基于多芯光纤和法拉第旋转镜的复合探测系统增强装置的制作方法

1.本实用新型涉及光纤复合探测，具体涉及一种基于多芯光纤和法拉第旋转镜的复合探测系统增强装置。


背景技术：

2.申请号为201310710629.0的实用新型专利公开了一种基于光纤空分复用技术的传感方法，其采用三个或三个以上纤芯的多芯光纤，其中，至少一个纤芯作为光信号纤芯，其它纤芯作为感测纤芯，光纤内光信号纤芯和感测纤芯的长度不同，通过不同纤芯在相同待测物理量的位置获取不同光信号，经过比较得到探测结果，其光纤内部的纤芯呈螺旋状分布且长度不同，光纤研制难度较大，虽然该方法能够对温度、应变、压力等环境参量实现分布式传感，但未说明如何处理温度、应变、压力等环境参量对所述传感光纤的交叉影响，无法对温度、应变、压力等环境参量同时进行监测。
3.申请号为201310258720.3的实用新型公开了一种多芯光纤的分布式传感方法，其采用空分复用的方式实现多芯光纤的分布式传感，同样也未说明如何消除温度、应变、压力等环境参量对所述传感光纤的交叉影响，或者如何同时对温度、应变、压力等环境参量进行探测。
4.申请号为201710128688.5的实用新型公开了一种多芯光纤光栅方向弯曲传感器，其利用光纤光栅对方向弯曲进行探测，该光纤传感器能够对单一方向弯曲进行探测，但探测参数单一。
5.申请号为201310258720.3的实用新型公开了一种基于多芯光纤偏芯熔接的多通道干涉仪及其制备方法，其将多芯光纤错位熔接，采用空分复用的方法，在一根光纤上实现了多通道干涉仪的集成，但该方法未说明能够探测哪些物理量，如何区分消除各物理量之间的影响，未具体说明利用多通道进行物理量探测的方法步骤，并且需要多芯耦合器将纤芯内的光信号引出，增加了干涉仪的成本与复杂度。
6.上述马赫增德尔干涉型、光纤光栅型的光纤传感器，其原理都是采用探测光信号的一次透射或反射光谱，探测的物理量单一，探测灵敏度有限。


技术实现要素：

7.为解决上述技术问题，本实用新型提供一种基于多芯光纤和法拉第旋转镜的复合探测系统增强装置，其包括传感探测器和成像探测器；
8.所述传感探测器包括传感探测光纤，传感探测光纤包括顺次连接的第一单模光纤、第一多芯光纤和第二单模光纤；
9.所述成像探测器包括成像探测光纤，所述成像探测光纤包括顺次连接的第三单模光纤、第二多芯光纤和第四单模光纤。
10.根据本实用新型，所述传感探测器还包括光纤环形器和法拉第旋转镜，所述光纤环形器、传感探测光纤法拉第旋转镜顺次连接。
11.优选地，所述第二单模光纤上设置有光栅，所述光栅设置在芯纤内。
12.优选地，所述第一多芯光纤为偏芯光纤。
13.优选地，所述第一多芯光纤包括至少两芯纤，例如，包括三个芯纤、五个芯纤或七个芯纤。
14.优选地，所述第一多芯光纤包括一中心芯纤和若干侧偏芯纤，若干所述侧偏芯纤沿中心芯纤对称分布，所述中心芯纤偏离第一多芯光纤的中心设置。
15.例如，所述第一多芯光纤包括一中心芯纤和两个侧偏芯纤，两所述侧偏芯纤沿中心芯纤对称分布，且所述中心芯纤偏离所述第一多芯光纤的中心设置。
16.优选地，所述第一单模光纤、第二单模光纤的芯纤均与第一多芯光纤的一侧偏芯纤错位熔接，构成马赫增德尔干涉传感器。
17.根据本实用新型，所述成像探测器还包括光纤准直器、振镜和空间光学透镜，所述成像探测光纤、光纤准直器、振镜和空间光学透镜顺次连接。
18.优选地，所述第二多芯光纤包括至少两芯纤，例如，包括三个芯纤、五个芯纤或七个芯纤。
19.例如，所述第二多芯光纤包括中心芯纤和两侧偏芯纤，所述中心芯纤位于第二多芯光纤的中心，两所述侧偏芯纤沿中心芯纤对称分布。
20.根据本实用新型，所述复合探测系统增强装置还包括光源，所述光源用于为所述传感探测器和成像探测器提供光信号。
21.根据本实用新型，所述复合探测系统增强装置还包括光纤耦合组件、传感调节器、光电转换器、信号处理器和上位机。
22.所述光纤耦合组件包括光纤延时线和若干光纤耦合器，所述光纤耦合器的数量为至少2个，优选地，所述光纤耦合器的数量为至少4 个，例如为3个、4个、5个。
23.若干所述光纤耦合器顺次连接，所述光纤延时线位于第一个所述光纤耦合器的信号输出端。
24.第一个光纤耦合器的信号输入端与光源配合，用于将光源的光信号耦合成两束传输至光纤延时线和第二个光纤耦合器，第二个光纤耦合器将入射光耦合成两束后传输至传感探测器、成像探测器，光纤延时线将光信号传输至第三光纤耦合器，成像探测器探测后的信号传输至第三光纤耦合器，所述第三光纤耦合器内的两光信号进行干涉。
25.所述传感调节器用于将所述传感探测器的光信号转换为电信号。
26.所述光电转换器用于将所述成像探测器的光信号转换为电信号。
27.所述信号处理器用于对上述电信号进行处理。
28.优选地，所述信号处理器包括顺次连接的ad采集模块、主处理器、算法处理器、视频编码器、数据存储模块和总线。
29.所述上位机用于接受所述信号处理器的处理信息并存储。
30.优选地，所述上位机通过总线与所述信号处理器连接。
31.有益效果
32.(1)本实用新型利用传感探测光纤包括多芯光纤，若干单模光纤，其中一单模光纤的内部设置有光纤光栅，传感探测光纤具有同时探测二维方向弯曲和温度、二维方向弯曲和应力、折射率和温度、折射率和应力的特性，成像探测光纤用来探测被测样品反射光和散
射光，利用后级的信号处理平台对被测样品所测区域进行图像重构，并且图像传输光纤内部的偏芯等结构特征确保了光信号偏振态的稳定性；
33.成像探测组件包括成像探测光纤、光纤准直器、振镜和空间光学透镜，其中，成像探测光纤包括多芯光纤，多芯光纤的两侧分布有单模光纤，传感探测光纤和成像探测光纤在使用时相互独立，互不干扰，且具有稳定性高、传输信息种类多、信号偏振态稳定的优点。
34.(2)本实用新型利用法拉第旋转镜，使传感探测光纤内透射的光信号发生二次干涉，增强了对二维方向弯曲、温度、折射率和应力探测的灵敏度和稳定性；通过将光纤延时线反射的光信号与成像光纤模块探测的带有样品信息的光信号进行相干干涉，增强了系统对样品信息进行图像探测的灵敏度。
附图说明
35.图1为本实用新型实施例中基于多芯光纤和法拉第旋转镜的复合探测系统增强装置的结构示意图；
36.图2为第一三芯光纤的剖视图；
37.图3为传感探测光纤、成像探测光纤的结构示意图；
38.图4为传感探测器、成像探测器的探测增强结构示意图；
39.图5为数字信号处理单元示意图。
40.图中：1-第一三芯光纤，2-第一纤芯，3-第二纤芯，4-第三纤芯， 7-第一单模光纤，8-第四纤芯，9-第一基模光信号，10-第二基模光信号，11-第一包层模光信号，12-第二单模光纤，13-第五纤芯，14-第三基模光信号，15-光栅，16-第三单模光纤，17-第六纤芯，18-第四基模光信号，19-第二三芯光纤，20-第七纤芯，21-第八纤芯，22-第九纤芯，23-第五基模光信号，24-第四单模光纤，25-第十纤芯，26
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第六基模光信号，27-光源，31-第一光纤耦合器，32-光纤延时线，33
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第二光纤耦合器，34-隔离器，35-传感探测器，36-光纤解调仪，37
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成像探测器，38-第三光纤耦合器，39-光电转换器，40-数字信号处理器，41-上位机，42-光纤环形器，43-传感探测光纤，44-法拉第旋转镜，45-成像探测光纤，46-光纤准直器，47-振镜，48-空间光学透镜， 49-被测样品。
具体实施方式
41.下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步详细描述。
42.本实用新型公开了一种基于多芯光纤和法拉第旋转镜的复合探测系统增强装置，参见图1所示，包括光源27、光纤耦合组件(第一光纤耦合器、第二光纤耦合器和第三光纤耦合器)、传感探测器35、传感解调器36、成像探测器45、光电转换器39、数字信号处理器40和上位机41。
43.所述光源27产生用于传感探测和成像探测的宽带光信号，通过单模光纤传输至光纤耦合组件，光纤耦合组件将宽带光信号耦合成两束强度不同宽带光信号，分别传输给传感探测器35和成像探测器37，其中传输给传感探测器35的宽带光信号强度小于传输给成像探测器 37的宽带光信号。
44.传感探测器35将光纤传感探测后的光信号传输给传感解调器 36，经过解调转换成携带波长漂移信息的电信号，通过数字信号处理器40采集信息，成像探测器37将光纤探
测的具有被测样品图像信息的光信号传输给光电转换器39，转换成电信号后由数字信号处理器 40采集，数字信号处理器40将采集到的信息上传至上位机41进行显示、存储和分析。
45.参见图2、图3和4所示，本实用新型实施例的传感探测器35 中传感探测光纤43由第一单模光纤7、第一三芯光纤1和第二单模光纤12错位熔接而成，第一单模光纤7、第二单模光纤12与第一三芯光纤1错位连接。
46.其中第一三芯光纤1的内部包括第一纤芯2、第二纤芯3和第三纤芯4构成，第一纤芯2和第三纤芯4沿第二纤芯3对称分布，第一纤芯2的偏芯距离为d1，第三纤芯4的偏芯距离为d2。
47.第一单模光纤7的第四纤芯8中第一基模光信号9传输至第一单模光纤7和第一三芯光纤1的熔接处，被耦合成第一三芯光纤1中第一纤芯2内的第二基模光信号10和第一包层模光信号11。第二基模光信号10和第一包层模光信号11在第一三芯光纤1和第二单模光纤 12的熔接处耦合成第二单模光纤12的第五纤芯13内，成为第三基模光信号14，并穿过第二单模光纤12内的光栅15。
48.参见图4所示，成像探测器37中的成像探测光纤45由第三单模光纤16、第二三芯光纤19和第四单模光纤24熔接而成，第三单模光纤16的第六纤芯17中第四基模光信号18传输至第二三芯光纤19 的第八纤芯21，成为第二三芯光纤19的第五基模光信号23，此时第七纤芯20和第九纤芯22内无光线号传输，光信号沿第八纤芯21传输至第四单模光纤24的第十纤芯25，成为第六基模光信号26。
49.光路传输如下，利用光源27产生传感光信号和成像光信号，利用单模光纤传输至第一光纤耦合器31的p1端，宽带光信号被耦合成两束宽带光信号后分别从p3和p4端输出，从p3端输出的宽带光信号传输至光纤延时线32，经过光纤延时线32反射的光信号返回p3 端，从第一光纤耦合器31的p2端输出，进入第三光纤耦合器38的 p9端，从p4端输出的宽带光信号传输至第二光纤耦合器33的p5端，被耦合成两束光信号分别从p7端和p8端输出，从p7端输出的宽带光信号经过隔离器34后进入传感光纤模块，其输出的光信号进入光纤解调器36，经过解调后传输至数字信号处理器40，送至上位机41，从p8端输出的宽带光信号经过成像光纤模块后，内部扫描反射光信号通过单模光纤重新进入p8端，从第二耦合器的p6端输出进入第三耦合器38的p10端，从p9端和p10进入的光信号在第三耦合器38 内产生干涉，从p11端和p12端输出，进入光电转换器39。经过光电转换后，电信号传输至数字信号处理器40，将采集的电信号传输至上位机41。
50.所述传感探测光纤43的工作原理如下：当宽带光信号从光纤环形器42的in端输入，inout端输出穿过传感探测光纤43，经过法拉第旋转镜44反射，再次穿过传感探测光纤43，进入光纤环形器42 的inout端，从out端输出。
51.成像探测光纤45工作原理如下：宽带光信号穿过成像探测光纤 45，经过光纤准直器46的聚焦后传输至振镜47，空间透镜48将振镜扫描反射的光信号聚焦在被测样品49，被测样品49的反射光信号和散射光信号通过空间透镜48传输至振镜47，反射至光纤准直器46 进入成像探测光纤45。
52.参见图5所示，数字信号处理器40由ad采集器，主处理器，算法处理器、视频编码器，数据存储器和总线构成，其中ad采集器将光纤解调仪36和光电转化器39输出的电信号进行采集，主处理器对采集的数据进行预处理，并且作为高速接口协调数字信号处理器 40
内部的信号传输，算法处理器将经过主处理器预处理数字信号进行相关图像算法处理，数据存储器用来存储主处理器和算法处理器在工作过程中需要暂存的数据，视频编码器将主处理器和算法处理器处理完毕的数字信号进行相关视频编码处理，通过总线传输至上位机 41。
53.本实用新型不仅局限于上述的最佳实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变更，凡是具有与本实用新型相同或相近似的技术方案，均在其保护范围内。