CN103994785B - 一种基于弱光纤光栅阵列的传感监测装置和传感方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于弱光纤光栅阵列的传感监测装置和传感方法，通过控制输入光脉冲的脉冲宽度，使得光脉冲的持续时间大于弱光纤光栅阵列中相邻两个光栅之间光反射的时间长度，前后相邻光纤光栅反射光发生干涉，系统对干涉信号进行精确的查询，完成对弱光纤光栅阵列的寻址与监测，实现对外部扰动信号的实时监测。
Description
技术领域
本发明属于传感监测技术领域，具体涉及一种基于弱光纤光栅阵列的传感监测装置和方法。
背景技术
光纤传感器具有质量轻、耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰、现场无源等优点，能工作在高温高压、火灾等一般人无法到达的环境，比传统电类传感器具有更广阔的应用前景。
目前光纤光栅传感监测技术中所使用的匹配光纤光栅与传感光栅比较标定的方法，这种方法受到匹配光栅与传感光栅实际制造中工艺差别的限制，光纤光栅传感器之间的串扰噪声较大，另外，传感网络复杂，系统造价昂贵。同时其他通过弱光栅串联成网的方法，网络规模受到光栅反射率的限制，但弱光栅反射率过弱又会造成传感信号不强，对信号的探测与解调造成极大的难度。综上所述，现有光纤光栅传感网络技术中存在的光纤光栅传感器之间的串扰噪声较大、网络结构复杂、系统造价昂贵的缺点，限制了传感网络规模的发展。
发明内容
为解决现有光纤光栅传感网络技术中存在的光纤光栅传感器之间的串扰噪声较大、网络结构复杂、系统造价昂贵的缺点，本发明提供一种基于弱光纤光栅阵列的传感监测装置，实现提高光纤光栅传感器之间信噪比，简化传感网络结构，降低成本的目的。
为了达到上述发明目的，本发明采取以下技术方案：
提供一种基于弱光纤光栅阵列的传感监测装置，包括，
光源模块，用于提供相干脉冲光，其脉冲宽度长于弱光纤光栅阵列中相邻两个光纤光栅之间反射所需时间；弱光纤光栅阵列，接收光源模块发出的相干脉冲光，在弱光纤光栅阵列中相邻两个光纤光栅之间的反射光之间发生干涉；光电探测器，置于弱光纤光栅阵列的输出端，探测该干涉信号并传送到控制器；控制器，与光电探测器相连接，用于采集该干涉信号，并对产生该干涉信号的光纤光栅传感器件进行查询。
所述弱光纤光栅阵列为光纤布拉格光栅阵列。
所述光源模块包括发出相干激光的光源，及在所述光源后设置的光开关，由所述控制器中的脉冲发生器发出电时序信号，脉冲发生器与光开关连接，对光开关进行控制。所述光源为单波长相干激光光源或多波长相干激光光源。
为对相干脉冲光进行放大，在所述光开关与所述弱光纤光栅阵列之间设置光放大器，对进入弱光纤光栅阵列之前的相干脉冲光进行放大。
所述光放大器和弱光纤光栅阵列之间还设置有一个3端口光环行器，所述光放大器的输出端连接光环行器的1端口，光环行器的2端口连接弱光纤光栅阵列，光环行器的3端口连接所述光电探测器。
在所述光电探测器输出端和所述控制器的输入端之间还设置有低通滤波器，光电探测器的输出端与低通滤波器的输入端相连接，低通滤波器的输出端与控制器的输入端相连接。
控制器中还设置有数模采集卡，对电信号进行采集。
本发明基于弱光纤光栅阵列的传感监测装置原理为：相干光源经过光开关后被调制为相干脉冲光，光开关由脉冲发生器发出的电时序信号所控制，脉冲发生器由所述控制器进行控制。经过光开关后的相干脉冲被光放大器放大，继而进入光环行器的1端口，从1端口进入的光信号，由光环行器的2端口输出，输入弱光纤光栅阵列，光信号在弱光纤光栅阵列中各相邻2个光纤光栅之间进行反射光干涉后，干涉信号从光环行器的3端口输出，进入光电探测器，光信号转换为电信号，光电探测器的输出端连接低通滤波器的输入端，被低通滤波器滤波后，信号进入控制器，所述信号由控制器中的数模采集卡所采集，并进行处理，对产生该干涉信号的光纤光栅传感器件进行查询，具体为通过采集不同时间的干涉信号，对光纤光栅阵列传感器件进行地址查询及光波长信息的查询。
本发明还提供一种基于弱光纤光栅阵列的传感监测方法，包括：
对入射到弱光纤光栅阵列中的相干脉冲光的脉冲宽度进行控制，使该脉冲宽度长于光在相邻两个光纤光栅之间反射所需时间；相邻两个光纤光栅的反射光之间发生干涉，该干涉信号通过光电探测器传送到控制器；控制器采集该干涉信号，并对产生该干涉信号的光纤光栅传感器件进行查询。
如需对第i个和第i+1个光纤光栅干涉信号进行查询，即需要采集时间为 的反射光的干涉信号，其中ΔLi是第i个光栅和第i+1个光栅之间的间距。这个干涉信号包括了前后两个相邻光纤光栅反射光的干涉信号，通过后续的数据处理可以分析传感器所感知的环境参数的变化。
其中经过光开关调制得到的相干脉冲光，第i个光脉冲的脉冲宽度应为：ti≥2ΔLi·neff/c，其中弱光纤光栅阵列中第i个光栅和第i+1个相邻光栅的间距为ΔLi，neff为光纤的有效折射率，c为真空中的光速。
所述对光纤光栅传感器件进行查询具体包括，通过采集不同时间的干涉信号，对光纤光栅阵列传感器件进行地址查询及光波长信息的查询。
本发明的有益效果为：实现提高光纤光栅传感器之间信噪比，简化传感网络结构，降低成本的目的。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例作进一步详细描述：
如附图所示，本发明提供的一种基于弱光纤光栅阵列的传感监测装置，包括，光源模块，用于提供相干脉冲光，其脉冲宽度长于弱光纤光栅阵列中相邻两个光纤光栅之间反射所需时间；弱光纤光栅阵列，接收光源模块发出的相干脉冲光，在弱光纤光栅阵列中相邻两个光纤光栅之间的反射光之间发生干涉；光电探测器，置于弱光纤光栅阵列的输出端，探测该干涉信号并传送到控制器；控制器，与光电探测器相连接，用于采集该干涉信号，并对产生该干涉信号的光纤光栅传感器件进行查询。
所述弱光纤光栅阵列为光纤布拉格光栅阵列。本发明实施例中，弱光栅阵列是由多个具有极低反射率的光纤布喇格光栅组成，其中光栅的反射率在0.1～1‰量级，波长范围在光源的波长范围内。
所述光源模块包括发出相干激光的光源，及在所述光源后设置的光开关，由所述控制器中的脉冲发生器发出电时序信号，脉冲发生器与光开关连接，对光开关进行控制。所述光源为单波长相干激光光源或多波长相干激光光源。本发明实施例中，光源使用相干梳状光源。
本发明实施例中，光开关采用SOA光开关。还可以使用基于AOM的光开关或基于EAM的光开关或者EOM光开关。光开关受到控制器的控制，控制输入光脉冲的时间长度，使得光脉冲的持续时间大于相邻两个光栅之间的反射的长度，则相邻两个光栅的反射信号形成干涉。
为对相干脉冲光进行放大，在所述光开关与所述弱光纤光栅阵列之间设置光放大器，对进入弱光纤光栅阵列之前的相干脉冲光进行放大。
本发明实施例中，光放大器使用掺铒光纤放大器。或者根据工作波长的需要，也可以采用掺镨光纤放大器，或者通过半导体光放大器实现。
所述光放大器和弱光纤光栅阵列之间还设置有一个3端口光环行器，所述光放大器的输出端连接光环行器的1端口，光环行器的2端口连接弱光纤光栅阵列，光环行器的3端口连接所述光电探测器。
在所述光电探测器输出端和所述控制器的输入端之间还设置有低通滤波器，光电探测器的输出端与低通滤波器的输入端相连接，低通滤波器的输出端与控制器的输入端相连接。
控制器中还设置有数模采集卡，对光电探测器输出的电信号进行采集。
本发明还提供一种基于弱光纤光栅阵列的传感监测方法，包括：
对入射到弱光纤光栅阵列中的相干脉冲光的脉冲宽度进行控制，使该脉冲宽度长于光在相邻两个光纤光栅之间反射所需时间；相邻两个光纤光栅之间的反射光之间发生干涉，该干涉信号通过光电探测器传送到控制器；控制器采集该干涉信号，并对产生该干涉信号的光纤光栅传感器件进行查询。
本发明实施例中，弱光栅阵列是由多个具有极低反射率的光纤布喇格光栅组成，光源模块包括发出连续相干光的相干梳状光源，及在所述光源后设置的光开关，由所述控制器中的脉冲发生器发出电时序信号，对光开关进行控制，光开关采用SOA光开关。光开关受到控制器的控制，控制输入光脉冲的时间长度，使得光脉冲的持续时间大于光相邻两个光栅之间的反射的长度，则相邻两个光栅的反射信号形成干涉。在光开关与所述弱光纤光栅阵列之间设置掺铒光纤放大器，光放大器和弱光纤光栅阵列之间还设置有一个3端口光环形器，所述光放大器连接光环行器的1号端口，光环行器的2号端口连接弱光纤光栅阵列，光环行器的3端口连接所述光电探测器。光电探测器输出端和所述控制模块的输入端之间还设置有低通滤波器。将低于所设频率的信号滤掉。控制器中设置有数模采集卡，对光电探测器输出的电信号进行采集。
其中经过光开关调制得到的相干脉冲光，第i个光脉冲的脉冲宽度应为：ti≥2ΔLi·neff/c，其中弱光纤光栅阵列每相邻光栅的间距为ΔLi，neff为光纤的有效折射率，c为真空中的光速。
所述对光纤光栅传感器件进行查询具体包括，通过采集不同时间的干涉信号，对光纤光栅阵列传感器件进行地址查询及光波长信息的查询。
本发明提供一种基于弱光纤光栅阵列的传感监测装置和方法，通过控制输入光脉冲的脉冲宽度，使得光脉冲的持续时间大于弱光纤光栅阵列中相邻两个光栅之间光反射的时间长度，相邻两个光纤光栅之间的前向传输光和反射光之间发生干涉，系统对干涉信号进行精确的查询，完成对弱光纤光栅阵列的寻址与监测，进而实现了提高光纤光栅传感器之间信噪比，简化传感网络结构，降低成本的目的。
Claims (10)
1.一种基于弱光纤光栅阵列的传感监测装置，其特征在于，包括：
光源模块，用于提供相干脉冲光，其脉冲宽度长于弱光纤光栅阵列中相邻两个光纤光栅之间反射所需时间；
弱光纤光栅阵列，接收光源模块发出的相干脉冲光，在弱光纤光栅阵列中相邻两个光纤光栅之间的反射光之间发生干涉；
光电探测器，置于弱光纤光栅阵列的输出端，探测该干涉信号并传送到控制器；控制器，与光电探测器相连接，用于采集该干涉信号，并对产生该干涉信号的光纤光栅传感器件进行查询。
2.根据权利要求1所述的基于弱光纤光栅阵列的传感监测装置，其特在于，所述弱光纤光栅阵列为光纤布拉格光栅阵列。
3.根据权利要求1所述的基于弱光纤光栅阵列的传感监测装置，其特征在于，所述光源模块包括发出相干激光的光源，及在所述光源后设置的光开关，由所述控制器中的脉冲发生器发出电时序信号，脉冲发生器与光开关连接，对光开关进行控制。
4.根据权利要求3所述的基于弱光纤光栅阵列的传感监测装置，其特征在于，所述光源为单波长相干激光光源或多波长相干激光光源。
5.根据权利要求4所述的基于弱光纤光栅阵列的传感监测装置，其特征在于，还包括光放大器，设置于所述光开关与所述弱光纤光栅阵列之间，对进入弱光纤光栅阵列之前的相干脉冲光进行放大。
6.根据权利要求5所述的基于弱光纤光栅阵列的传感监测装置，其特征在于，所述光放大器和弱光纤光栅阵列之间还设置有一个3端口光环行器，所述光放大器的输出端连接光环行器的1端口，光环行器的2端口连接弱光纤光栅阵列，光环行器的3端口连接所述光电探测器。
7.根据权利要求1所述的基于弱光纤光栅阵列的传感监测装置，其特征在于，在所述光电探测器输出端和所述控制器的输入端之间还设置有低通滤波器，光电探测器的输出端与低通滤波器的输入端相连接，低通滤波器的输出端与控制器的输入端相连接。
8.一种基于弱光纤光栅阵列的传感监测方法，其特征在于，包括：
对入射到弱光纤光栅阵列中的相干脉冲光的脉冲宽度进行控制，使该脉冲宽度长于光在任一相邻两个光纤光栅之间反射所需时间；
相邻两个光纤光栅之间的反射光之间发生干涉，该干涉信号通过光电探测器传送到控制器；
控制器采集该干涉信号，并对产生该干涉信号的光纤光栅传感器件进行查询。
9.根据权利要求8所述的基于弱光纤光栅阵列的传感监测方法，其特征在于，经过光开关调制得到的相干脉冲光，第i个光脉冲的脉冲宽度应为：ti≥2ΔLi·neff/c，其中弱光纤光栅阵列中第i个光栅与第i+1个光栅的间距为ΔLi，neff为光纤的有效折射率，c为真空中的光速。
10.根据权利要求9所述的基于弱光纤光栅阵列的传感监测方法，其特征在于，所述对光纤光栅传感器件进行查询具体包括，通过采集不同时间的干涉信号，对光纤光栅阵列传感器件进行地址查询及光波长信息的查询。
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