CN103292831A

CN103292831A - 光纤光栅反射滤波结构的单端布里渊光时域分析传感器

Info

Publication number: CN103292831A
Application number: CN2013102098917A
Authority: CN
Inventors: 宋牟平; 张晓磊; 张哲民; 杨帆
Original assignee: Wuhan Kangteshengsi Photoelectric Technology Co Ltd
Current assignee: Wuhan Kangteshengsi Photoelectric Technology Co Ltd
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2033-05-31
Also published as: CN103292831B

Abstract

本发明涉及一种光纤光栅反射滤波结构的单端布里渊光时域分析传感器，结构为激光器与第一光纤分路合路器合路端光连接，第一光纤分路合路器两个分路端分别与泵浦脉冲光调制单元、频移探测光调制单元光连接；泵浦脉冲光调制单元与第二光纤分路合路器一个分路端光连接；频移探测光调制单元与第二光纤分路合路器另一个分路端光连接；第二光纤分路合路器合路端与光环形器一端口光连接，光环形器二端口与传感光纤一端连接，传感光纤另一端与光纤光栅反射滤波结构光连接；光环形器三端口与信号采集处理单元光连接。该传感器实现单端光输入布里渊光时域分析分布式光纤传感，克服传统布里渊光时域分析传感器双端光输入缺点，并能实时快速地测量传感链路上的温度与应变信息。

Description

光纤光栅反射滤波结构的单端布里渊光时域分析传感器

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种光纤光栅反射滤波结构的单端布里渊光时域分析传感器。

背景技术

分布式光纤传感是伴随着社会需求而逐渐发展壮大的一种新型实时在线监测技术，基本原理是利用一根光纤同时进行信号的感知与传输，结合先进的信号检测与处理技术，可以对长达几十公里光纤进行分布式温度、应变等物理量的测量。光纤特有的抗腐蚀、抗电磁干扰、化学性质稳定等优点，也使得分布式光纤传感技术得到众多研究人员和应用单位的青睐，近年来取得了巨大的进步。到目前为止，光纤传感器在各个领域的研究正进行的如火如荼。光纤温度传感器、光纤水听器、光纤电流传感器、光纤陀螺等各种用途的光纤传感器层出不穷，几乎可以应用在传统电学传感器工作的各种领域。与传统的电学传感器相比，光纤传感器有更高的灵敏度及寿命。

分布式光纤传感是利用光纤纵向特性进行测量的技术，它把被测量作为光纤长度的函数，可以在整个光纤长度上对沿光纤几何路径分布的外部物理参量进行连续的实时测量，能够为人们提供被测物理参量的空间分布及其随时间变化的特征，可以广泛的应用在国土安防、围界入侵监测、建筑物健康监测、输油管道监测等领域。分布式光纤传感器根据传感原理可以分为以下三种：基于干涉原理的分布式光纤传感器；基于光散射原理的分布式光纤传感器；基于光纤光栅原理的分布式光纤传感器。本发明是基于布里渊光散射原理的分布式光纤传感器。

基于布里渊散射原理的分布式光纤传感技术包含两种：基于光时域反射技术（BOTDR）与基于光时域分析技术（BOTDA）。BOTDR技术由于采用的是光纤中微弱的自发布里渊散射，所以传感距离与测量精度有限；BOTDA技术利用光纤中的受激布里渊效应，散射信号强，因此可以在几十公里的传感距离上实现更高的测量精度。公开号101324424专利《新型光纤布里渊光时域分析器》、公开号202853632U《一种长距离光纤布里渊光时域分析器》等提出了各自基于BOTDA技术的布里渊分布式光纤传感方案，但并没有解决BOTDA技术上面临的必须从传感光纤两端分别注入泵浦脉冲光与频移探测光的缺点；《物理学报》2010年08期报道的《基于双向拉曼放大的布里渊光时域分析***》、《中国光学学会2011年年会》报道的《长距离布里渊光时域分析***的设计与实现》等文献同样没有解决此类问题，因此BOTDA技术在实际工程应用中仍然面临很大的困难。

发明内容

为了解决上述存在的工程与技术上的问题，本发明提出了一种光纤光栅反射滤波结构的单端布里渊光时域分析传感器。该传感器只需要一根传感光纤，通过在传感光纤远端连接上一套无源的光纤光栅反射滤波结构，把泵浦脉冲光与频移探测光同时从近端注入到传感光纤中；远端的光纤光栅反射滤波结构对频移探测光反射并滤除泵浦脉冲光，消除泵浦脉冲光由于反射对***信噪比的影响，从而实现了单端BOTDA技术的分布式温度与应变的测量，克服了传统BOTDA技术的缺点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

光纤光栅反射滤波结构的单端布里渊光时域分析传感器，包括激光光源、两个光纤分路合路器、光环形器、泵浦脉冲光调制单元、频移探测光调制单元、信号采集处理单元、传感光纤、光纤光栅反射滤波结构其特征在于：激光器与第一光纤分路合路器合路端光连接，第一光纤分路合路器两个分路端分别与泵浦脉冲光调制单元、频移探测光调制单元光连接；泵浦脉冲光调制单元与第二光纤分路合路器一个分路端光连接；频移探测光调制单元与第二光纤分路合路器另一个分路端光连接；第二光纤分路合路器合路端与光环形器第一端口光连接，光环形器第二端口与传感光纤一端连接，传感光纤另一端与光纤光栅反射滤波结构连接；光环形器第三端口与信号采集处理单元光连接。

所述的激光器为窄线宽激光光源。

所述的光纤分路合路器是光纤耦合器或偏振分束合束器。

所述的光环形器采用光纤耦合器代替。

所述的光纤光栅反射滤波结构由第三个光纤分路合路器、四端口光环行器和两个相同的光纤光栅组成，传感光纤另一端与光纤光栅反射滤波结构的第三光纤分路合路器合路端连接；第三光纤分路合路器的二个分路端口分别与四端口光环行器的二个端口相连，四端口光环行器的另二个端口分别相连一个光纤光栅。

所述的信号采集处理单元包含光电探测器与电路处理部分。

本发明主要利用一种光纤光栅反射滤波结构解决了传统BOTDA技术必须从传感光纤两端同时注入光的缺点。通过传感光纤远端连接的光纤光栅反射滤波结构，反射频移探测光，滤除泵浦脉冲光。从而实现用单端BOTDA技术进行分布式温度与应变测量。

光纤光栅反射滤波结构的单端布里渊光时域分析传感器的方法，其特征在于按以下几个步骤进行：

（1）激光器输出的连续光通过第一光纤分路合路器分成两路光，一路光经过泵浦脉冲光调制单元调制成泵浦脉冲光，并通过第二光纤分路合路器与光环行器进入传感光纤；另一路光通过频移探测光调制单元调制成频移探测光，并通过第二光纤分路合路器与光环行器进入传感光纤。

（2）探测光经过传感光纤后，被光纤光栅反射滤波结构反射，重新耦合进传感光纤，并沿传感光纤反向传输；泵浦脉冲光经过传感光纤后，被光纤光栅反射滤波结构滤除；

（3）泵浦脉冲光与经光纤光栅反射的探测光在传感光纤中形成受激布里渊散射效应，散射光经过信号采集处理单元进行光电转换及信号的采集、解调，获取传感链路上的温度与应变信息。

本发明创新点在于：采用一种基于光纤光栅反射滤波结构，反射频移探测光，滤除泵浦脉冲光，实现了单端BOTDA技术。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的光纤光栅反射滤波结构为另一结构的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明包括窄线宽激光光源1、两个光纤分路合路器（2,5）、三端口光环形器6、泵浦脉冲光调制单元3、频移探测光调制单元4、信号采集处理单元9、传感光纤7、光纤光栅反射滤波结构8，窄线宽激光光源1与第一光纤分路合路器2合路端光连接，第一光纤分路合路器两个分路端分别与泵浦脉冲光调制单元3、频移探测光调制单元4光连接；泵浦脉冲光调制单元3与第二光纤分路合路器5一个分路端光连接；频移探测光调制单元4与第二光纤分路合路器5另一个分路端光连接；第二光纤分路合路器5合路端与三端口光环形器6第一端口光连接，三端口光环形器6第二端口与传感光纤7一端连接，传感光纤7另一端与光纤光栅反射滤波结构8连接；三端口光环形器6第三端口与信号采集处理单元9光连接。

所述光纤分路合路器、泵浦脉冲光调制单元3、频移探测光调制单元4、信号采集处理单元9、光纤光栅反射滤波结构8均为现在结构，信号采集处理单元包含光电探测器与电路处理部分。

如图2所示，本发明所述包括激光光源1、两个光纤分路合路器（2，5）、泵浦脉冲光调制单元3、频移探测光调制单元4、三端口光环形器6、传感光纤7、信号采集处理单元9、光纤光栅反射滤波结构8；光纤光栅反射滤波结构由第三个光纤分路合路器13、四端口光环行器11和两个相同的光纤光栅（10，12）组成，窄线宽激光光源1与第一光纤分路合路器2合路端光连接，第一光纤分路合路器两个分路端分别与泵浦脉冲光调制单元3、频移探测光调制单元4光连接；泵浦脉冲光调制单元3与第二光纤分路合路器5一个分路端光连接；频移探测光调制单元4与第二光纤分路合路器5另一个分路端光连接；第二光纤分路合路器5合路端与三端口光环形器6第一端口光连接，三端口光环形器6第二端口与传感光纤7一端连接，传感光纤7另一端与光纤光栅反射滤波结构8的第三光纤分路合路器13合路端连接；三端口光环形器6第三端口与信号采集处理单元9光连接；第三光纤分路合路器13的二个分路端口分别与四端口光环行器11的二个端口相连，四端口光环行器11的另二个端口分别相连一个光纤光栅。

激光光源1发出连续光经第一光纤分路合路器2分光，一路光进入泵浦脉冲光调制单元3调制成泵浦脉冲光，泵浦脉冲光经过第二光纤分路合路器5与光环形器6进入传感光纤7传输；

第一光纤分路合路器2分出的另一路光进入频移探测光调制单元4调制成频移探测光，最后经过第二光纤分路合路器5与光环形器6进入传感光纤7传输；

传感光纤7尾端连接的第三光纤分路合路器13、四端口光环行器11和光纤光栅（10，12）组成了光纤光栅反射滤波结构对传输到尾端的频移探测光反射，并滤除传输到尾端的泵浦脉冲光。

经反射重新进入传感光纤7反向传输的频移探测光与传感光纤7中正向传输的泵浦脉冲光形成受激布里渊散射效应，产生受激布里渊散射光。

受激布里渊散射光在传感光纤7中反向传输，通过三端口光环行器6进入信号采集处理单元9采集处理，并传输到计算机。

通过计算传感光纤7各处的布里渊散射光频移量，根据解调算法解调出传感光纤7各处的温度与应变值。

鉴于本发明采用了一种基于光纤光栅反射滤波结构的技术，实现了一种新型的单端BOTDA技术，克服了传统BOTDA技术必须从传感光纤两端同时注入光信号的缺点，方便了工程应用，提高了BOTDA技术的实用性。

本发明可广泛地应用与各种需要进行长距离、分布式监测测量领域。

Claims

1.光纤光栅反射滤波结构的单端布里渊光时域分析传感器，包括激光光源、两个光纤分路合路器、光环形器、泵浦脉冲光调制单元、频移探测光调制单元、信号采集处理单元、传感光纤、光纤光栅反射滤波结构，其特征在于：激光器与第一光纤分路合路器合路端光连接，第一光纤分路合路器两个分路端分别与泵浦脉冲光调制单元、频移探测光调制单元光连接；泵浦脉冲光调制单元与第二光纤分路合路器一个分路端光连接；频移探测光调制单元与第二光纤分路合路器另一个分路端光连接；第二光纤分路合路器合路端与光环形器一端口光连接，光环形器二端口与传感光纤一端连接，传感光纤另一端与光纤光栅反射滤波结构连接；光环形器三端口与信号采集处理单元光连接。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅反射滤波结构的单端布里渊光时域分析传感器，其特征在于：所述的激光器为窄线宽激光光源。

3.根据权利要求1所述的光纤光栅反射滤波结构的单端布里渊光时域分析传感器，其特征在于：所述的光纤分路合路器是光纤耦合器或偏振分束合束器。

4.根据权利要求1所述的光纤光栅反射滤波结构的单端布里渊光时域分析传感器，其特征在于：所述的光环形器采用光纤耦合器代替。

5.根据权利要求1所述的光纤光栅反射滤波结构的单端布里渊光时域分析传感器，其特征在于：所述的信号采集处理单元包含光电探测器与电路处理部分。

6.根据权利要求1所述的光纤光栅反射滤波结构的单端布里渊光时域分析传感器，其特征在于：所述的光纤光栅反射滤波结构由第三个光纤分路合路器、四端口光环行器和两个相同的光纤光栅组成，传感光纤另一端与光纤光栅反射滤波结构的第三光纤分路合路器合路端连接；第三光纤分路合路器的二个分路端口分别与四端口光环行器的二个端口相连，四端口光环行器的另二个端口分别相连一个光纤光栅。

7.根据权利要求1-6之一所述的光纤光栅反射滤波结构的单端布里渊光时域分析传感器的方法，其特征在于按以下几个步骤进行：

（1）激光器输出的连续光通过第一光纤分路合路器分成两路光，一路光经过泵浦脉冲光调制单元调制成泵浦脉冲光，并通过第二光纤分路合路器与光环行器进入传感光纤；另一路光通过频移探测光调制单元调制成频移探测光，并通过第二光纤分路合路器与光环行器进入传感光纤;

（2）探测光经过传感光纤后，被光纤光栅反射滤波结构反射，重新耦合进传感光纤，并沿传感光纤反向传输；泵浦脉冲光经过传感光纤后，被光纤光栅反射滤波结构滤除;

（3）泵浦脉冲光与经光纤光栅反射滤波结构反射的探测光在传感光纤中形成受激布里渊散射效应，布里渊散射光经过信号采集处理单元进行光电转换及信号的采集、解调，根据布里渊散射光谱与温度、应变的关系，获取传感链路上的温度与应变信息。