一种基于Smith谐振干涉型光程匹配扫描器的低相干光纤形变传感器网络解调系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及的是一种可用于多种光纤传感网络结 构，实现多点准分布形变、应变或者准温度分布等物理量的实时监测与测量的基于Smith 谐振干涉型光程匹配扫描器的低相干光纤形变传感器网络解调系统。
【背景技术】
[0002] 光纤白光干涉仪的优点之一就是可以很容易地实现多路复用。多个传感器在各自 的相干长度内，只存在单一的光干涉信号，因而勿需更复杂的时间或者频率复用技术对信 号进行处理。近年来，白光干涉传感技术得到了蓬勃的发展，其中的一个热点就是发展了多 种基于多路复用技术的光纤传感器和测试系统，用于应变、温度、压力等物理量的测量。多 路复用技术的发展背景主要是由于在实际测量与测试应用中，单个物理量以及单一位置点 的传感，已经远不能满足人们对事物整体或者系统状态感知的要求，这往往需要对多个或 者多点物理量的分布进行在线或者实时的量测。例如对大型结构（水电站、大坝、桥梁等） 的无损检测与监测以确定其安全的过程中，需要将光纤传感器植入关键部位，并构筑成监 测网络，对其内部的应力、应变以及温度等信息进行提取。因此，传感器数量通常为几十个 或者上百个，如果测试系统仅以单点传感器进行连接，无疑其测试造价将大大提高，同时降 低了系统可靠性。采用多路复用技术，利用同一个解调系统对多个传感器的测量信息进行 问询，这不仅极大简化了系统复杂程度，而且使测量精度和可靠性也得到了保证。同时，由 于多路复用网络技术的发展，降低了单点传感器的造价，从而使测试费用大为降低，提高了 性价比，使光纤传感器与传统传感器相比更具优势。
[0003] 白光干涉光纤传感器可以有效地避免很多长相干长度的信号所遇到的限制和问 题。空分复用白光干涉光纤传感器的一个主要优点是可以测量绝对长度和时间延迟。另外， 由于传感信号的相干长度短，可以消除系统杂散光的时变干扰。空分复用白光干涉技术的 另一个优点是不需要相对复杂的时分复用或频分复用技术便可以将多个传感器相干复用 在一个信号中。空分复用技术是通过使用扫描干涉仪（如迈克尔逊干涉仪）实现信号光与 参考光的光程相匹配来实现的。如果两路信号光的光程相匹配，在干涉仪的输出信号中会 观察到白光干涉条纹。可实现高精度的绝对测量，能够测量的参量包括位置、位移、应变和 温度等。
[0004] 在实际应用中，尤其是在建筑结构的监测中，通常需要对建筑结构进行长距离、多 点的准分布式测量。然而，对于传统的光纤白光干涉仪结构，传感光纤的长度受到可变扫描 臂的调节范围的限制。另外，即使可以得到长距离的调节范围，光信号在长距离的空间光路 中传输的损耗也会很大。
[0005] 为解决上述问题，1995年美国H-P公司Wayne V. Sorin和Douglas M. Baney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)，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的程差与多个首尾相接的 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。
[0006] 另外，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：200710072350. 9)和空分复用Mach-Zehnder级联式光纤干涉仪及测量方 法（中国专利号：ZL 200810136824.6)主要用来解决光纤传感器复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：ZL 200810136819. 5)和孪生阵列Michelson光纤白光干涉应变仪（中国 专利号：ZL 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：ZL 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：ZL 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。
[0007] 但在上述基于空分复用的干涉仪结构中，光源功率衰减大、光源利用率低，由光源 发出的光，仅有较小的一部分达到传感器阵列，被探测器接收形成干涉图样。以W. V. Sorin 公开的光路结构而言，当传感器阵列反射的光信号通过光纤耦合器1时，只有一半的光进 入Michelson自相关器，而另一半光沿与光源相连的光路损耗掉。另外，进入Michelson自 相关器的光，被反射镜反射后经过耦合器2时又只有一半光进入光电探测器，另一半光回 馈到耦合器1中。因此，这种结构最多只有1/4的光源功率对传感过程有贡献。另外，经过 耦合器1回馈的光会直接进入光源，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较大的噪声。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供一种基于Smith谐振干涉型光程匹配扫描器的低相干光 纤形变传感器网络解调系统。
[0009] 本发明的目的是这样实现的：
[0010] 基于Smith谐振干涉型光程匹配扫描器的低相干光纤形变传感器网络解调系统， 由宽谱光源1、四端口光纤环行器2、Smith谐振干涉型光程匹配扫描器3、传输光纤4、光纤 传感器网络5、光电探测信号放大器6以及信号处理单元7组成，系统中宽谱光源发出的光 经由四端口光纤环行器后被注入到Smith谐振干涉型光程匹配扫描器，Smith谐振干涉型 光程匹配扫描器产生光程差可调的两束问讯光信号，经由四端口光纤环行器后通过传输光 纤被送入光纤传感器网络，由光纤传感器网络反射回来的干涉信号光再次通过传输光纤， 经由四端口光纤环行器被光电探测器所接收并被放大，信号最后经由信号处理单元处理后 给出测量结果。
[0011] Smith谐振干涉型光程匹配扫描器是通过一个2 X 2光纤耦合器31，一端与光纤准 直器32和可调前后移动的平面光学反射镜33构成光程扫描部分，另外两端直接镀有反射 镜构成了光学谐振腔，光纤准直器被固定在一个精密滑移台的基座上，一个平面光学反射 镜被固定在可以滑移的平台上，正对着光纤准直器，构成了一个光程可调的Smith谐振干 涉型光程匹配扫描器。
[0012] 光纤传感网络是由基本的光纤传感器阵列组成的，而光纤传感器阵列则是由若干 个首尾依次串接的光纤传感器组成，每个光纤传感器则是由一段两端带有光纤插芯的单模 光纤组成，将一系列长度不等的单模光纤段构成首尾相接的串行阵列，并通过1XN，N = 2， 3,4…光纤星形耦合器构成总线式光纤传感网络拓扑结构、星形光纤传感网络拓扑结构和 复合星形光纤传感网络拓扑结构。
[0013] 采用的光纤形变传感器网络的拓扑结构中的的光纤传感阵列可通过增加一个 1 XM多路光纤开关的选通连接将M个光纤传感阵列构造成一个巡回检测的NXM个线性光 纤传感器网络。
[0014] 采用的四端口光纤环行器将Smith谐振干涉型光程匹配扫描器和准分布光纤传 感器网络进行连接。
[0015] 本发明的有益效果在于：
[0016] 本发明公开了一种基于Smith谐振干涉型光程匹配扫描器的低相干多路复用准 分布光纤形变传感网络测量系统。可用于多点准分布形变、应变或者准温度分布等物理量 的实时监测与测量，可广泛用于大尺寸的智能结构监测等领域。它采用光纤环行器来连接 Smith谐振干涉型光程匹配扫描器、光纤传感器网络和光电探测器，使光纤传感器反射的信 号全部耦合到光电探测器中，与在先技术相比，由于四端口光纤环形器的使用，消除了反馈 回光源的信号，提高了光源的稳定性，同时增强了光源功率的利用率，能够使光源发出的光 全部得到利用，也进一步提高了传感网络系统的复用能力。
【附图说明】
[0017] 图1是基于Smith谐振干涉型光程匹配扫描器的低相干多路复用准分布光纤形变 测量传感器网络系统的结构示意图。
[0018] 图2是Smith谐振干涉型光程匹配扫描器的结构示意图。
[0019] 图3是光纤形变传感器网络解调系统中所采用的光纤形变传感器网络的拓扑结