并且接收大部分瑞利背向散射光，因此大大的提高了探測(cè)信號(hào)光的 強(qiáng)度并且提高了整個(gè)系統(tǒng)的信噪比。 本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下
一種光頻域反射的光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)包 括激光器、第一光纖耦合器、光環(huán)形器、第二光纖耦合器、光電探測(cè)單 元和頻譜分析單元；所述激光器發(fā)出的激光被第一光纖耦合器分為探測(cè)
光和參考光，探測(cè)光入射至光環(huán)形器的第一端口，并從第二端口出射進(jìn) 入探測(cè)光纖，探測(cè)光纖中產(chǎn)生的瑞利背向散射光入射至光環(huán)形器第二端 口并從第三端口出射，出射的瑞利背向散射光與參考光入射至第二光纖 耦合器中并被光電探測(cè)單元所探測(cè)，測(cè)得的信號(hào)輸入至頻譜分析單元。
所述的第一光纖耦合器及第二光纖耦合器分光比為10:90至0. 001: 99. 999。
所述的光電探測(cè)單元為PIN光電二極管模塊、或?yàn)檠┍拦怆姸O管 模塊。
在所述的光環(huán)形器和第二光纖耦合器之間設(shè)有光放大器。
在所述的第一光纖耦合器和第二光纖耦合器之間設(shè)有可變衰減器。
在所述的探測(cè)光纖的端頭處設(shè)置有折射率匹配裝置。
上述的技術(shù)方案較現(xiàn)有技術(shù)帶來(lái)如下技術(shù)效果
首先，第一光纖耦合器為非均分式，使大部分激光通過(guò)光環(huán)形器入
射至探測(cè)光纖中，進(jìn)而充分利用了激光光源；
其次，第二光纖耦合器也為非均分的，使大部分瑞利背向散射光可 以進(jìn)入光電探測(cè)器；
再次，在光環(huán)形器和第二光纖耦合器之間利用光放大器對(duì)瑞利背向 散射光進(jìn)行放大，不僅允許使用成本較低的光探測(cè)器，還大大提高了系 統(tǒng)的信噪比；并且在第一光纖耦合器和第二光纖耦合器之間設(shè)置可變衰 減器，從而改變進(jìn)入光電探測(cè)單元的參考光強(qiáng)度，在實(shí)現(xiàn)參考光對(duì)瑞利 背向散射光進(jìn)行一定放大的前提下達(dá)到較高的相千對(duì)比度。


圖1是傳統(tǒng)的光頻域反射傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明一種光頻域反射傳感系統(tǒng)實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3是本發(fā)明一種光頻域反射傳感系統(tǒng)實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。 其中，
l一窄線寬激光器，2—3dB光纖耦合器，3—單模光纖，4—光 電探測(cè)器，5—頻譜分析儀，6—窄線寬光纖激光器，7—PZT光纖相 位調(diào)制器，8—1: 99光纖耦合器，9一光環(huán)形器，IO—折射率匹配裝 置，11—10: 90光纖耦合器，12—PIN光電探測(cè)器，13—射頻放大器， 14—外腔激光器，15—0.1: 99.9光纖耦合器，16—可變衰減器，17— 光放大器，18—APD光探測(cè)器。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例來(lái)對(duì)本發(fā)明一種光頻域反射光纖傳感 系統(tǒng)做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，但不能以此來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
一種光頻域反射光纖傳感系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)包括激光器、第一光纖耦合 器、光環(huán)形器、探測(cè)光纖、第二光纖耦合器、光電探測(cè)單元和頻譜分析 單元；所述激光器發(fā)出的激光被第一光纖耦合器分為探測(cè)光和參考光， 探測(cè)光入射至光環(huán)形器的第一端口 ，并從第二端口出射進(jìn)入所述的探測(cè) 光纖，探測(cè)光纖中產(chǎn)生的瑞利背向散射光入射至光環(huán)形器第二端口并從 第三端口出射，出射的瑞利背向散射光與參考光入射至第二光纖耦合器 中并被光電探測(cè)單元所探測(cè)，測(cè)得的信號(hào)輸入至頻譜分析單元。
實(shí)施例1
先請(qǐng)看圖2,圖2是本發(fā)明一種光頻域反射傳感系統(tǒng)實(shí)施例1的結(jié) 構(gòu)示意圖。窄線寬光纖激光器6發(fā)出的激光經(jīng)PZT光纖相位調(diào)制器7， PZT光纖相位調(diào)制器7兩端加調(diào)制電壓，可以對(duì)經(jīng)過(guò)的光信號(hào)進(jìn)行相位 的調(diào)制從而達(dá)到頻率調(diào)諧的目的，激光經(jīng)調(diào)頻后，入射進(jìn)作為第一光纖 耦合器的1: 99光纖耦合器8，其中1%的激光作為參考光輸入到作為第二光纖耦合器的10: 90光纖耦合器11中，99%的光入射到光環(huán)形器9 的第一端口9a中，由于光環(huán)形器的工作特點(diǎn)是當(dāng)光從任意端口輸入 時(shí)，只能在環(huán)行器中沿單一方向傳輸，并全部在下一端口輸出，因此激 光由第二端口 9b出射，進(jìn)入探測(cè)用單模光纖3中，單模光纖3中各處 產(chǎn)生的瑞利背向散射沿單模光纖3返回，入射到光環(huán)形器9的第二端口 9b中，由于光環(huán)形器的獨(dú)特性質(zhì)，瑞利背向散射光將由第三端口9c出 射，并進(jìn)入10: 90光纖耦合器11中，隨后由PIN光電探測(cè)器12進(jìn)行 光電轉(zhuǎn)換，并利用射頻放大器13進(jìn)行預(yù)放大，隨后射頻電信號(hào)由頻譜 分析單元5進(jìn)行濾波和頻譜計(jì)算等處理。 實(shí)施例2
圖3是本發(fā)明一種光頻域反射傳感系統(tǒng)實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。本 實(shí)施例采用三角波調(diào)制的外腔激光器14， 14發(fā)出的激光經(jīng)由0. 1: 99. 9 光纖耦合器15后，99. 9%的激光入射至光環(huán)形器9的端口 9a，由9b出 射的激光入射至探測(cè)用單模光纖3，單模光纖3中產(chǎn)生的背向瑞利散射 光沿單模光纖3返回并從端口 9c出射至光放大器17，放大后的瑞利背 向散射信號(hào)入射至1: 99光纖耦合器8。分光比為0. 1: 99. 9光纖耦合 器15的另一出射端出射的參考光經(jīng)可變衰減器16后同瑞利背向散射光 進(jìn)入APD光探測(cè)器18，其中瑞利背向散射光的耦合比為99%， APD光電 探測(cè)器測(cè)得的拍頻信號(hào)輸入至頻譜分析儀5進(jìn)行分析并處理。
由圖可以看出，本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于，在探測(cè)臂返回的 光到達(dá)探測(cè)器之間，利用摻鉺光纖放大器17對(duì)其進(jìn)行光放大處理，進(jìn)而 使攜帶了擾動(dòng)信息的瑞利背向散射光大大增強(qiáng)；并且由可變衰減器16 改變進(jìn)入APD光探測(cè)器18的參考光強(qiáng)度，在實(shí)現(xiàn)參考光對(duì)瑞利背向散射 光進(jìn)行一定放大的前提下達(dá)到較高的相干對(duì)比度，并且使得整個(gè)系統(tǒng)的 信噪比有了較大的提高。
標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的瑞利背向散射強(qiáng)度大約是-81dB左右，而光纖端頭處的菲涅爾反射大約為-13.6dB，比瑞利背向散射的強(qiáng)度大許多，因此我們?cè)谏鲜龅乃袑?shí)施例中均對(duì)探測(cè)用單模光纖的端頭進(jìn)行特殊的處理，利用折射率匹配裝置10消除端頭處的菲涅爾反射。
本發(fā)明的一種光頻域反射光纖傳感系統(tǒng)還有其他的結(jié)構(gòu)替代和組合，并不局限于上述實(shí)施例中提到的部分?？偠灾景l(fā)明的保護(hù)內(nèi)容還包括其他對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)講顯而易見(jiàn)的變換和替代。
權(quán)利要求
1.一種光頻域反射光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)包括激光器、第一光纖耦合器、光環(huán)形器、第二光纖耦合器、光電探測(cè)單元和頻譜分析單元；所述激光器發(fā)出的激光被第一光纖耦合器分為探測(cè)光和參考光，探測(cè)光入射至光環(huán)形器的第一端口，并從第二端口出射進(jìn)入探測(cè)光纖，探測(cè)光纖中產(chǎn)生的瑞利背向散射光入射至光環(huán)形器第二端口并從第三端口出射，出射的瑞利背向散射光與參考光入射至第二光纖耦合器中并被光電探測(cè)單元所探測(cè)，測(cè)得的信號(hào)輸入至頻譜分析單元。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光頻域反射光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于， 所述的第一光纖耦合器的分光比為10: 90至0.001: 99.999，第二光纖 耦合器分光比為10: 90至0.001: 99.999。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光頻域反射光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于， 所述的光電探測(cè)單元為PIN光電二極管模塊，或?yàn)檠┍拦怆姸O管模塊。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光頻域反射光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于， 所述的光環(huán)形器和所述的第二光纖耦合器之間設(shè)有光放大器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光頻域反射光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于， 所述的第一光纖耦合器和所述的第二光纖耦合器之間設(shè)有可變衰減器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光頻域反射光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于， 所述的探測(cè)光纖的端頭設(shè)有折射率匹配裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光頻域反射光纖傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)包括激光器、第一光纖耦合器、光環(huán)形器、探測(cè)光纖、第二光纖耦合器、光電探測(cè)單元和頻譜分析單元，激光器發(fā)出的激光被第一光纖耦合器分為探測(cè)光和參考光，探測(cè)光入射至光環(huán)形器的第一端口，并從第二端口出射進(jìn)入探測(cè)光纖，探測(cè)光纖中產(chǎn)生的瑞利背向散射光入射至光環(huán)形器第二端口并從第三端口出射，出射的瑞利背向散射光與參考光入射至第二光纖耦合器中并被光電探測(cè)單元所探測(cè)，測(cè)得的信號(hào)輸入至頻譜分析單元。本發(fā)明的系統(tǒng)充分利用了激光光源，使大部分瑞利背向散射光進(jìn)入光電探測(cè)器，對(duì)瑞利背向散射光進(jìn)行放大，提高了系統(tǒng)的信噪比，達(dá)到較高的相干對(duì)比度。
文檔編號(hào)G01D5/26GK101650197SQ20081004163
公開(kāi)日2010年2月17日 申請(qǐng)日期2008年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月13日
發(fā)明者張成先, 林宗強(qiáng), 蔡海文, 浩 趙 申請(qǐng)人:上海波匯通信科技有限公司