[发明专利]一种基于光混沌的精度可调的光纤液位测量装置及方法

权利要求书

1.一种基于光混沌的精度可调的光纤液位测量装置，其特征在于：包括混沌光源模块(19)，光纤放大器(7)，耦合器B(8)，光电探测模块(9)，互相关运算单元(10)，计算机(11)，环形器(12)和传感网络模块(20)；混沌光源模块(19)的出射端通过光纤顺次与光纤放大器(7)和耦合器B(8)连接；耦合器B(8)的输入端口与光纤放大器(7)相连接，耦合器B(8)的第一输出端口与环形器(12)的输入端相连接；耦合器B(8)的第二输出端口与光电探测模块(9)的第一输入端相连接；环形器(12)的第一输出端口通过传感光纤与传感网络模块(20)相连接，环形器(12)的第二输出端口与光电探测模块(9)的第二输入端相连接；光电探测模块(9)的两个信号输出端分别与互相关运算单元(10)的两个信号输入端相连接；所述传感网络模块(20)包括一个或多个传感单元(13)；传感单元(13)由n个等长光纤段串联组成，光纤段对齐设置，在第i和第i+1个光纤段之间对应第i个间隙，光在每个间隙断面会发生菲涅尔反射效应；所述多个传感单元(13)可采用串行或并行或串行和并行相结合的拓扑结构排列；

所述混沌源模块(19)由DFB-LD激光器(1)，偏压控制器(2)，耦合器A(3)，光隔离器(4)，光衰减器(5)和光纤反射镜(6)组成，其具体连接方式为：

DFB-LD激光器(1)输出的激光经偏振控制器(2)输入到耦合器A(3)输入端口，耦合器A(3)第一输出端口经过光衰减器(5)与光纤反射镜(6)连接；耦合器A(3)第二输出端口与光隔离器(4)连接；其中可调光衰减器(5)的作用是调节反馈光路的光功率，即反馈至DFB-LD激光器(1)的光功率，偏振控制器(2)的作用是控制光的偏振态；

为了保证传感单元(13)的精度，光纤段的长度应与相关峰的半高宽相等；

所述装置测量精度精度是可控的；根据维纳-辛钦定理，信号的自相关函数与信号的功率谱密度为傅里叶变换对，所以信号的频谱越宽，相关峰越窄，因此通过调节混沌源模块(19)中光衰减器(5)，可以改变混沌源模块(19)的输出带宽，进而实现对装置测量精度的控制。

2.如权利要求1所述的一种基于光混沌的精度可调的光纤液位测量装置，其特征在于：传感网络模块(20)的拓扑结构采用串行方式时，传感网络模块(b)还包括与传感单元(13)数量相同的耦合器C(14)；传感单元(13)由若干耦合器C(14)以串行方式连接：在传感光纤上每个待测节点连接一个耦合器C(14)，每个耦合器C(14)的第一输出端口连接一个传感单元(13)，耦合器C(14)第二输出端口连接下一个耦合器C(14)的输入端口。

3.如权利要求1所述的一种基于光混沌的精度可调的光纤液位测量装置，其特征在于：所述传感网络模块(20)的拓扑结构采用并行方式，包括多通道开关(15)以及若干个传感单元(13)；环形器(12)第一输出端口通过传感光纤与多通道开关(15)的输入端相连接，多通道开关(15)的每个输出端口均连接有一个传感单元(13)，所有传感单元(13)位于不同位置。

4.如权利要求1所述的一种基于光混沌的精度可调的光纤液位测量装置，其特征在于：所述传感网络模块(20)的拓扑结构采用串行和并行相结合的拓扑结构时，传感网络模块(20)还包括多通道开关(15)和数量与传感单元(13)相同的耦合器C(14)，多通道开关(15)的每个输出端均通过若干耦合器C(14)以串行方式将多个传感单元(13)串行连接。

5.如权利要求1～4任一项所述的一种基于光混沌的精度可调的光纤液位测量装置，其特征在于：所述混沌源模块(19)还可采用光注入式或用电混沌信号驱动激光器方式。

6.一种基于光混沌的精度可调的光纤液位测量方法，该方法是基于权利要求1～5任一项所述装置实现的，其特征在于：具体方法包括以下步骤：

步骤一：将传感单元(13)放置在空气中，利用上述装置获得相应的参考信号(P_ref-0)和反射信号(P_echo-0)，对参考信号和反射信号做互相关运算，得到传感单元(13)放置在空气中的互相关曲线，并以此作为测量标准；然后执行步骤二；

步骤二：将传感单元(13)垂直放置到待测液体容器中，且应保证传感单元(13)中所有间隙不能全部浸没在液体中；利用上述装置获得相应参考信号(P_ref-1)和反射信号(P_echo-1)，对参考信号和反射信号做互相关运算，得到传感单元(13)放置于液体中的互相关曲线；然后执行步骤三；

步骤三：对传感单元(13)处于空气中和处于液体中的互相关曲线做差，得到的互相关峰的数量即为浸没在液体中的间隙数，从而得到待测液体液位；

此装置基于混沌δ型互相关函数检测菲涅尔反射效应，理想情况下，第i个间隙处的反射信号是参考信号的时移，如下公式表示第i个间隙处的反射信号与参考信号做互相关运算：

其中P_echo-i为第i个间隙的反射信号，P_ref为参考信号，τ_i为光从发射端到第i个间隙的往返时间，E[·]为信号功率的均值，R_i为第i个间隙处的反射率，n₀为光纤的折射率，k为参考光功率与探测光功率比值，_α为常数，_c为真空中的光速；

根据如下公式可获得光纤段断面与间隙内介质接触面的反射率：

其中n_i为间隙内介质的折射率；

当第i个间隙内的介质由空气转变为液体时，介质折射率发生变化，对应相关峰的幅值也随之变化，将传感单元(13)在空气中与传感单元(13)处于液体中的互相关曲线做差，统计相关峰个数m，获得待测液体的液位为：

其中l_i为第i个光纤段的长度。