CN103575309B - 单光栅光纤多纵模激光直腔传感器频分复用装置 - Google Patents

Abstract

单光栅光纤多纵模激光直腔传感器频分复用装置，涉及光纤传感测量技术领域，本发明为了解决现有激光传感器相位匹配噪声干扰，多位置测量精度低、成本高的问题，本发明包括泵浦光源、光纤隔离器、波分复用器、光电探测器、检测单元、M个光纤耦合器和M个单光栅光纤多纵模激光直腔传感器，单光栅光纤多纵模激光直腔传感器包括光纤光栅、掺铒光纤和反射镜，光纤光栅、掺铒光纤和反射镜依次串接在光路中，波分复用器的传感信号的输出端与光电探测器的传感信号的输入端连通,光电探测器的检测信号的输出端与检测单元的检测信号的输入端连通。本发明适用于分布式测量。

Description

单光栅光纤多纵模激光直腔传感器频分复用装置

技术领域

本发明属于光纤传感测量技术领域，它涉及动态物理量监测、多位置实时监测的分布式传感领域。

背景技术

普通的光纤光栅虽然用途广泛，但是由于普通光栅的带宽比较宽，传感器的灵敏度很难达到高精度的要求。一些地质勘探、地震预报、水声测量和安全监测等具有重要价值的领域很难得到应用，尤其是在需要高精度检测的国防领域中。另外由于普通光纤光栅传感器的光源基本上使用宽带光源，光纤光栅的反射功率低，在传输中还存在瑞利散射引起的光噪声和传输损耗，使得该类型的无源光纤光栅传感器最大监测距离小于25km。限制了分布传感器在长距离监测应用。为解决这一问题，人们提出了光纤光栅激光传感技术，它利用将光纤光栅作为分布反馈激光器腔镜，将其写在有源稀有金属掺杂光纤上，通过泵浦激光产生单频、窄线宽、高功率、低噪声的激光型光纤传感器，实现激光的输出与传感一体化的传感方式。解决现有无源光纤光栅传感器测量精度和噪声低的问题。

目前在光纤激光传感器应用方面，很少有提高其复用数目，增加对泵浦光源利用率的研究，这使得光纤激光传感器虽然在强电磁、水下、高温高压、强腐蚀等场合拥有优势，但是限于其技术性价比不足问题，难以实现商业化应用。因此急需提出一套低成本的解调方案，实现光纤激光传感器的广泛应用。多纵模激光传感器由于其拥有有源光纤激光传感器的优势，并且具有制作简单，运行条件易于实现的技术优势，在传感监测中精度高和性能稳定，这些优势使其成为广泛关注和研究对象。利用多纵模光纤激光传感器的优良性能，结合动态拍频解调技术可实现低成本、结构简单、具有动态解调能力的高性能传感器。

期刊opticscommunication在2013年刊登了“Simultaneousmeasurementofstrainandtemperaturewithamulti-longitudinalmodeerbium-dopedfiberlaser”提出利用多纵模掺铒光纤激光传感器进行应力和温度的同时测量。利用多纵模光纤激光传感器对温度和腔长变化的交叉敏感，实现对温度和应变同时测量。公开号为CN102003970的中国专利“光纤激光器动态信号解调方法”提出电子拍频解调方式实现模式间产生拍频信号的解调，实现传感信号的动态解调能力。公开号为CN102636203的中国专利“一种基于双波长拍频技术的光纤光栅传感解调装置”提出一种基于双波长拍频技术的光纤传感解调装置，利用光栅制作的法布里-珀罗腔，结合可调谐带通滤波器，实现单纵模或多纵模环腔激光传感器的解调，克服现有基于拍频技术的传感器的需要在单纵模的条件解调的限制。公开号为CN102706375的中国专利“光纤-无线混合式传感监测***”提出结合环形腔多纵模光纤激光传感器和无线传感技术的混合式传感单点检测***。

传统光纤激光传感器由于利用两个参数一致的光栅作为光纤激光器腔镜，其中存在相位匹配噪声干扰，影响传感器测量精度，为了进一步的提高传感器的性能，提出改进型多纵模激光直腔传感器。改进型多纵模激光直腔传感器是由光纤光栅、掺铒光纤和反射腔镜连接构成，这种传感器拥有更低泵浦阈值，结构更加精简，更高的信噪比，可以实现高频的频率输出，有利于与电子类传感器相结合。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有多参数测量中需要多个多纵模激光传感器，而每一个多纵模激光传感器对应需要一个光源及解调光路所产生的成本高和资源浪费的问题，提供一种单光栅光纤多纵模激光直腔传感器频分复用装置。

单光栅光纤多纵模激光直腔传感器频分复用装置，它包括泵浦光源、光纤隔离器、波分复用器、光电探测器、检测单元、M个光纤耦合器和M个单光栅光纤多纵模激光直腔传感器，M为大于1的整数，泵浦光源、光纤隔离器、波分复用器依次串接在光路中，波分复用器泵浦光输出端依次串接M个光纤耦合器，一个光纤耦合器的输出端对应与一个单光栅光纤多纵模激光直腔传感器连通，单光栅光纤多纵模激光直腔传感器包括光纤光栅、掺铒光纤和反射镜，光纤光栅、掺铒光纤和反射镜依次串接在光路中，波分复用器的传感信号的输出端与光电探测器的传感信号的输入端连通,光电探测器的检测信号的输出端与检测单元的检测信号的输入端连通。

通过调整单光栅光纤多纵模激光直腔传感器的谐振腔长，包括设定普通光纤和掺铒光纤的长度，实现M个单光栅光纤多纵模激光直腔传感器的拍频频率间隔差异，通过不同拍频频率实现对M个单光栅光纤多纵模激光直腔传感器区别和定位，实现传感探测快速定位与分析能力。单光栅光纤多纵模激光直腔传感器的腔镜由于采用光栅和反射镜，降低多纵模激光直腔传感器腔内损耗，降低多纵模激光直腔传感器的阈值，优化光源强度利用率，实现更高转化效率，可激发更高拍频频率，大大提高其技术优势。同时传感器由于简化选模机制，利用多纵模进行传感探测，可以实现全电子拍频解调技术，利用现有电子类频谱分析的低支付方案，实现快速可靠的传感器信息分析。

本发明利用拍频间隔不同的多个单光栅光纤多纵模激光直腔传感器的频谱之间不会产生串扰，可以在同一个光纤中传输，同时利用电子拍频解调方式实现将来自于多个单光栅光纤多纵模激光直腔传感器的拍频信息解调，实现对所有传感器的同时解调，提高解调速度，实现频分复用能力。

本发明通过一个光源及解调光路实现了同时获取M个光纤多纵模激光传感器传感信号的输出，实现了M个传感探头复用。解决了现有单个光纤多纵模激光传感器的无法同时获知多个位置物理量，而多个光纤多纵模激光传感器需要多个光源及解调光路的问题。降低了传感器阵列的应用成本，使传感技术的应用更加经济实用。本发明使用的拍频监测方案，是对传感器的频率信号进行直接监测，本质上频率信息和波长信息一样，不受强度干扰的影响，因此它具有很强的抗干扰能力。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，图2为具体实施方式一中单光栅光纤多纵模激光直腔传感器的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述单光栅光纤多纵模激光直腔传感器频分复用装置，它包括泵浦光源1、光纤隔离器2、波分复用器3、光电探测器4、检测单元7、M个光纤耦合器5和M个单光栅光纤多纵模激光直腔传感器6，M为大于1的整数，泵浦光源1、光纤隔离器2、波分复用器3依次串接在光路中，波分复用器3泵浦光输出端依次串接M个光纤耦合器5，一个光纤耦合器5的输出端对应与一个单光栅光纤多纵模激光直腔传感器6连通，单光栅光纤多纵模激光直腔传感器6包括光纤光栅6-1、掺铒光纤6-2和反射镜6-3，光纤光栅6-2、掺铒光纤6-1和反射镜6-3依次串接在光路中，波分复用器3的传感信号的输出端与光电探测器4的传感信号的输入端连通,光电探测器4的检测信号的输出端与检测单元7的检测信号的输入端连通。

由于光纤光栅6-1存在带宽范围内可以有多个模式输出，光纤耦合器5可以将M个单光栅光纤多纵模激光直腔传感器6的多纵模信息全部收集，传感信息由光纤耦合器5返回，并通过波分复用器3到达高频光电探测器(PD)4，实现将光拍频信号转换为电子拍频信号，这些拍频信号由检测单元7实现监测。这M个单光栅光纤多纵模激光直腔传感器6的由于腔长不同，以此作为拍频信号区别的标示，实现对多纵模传感器的寻址功能，每一个信号代表一个光纤激光传感器，频率最小的对应腔长最长的多纵模传感器。通过监测单光栅光纤多纵模激光直腔传感器6产生的拍频频率变化，分析获得外界物理量状态。

选择单光栅光纤多纵模激光直腔传感器6产生的拍频频率ν_N作为传感信号，当应变施加到多纵模激光传感器上时，应变引起腔长变化将导致激光多纵模的模式间隔的变化，最后表现为拍频传感信号频率的变化，其表达如下：

${\mathrm{dv}}_N=-\frac{\mathrm{Nc}}{2\mathrm{nL}}\frac{\mathrm{dn}}{n}-\frac{\mathrm{Nc}}{2\mathrm{nL}}\frac{\mathrm{dL}}{L}=-v_N(\frac{\mathrm{dn}}{n}+\frac{\mathrm{dL}}{L})=-v_N[(1-P_e)\mathrm{\ϵ}+(\mathrm{\α}+\mathrm{\ξ})\mathrm{\ΔT}]---\left(1\right)$

P_e为光纤有效弹光系数，ε光纤的纵向应变。α为光纤的热膨胀系数，ξ为光纤的热光系数。ε和ΔT分别是施加在光纤上的应变和温度信息。L为谐振腔有效长度，n为光纤谐振腔有效折射率，c为光在真空中的传播速度，N为正整数。通过拍频信号的变化我们能够监测温度或应变的变化。

单光栅光纤多纵模激光直腔传感器6由于腔长不同而产生拍频间隔不同，传感器布放在任意探测位置，可探测信号包括应力、温度、压力等物理量信息，探测物理量改变造成光纤谐振腔有效腔长改变，继而导致其产生的多纵模激光干涉形成的拍频间隔发生改变，即待测信息转换为拍频间隔改变，单光栅光纤多纵模激光直腔传感器6自身产生的多纵模激光是相干的，不因为复用而产生传感器间交叉干扰，复用传感器信号可耦合到同一光纤通道，不同传感器所产生的频率信息变化可利用光电探测器4直接捕获，经过光电转换之后，实现将多纵模拍频信号转换为电子拍频信号，拍频信号间隔不受电子转换过程影响，解决解调过程中产生干扰造成传感信息解调失真问题，电子拍频信号由检测单元7进行分析，实现拍频信号动态监测，通过对拍频频率改变量计算获得传感信息。

本发明采用半导体激光器作为泵浦光源1，泵浦波长为980nm或1480nm，泵浦光通过具有抑制背向光作用的光纤隔离器到波分复用器3的980nm端(1480nm端)进入M个光纤耦合器5，一个光纤耦合器5的输出端对应与一个单光栅光纤多纵模激光直腔传感器6连通，每个单光栅光纤多纵模激光直腔传感器6都是由一个光纤光栅6-1、一段掺铒光纤6-2和一个反射镜6-3组成，反射镜6-3是采用法拉第旋光镜，泵浦光源1(980nm/1480nm)提供光功率达到多纵模传感器阈值时，传感器将输出1550nm波段激光，激光携带传感器的传感信息，以此实现信息传感和传递目的，调节传感器谐振腔长度，实现设定M个传感器拍频信号频率间隔目的，利用拍频频率间隔差异表征不同传感器的测量信息，实现多路传感器复用。将波分复用器的1550端连接于探测器光学端口，探测器为高频光电探测器，探测器将M个传感器的光拍频信号转换为电子信号，通过频率检测，实时得知任意传感器拍频频率变化，实现传感测量目的。

本发明通过一套光源及解调光路实现了同时获取M个单光栅光纤多纵模激光直腔传感器传感信号，实现了M个传感探头复用。解决了现有单个光纤多纵模激光传感器无法同时获知多个位置物理量，以及多个光纤多纵模激光传感器需要多套相应光源及解调光路的问题。降低了传感器阵列的使用成本，使光纤传感技术的更加经济实用。

本发明使用的拍频监测方案，是对传感器的频率信号进行直接监测，本质上频率信息和波长信息一样，不受强度干扰的影响，因此它具有很强的抗干扰能力。本发明避免了复杂的光学解调方式，基于拍频的全电子信号探测、解调可以在一个电路板上完成，减少了信号解调过程中的多种干扰，而且大大提高了***的集成度，减小了***的体积，降低了干扰噪声，同时也降低了***的成本。

该单光栅光纤多纵模激光直腔传感器6不限于如图所示的形状，腔内光纤可根据实际需要调整，可以缠绕在待测物体表面，腔外光纤可以依据不同布放位置设计连接长度，腔外光纤长度变化不影响传感器精度，便于应用在对传感器体积、位置要求苛刻的特殊环境下使用。这种单光栅光纤多纵模激光直腔传感器频分复用装置可以应用在复杂电磁环境下，实现对振动、应力、温度等物理信息监测，特别适用于需要大面积监测，精度要求高的等传统传感器难以实现的监控领域，并且在航空航天的智能蒙皮领域有巨大优势。本发明旨在提出一种实时多路同时监测的传感器阵列，实现光网络化管理。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述单光栅光纤多纵模激光直腔传感器频分复用装置的进一步限定，反射镜6-3采用法拉第旋光镜。

光电探测器4采用高频光电探测器，满足探测监测频率要求。

本发明通过控制传感器谐振腔的长度，设置M个传感器的拍频信号频率间隔，让不同的拍频信号频率间隔表征不同位置的传感器的信息。监测设备可实时获得不同地点的信息，也可以获得同一地点的不同物理量的信息。

本发明具体实例如下，应用场景包括但不限于以下实例：

一、本发明的单光栅光纤多纵模激光直腔传感器形状多变，将光纤谐振腔绕在两个柱子之间形成一个位移传感器，通过改变两柱间的光纤串绕制圈数，可以改变位移传感器的杨氏模量。通过调整传感器杨氏模量使其接近于被检测物体的杨氏模量，可以更加真实地反应被测物理量的真实情况。将被绕制在两个柱子上的M个单光栅光纤多纵模激光直腔传感器分别固定于物体不同位置，通过对M个单光栅光纤多纵模激光直腔传感器的传感信号进行综合处理，获得待测物体发生结构形变时各位置的详细变化情况，此结构可以用于工业生产中结构强度测量。

二、将传感器应用于高速列车安全监测：M个传感器可以实现对高速列车所有探测位置覆盖，采集振动信号所引起的传感器拍频变化，根据拍频信息监测列车是否处于安全运营状态，实现列车在线实时监测目的。

由于所述传感器的探头制作简单，只需设定传感器谐振腔长，利用光纤熔接机即可实现传感器器件间连接，工艺简便易于工业生产；同时传感器探头运行条件易于实现，无需单模运行，提高其行业竞争力。

Claims (2)

1.单光栅光纤多纵模激光直腔传感器频分复用装置，其特征在于，它包括泵浦光源(1)、光纤隔离器(2)、波分复用器(3)、光电探测器(4)、检测单元(7)、M个光纤耦合器(5)和M个单光栅光纤多纵模激光直腔传感器(6)，M为大于1的整数，单光栅光纤多纵模激光直腔传感器6腔长不同；泵浦光源(1)、光纤隔离器(2)、波分复用器(3)依次串接在光路中，波分复用器(3)泵浦光输出端依次串接M个光纤耦合器(5)，一个光纤耦合器(5)的输出端对应与一个单光栅光纤多纵模激光直腔传感器(6)连通，单光栅光纤多纵模激光直腔传感器(6)包括光纤光栅(6-1)、掺铒光纤(6-2)和反射镜(6-3)，光纤光栅(6-2)、掺铒光纤(6-1)和反射镜(6-3)依次串接在光路中，波分复用器(3)的传感信号的输出端与光电探测器(4)的传感信号的输入端连通,光电探测器(4)的检测信号的输出端与检测单元(7)的检测信号的输入端连通。

2.根据权利要求1所述单光栅光纤多纵模激光直腔传感器频分复用装置，其特征在于，反射镜(6-3)采用法拉第旋光镜。