專利名稱：基于相位載波復(fù)用的光纖傳感復(fù)用方法及實現(xiàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于相位載波復(fù)用的光纖傳感復(fù)用方法及實現(xiàn)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著科技的發(fā)展，安全防范的重要性越顯突出。一些重要的軍事保密部門、軍事要地、銀行、機場等對大范圍、長距離、高可靠性的安防技術(shù)的需求越來越顯著。目前，已有大量的光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于安防系統(tǒng)，其特點是抗干擾性強、可靠性高，隱蔽性好、可防探測， 易于安裝和維護。在實際應(yīng)用中，常常會遇到需要對多個對象進行監(jiān)測，而一個被監(jiān)測對象需要對應(yīng)一套光纖傳感結(jié)構(gòu)，這不僅大大提高了整個監(jiān)測系統(tǒng)的成本，而且系統(tǒng)的復(fù)雜程度也逐級上升，給維護也帶來了很大的困難。為了解決上述問題，通常采用復(fù)用的方法，來達到簡化系統(tǒng)，降低成本，易于維護的目的。在光纖傳感所采用的復(fù)用技術(shù)中，相位載波復(fù)用是較常采用的技術(shù)，即通過相位載波復(fù)用，使不同的感應(yīng)單元復(fù)用共同的光源、光纖光路以及光電探測器等。這種復(fù)用方法，如“光纖水聽器陣列的多路復(fù)用技術(shù)”(韓澤等，半導(dǎo)體光電， 第20卷第4期，231-234)，“基于相位載波復(fù)用的光纖周界安防系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法”(吳媛等，光子學(xué)報，第40卷第7期，967-970)所描述，通過對不同的感應(yīng)單元施以不同頻率的相位載波進行調(diào)制，每個載波頻率對應(yīng)于一個感應(yīng)單元，各感應(yīng)單元產(chǎn)生的干涉信號被共同的光電探測器檢測。設(shè)有一 η個感應(yīng)單元進行復(fù)用的系統(tǒng)，其信號的交流部分可以表示為 P =Jj ^—\· P71
=Pl識[硌1 +Μ\ + 4l cosft￥mli)]+P2fL· cosC2^t)] +.. . ( 1 )
+ Pi+ Δ資 + cosC2jfmf)}+- --+Ps+^4+ COSflTf7J)]
其中，A是第i路感應(yīng)單元產(chǎn)生的干涉信號對應(yīng)交流分量的幅度，禮為該相應(yīng)的初始
相位，Δ也為感應(yīng)單元受擾動產(chǎn)生的相位信號。將用人階貝塞爾函數(shù)展開后，變?yōu)?Pi = Pi c。s [為i +Δ病 + COS(2^fsriI)]
=Pi cos(4 +Δφ)[ 0(φ^) + 2J2 ) cos(4^fHji) + …]+(2)
Pi 艦(+ Δ,^i) [2 J1(^i) COS(S^fjwiI)COs(S^f) + --]
從上可以看出，2PiJ編狐(灰+L0 J編的頻譜是將基波
sin(各的頻譜從O頻率附近平移到頻率附近，當/ . (i=l、2、…、η)各不相同，
且間距足夠大，就可以將其相應(yīng)的干涉子系統(tǒng)信號的頻譜特征通過譜的平移徹底分開。通過同步解調(diào)技術(shù)，對不同的載波信號采用相應(yīng)的參考頻率，即可獲得各干涉子系統(tǒng)獨立的時域信號因此，為了實現(xiàn)復(fù)用與解復(fù)用的目的，上述的相位載波復(fù)用技術(shù)一般具有以下特征
(1)為了使復(fù)用的信號不發(fā)生混疊，相鄰載波頻率之間的頻率差必須大于外界擾動引起的信號基波頻率上限的兩倍；
(2)對于光電探測器后的信號，通過信號處理技術(shù)，采用載波基波或諧波作為參考信號，對載波基波或諧波邊帶信號進行處理，以達到將干涉信號解調(diào)出來的目的。在該技術(shù)中，由于對相鄰頻率的間隔要求，同時為了使不同載波的基波、諧波頻率不發(fā)生混疊，使得調(diào)制頻率的選擇受到較多限制，由此會影響到實際復(fù)用的數(shù)量；同時，為了使復(fù)用的數(shù)量足夠大，對調(diào)制器件的工作點要求可能會很分散，并要求調(diào)制器件具有高的工作頻率，這不利于實際應(yīng)用。在信號的解調(diào)中，如引入信號處理技術(shù)，會增加信號處理部分的技術(shù)難度和技術(shù)復(fù)雜性，并大大提高后端的開發(fā)成本和設(shè)備成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種調(diào)制頻率的選擇限制少、復(fù)用的數(shù)量足夠大、便于實際應(yīng)用的光纖傳感實現(xiàn)方法及系統(tǒng)。在光纖傳感系統(tǒng)的許多實際應(yīng)用場合，兩個事件完全同時發(fā)生概率很小，即兩個感應(yīng)單元同時感應(yīng)到信號的可能性很小，針對這種情況，本發(fā)明提出一種新型的基于相位載波復(fù)用技術(shù)的光纖傳感復(fù)用方法。本方法包括在光纖干涉系統(tǒng)中，對感應(yīng)外界擾動的不同感應(yīng)光纖單元產(chǎn)生的干涉信號，用不同頻率的載波進行調(diào)制，相鄰載波頻率之間的頻率差無需大于外界擾動引起的信號基波頻率上限的兩倍，各光纖感應(yīng)單元形成的信號被共同的光電探測器檢測后，利用信號基波來分析擾動信號的物理量，并利用載波基波或諧波的邊帶判斷感應(yīng)擾動信號的光纖。該方法原理分析如下。在η個感應(yīng)單元進行復(fù)用的系統(tǒng)中，式(2)為第i個感應(yīng)單元對應(yīng)的干涉信號，可以改寫成
Ps=PsCOSi 4, + M) Jt(Φ,,)+P,cos{ φ,, + ^)WJ)+--+⑷
P,Αι + . Ul(^)Cosf Iwf^i) +ρ, sin( 4 + . 2J,f ￠^)^(6^)+ …
而在沒有調(diào)制的情況下，第i個感應(yīng)單元對應(yīng)的干涉信號為 Pi = pm cos( 4 + Δ^)(5)
其中，夠；是常量。比較式(4)、(5)可以看出，除了比例因數(shù)外，式(4)的第一項即保持了干涉的原信息，因此，當載波基波和諧波及其邊帶與信號基波無明顯重疊時，通過式(4) 第一項(即信號基波)的提取，可以獲得干涉信號。而實現(xiàn)時通過帶寬覆蓋信號基波頻率范圍的低通濾波器即可獲得該信號。由于每次擾動事件只發(fā)生在一個感應(yīng)單元，即只有一個感應(yīng)單元感應(yīng)到擾動信號，設(shè)為該單元為第i個感應(yīng)單元，從式(4)可以看出，調(diào)制頻率厶(J#i )的基波和諧波將不會出現(xiàn)邊帶，而調(diào)制頻率/ i的基波和諧波則出現(xiàn)邊帶，根據(jù)這一特點即可判斷感應(yīng)擾動的感應(yīng)單元。由于僅需觀察是否出現(xiàn)邊帶，僅需相鄰的調(diào)制頻率有一定的間隔，不影響邊帶判斷即可，不需要像傳統(tǒng)的相位載波復(fù)用方案那樣要求具有兩倍于基波最大頻率的要求。
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圖1為i單元發(fā)生擾動時的頻譜示示意，在該圖中，載波頻率Ai出現(xiàn)了明顯的邊帶，說明感應(yīng)信號來自于感應(yīng)單元i。對于出現(xiàn)邊帶的載波頻率的確定，利用一些便捷的分析手段，例如邊帶的能量、譜線的對稱性等，即可實現(xiàn)；信號基波則可用來恢復(fù)干涉信號。本發(fā)明相應(yīng)于上述復(fù)用方法的實現(xiàn)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，它包括
第一耦合器 l，la (I)Ua (2)、…、la (N)Ub (I)Ub (2)為其端口，其中 la (I)Ua (2)、…、Ia (N)為同向端口，lb (I)Ub (2)為同向端口 ； 光纖延遲器3，延遲為τ ；
第二耦合器 2，2a (l)、2a (2)、2b (l)、2b (2)、…、2b (N)為其端口，其中 2a (l)、2a (2)為同向端口，2b (l)、2b (2)、…、2b (N)為同向端口 ；
N個感應(yīng)光纖4 (1),4 (2)、…、4 (N)，分別連接于第二耦合器2的2b (l)、2b (2)、···、 2b (N)個同向端口 ；
N個反饋裝置6 (1),6 (2)、…、6 (N)，分別加在感應(yīng)光纖4 (1),4 (2)、…、4 (N)末
端；
N個相位調(diào)制器7 (1),7 (2)、…、7 (N)，相位調(diào)制載波經(jīng)相位調(diào)制器7 (1),7 (2)、···、 7 (N)分別給感應(yīng)光纖4 (1),4 (2)、…、4 (N)對應(yīng)的干涉信號施加調(diào)制；這N個相位調(diào)制器7 (1),7 (2)、…、7 (N)可以分別設(shè)置于第二耦合器2的N個同向端口 2b (l)、2b (2)、…、2b (N)與N個感應(yīng)光纖4 (1),4 (2)、…、4 (N)之間(也可以分別設(shè)置于N個感應(yīng)光纖4 (1),4 (2)、…、4 (N)與N個反饋裝置6 (1),6 (2)、…、6 (N)之間(如圖3所示))；
一個光電檢測裝置8，將由第一耦合器1輸出的光干涉信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，并進行放大、調(diào)理等；
低通濾波裝置9，對光電檢測裝置8輸出的電信號進行濾波，得到基波信號，即恢復(fù)出干涉信號。對光電檢測裝置輸出的電信號的調(diào)制頻率基波或諧波的邊帶進行分析，用于判斷擾動發(fā)生的感應(yīng)單元。在光路結(jié)構(gòu)中，每個干涉單元對應(yīng)一組相互干涉的光路，設(shè)光從端口 Ial輸入，干涉單元i (i=l、…、N)對應(yīng)的相干涉光路為
I第一耦合器1的端口 Ib (1)—光纖延遲器3—第二耦合器2的端口加(1)—第二耦合器2的端口沘(i)—相位調(diào)制器7 (i)—感應(yīng)光纖4 (i)—反饋裝置6 (i)—感應(yīng)光纖4 (i)—相位調(diào)制器7 (i)—第二耦合器2的端口沘(i)—第二耦合器2的端口 2a (2)—第一耦合器1的端口 Ib (2)；
II第一耦合器1的端口 Ib (2)—第二耦合器2的端口加(2)—第二耦合器2的端口沘(i)—相位調(diào)制器7 (i)—感應(yīng)光纖4 (i)—反饋裝置6 (i)—感應(yīng)光纖4 (i) — 相位調(diào)制器7 (i)—第二耦合器2的端口沘(i)—第二耦合器2的端口 2al—光纖延遲器3—第一耦合器1的端口 Ib (1)。這兩路光在第一耦合器1處會合相互干涉，從端口 la (I)Ua (2)、…、la (N) 可獲得干涉信號。相位調(diào)制載波經(jīng)相位調(diào)制器7 (1),7 (2)、…、7 (N)分別給感應(yīng)光纖4
(1)、4 (2)、…、4 (N)對應(yīng)的干涉信號施加調(diào)制，調(diào)制頻率分別為/ml、/m2、…、/mN。設(shè)信號基波的最大頻率為，調(diào)制頻率為
權(quán)利要求
1.一種基于相位載波復(fù)用的光纖傳感復(fù)用方法，其特征在于在N個感應(yīng)單元進行復(fù)用的光纖干涉系統(tǒng)中，對感應(yīng)外界擾動的不同感應(yīng)光纖單元產(chǎn)生的干涉信號，用不同頻率的載波進行調(diào)制，相鄰載波頻率之間的頻率差無需大于外界擾動引起的信號基波頻率上限的兩倍，各光纖感應(yīng)單元形成的信號被共同的光電探測器檢測后，利用信號基波來分析擾動信號的物理量，并利用載波基波或諧波的邊帶判斷感應(yīng)擾動信號的光纖。
2.一種如權(quán)利要求1所述的基于相位載波復(fù)用的光纖傳感復(fù)用方法的實現(xiàn)系統(tǒng)，其特征在于包括第一耦合器，la (I)Ua (2)、…、la (N)Ub (I)Ub (2)為其端口，其中 la (I)Ua (2)、…、Ia (N)為同向端口，lb (I)Ub (2)為同向端口 ； 光纖延遲器，延遲為τ ；第二耦合器，2a (l)、2a (2)、2b (l)、2b (2)、…、2b (N)為其端口，其中 2a (l)、2a (2)為同向端口，2b (l)、2b (2)、...、2b (N)為 N 個同向端口 ；N個感應(yīng)光纖，分別連接于第二耦合器的2b (l)、2b (2)、…、2b (N)N個同向端口； N個反饋裝置，分別加在N個感應(yīng)光纖末端；N個相位調(diào)制器，相位調(diào)制載波經(jīng)N個相位調(diào)制器分別給N個感應(yīng)光纖對應(yīng)的干涉信號施加調(diào)制；這N個相位調(diào)制器分別設(shè)置于第二耦合器的N個同向端口 2b (l)、2b (2)、…、 2b (N)與N個感應(yīng)光纖之間，或者分別設(shè)置于N個感應(yīng)光纖與N個反饋裝置之間；一個光電檢測裝置，將由第一耦合器1輸出的光干涉信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，并進行放大、調(diào)理等；低通濾波裝置，對光電檢測裝置輸出的電信號進行濾波，得到基波信號，即恢復(fù)出干涉信號；同時對光電檢測裝置輸出的電信號的調(diào)制頻率基波或諧波的邊帶進行分析，用于判斷擾動發(fā)生的感應(yīng)單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于相位載波復(fù)用的光纖傳感復(fù)用方法的實現(xiàn)系統(tǒng)，其特征在于在光路結(jié)構(gòu)中，每個干涉單元對應(yīng)一組相互干涉的光路，設(shè)光從端口 Ia (1)輸入，干涉單元i對應(yīng)的相干涉光路為I第一耦合器的端口 Ib (1)—光纖延遲器一第二耦合器的端口加(1)—第二耦合器的端口 2b (i)—第i相位調(diào)制器一第i感應(yīng)光纖一第i反饋裝置一第i感應(yīng)光纖一第 i相位調(diào)制器一第二耦合器的端口 2b (i)—第二耦合器的端口加(2)—第一耦合器的端口 Ib (2)；II第一耦合器的端口 Ib (2)—第二耦合器的端口加(2)—第二耦合器的端口沘 (i)—第i相位調(diào)制器一第i感應(yīng)光纖一第i反饋裝置一第i感應(yīng)光纖一第i相位調(diào)制器 —第二耦合器的端口沘(i)—第二耦合器的端口加(1)—光纖延遲器一第一耦合器的端口 Ib (1)；其中，i=l、"·、Ν。
全文摘要
本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于相位載波復(fù)用的光纖傳感復(fù)用方法及實現(xiàn)系統(tǒng)。在光纖干涉系統(tǒng)中，對于感應(yīng)外界擾動的不同感應(yīng)光纖單元產(chǎn)生的干涉信號用不同頻率的載波進行調(diào)制，相鄰載波頻率之間的頻率差無需大于外界擾動引起的信號基波頻率上限的兩倍，各光纖感應(yīng)單元形成的信號被共同的光電探測器檢測后，利用信號基波來分析擾動信號的物理量，利用載波基波或諧波的邊帶判斷感應(yīng)擾動信號的光纖。本發(fā)明適用于外界擾動同時發(fā)生于不同感應(yīng)單元的概率很小的應(yīng)用中，如對于通信干線的監(jiān)控。
文檔編號G01D5/353GK102419186SQ20111026875
公開日2012年4月18日 申請日期2011年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月13日
發(fā)明者卞龐, 吳媛, 王超, 肖倩, 賈波 申請人:復(fù)旦大學(xué)