CN105444793B - 基于高速脉冲激光器的光纤布拉格光栅传感装置 - Google Patents
基于高速脉冲激光器的光纤布拉格光栅传感装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105444793B CN105444793B CN201510785578.7A CN201510785578A CN105444793B CN 105444793 B CN105444793 B CN 105444793B CN 201510785578 A CN201510785578 A CN 201510785578A CN 105444793 B CN105444793 B CN 105444793B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- optical
- bragg grating
- fiber bragg
- high speed
- pulsed laser
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 title claims abstract description 27
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims abstract description 43
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 25
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 14
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 44
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 2
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 claims description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims description 2
- 230000002463 transducing effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 7
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 7
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 1
- 238000005305 interferometry Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000000253 optical time-domain reflectometry Methods 0.000 description 1
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 230000001953 sensory effect Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
- G01D5/35338—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using other arrangements than interferometer arrangements
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optical Transform (AREA)
Abstract
本发明涉及一种基于高速脉冲激光器的光纤布拉格光栅传感装置，包括高速脉冲激光器、色散模块、光纤布拉格光栅阵列、数据采集模块和数据处理模块。本发明基于高速脉冲激光器，可以提供大带宽、高重复频率的窄脉冲，大幅提高了光纤布拉格光栅传感解调***的解调速率和动态范围。本发明采用了光子时间拉伸的方法，将测量光纤布拉格光栅在频域的波长位移转化为测量时域的时间位移，而时域的信号处理精度更高，因此光纤布拉格光栅传感***的解调精度能被显著提高，同时也降低了对后端数据采集与处理模块的采样率要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤传感领域的方法与装置，具体是一种基于高速脉冲激光器的光纤布拉格光栅传感装置。
背景技术
光纤具有感测和传输双重功能以及质量轻、抗电磁干扰、耐高温、耐腐蚀等优点，光纤布拉格光栅传感器除了具有一般光纤传感器的优点外，还具有复用能力强、可分布式传感的优势。近年来，光纤布拉格光栅传感器受到了极大的关注并得到快速发展，在智能建筑、土木工程、医疗工程或其他极端环境的应变、温度等监测领域得到了广泛应用。光纤布拉格光栅传感多为波长调制，传统的解调方式由于检测方法的不同可大致分为两种，第一种是基于无源检测的，即使用鉴频器来将布拉格波长漂移转化为光强的变化或者光强空间的位移，这一方法可以用边缘滤波器、阵列波导光栅、波分复用器或者基于全息光栅的光谱电荷耦合器件来实现，其优点在于***简单、经济，但是光源的抖动或者环境的干扰可能会被当作传感器的信号被反射回来而导致解调的精度不高，另外，无源检测也难以实现高速的动态传感[A.Fender,E.J.Rigg,R.R.J.Maier,W.N.MacPherson,J.S.Barton,A.J.Moore,J.D.C.Jones,D.Zhao,L.Zhang,I.Bennion,S.McCulloch,and B.J.S.Jones,“Dynamic twoaxis curvature measurement using multicore fiber Bragg gratings interrogatedby arrayed waveguide grating,”Appl.Opt.,vol.45,no.36,pp.9041-9048,Dec.2006]。第二种是有源检测，它是基于光学干涉量度法将布拉格波长的位移转化为接收信号的相位改变，干涉的结构可以是非平衡马赫增德尔干涉仪、法布里珀罗干涉仪、迈克尔逊干涉仪或者长周期光纤光栅，有源检测由于消除了光源的抖动，其测量精度比无源检测要高很多，但是由于有源的方式是基于光学干涉，所以对环境扰动，比如温度变化或微小的震动，很敏感，因此会对***的稳定性带来影响，另外，基于有源检测方法的解调速度被限制在了几千赫兹，动态范围也较小[H.Xia,C.Zhang,H.Mu,and D.Sun,“Edge technique for directdetection of strain and temperature based on optical time domainreflectometry,”Appl.Opt.,vol.48,no.2,pp.189-197,Jan.2009]。
然而，高速的光纤布拉格光栅解调***在很多研究方面都有极大需求，为了获得高速、高精度、大动态范围的光纤布拉格光栅传感解调***，高速脉冲激光器被选作了合适的光源，再使用一段色散介质可以将激光器发出的超短光脉冲从频域映射到时域，其主要的优点在于布拉格波长的位移可以被线性地映射到时域上时间的位移，这样就能实时地被记录并进行处理。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于高速脉冲激光器的光纤布拉格光栅传感装置，采用具有高重复频率和大带宽的窄脉冲激光器作为光源，提高了传感解调速率和动态范围。利用光子时间拉伸的原理，将频域的波长位移映射到时域的时间位移，从而有效地提高了解调精度，并且降低了对后端数据采集模块的采样率要求。
本发明的技术方案如下：
一种基于高速脉冲激光器的光纤布拉格光栅传感装置，其特点在于，包括高速脉冲激光器、分光器、第一色散模块、光定向耦合器、光纤布拉格光栅阵列、第一光电探测器、第二色散模块、第二光电探测器、数据采集模块和数据处理模块；
在所述的脉冲激光器发出的光脉冲方向是所述的分光器，从该分光器输出的第一路光信号经所述的第一色散模块进入所述的光定向耦合器的第一端口，并从光定向耦合器的第二端口输入经所述的光纤布拉格光栅阵列反射后返回进入光定向耦合器的第二端口，从光定向耦合器的第三端口输出，依次经所述的第二色散模块和第二光电探测器后传输入所述的数据采集模块，从所述的分光器输出的第二路光信号经所述的第一光电探测器转换为电信号传输入所述的数据采集模块，该数据采集模块分别与所述的第一光电探测器、第二光电探测器和数据处理模块相连。
所述的高速脉冲激光器用于产生具有宽谱和高重复频率的窄脉冲，可采用但不限于被动锁模光纤激光器、主动锁模光纤激光器锁定至参考信号源、以及多激光器合成等方法实现。
所述的色散模块用于将光信号在时域拉伸，可采用但不限于单模光纤、色散补偿光纤、线性啁啾光纤光栅等能产生色散的方法实现。
所述光电探测器可以采用PIN管或APD管。
所述的分光器为光分路器或光耦合器。
所述的光定向耦合器可以为光环形器也可以为光耦合器。
所述的数据采集模块用于采集时域信号，可采用但不限于数据采集卡或示波器。
所述的数据处理模块用于对采集的数据进行处理，完成时间位移到传感信号的转换，可采用但不限于数字信号处理器或计算机软件。
基于以上技术特点，本发明具有以下优点：
1、本发明基于高速脉冲激光器，有效提升了目前光纤布拉格光栅传感解调***的解调速率和动态范围。
2、本发明运用了光子时间拉伸的原理，将频域的波长位移映射到时域的时间位移，成倍提升了目前光纤布拉格光栅传感解调***的解调精度，并且降低了对后端数据采集与处理模块的采样率要求。
附图说明
图1为本发明的一个实施例图。
图2为本发明运用光子时间拉伸原理的光纤布拉格光栅解调原理图。
图3为本发明基于高速脉冲激光器的光纤布拉格光栅传感装置的以图1中的具体实施方式得到时间拉伸脉冲波形(a)、激光器直接输出的脉冲波形；(b)、经过第一个色散模块后的脉冲波形；(c)、经过第二个色散模块后的脉冲波形。
图4为本发明基于高速脉冲激光器的光纤布拉格光栅传感装置的以图1中的具体实施方式得到的实验结果(a)、不同外界作用下光纤布拉格光栅反射信号的时域波形；(b)、不同外界作用下经光子时间拉伸后的时间位移-波长位移曲线。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明的一个具体实施例。本实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不应限于下述的实施例。
图1为本发明的一个实施例图。其基本构成包括：高速脉冲激光器1、分光器2、第一色散模块3、光定向耦合器4、光纤布拉格光栅阵列5、第一光电探测器6、第二色散模块7、第二光电探测器8、数据采集模块9以及数据处理模块10。
上述各部件的连接关系如下：所述的高速脉冲激光器采用被动锁模光纤激光器1，其产生的超短光脉冲由所述的分光器2进行分光；所述的第一光电探测器6将分光后的一路光信号转换为电信号接入所述的数据采集模块9；另一路光信号经过所述的第一色散模块3后，产生的啁啾光脉冲进入所述的光定向耦合器4；所述的光定向耦合器4的输出进入所述的光纤布拉格光栅阵列5，经过传感后反射回的光脉冲进入所述的光定向耦合器4；其输出经过所述的第二色散模块7，经所述的第二色散模块7进行时域拉伸后的光脉冲信号经过所述的第二光电探测器8转换为电信号接入所述的数据采集模块9；所述的数据处理模块10对所述的数据采集模块9所采集到的数据进行处理。
本具体实施方式的工作原理如图2所示。对于高速脉冲激光器，由于运用了色散和非线性管理，能产生超短脉冲且能实现宽谱，其产生的光脉冲经过第一色散模块后由于群速度色散效应，即不同波长的成分在光纤中传播速度不同，在时域被拉伸为啁啾光脉冲，光纤布拉格光栅能反射波长等于其布拉格波长的光，当外界对其作用时，其布拉格波长会发生改变，因此能用来传感，脉冲经过光纤布拉格光栅反射回来，它所携带的布拉格波长的信息也反射回来，然后经过第二色散模块后在时域被进一步展宽，若两个色散模块的色散量分别为D1和D2，则色散拉伸系数可以表示为
这两个色散模块的加入，完成了光子时间拉伸，这一方案的优势在于：首先，将波长在时域的位移转化为传输时间在时域的位移，而时域的信号处理精度更高，因此本***的解调精度，也即分辨率能被显著提高；其次，时间拉伸将脉冲在时域拉伸，频域带宽得到压缩，因此可以被后端较低模拟带宽和较低采样率的数据采集与处理模块量化处理，从而降低对后端数据采集与处理模块的要求。
本***分辨率的直接影响因素是色散拉伸倍数，即色散拉伸倍数越大，分辨率越高，而色散拉伸系数由以下几个因素共同决定：首先是两个色散模块的色散量，第二个色散模块的色散量越大，色散拉伸系数越大；其次是高速脉冲激光器的重复频率，重复频率越低，则脉冲间隔越大，在相邻脉冲不重叠的前提下，能实现的色散拉伸系数越大。
本***能使用的光纤布拉格光栅个数由高速脉冲激光器的带宽决定，带宽越大，能使用的光纤布拉格光栅个数越多。
本***通过本发明可广泛用于石油工业，地球物理和海洋学科等需要大动态范围、快速且高精度传感解调的领域。
Claims (8)
1.一种基于高速脉冲激光器的光纤布拉格光栅传感装置，其特征在于，包括高速脉冲激光器(1)、分光器(2)、第一色散模块(3)、光定向耦合器(4)、光纤布拉格光栅阵列(5)、第一光电探测器(6)、第二色散模块(7)、第二光电探测器(8)、数据采集模块(9)和数据处理模块(10)；
在所述的脉冲激光器(1)发出的光脉冲方向是所述的分光器(2)，从该分光器(2)输出的第一路光信号经所述的第一色散模块(3)进入所述的光定向耦合器(4)的第一端口，并从光定向耦合器(4)的第二端口输入经所述的光纤布拉格光栅阵列(5)反射后返回进入光定向耦合器(4)的第二端口，从光定向耦合器(4)的第三端口输出，依次经所述的第二色散模块(7)和第二光电探测器(8)后传输入所述的数据采集模块(9)，从所述的分光器(2)输出的第二路光信号经所述的第一光电探测器(6)转换为电信号传输入所述的数据采集模块(9)，该数据采集模块(9)分别与所述的第一光电探测器(6)、第二光电探测器(8)和数据处理模块(10)相连；
设第一色散模块(3)的色散量为D1、第二色散模块(7)的色散量为D2，则色散拉伸系数满足以下公式：
2.根据权利要求1所述的一种基于高速脉冲激光器的光纤布拉格光栅传感装置，其特征在于，所述的高速脉冲激光器用于产生具有高重复频率的窄脉冲，为被动锁模光纤激光器、主动锁模光纤激光器锁定至参考信号源、或多激光器合成。
3.根据权利要求1所述的一种基于高速脉冲激光器的光纤布拉格光栅传感装置，其特征在于，所述的色散模块用于将光信号在时域拉伸，为单模光纤、色散补偿光纤或线性啁啾光纤光栅。
4.根据权利要求1所述的一种基于高速脉冲激光器的光纤布拉格光栅传感装置，其特征在于，所述的第一光电探测器和第二光电探测器采用PIN管或APD管。
5.根据权利要求1所述的一种基于高速脉冲激光器的光纤布拉格光栅传感装置，其特征在于，所述的分光器为光分路器或光耦合器。
6.根据权利要求1所述的一种基于高速脉冲激光器的光纤布拉格光栅传感装置，其特征在于，所述的光定向耦合器(4)为光环形器或光耦合器。
7.根据权利要求1所述的一种基于高速脉冲激光器的光纤布拉格光栅传感装置，其特征在于，所述的数据采集模块用于采集时域信号，为数据采集卡或示波器。
8.根据权利要求1所述的一种基于高速脉冲激光器的光纤布拉格光栅传感装置，其特征在于，所述的数据处理模块用于对采集的数据进行处理，完成时间位移到传感信号的转换，为数字信号处理器或计算机软件。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510785578.7A CN105444793B (zh) | 2015-11-16 | 2015-11-16 | 基于高速脉冲激光器的光纤布拉格光栅传感装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510785578.7A CN105444793B (zh) | 2015-11-16 | 2015-11-16 | 基于高速脉冲激光器的光纤布拉格光栅传感装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105444793A CN105444793A (zh) | 2016-03-30 |
| CN105444793B true CN105444793B (zh) | 2018-09-14 |
Family
ID=55555260
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201510785578.7A Active CN105444793B (zh) | 2015-11-16 | 2015-11-16 | 基于高速脉冲激光器的光纤布拉格光栅传感装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105444793B (zh) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106017533B (zh) * | 2016-06-23 | 2018-02-16 | 山东省科学院激光研究所 | 一种快速调谐实时校准光纤光栅解调装置及工作方法 |
| CN106840221B (zh) * | 2017-01-06 | 2019-03-26 | 武汉理工大学 | 基于色散马赫曾德尔干涉的光纤光栅解调装置及方法 |
| CN107276681B (zh) * | 2017-05-09 | 2019-05-10 | 中国科学院半导体研究所 | 对微波信号进行非线性时域拉伸的非相干光信号处理*** |
| CN109884704A (zh) * | 2019-01-18 | 2019-06-14 | 潜能恒信能源技术股份有限公司 | 一种消除光纤检波器***噪声的装置和方法 |
| CN114459514B (zh) * | 2021-12-20 | 2024-01-30 | 哈尔滨理工大学 | 啁啾频率编码的高速光纤光栅传感***及方法 |
| CN114660790B (zh) * | 2022-04-06 | 2023-03-17 | 中山大学 | 一种光脉冲时间拉伸装置、方法及光谱测量*** |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1330119C (zh) * | 2001-11-11 | 2007-08-01 | 华为技术有限公司 | 一种用于高速传输***的光信号调节方法及光传输*** |
| CN102359763A (zh) * | 2011-08-09 | 2012-02-22 | 中国计量学院 | 脉冲编码光纤激光器全分布式光纤拉曼与瑞利光子传感器 |
| CN102645761B (zh) * | 2012-04-26 | 2014-05-14 | 上海交通大学 | 高速光电实时示波*** |
| CN103018997A (zh) * | 2012-12-18 | 2013-04-03 | 上海交通大学 | 基于自相位调制效应的连续信号光模数转换*** |
| CN103808342B (zh) * | 2014-03-05 | 2016-09-14 | 武汉理工大学 | 大容量弱光栅传感网络高速解调方法和装置 |
| CN203839695U (zh) * | 2014-03-24 | 2014-09-17 | 杭州电子科技大学 | 一种基于偏振控制器的2微米主动锁模光纤激光器 |
| CN104706322B (zh) * | 2015-03-12 | 2017-03-01 | 清华大学 | 一种基于光计算的扫频光学相干成像*** |
-
2015
- 2015-11-16 CN CN201510785578.7A patent/CN105444793B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105444793A (zh) | 2016-03-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105444793B (zh) | 基于高速脉冲激光器的光纤布拉格光栅传感装置 | |
| CN105606193A (zh) | 基于双可调谐光源的光纤法珀声振动传感装置及解调方法 | |
| CN105136177B (zh) | 一种亚毫米空间分辨率的分布式光纤传感装置及方法 | |
| CN102384799B (zh) | 基于布里渊分布式光纤传感***相干检测方案的扫频及数据处理方法 | |
| CN107860405B (zh) | 一种基于游标效应的光谱解调方法及其解调装置 | |
| CN101650509B (zh) | 基于级联长周期光纤光栅的Bragg光栅高速解调*** | |
| CN101298992A (zh) | 基于光纤腔衰荡技术的分布式光纤传感器 | |
| CN105466349B (zh) | 一种光频域反射中用薄包层光纤提高应变测量灵敏度方法 | |
| CN106802160B (zh) | 一种基于叉形干涉图样的光纤光栅传感解调***及解调方法 | |
| CN1955640A (zh) | 一种光纤光栅传感器及其波长解调方法及传感器 | |
| CN101634571A (zh) | 光纤脉栅分布传感装置 | |
| US20180143067A1 (en) | Fiber optic acoustic wave detection system | |
| CN101319919B (zh) | 一种频域光纤光栅传感网络解调的方法和设备 | |
| CN103697922A (zh) | 一种光纤f-p腔传感器的高速解调*** | |
| CN111780856B (zh) | 基于瑞利散射谱的相位谱分析的光纤分布式振动测量方法 | |
| CN105180977A (zh) | 一种单光纤迈克尔逊干涉传感器及传感*** | |
| CN115790814A (zh) | 光纤振动检测***及其方法 | |
| CN103438915A (zh) | 一种基于频移干涉的f-p传感器复用方法及*** | |
| CN104048617B (zh) | 对偏振态变化不敏感的高精度光纤光栅传感解调方法 | |
| CN203929276U (zh) | 一种基于共振技术的光信号检测处理*** | |
| CN101458100A (zh) | Fbg传感器的解调***及其解调方法 | |
| CN207036297U (zh) | 一种光纤光栅测温*** | |
| CN110375779A (zh) | 提高ofdr频域采样率的装置和方法 | |
| CN106197303B (zh) | 一种光频域反射中利用阿基米德螺旋线的光纤铺设方法 | |
| CN101509789A (zh) | 无导向光纤法布里-珀罗干涉传感器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |