专利名称：一种用于分布式光纤应变传感测量的光程自相关器的制作方法
技术领域：
本发明属于光纤技术领域，具体涉及的是一种用于分布式光纤应变传感测量的光 程自相关器。
背景技术：
采用低相干、宽谱带光源，例如发光二极管(LED)、超自发辐射光源(ASE)或者超 辐射激光二极管(SLD)驱动的光纤干涉仪通常被称为白光光纤干涉仪。典型的光纤白光干 涉仪其结构如图1所示，由单模光纤所搭建的Michelson式干涉仪中采用宽谱光源LED或 者ASE作为光源，通过探测器所探测到的白光干涉条纹实现对待测物理量的测量。其工作 原理如下，由低相干宽谱光源11发出的宽谱光进入单模光纤后，被3dB单模光纤2X2耦合 器13分成两束，一束光进入被作为测量臂的单模光纤14，被其后端的光学反射面15反射后 沿原路返回，经过单模光纤14、耦合器13到达光电探测器12，这束光称为测量信号光；由光 源11发出光被耦合器13分路的另外一束光，进入作为参考臂的单模连接光纤16、自聚焦透 镜17，经过移动反射镜18的反射后同样沿原路返回到达光电探测器12，这束光被称为参考 信号光。测量信号光和参考信号光在探测器表面发生相干叠加，由于宽谱光源的相干长度 很短，大约为几微米到几十微米，只有当参考信号光和测量信号光程差小于光源的相干长 度时，才会产生相干叠加，输出白光干涉图样，如图2所示。如图2所示，白光干涉条纹的特征是有一个主极大值，称为中心条纹，它与零光程 差为之相对应，即对应于参考光束和测量光束光程相等时，称为参考光束与测量光束的光 程相匹配。当测量臂光程变化时，通过改变光纤延迟线的延迟量，使参考信号的光程发生变 化，可以获得中心干涉条纹。中心条纹的位置为测量提供了一个可靠的绝对位置参考，当测 量光束在外界待测物理量的影响下其光程发生变化时，只需通过参考臂光程调整即可得到 的白光干涉条纹的位置变化，从而获得被测量物理量的绝对变化值。与其他光纤干涉仪相 比，光纤白光干涉除了具有高灵敏度、本质安全、抗电磁场干扰等优点外，最大特点是可对 压力、应变、温度等待测量进行绝对测量。因此白光干涉性光纤干涉仪被广泛用于物理量、 机械量、环境量、化学量、生物医学量的测量。为解决传感器的多路复用问题，1995年美国H-P公司Wayne V. Sorin和Douglas EBaney公开了一种基于光程自相关器的白光干涉传感器的复用方法(美国专利专利号 5557400)。如图3所示，它基于Michelson干涉仪结构，利用光信号在Michelson干涉仪固 定臂和可变扫描臂之间形成的光程差与光纤传感器的前后两个端面反射光信号光程差之 间的匹配实现光程自相关，获得该传感器的白光干涉信号，再利用改变扫描臂与固定臂之 间光程差的大小多个首尾相接的串行光纤传感器阵列中的每个传感器逐一匹配，完成光纤 传感器的多路复用。除传感器的多路复用问题外，申请人于2007年和2008年公开的低相干绞扭式类 Sagnac光纤形变传感装置(中国专利申请号200710072350. 9)和空分复用Mach-Zehnder 级联式光纤干涉仪及测量方法(中国专利申请号=200810136824. 6)主要用来解决光纤传感器服用阵列布设过程中抗毁坏的问题；申请人于2008年公开的光纤Mach-Zehnder 与Michelson干涉仪阵列的组合测量仪(中国专利申请号=200810136819. 5)和孪生 阵列Michelson光纤白光干涉应变仪(中国专利申请号=200810136820. 8)主要用于解 决白光光纤干涉仪多路复用中温度对测量干扰，以及温度和应变同时测量问题；申请人 于2008年公开的一种简化式多路复用白光干涉光纤传感解调装置(中国专利申请号 200810136826. 5)和基于可调Fabry-Perot谐振腔的分布式光纤白光干涉传感器阵列(中 国专利申请号200810136833. 5)，引入环形腔、F-P腔光程自相关器主要用于简化多路复用 干涉仪的拓扑结构，构造共光路形式，提高温度稳定性；申请人于2008年公开的一种双基 准长度低相干光纤环形网络传感解调装置(中国专利申请号=200810136821. 2)4X4光纤 耦合器光程自相关器的引入，目的是解决多基准传感器的同时测量问题。但在上述基于空分复用的干涉仪结构中，光程自相关器大多采用Michelson干涉 仪、Mach-Zehnder干涉仪、Fabry-Perot干涉仪等结构，为了形成能够与光纤传感器前后端 面反射信号光程差相匹配的具有一定光程差的信号光束(至少两束以上)，光程自相关器 中至少存在一个NXM光纤耦合器(例如2X2、3X3或者4X4光纤耦合器)。由于NXM光 纤耦合器的分光特性和对称特性，上述光程自相关器无一例外存在二个问题其一是对光 源功率衰减大、光源效率低，由光源发生的信号光，仅有较小的一部分达到传感器阵列，并 被探测器接收形成自相关峰，以图3所示的W. V. Sorin公开的光路结构而言，大约只有1/4 的光源功率参与了光学自相关过程，其他都被耦合器衰减了 ；其二是由于光路拓扑结构的 对称特性，光源和探测器在光路拓扑结构中是互易的，理论上至少有与探测器接收到的相 同数值的光信号回馈到光源中。虽然使用的光源类型为宽谱光，与激光光源相比，对回馈不 十分敏感。但是，过大的信号功率反馈，特别是对于SLD和ASE等自发辐射增益较大的光源， 回馈光会引起光源的谐振。轻者，导致光源发生光信号的功率降低；重者，在白光干涉时，较 大的干涉信号功率波动，会降低光学自相干峰值的测量精度；极端情况下，会对损害光源， 对光源造成无法恢复的损伤。

发明内容
本发明的目的在于提供一种可实现多点应变或者形变等物理量的实时监测与测 量，解决多个传感器在一根光纤中复用时光源功率损耗过大、利用率过低和由于存在光源 回馈光造成的测量精度劣化的问题，增加系统的稳定性的用于分布式光纤应变传感测量的 光程自相关器。本发明的目的是这样实现的它由宽谱光源、环形多光束生成器、光程自相关探测单元、传输光纤、光纤传感器 阵列首尾依次连接而成；环形多光束生成器由2X2光纤耦合器、三端口光环行器、光纤准 直器、可移动光学反射镜组成；光程自相关探测单元由三端口光环行器、光探测器和干涉信 号探测与处理单元组成。所述的2X2光纤耦合器具有两个光学输入信号端a、g和两个光学输出信号端b、 c，b、c之间的分光比可以根据要求在 99%之间调整；所述的三端口光环行器具有一个光学输入端d、一个光学输出端e和一个光学反 射端f，由d端输入光信号仅由e输出，由e端输入光信号仅由f输出；
所述的环形多光束生成器，光信号具有单向传输特性，由光源发出的光束不返回 光源；2 X 2光纤耦合器中光学输出端c和输入端g分别与三端口光环行器的输入端d和反 射端f相连接，三端口光环行器的输出端e与光纤准直器连接；由2X2光纤耦合器输入端 a进入环形多光束生成器的光信号，一部分直接由b输出，另外一部分经过c、d、e端口从光 纤准直器出射后，被可移动的光学反射镜返回，经由f、g端口到达2 X 2光纤耦合器，如此往 复形成一系列具有相等光程差的光信号；上述多个光信号之间光程差的大小，可以通过改 变光纤准直器和可移动光学反射镜之间的距离改变。所述的光程自相关探测单元，具有单向传输特性，来自于环形多光束生成器的一 系列具有相等光程差的光束只向前传输而不返回到光程自相关探测单元中；它们经过三端 口光环行器的输入端h，仅从输出端口 i输出，通过传输光纤到达光纤传感器阵列，经过光 纤传感器反射后，携带有应变信息的光信号，再次经过传输光纤由输出端口 i输入，仅从反 射端口 j输出，到达光电探测器，经过光电转换后，由干涉信号探测与处理单元解调，得到 白光干涉信号及其传感器的应变信息。所述的光纤传感阵列其特征是由若干个首尾依次串接的光纤传感器组成。而光纤 传感器由一段长度任意，两端带有光纤插芯的单模光纤组成一系列长度不等的单模光纤段 构成首尾相接的串行阵列。所述的用于分布式光纤应变传感测量的光程自相关器，其特征是所述光纤器件 都工作在单模状态。本发明采用一个光程差可调整的环形多光束生成器，借助于直通光路和环形光路 之间的所引入的光程延迟，来生成两束光程差可调整的问询光束；通过引入光纤环形器使 由光源发出的光信号只具有前向传输的特性，避免了光信号反馈回光源，抑制了光源劣化； 同时光路只具有前向传输特性，除器件的本征损耗所引起的光功率衰减外，光源的功率全 部达到探测阵列参与光学相关过程，增大了光源的利用效率。本发明方法的基本原理是基于低相干、宽谱光(白光)的干涉原理和空分复用原 理。基于环形多光束生成器准分布光纤白光应变传感器阵列的结构如图4所示，即传感器 阵列中只连接一个传感器51的情况。低相干宽谱光源1的出射光束通过环形多光束生成 器2中的2X2光纤耦合器21分成两束，一束经a由b端口直接输出到光程相关探测单元 3中，另外一束经耦合器21的a输入口由输出端c输入到光环形器22的输入口 d中，经由 输入口 d端到达输出口 e，进入光纤准直器24，并被反射镜23反射后，由e端口入射，从f 端口输出，再次进入耦合器21的输入端口 g，进入g端口的光信号与光源直接入射的端口 a 的情况相同，如此往复，即(1)直接经过耦合器21的透射光束光程a->b ；(2)分别经过耦合器21和环形器22 —次的透射光束光程a->c->d->e->k->e->f->g>b ；(3)分别经过耦合器21和环形器22 二次的透射光束光程a->c->d->e->k->e->f->g->c->d->e->k->e->f->g->b ；以此类推……由此可知各光束之间存在相等的固定光程差(c->d->e->k->e->f->g)。
上述各光束经由光程自相关探测单元3中的光环行器31的入射端口 h，仅从出射 端口 i进入传输光纤4，被光纤传感器51的左反射端面1和右反射端面m反射，再次经由传 输光纤4到达光环行器31，经端口 i仅从端口 j出射，达到光电探测器32和干涉信号探测 与处理单元33。从环形多光束生成器2出射的一系列具有相等光程差C->d->e->k->e->f->g 的光束，被光纤传感器的左右两个端面所反射，同样引起静态光程差(无应变加载时) l->m。对于从环形多光束生成器2出射的信号光而言，由光程相关探测单元3和传输 光纤4之间的这段光程b->h->i->l->i->j为共光路，因此在进行光学自相关时，可以忽 略不计，引起附加光程差的仅限于传感器51的l->m端。当C->d->e->k->e — f_>g与 l->m接近相等时，可以通过扫描反射镜23的移动精确匹配，使其二者完全相等(l_>m = c->d->e->k->e->f->g)，即由光纤传感器51左右端面反射的两束信号光所具有的光程差， 完全由环形多光束生成器2所补偿。此时，光纤传感器的左右两个端面的反射信号产生干 涉，在探测器32表面发生相干叠加，由于宽谱低相干光源的相干长度很短，大约为几个微 米到几十个微米，只有当干涉信号的光程差小于光源的相干长度时，才会产生相干叠加，输 出白光干涉图样。I = I1 +I2 + IyjIl -Z2-I χ(χ) I-cos(k ·χ + φ)(1)式中=I1U2为参考光束和测量光束的信号强度，k为波数，χ为两干涉信号光程差， Φ为初始相位，Y (χ)为光源自相关函数。具体到图4的光纤测量系统而言，即为测量信号在传感器51左右端面反射所累积 的光程与参考信号在环形多光束生成器反射镜23与光纤准直器之间引入的光程差相等。(nL!+2X)-nL2- = 2nl (2)其中，1为左右反射面之间的光纤传感器的长度，η为光纤纤芯的折射率，X代表光 纤准直器24到反射镜23之间的距离，η!^+2Χ为a->C->d->e->k->e->f->g->b的光程，L2为 a->b的光程。由上述分析可知(1)由光源发出的信号光的经过环形多光束生成器2和光程自相关探测 单元3、传输光纤4和传感器51后，再回到光程自相关探测单元3，即光传输路径为
a->b (c->d->e->k->e->f->g, ......) h_>i_>l (k) _>i_> j ；由于光环行器 22 和 31 的存在，使
光路具有了单向传输特性，信号光无法回到光源，避免了光反馈。(2)由环形多光束生成器2出射的多个光束，它们之间具有固定的光程差，当其与 传感器所引起的光程差相匹配时，所有光束均参与了干涉过程，极大地增加了干涉信号光 的强度。根据光干涉信号检测理论可知光功率的增强可以优化干涉信号的信噪比，增强干 涉系统的检测精度。基于白光干涉原理的光纤干涉仪的干涉条纹只发生在光程匹配附近的几个微米 到几十个微米之间。利用这个特点，无需利用复杂的时分或者频分复用技术，即可实现传感 器的复用，如图5所示。将光纤传感器51首尾相接组成串行阵列5，如图6所示。每个传感 器503的端面都具有一定的反射率。如果每个传感器的长度大于光源的相干长度，则干涉 条纹在各自相干长度内，只存在单一的白光干涉信号，即干涉条纹互不干扰，相互独立；通 过对环形多光束生成器2中的扫描反射镜23的调节可实现空间光程扫描，如果每个传感器的长度不同时，就能对多个传感器加以区分，从而实现对多个外界物理量的查询与问讯，能 够十分方便的实现分布式传感测量。由上述可见，分布式光纤白光干涉传感器阵列多路复用和解调的基本思想是由传 感器引入的光程差被环形多光束生成器2中产生的可变光程差所补偿时，发生一一对应的 光程匹配，使产生的白光干涉条纹在光程扫描空间上相互独立、互不干扰，从而实现分布式 传感测量。当传感器受到应变等外界因素作用发生形变时，调节可变参量Xp使光程匹配， 即AXj=Anlj j = 1，2，3，. · ·(3)假设光纤传感器长度由I1变化到I1+Δ I1，第二个传感器由I2变化到I2+Δ I2，第N 个传感器由In变化到1Ν+Δ1Ν，通过测量传感器长度的变化量，则可以得到每个传感器所感 知的应变
Δ/, Al2AIn...ε2…… =T^⑷本发明中光程自相关器和光程自相关探测单元均采用了具有单向传输特性的光 学环形器，使其具有如下的优点和特点是(1)除器件损耗引起的光功率衰减外，光源的功率全部达到探测阵列，并且由传感 器阵列反射的信号功率也全部到达探测器，在使用相同光源时，即使考虑到光环行器的衰 减，也是达到探测器的功率至少提高一倍，极大地提高了光源的利用率。(2)由于光信号无法回到光源内，避免了光束回馈，增加光源系统的稳定性，提供 了信号测量的准确性。此外，它还具有的优点和特点是(3)采用环形多光束生成器的分布式光纤白光干涉传感器系统，无需采用复杂的 时分复用或频分复用技术，只需通过连续的空间光程扫描，即可实现对多个传感器信号的 问讯和测量，技术简单，易于实现。(4)本发明构造的分布式光纤白光干涉传感器阵列，可以实现光纤传感器布设的 阵列化，在测量时各传感器互不影响，传感器长度可由使用者确定，其长度可以从几厘米到 几百米范围内任意选择，具有多任务传感、多元传感、局部应变传感与大尺度形变传感的能 力。


图1是典型的白光干涉Michelson干涉仪结构示意图。图2是典型的白光干涉条纹信号示意图。图3是基于非平衡Michelson干涉仪结构光程自相关器的光纤传感器多路复用光 路结构示意图。图4是基于光程差可调光程自相关器的光纤干涉仪连接单个光纤传感器的光路 示意图。图5是基于光程差可调光程自相关器的光纤干涉仪多路复用时的光路示意图。图6是首尾相接的串行拓扑结构的光纤传感器阵列的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图举例对本发明做更详细地描述基于环形多光束生成器的一种用于分布式光纤应变传感测量系统的方案，如图5 所示。由图5可知，该分布式光纤白光干涉传感器阵列由宽谱光源1、环形多光束生成器2、 光程自相关探测单元3、传输光纤4、光纤传感器阵列5首尾依次连接而构成。环形多光束 生成器2由2X2光纤耦合器21、三端口光环行器22、光纤准直器23、可移动光学反射镜24 组成；光程自相关探测单元3由三端口光环行器31、光探测器32和干涉信号探测与处理单 元33组成。如图5所示。应变传感系统工作时，由宽谱光源1发出的信号光，通过环形多光束 生成器2中的2X2光纤耦合器21分成两束，一束经a由b端口直接输出到光程相关探测 单元3中，另外一束经耦合器21的a输入口由输出端c输入到光环形器22的输入口 d中， 经由输入口 d端到达输出口 e，进入光纤准直器24，并被反射镜23反射后，再次由e端口入 射，从f端口输出，再次进入耦合器21的输入端口 g，进入g端口的光信号与a相同，如此 往复。上述各光束经由光程自相关探测单元3中的光环行器31的入射端口 h，仅从出射端 口 i进入传输光纤4，被光纤传感器阵列5中各个传感器51的前、后反射端面反射，再次经 由传输光纤4到达光环行器31，经端口 i仅从端口 j出射，达到光电探测器32和信号探测 与处理单元33。当传感器引入的光程差被环形多光束生成器2中产生的可变光程差所补偿 时，探测器将接收到由干涉而产生的交流信号的峰值，通过光程的动态扫描，对干涉信号的 峰值进行跟踪测量，即可实时得到传感器长度改变量的信息。通过对光纤准直器24和反射 镜23之间距离的连续调整可实现空间光程扫描跟踪，由于每个光纤传感器的长度都不同， 因此可以对多个传感器加以区分，从而实现多个外界物理量的查询与问讯。光纤传感器51是由两端具有一定反射率的垂直于光纤端面的一段任意长度的光 纤段构成，典型结构如图6所示，每个光纤传感器由长度大致相同的单模光纤504构成(如 传感器长度取IOOOmm长)，并且两端加装陶瓷插芯501，端面经过抛光处理后，得到垂直于 传输光方向的反射率大于等于的光纤端面。光纤传感器51可以通过陶瓷套管502与传 感器或者光纤连接，陶瓷套管同时起到对传感器端面的保护作用。两个利用光纤套管连接 的光纤插芯之间形成了一个光学反射率 3%的光学反射面503。若干个光纤传感器 51首尾相接就形成一个串行的光纤传感器阵列5。
权利要求
一种用于分布式光纤应变传感测量的光程自相关器，其特征是它由宽谱光源(1)、环形多光束生成器(2)、光程自相关探测单元(3)、传输光纤(4)、光纤传感器阵列(5)首尾依次连接而成，环形多光束生成器(2)由2×2光纤耦合器(21)、第一三端口光环行器(22)、光纤准直器(23)、可移动光学反射镜(24)组成；光程自相关探测单元(3)由第二三端口光环行器(31)、光探测器(32)和干涉信号探测与处理单元(33)组成。
2.根据权利要求1所述的一种用于分布式光纤应变传感测量的光程自相关器，其特征 是所述环形多光束生成器(2)的具体连接关系为2X2光纤耦合器(21)具有两个光学输 入信号端(a、g)和两个光学输出信号端(b、c)，两个光学输出信号端(b、c)之间的分光比 可以在 99%之间调整；第一三端口光环行器(22)具有一个光学输入端(d)、一个光 学输出端(e)和一个光学反射端(f)，由光学输入端(d)端输入光信号仅由光学输出端(e) 输出，由光学输出端e端输入光信号仅由光学反射端(f)输出；2X2光纤耦合器(21)中光 学输出入信号端(c)和光学输入信号端(g)分别与第一三端口光环行器(22)的光学输入 端⑷和光学反射端(f)相连接，第一三端口光环行器(22)的光学输出信号端(e与光纤 准直器(23)连接；由2X2光纤耦合器(21)光学输入信号端(a)进入的光信号，一部分直 接由光学输出信号端(b)输出，另外一部分经过光学输出信号端(C)、光学输入信号端(d)、 光学输出信号端(e)端口从光纤准直器(23)出射后，被可移动的光学反射镜(24)反射，经 由光学反射端(f)、光学输入信号端(g)端口到达2X2光纤耦合器(21)，如此往复形成一 系列具有相等光程差的光信号。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于分布式光纤应变传感测量的光程自相关器，其 特征是所光程自相关探测单元(3)的连接关系为来自于环形多光束生成器(2)的一系列 具有相等光程差的光束经过第二三端口光环行器(31)的输入端(h)，仅从输出端口⑴输 出，通过传输光纤(4)到达光纤传感器阵列(5)，经过光纤传感器反射后，携带有应变信息 的光信号，再次经过传输光纤(4)由第二三端口光环行器(31)的输出端口(i)输入，仅从 反射端口(j)输出，到达光电探测器(32)，经过光电转换后，由干涉信号探测与处理单元 (33)解调，得到白光干涉信号及其传感器的应变信息。
4.根据权利要求1或2所述的一种用于分布式光纤应变传感测量的光程自相关器，其 特征是所述的光纤传感阵列(5)是由若干个首尾依次串接的光纤传感器(51)组成，而光纤 传感器(51)是由一段长度任意、两端带有光纤插芯的单模光纤组成一系列长度不等的单 模光纤段构成首尾相接的串行阵列。
5.根据权利要求3所述的一种用于分布式光纤应变传感测量的光程自相关器，其特征 是所述的光纤传感阵列(5)是由若干个首尾依次串接的光纤传感器(51)组成，而光纤传感 器(51)是由一段长度任意、两端带有光纤插芯的单模光纤组成一系列长度不等的单模光 纤段构成首尾相接的串行阵列。
全文摘要
本发明提供的是一种用于分布式光纤应变传感测量的光程自相关器。它由宽谱光源(1)、环形多光束生成器(2)、光程自相关探测单元(3)、传输光纤(4)、光纤传感器阵列(5)首尾依次连接而成，环形多光束生成器(2)由2×2光纤耦合器(21)、第一三端口光环行器(22)、光纤准直器(23)、可移动光学反射镜(24)组成；光程自相关探测单元(3)由第二三端口光环行器(31)、光探测器(32)和干涉信号探测与处理单元(33)组成。本发明可实现多点应变或者形变等物理量的实时监测与测量，解决多个传感器在一根光纤中复用时光源功率损耗过大、利用率过低和由于存在光源回馈光造成的测量精度劣化的问题，增加系统的稳定性。
文档编号G01B11/16GK101995227SQ20101029700
公开日2011年3月30日 申请日期2010年9月29日 优先权日2010年9月29日
发明者杨军, 苑勇贵, 苑立波 申请人:哈尔滨工程大学