基于光譜受限混沌光信號的準分布式光纖傳感系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及準分布式光纖傳感系統，首次提出了一種基于光譜受限混沌光信號的大容量、高精度、故障自檢測的準分布式光纖傳感系統。該系統通過波分復用和時分復用極大程度上對傳感系統進行擴容；同時通過光柵波長漂移向功率變化的轉換，也提升了探測的精度；另外，基于混沌光信號這一特點也使得該傳感系統兼具精確定位的功能，其在斷點故障自檢測上的應用大大提升了系統的可靠性。
【專利說明】基于光譜受限混沌光信號的準分布式光纖傳感系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及光纖傳感領域，具體涉及一種基于光譜受限混沌光信號的準分布式光纖傳感系統。
【背景技術】
[0002]光纖傳感系統是光纖傳感技術工程化研究的一個重要的領域。以光纖作為傳輸介質，通過各種傳感復用技術大規模接入光纖傳感單元，從而實現大容量、高精度、長距離的傳感。由于光纖具有體積小、質量輕、安全性高、抗電磁干擾、耐腐蝕等獨特優勢，相較傳統的傳感系統，光纖傳感系統更加廣泛地應用于電網檢測、海洋勘探等領域中。目前，光纖傳感系統面臨著傳感精度的提聞、傳感各量擴大以及系統智能化的挑戰。冋時，傳感系統故障自檢測功能也成新型光纖傳感系統研究的關鍵。
【發明內容】
[0003]本發明所要解決的技術問題是提供一種基于光譜受限混沌光信號的準分布式光纖傳感系統，以克服傳統的光纖傳感系統容量小以及無法進行故障自診斷的不足。
[0004]為解決上述技術問題，本發明提供了一種基于光譜受限混沌光信號的準分布式光纖傳感系統。通過對參考信號和探測信號的互相關運算，可以實現傳感系統的擴容以及系統故障自監測的功能。
[0005]本發明基于光譜受限混沌光信號的準分布式光纖傳感系統，包括光源、傳感鏈路、第一光電探測器、第二光電探測器和數據處理裝置，
[0006]所述光源為包含半導體光放大器、光隔離器、偏振控制器、第一光纖耦合器的環形腔結構，通過半導體光放大器的增益自反饋效應產生寬譜混沌信號；其中，所述光隔離器用于環形腔內光的單向傳輸，所述偏振控制器用于控制腔內光的偏振態，所述第一光纖I禹合器用作輸出端口；
[0007]所述傳感鏈路包括傳感主路和若干傳感支路，所述傳感主路包括摻鉺光纖放大器、第二光纖耦合器、光環形器、光帶通濾波器和光功分器，所述摻鉺光纖放大器用于對光源輸出光進行放大，并由所述第二光纖耦合器將其分為參考光信號和探測光信號光；所述參考光信號經所述第一光電探測器換為電信號后進入所述數據處理裝置；所述探測光信號經光環形器后，由光功分器分流，分別進入不同的所述傳感支路進行探測；所述光功分器分別連接所述傳感支路，每個傳感支路分別包括延遲線和啁啾布拉格光柵，所述啁啾布拉格光柵用作傳感單元，所述延遲線用于使其所在的傳感支路的傳感單元與其它傳感支路的傳感單元在空間上分開，實現時分復用；作為傳感單元的啁啾布拉格光柵帶寬和所述光帶通濾波器各通帶帶寬一致，且不同波長的啁啾布拉格光光柵對應著所述光帶通濾波器的某一通帶，實現波分復用；
[0008]經所述啁啾布拉格光柵反射后的光譜受限混沌探測光信號經由所述光功分器耦合，并經由所述光環形器進入所述光帶通濾波器中；所述光帶通濾波器連接所述第二光電探測器，所述光譜受限混沌探測光信號通過第二光電探測器轉換為電信號后進入所述數據處理裝置；
[0009]所述數據處理裝置對進入的多路光譜受限混沌探測光和參考光進行互相關處理。
[0010]優選的，所述延遲線使其所在的所述傳感支路的傳感單元與其它傳感支路的傳感單元在空間上分開，所采用的結構為:任一傳感支路中，所述延遲線與傳感單元的長度之和，不同于其它傳感支路上的延遲線與傳感單元的長度之和。
[0011]優選的，所述第一光纖耦合器的耦合比選擇為50:50、60:40、70:30、80:20或90:10。所述第一光纖稱合器的稱合比為99:1。
[0012]所述數據處理裝置的互相關處理方法是利用參考信號和探測信號互相關峰值的時延和強度來實現準分布式的傳感。基本原理解釋如下:光源產生的寬譜混沌光信號具有白噪聲的特性，即其自相關函數為一沖擊函數。其經過摻鉺光纖放大器放大后，由光纖耦合器分為參考光信號和探測光信號兩路。其中參考光信號經光電探測器轉換為參考電信號，探測光信號經光環形器和光功分器進入到傳感支路中，延遲線使得每條支路的傳感單元在空間上分開，實現時分復用。探測光信號經不同位置的傳感單元反射，對應的光譜受限混沌光信號攜帶著傳感信息經光功分器耦合后，由光環形器進入光帶通濾波器中。需要說明的是，作為傳感單元的啁啾布拉格光柵帶寬和光帶通濾波器各通帶帶寬一致，且不同波長的光柵也正好對應著帶通濾波器某一通帶，這里采用了波分復用的技術。當光柵處于自由狀態時，即此時無外界參量作用，其反射的光譜受限混沌光信號恰好可以完整的透過對應的通帶；外界參量作用時，光柵反射波長發生漂移，使得反射的混沌光信號與對應通帶在光譜上發生錯位，導致透過光功率的降低，從而實現了波長漂移向功率變化的轉換，這也極大地簡化了解調方案并提高了測量精度。最后，經光帶通濾波器透射的光譜受限探測光信號由光電探測器轉換為探測電信號，與之前的參考電信號一同進入信號處理端進行解調。
[0013]對參考信號和探測信號采用互相關運算的方式進行處理。光譜受限的混沌光信號具有和寬譜混沌光信號相似的特性。考慮到兩者的自相關函數都是沖擊函數，本傳感系統中，不同傳感單元(啁啾光纖布拉格光柵)對應的光譜受限混沌探測光信號滯后于參考光信號，兩者之間產生了特定的相對時延。經光電轉換后，對參考電信號和探測電信號進行互相關運算，得到橫軸為相對時延，縱軸為強度的互相關譜，從而實現各個探測單元在時間上的分離，通過計算亦可得到傳感單元的相對距離。同時，結合前面所述的波長漂移向功率變化的轉換，該解調方案使得外界參量的變化轉換為傳感單元對應互相關峰值強度的變化。
[0014]另外，該傳感系統也具有系統斷點故障的自檢測能力。當傳感支路某處光纖發生斷裂，斷點端面處發生菲涅爾反射，該反射光同探測光一樣反映在自相關譜上。由此，可以精確的檢測出斷點所在，極大程度上提升了系統的可靠性。
[0015]同時需要指出的是，光帶通濾波器的通帶數目與光功分器的分功路數的乘積決定了該傳感系統的容量。通過調整光帶通濾波器的通帶數目與光功分器的分功路數，可以實現大容量的光纖傳感系統。
[0016]本發明首次提出了一種基于光譜受限混沌光信號的大容量、高精度、故障自檢測的準分布式光纖傳感系統。該系統通過波分復用和時分復用極大程度上對傳感系統進行擴容；同時通過光柵波長漂移向功率變化的轉換，也提升了探測的精度；另外，基于混沌光信號這一特點也使得該傳感系統兼具精確定位的功能，其在斷點故障自檢測上的應用大大提升了系統的可靠性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明的技術方案作進一步具體說明。
[0018]圖1為本發明的準分布式光纖傳感系統示意圖。其中I一半導體光放大器，2—光隔離器，3一偏振控制器,4一第一光纖稱合器,5一摻鉺光纖放大器,6一第二光纖稱合器，7—光環行器，8—光功分器，9 一延遲線，10—啁啾光纖布拉格光柵，11 一光帶通濾波器，12—第一光電探測器，13—數據處理裝置，14 一第二光電探測器。
【具體實施方式】
[0019]如圖1所示，本例中傳感系統的光源由環形腔結構提供。其中，半導體光放大器I用作增益介質；光隔離器2保證腔內光單向運轉，偏振控制器3調節腔內偏振態；第一光纖I禹合器4進行分光,第一光纖I禹合器4的f禹合比可以為50:50、60:40、70:30、80:20或90:10。本例中選用80:20的光纖耦合器，80%的光留在腔內進行自反饋放大，20%輸出用于后續傳感。
[0020]輸出光經摻鉺光纖放大器5放大后，由99:1的第二光纖I禹合器6分光；其中1%用作參考光，99%用作探測光。參考光信號經第一光電探測器14換為電信號后進入數據處理裝置13。探測光經由光環形器7和光功分器8進入傳感支路，各個支路中的延遲線9使得傳感單元在空間上分開，即任一傳感支路中，所述延遲線與傳感單元的長度之和，不同于其它傳感支路上的延遲線與傳感單元的長度之和。經作為傳感單元的啁啾光纖布拉格光柵10反射后的各探測光由光功分器8和光環形器7進入光帶通濾波器11，透射的探測光與之前的參考光被第二光電探測器12接收并轉換為電信號后，在數據處理裝置13中進行互相關運算，得到互相關譜。
[0021]延遲線用于使其所在的傳感支路的傳感單元與其它傳感支路的傳感單元在空間上分開，實現時分復用；作為傳感單元的啁啾布拉格光柵帶寬和光帶通濾波器各通帶帶寬一致，且不同波長的啁啾布拉格光光柵對應著光帶通濾波器11的某一通帶，實現波分復用。
[0022]數據處理裝置13對參考信號和探測信號采用互相關運算的方式進行處理。光譜受限的混沌光信號具有和寬譜混沌光信號相似的特性。由于光譜受限的混沌光信號與參考信號兩者的自相關函數都是沖擊函數，不同傳感單元(啁啾光纖布拉格光柵)對應的光譜受限混沌探測光信號滯后于參考光信號，兩者之間產生了特定的相對時延。對參考電信號和探測電信號進行互相關運算，得到橫軸為相對時延，縱軸為強度的互相關譜，從而實現各個探測單元在時間上的分離，通過計算亦可得到傳感單元的相對距離。同時，結合波長漂移向功率變化的轉換，使得外界參量的變化轉換為傳感單元對應互相關峰值強度的變化。
[0023]當傳感支路某處光纖發生斷裂，斷點端面處發生菲涅爾反射，該反射光同探測光一樣反映在自相關譜上。由此，可以精確的檢測出斷點所在，所以，本發明同時具有系統斷點故障的自檢測能力，極大程度上提升了系統的可靠性。
[0024]同時，通過調整光帶通濾波器的通帶數目與光功分器的分功路數，提高本發明傳感系統的容量，可以實現大容量的光纖傳感系統。
[0025]最后所應說明的是，以上【具體實施方式】僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
【權利要求】
1.一種基于光譜受限混沌光信號的準分布式光纖傳感系統，其特征在于，包括光源、傳感鏈路、第一光電探測器、第二光電探測器和數據處理裝置， 所述光源為包含半導體光放大器、光隔離器、偏振控制器、第一光纖耦合器的環形腔結構，通過半導體光放大器的增益自反饋效應產生寬譜混沌信號；其中，所述光隔離器用于環形腔內光的單向傳輸，所述偏振控制器用于控制腔內光的偏振態，所述第一光纖I禹合器用作輸出端口； 所述傳感鏈路包括傳感主路和若干傳感支路，所述傳感主路包括摻鉺光纖放大器、第二光纖稱合器、光環形器、光帶通濾波器和光功分器，所述摻鉺光纖放大器用于對光源輸出光進行放大，并由所述第二光纖耦合器將其分為參考光信號和探測光信號光；所述參考光信號經所述第一光電探測器換為電信號后進入所述數據處理裝置；所述探測光信號經光環形器后，由光功分器分流，分別進入不同的所述傳感支路進行探測；所述光功分器分別連接所述傳感支路，每個傳感支路分別包括延遲線和啁啾布拉格光柵，所述啁啾布拉格光柵用作傳感單元，所述延遲線用于使其所在的傳感支路的傳感單元與其它傳感支路的傳感單元在空間上分開，實現時分復用；作為傳感單元的啁啾布拉格光柵帶寬和所述光帶通濾波器各通帶帶寬一致，且不同波長的啁啾布拉格光光柵對應著所述光帶通濾波器的某一通帶，實現波分復用； 經所述啁啾布拉格光柵反射后的光譜受限混沌探測光信號經由所述光功分器耦合，并經由所述光環形器進入所述光帶通濾波器中；所述光帶通濾波器連接所述第二光電探測器，所述光譜受限混沌探測光信號通過第二光電探測器轉換為電信號后進入所述數據處理裝置； 所述數據處理裝置對進入的多路光譜受限混沌探測光和參考光進行互相關處理。
2.根據權利要求1所述的基于光譜受限混沌光信號的準分布式光纖傳感系統，其特征在于，所述延遲線使其所在的所述傳感支路的傳感單元與其它傳感支路的傳感單元在空間上分開，所采用的結構為:任一傳感支路中，所述延遲線與傳感單元的長度之和，不同于其它傳感支路上的延遲線與傳感單元的長度之和。
3.根據權利要求1或2所述的基于光譜受限混沌光信號的準分布式光纖傳感系統，其特征在于，所述第一光纖耦合器的耦合比選擇為50:50、60:40、70:30、80:20或90:10。
4.根據權利要求1或2所述的基于光譜受限混沌光信號的準分布式光纖傳感系統，其特征在于，所述第一光纖稱合器的稱合比為99:1。
【文檔編號】G01D5/26GK104048685SQ201410311280
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年7月1日 優先權日:2014年7月1日
【發明者】夏歷, 羅亦楊, 黃笛, 孫琪真, 劉德明 申請人:華中科技大學