專利名稱：時間相關(guān)光信號直接累加裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于光纖測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種時間相關(guān)光信號直接累加裝置。
技術(shù)背景當一個激光脈沖射入到光纖中時，光纖本身會不斷產(chǎn)生反向的瑞利散射，通過測量分析這些反向散射光的功率，可以得到沿光纖長度分布的衰減曲線，得到整個光纖線路的損耗相對距離的變化。目前在處理沿光纖后向散射的信號時，由于光信號非常微弱，信噪比極差，這類信號的處理通常采用“取樣平均”技術(shù)來提高信噪比。具體有以下兩類方法1、數(shù)字累加平均法。光纖的后向散射信號經(jīng)光電元件轉(zhuǎn)換成電信號，用寬帶放大器放大，然后用高速的AD卡連續(xù)采集。每一個信號周期都可以采集一個時間序列信號，這些時間序列信號對應進行累加。對于信號而言，多次累加以后，信號的幅值會線性增大；對于隨機噪聲來說，高低不平的噪聲幅值多次迭加后會趨于一個固定值，這樣，一邊是信號增大，一邊是噪聲縮小，所以信噪比便可獲得大幅度的提高。信噪比提高的程度與累加的次數(shù)有關(guān)，累加越多，信噪比提高越好。該方法的特點對激光脈沖的利用率高，一個激光脈沖就可以獲得整個曲線的信號，信號的空間分辯率要受到AD采集頻率的限制，采集頻率越高，空間分辨率就越高，但數(shù)據(jù)量也相應增加，累加耗時也隨之增加。目前該方法受到的限制主要是AD采集頻率的提高難度較大，成本增加很快，同時，信號處理的耗時極大限制了該方法在光時域反射技術(shù)和分布式光纖溫度測量技術(shù)等領(lǐng)域的應用。
2、模擬累加平均法。該方法不用高速AD采集卡，模擬信號的累加是直接通過在電容上積分來完成。模擬信號通過一個場效應管(相當于一個開關(guān))，對積分電容進行充電，在每一個信號周期定時打開進行充電，其他時間關(guān)閉，多次重復后，電容上的電壓就代表了信號在該點的累加值。這是定點模式。如果要對整個曲線進行取樣平均，可以采用兩種辦法來完成A)，一個積分電容，但積分開啟的時間緩慢移動，這樣便可完成對整個曲線的掃描，這個方法的缺點是對激光脈沖的利用率最低，一個激光脈沖只能進行一次積分，如果曲線的長度比較長，則處理的時間也將是很長的；B)，并行處理。由若干個積分單元組成，每個單元負責曲線上一點的累加，特點是一個激光脈沖可以進行若干次積分，如果有M個積分單元，則總耗時比單個積分單元要小M倍。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，提出一種時間相關(guān)光信號直接累加裝置，直接使用光電探測器陣列作為接收元件，微弱光信號的累加利用接收器件的積分功能來實現(xiàn)，取樣積分的空間分辨率高，耗時極少，系統(tǒng)成本低。
本實用新型的技術(shù)方案如下時間相關(guān)光信號直接累加裝置，它包括激光器、光纖定向耦合器、光纖，在由光纖定向耦合器B腳輸出的后向散射光的光路上依次設(shè)置有光偏轉(zhuǎn)器和光電探測器陣列，光偏轉(zhuǎn)器由驅(qū)動器驅(qū)動。
所述的光偏轉(zhuǎn)器可以是聲光偏轉(zhuǎn)器或電光偏轉(zhuǎn)器，光偏轉(zhuǎn)器的驅(qū)動器為鋸齒波驅(qū)動，波形可調(diào)。光電探測器陣列可以是光電二極管陣列或電荷耦合器，探測器陣列可以是線陣，也可以是面陣。
另外在光偏轉(zhuǎn)器的前后方分別設(shè)有透鏡，前方的透鏡為準直透鏡，后方的透鏡為聚焦透鏡。
本裝置的工作過程對光纖的向后散射信號經(jīng)光纖定向耦合器輸出，該信號輸入由鋸齒波驅(qū)動的光偏轉(zhuǎn)器進行調(diào)制，然后射入到探測器陣列的特定像元，通過延長探測器陣列的讀出周期，實現(xiàn)光信號直接在探測器陣列上的積分，將時間序列信號轉(zhuǎn)化成了隨空間分布的光信號，該時間序列信號隨即可用普通的AD采集卡采集。
本實用新型的優(yōu)點1、空間分辨率，如果要提高取樣積分的空間分辨率，只需要簡單調(diào)整驅(qū)動光偏轉(zhuǎn)器的鋸齒波信號的斜率即可，可以很容易達到0.1米的空間分辨率(傳統(tǒng)的方法則必須采用上G的高速AD卡)。利用本實用新型的方法，可以開發(fā)出一種全新的分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)。目前，這樣的系統(tǒng)在國內(nèi)的空間分辨率只能做到4-5米，測量時間50秒左右(2公里的傳感范圍)，價格約20萬左右；國外的系統(tǒng)空間分辨率可以到0.5米，但價格近100萬。采用本實用新型的方法，可以輕易做到0.1米的空間分辨率，成本不超過15萬。對于分布式光纖溫度傳感器來說，由于采用單根光纖作為傳感和傳輸元件，可以測量出沿光纖分布的溫度場信息。空間分辨率越高，則溫度場信息越細膩，例如在水壩裂縫的監(jiān)測中，空間分辨率超過1米就無法使用；在航天器中，國外也使用該系統(tǒng)來監(jiān)測各部位的溫度分布，一旦異常便能及時報警；在火災監(jiān)測中，溫度異常的敏銳程度也與空間分辨率密切相關(guān)。
2、信號的累加不花時間，也就是說，取樣積分的耗時基本上與空間分辨率無關(guān)，只受光信號沿光纖的傳輸時間限制(也就是只受光纖長度的限制)。測量時間是傳感器的一個關(guān)鍵指標，尤其是在安全監(jiān)測、火災報警等領(lǐng)域，傳感器系統(tǒng)能否及時報警至關(guān)重要。采用本實用新型開發(fā)的系統(tǒng)，其完成一次測量的時間非常短，該指標遠遠優(yōu)于國外的指標。
3、通過控制鋸齒波的相位，可以用一個探測器陣列實現(xiàn)對整個光纖任意位置的掃描，即可以實現(xiàn)對探測器陣列的接長使用，也就是說，用一個低成本的512像元的陣列實現(xiàn)昂貴的1024甚至4096像元的效果。
本實用新型在能源、化工、廢料處理、管道泄漏、航空航天、艦船以及智能大廈等諸方面都有廣闊的應用前景。
以下是本實用新型與傳統(tǒng)方法的技術(shù)特征對比(統(tǒng)一按2公里光纖計算)



圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
參見圖1，激光脈沖由激光器1發(fā)出，從光纖定向耦合器2的A腳輸入，然后通過光纖定向耦合器的C腳進入測量光纖3，后向散射光經(jīng)光纖定向耦合器2的B腳輸出，經(jīng)準直透鏡4準直后進入聲光偏轉(zhuǎn)器5，該信號通過聲光偏轉(zhuǎn)器5調(diào)制后，再經(jīng)過聚焦透鏡7聚焦，射入光電探測器陣列8的特定像元。聲光偏轉(zhuǎn)器5由鋸齒波驅(qū)動器6，不同時刻鋸齒波的電壓也不同，對光束的偏轉(zhuǎn)角度也不同，這樣就將隨時間變化的光信號序列轉(zhuǎn)換成隨光電探測器陣列上空間位置(角度)變化的光信號序列，光電探測器陣列的每一個像元就對應了光纖中一特定位置的反饋信號，通過延長探測器陣列的讀出周期，就可以實現(xiàn)光信號直接在光電探測器陣列上的積分。積分結(jié)束后通過一般的低速AD卡便可將整個信號序列依次采集到計算機中。
權(quán)利要求1.時間相關(guān)光信號直接累加裝置，包括激光器、光纖定向耦合器、光纖，其特征在于由光纖定向耦合器B腳輸出的后向散射光的光路上依次設(shè)置有光偏轉(zhuǎn)器和光電探測器陣列，光偏轉(zhuǎn)器由驅(qū)動器驅(qū)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時間相關(guān)光信號直接累加裝置，其特征在于光偏轉(zhuǎn)器可以是聲光偏轉(zhuǎn)器或電光偏轉(zhuǎn)器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時間相關(guān)光信號直接累加裝置，其特征在于光電探測器陣列可以是光電二極管陣列或電荷耦合器，探測器陣列可以是線陣，也可以是面陣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的時間相關(guān)光信號直接累加裝置，其特征在于光偏轉(zhuǎn)器的前方設(shè)有透鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的時間相關(guān)光信號直接累加裝置，其特征在于光偏轉(zhuǎn)器前方的透鏡為準直透鏡，后方的透鏡為聚焦透鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的時間相關(guān)光信號直接累加裝置，其特征在于光偏轉(zhuǎn)器的驅(qū)動器為鋸齒波驅(qū)動，波形可調(diào)。
專利摘要一種時間相關(guān)光信號直接累加裝置，由激光器、光纖定向耦合器、光纖、光偏轉(zhuǎn)器和光電探測器陣列構(gòu)成，在由光纖定向耦合器B腳輸出的后向散射光的光路上依次設(shè)置有光偏轉(zhuǎn)器和光電探測器陣列，光偏轉(zhuǎn)器由驅(qū)動器驅(qū)動。散射信號經(jīng)光纖定向耦合器輸入光偏轉(zhuǎn)器進行調(diào)制，然后射入到探測器陣列的特定像元，通過延長探測器陣列的讀出周期，實現(xiàn)光信號直接在探測器陣列上的積分，時間序列信號隨即可用普通的AD采集卡采集。本裝置直接使用光電探測器陣列作為接收元件，微弱光信號的累加利用接收器件的積分功能來實現(xiàn)，具有取樣積分的空間分辨率高，耗時極少，系統(tǒng)成本低的優(yōu)點。
文檔編號G01M11/02GK2607565SQ0323390
公開日2004年3月24日 申請日期2003年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月9日
發(fā)明者鄒建 申請人:重慶大學