CN113639774B - 一种基于双波长双脉冲光源的准分布式传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双波长双脉冲光源的准分布式传感装置，属于光纤光栅信号解调领域，具体涉及一种基于双波长双脉冲光源的准分布式传感装置，包括双波长双脉冲光源、准分布式传感单元和信号探测与解调单元；所述的双波长双脉冲光源输出的具有相同强度波动的双波长脉冲光输入到准分布式传感单元，准分布式传感单元和信号探测与解调连接。本发明避免了传统方法中光源强度波动和波长切换过程的影响，降低了对光源稳定性的要求，同时具有分布式传感器空间定位准确和波长分辨率高的特点，而且便于实施时分复用/波分复用传感***。
Description
技术领域
本发明属于光纤光栅信号解调领域，涉及一种基于双波长双脉冲光源的准分布式传感装置。
背景技术
光纤光栅传感技术光纤光栅传感器是应用最广泛的光纤波长调制传感器之一，具有抗电磁干扰能力、电绝缘性能好、耐腐蚀、灵敏度高、传输容量大等优点，在结构安全测量中有着广泛的应用。传统的光纤光栅传感***是通过扫描波长的方式获取光纤光栅的最大反射率处的波长，需要使用额外的光学器件，如可调谐滤波器和可调谐激光器，同时要求每个传感光纤光栅的光谱不重叠，需要更大光谱范围的可调谐滤波器或可调谐激光器，但是价格昂贵且不宜便携。目前，利用双波长脉冲的光纤光栅解调方法已经被实现，这种方法可以串联更多的相同中心波长的光纤光栅传感器。但是，该方法仍然使用一个可调谐激光器作为光源对光纤光栅的中心波长进行解调，激光器的强度波动和波长切换过程会引入额外的测量误差，降低了光纤光栅的中心波长解调精度，并且难以同时实现时分复用和波分复用光纤光栅传感***。
发明内容
本发明的目的在于：提供了一种基于双波长双脉冲光源的准分布式传感装置，用于同时实现高空间分辨率和高波长分辨率的光纤光栅解调。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于双波长双脉冲光源的准分布式传感装置，包括双波长双脉冲光源，双波长双脉冲光源输出的具有相同强度波动的双波长脉冲光输入到准分布式传感单元，准分布式传感单元对不同空间位置处的环境物理量变化转化为光纤光栅的反射光强变化并输出信号；准分布式传感单元的输出信号通过信号探测与解调单元进行探测与解调，从而获得环境物理量的变化。
进一步地，所述双波长双脉冲光源包括激光器、可调衰减器、起偏器、偏振控制器、偏振分束器、电光相位调制器、1*2耦合器；
所述的激光器的输出光为皮秒脉冲光，且输出光的中心波长位于光纤光栅传感器阵列的反射谱内；所述激光器采用内调制或外调制的分布式反馈激光器、光纤激光器或锁模激光器。
所述起偏器、偏振控制器和偏振分束器用于从一束脉冲光中分出两束具有相同强度波动的双脉冲光；
所述电光相位调制器用于调制入射光波长，电光相位调制器由一个外部电路控制，并与激光器的输出脉冲光同步。
进一步地，所述激光器输出的皮秒脉冲光经偏振分束器分成两束脉冲光，其中一束脉冲经长度为L的延迟光纤后产生时延ΔT为公式一：
n为光纤折射率，c为光在真空中的折射率。另一束脉冲光经电光相位调制器后，将产生相位变化
为公式二：
其中，v0入射光的中心频率，γ为斜坡信号的斜率，Vπ为调制器的半波电压，
为初始相位，t为入射光的传播时间，通过对公式二取微分，得到脉冲光的频率变化Δv为公式三：
进一步，波长为λ的脉冲光的中心波长变化量Δλ为公式四：
进一步，经延迟光纤与电光相位调制器输出光信号通过光耦合器合束后，形成波长差Δλ与时间差ΔT的双波长双脉冲光。
进一步地，所述准分布式传感单元包括三端口环形器和光纤光栅传感器阵列，三端口环形器的第一个端口与1*2耦合器的输出端相连。
所述光纤光栅传感器阵列为单个高斯型光纤光栅、或由多个中心波长相同的高斯型光纤光栅构成的串联结构、或由多个中心波长相同的高斯型光纤光栅构成的并联结构、或由多个中心波长相同的高斯型光纤光栅构成的串并联结构。
所述信号探测与解调单元包括单光子探测器、时间数字转换器和信息处理器。单光子探测器与三端口环形器的第三个端口相连。
所述单光子探测器由雪崩二极管或超导波导器件构成，所述时间数字转换器采用单片机和/或可编程逻辑器件和/或数字信号处理芯片和/或嵌入式芯片和/或延时取与器件构成，所述的信息处理器由单片机和/或可编程逻辑器件和/或数字信号处理芯片和/或嵌入式芯片一种或多种器件实现。
所述信号探测与解调单元，探测到从准分布式传感单元反射回的双波长双脉冲光子计数分别为N1和N2，通过公式五和公式六表示：
其中，λ1和λ2分别为双脉冲光的波长，P1和P2为双波长脉冲的输入峰值功率，λB为光纤光栅传感器的反射中心波长，ωB为光纤光栅传感器的3dB宽带，k为***常数，大小为
其中，η为单光子探测器的探测效率，Δtgate为单光子探测器的时间门宽度，t1为测量时间，fpulse为激光器重复频率，ε为光纤的衰减系数，L为环形器到光纤光栅传感器的距离，Rmax为光纤光栅传感器的最大反射率，n为光纤折射率，h为普朗克常量，c为光在真空中的传播速度。
进一步，由公式五、公式六可得传感信号M，M由公式七表示：
其中
s为灵敏度，λB为传感单元的中心反射波长，P1和P2为双波长脉冲的输入峰值功率，光纤光栅的反射中心波长λB在外部作用下解调出的漂移量ΔλB与传感信号的改变量ΔM呈线性关系。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.相比传统探测方式，采用了使用基于电光调制器的移频装置产生双波长脉冲光，利用电光相位调制器的相位和频率关系，实现了对输入脉冲光的频率调制，由于这种方法能够输出具有相同强度波动的双脉冲光，降低了光源波动和波长切换过程带来的误差，使得本方案具有较高的解调精度和稳定性；
2.该方案由于采用外调制方式产生双波长光，降低了***对可调谐激光器波长间隔的要求，便于实施时分/波分混合复用传感***。
3.该方案采用单光子计数器作为探测器，与传统光电探测器相比，该方式能够对单光子实现高空间分辨率和高信噪比探测；高空间分辨率意味着能够探测更小空间间隔的光纤光栅传感阵列。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：
图1是本发明的***示意图；
图中标记：1-激光器，2-可调衰减器，3-起偏器，4-偏振控制器，5-偏振分束器，6-电光相位调制器，7-1*2耦合器，8-三端口环形器，9-光纤光栅传感器阵列，10-单光子探测器，11-时间数字转换器，12-信息处理器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
下面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例一
如图1所示，本发明的一种基于双波长双脉冲光源的准分布式传感装置，包括双波长双脉冲光源、准分布式传感单元和信号探测与解调单元。所述的双波长双脉冲光源输出的具有相同强度波动的双波长脉冲光输入到准分布式传感单元，准分布式光学传感单元和信号探测与解调连接。
双波长双脉冲光源用于产生中心波长在设定范围内的双波长脉冲光子；
所述双波长双脉冲光源中，激光器输出的皮秒脉冲光经偏振分束器分成两束脉冲光，其中一束脉冲经长度为L的延迟光纤后产生时延ΔT为公式一：
n为光纤折射率，c为光在真空中的折射率。另一束脉冲光经电光相位调制器后，将产生相位变化
为公式二：
其中v0入射光的中心频率，γ为斜坡信号的斜率，Vπ为调制器的半波电压，
为初始相位，t为入射光的传播时间。通过对公式二取微分，得到脉冲光的频率变化Δv为公式三：
进一步，脉冲光的中心波长变化量Δλ为公式四：
进一步，经延迟光纤与电光相位调制器输出光信号通过光耦合器合束后，形成波长差Δλ与时间差Δt的双波长双脉冲光。
所述准分布式传感单元，其特征在于对不同空间位置处的环境物理量变化转化为光纤光栅的反射光强变化；
所述信号探测与解调单元，其特征在于对准分布式传感单元的输出信号进行探测与解调，从而获得环境物理量的变化。
所述信号探测与解调单元，其特征在于探测到从传感单元反射回的双波长双脉冲光子计数分别为N1和N2，通过公式五和公式六表示
其中，λ1和λ2分别为双脉冲光的波长，P1和P2为双波长脉冲的输入峰值功率，λB为光纤光栅传感器的反射中心波长，ωB为光纤光栅传感器的3dB宽带，k为***常数，大小为
其中，η为单光子探测器的探测效率，Δtgate为单光子探测器的时间门宽度，t1为测量时间，fpulse为激光器重复频率，ε为光纤的衰减系数，L为环形器到光纤光栅传感器的距离，Rmax为光纤光栅传感器的最大反射率，n为光纤折射率，h为普朗克常量，c为光在真空中的传播速度。
进一步，由公式五、公式六可得传感信号M，M由公式七表示：
其中
s为灵敏度，λB为传感单元的中心反射波长，M为传感信号，光纤光栅的反射中心波长λB在外部作用下解调出的漂移量ΔλB与测量信号的改变量ΔM呈线性关系。
进一步，由于双波长双脉冲光由同一光脉冲产生，因此具有相同强度波动，公式七中最后一项可即为一恒定常数，从而降低了光源波动带来的误差，提高了***稳定性。
进一步地，所述的双波长双脉冲光源包括激光器1、可调衰减器2、起偏器3、偏振控制器4、偏振分束器5、电光相位调制器6、1*2耦合器7。
所述的激光器1输出光为皮秒脉冲光，且输出光的中心波长位于光纤光栅传感器阵列9的反射谱内，包括采用内调制或外调制的分布式反馈激光器、光纤激光器，锁模激光器等。
所述起偏器3、偏振控制器4和偏振分束器5用于从一束脉冲光中分为两束具有相同强度波动的双脉冲光；
所述电光相位调制器6用于调制入射光波长，电光相位调制器6由一个外部电路控制，并于与激光器1的输出脉冲光同步。
进一步地，所述的准分布式传感单元包括三端口光学环形器8和光纤光栅传感器阵列9，三端口光学环形器8的第一个端口与1*2耦合器7的输出端相连。所述光纤光栅传感器阵列9为单个高斯型光纤光栅或由多个中心波长相同的高斯型光纤光栅构成的串联结构或由多个中心波长相同的高斯型光纤光栅构成的并联结构或由多个中心波长相同的高斯型光纤光栅构成的串并联结构。
进一步地，所述的信号探测与解调单元包括单光子探测器10、时间数字转换器11和信息处理器12。单光子探测器10与三端口光学环形器8的第三个端口相连。所述单光子探测器10由雪崩二极管或超导波导器件构成，所述时间数字转换器11采用单片机和/或可编程逻辑器件和/或数字信号处理芯片和/或嵌入式芯片和/或延时取与器件构成，所述的信息处理器12由单片机和/或可编程逻辑器件和/或数字信号处理芯片和/或嵌入式芯片一种或多种器件实现。
基于以上***，一种基于双波长双脉冲光源的准分布式传感装置，包括如下步骤：
步骤一：所述激光器1的输出激光为皮秒脉冲光，脉冲光经过衰减器2衰减后依次入射起偏器3和偏振控制器4和偏振分束器5，将一束脉冲光中分为两束具有相同强度波动的双脉冲光，其中一束脉冲经长度为L的延迟光纤后产生时延ΔT为：
n为光纤折射率，c为光在真空中的折射率。另一束脉冲光经电光相位调制器后，将产生相位变化
公式二：
其中v0入射光的中心频率，γ为斜坡信号的斜率，Vπ为调制器的半波电压，
为初始相位，t为入射光的传播时间。通过对公式二取微分，得到脉冲光的频率变化Δv为公式三：
进一步，脉冲光的中心波长变化量Δλ为公式四：
进一步，经延迟光纤与电光相位调制器输出光信号通过光耦合器合束后，形成波长差Δλ与时间差Δt的双波长双脉冲光。
双波长脉冲从环形器8的第一个端口进入光纤光栅传感器阵列9，光纤光栅传感器阵列9与环形器8的第二个端口相连，双波长脉冲经光纤光栅传感器阵列9反射后经过环形器8的第三端口进入单光子探测器10；
步骤二：时间数字转换器11测量出到达单光子探测器10的单光子计数值；到达单光子探测器10的单光子计数值分别为N1和N2，通过公式五和公式六表示：
其中，λ1和λ2分别为双脉冲光的波长，P1和P2为双波长脉冲的输入峰值功率，λB为光纤光栅传感器的反射中心波长，ωB为光纤光栅传感器的3dB宽带，k为***常数，大小为
其中，η为单光子探测器的探测效率，Δtgate为单光子探测器的时间门宽度，t1为测量时间，fpulse为激光器重复频率，ε为光纤的衰减系数，L为环形器到光纤光栅传感器的距离，Rmax为光纤光栅传感器的最大反射率，n为光纤折射率，h为普朗克常量，c为光在真空中的传播速度。
步骤三：信息处理器12根据时间数字转换器11测量的单光子计数值得出测量信号，根据测量信号可得出两个反射的脉冲光到达单光子探测器10的测量信号改变量；信息处理器12根据时间数字转换器11测量的光子计数值得出测量信号前，先采用对数的方式将单光子计数值转换为线性表示，转换公式七如下：
其中，
M为传感信号，光纤光栅的反射中心波长λB在外部作用下解调出的漂移量ΔλB与测量信号的改变量ΔM呈线性关系，s为灵敏度，可写为公式八，
Δλ为电光相位调制器6调制的波长差。λB与M变化呈线性关系，因此，光纤光栅传感器阵列9的反射中心波长λB可根据解调信号M的变化而线性解调。由于双波长双脉冲光源能够输出具有相同强度波动的双脉冲光，公式七的最后一项可被化简为一个恒定常数，从而降低了光源波动带来的误差，并提高了***测量精度。
步骤四：根据测量信号改变量解调出光纤光栅传感器阵列9的反射中心波长的漂移量，根据解调出的光纤光栅传感器阵列9的反射中心波长的漂移量进而精确测量到光纤光栅传感器阵列9物理量。
通过上述步骤一～步骤四，得益于移频装置不需要直接对光源进行调制的特点，避免了波长切换过程和光源的强度波动的影响，使得该方法具有较高的解调精度，并且降低了对光源稳定性的要求，同时降低了时分复用/波分复用传感***的实施难度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明的保护范围，任何熟悉本领域的技术人员在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于双波长双脉冲光源的准分布式传感装置，其特征在于：包括双波长双脉冲光源，双波长双脉冲光源输出的具有相同强度波动的双波长脉冲光输入到准分布式传感单元，准分布式传感单元对不同空间位置处的环境物理量变化转化为光纤光栅的反射光强变化并输出信号；准分布式传感单元的输出信号通过信号探测与解调单元进行探测与解调，从而获得环境物理量的变化；
所述双波长双脉冲光源包括激光器(1)、可调衰减器(2)、起偏器(3)、偏振控制器(4)、偏振分束器(5)、电光相位调制器(6)、1*2耦合器(7)；
所述的激光器(1)的输出光为皮秒脉冲光，且输出光的中心波长位于光纤光栅传感器阵列(9)的反射谱内；
所述起偏器(3)、偏振控制器(4)和偏振分束器(5)用于从一束脉冲光中分出两束具有相同强度波动的双脉冲光；
所述电光相位调制器(6)用于调制入射光波长，电光相位调制器(6)由一个外部电路控制，并与激光器(1)的输出脉冲光同步；
所述激光器(1)采用内调制或外调制的分布式反馈激光器、光纤激光器或锁模激光器；
所述激光器(1)输出的皮秒脉冲光经偏振分束器(5)分成两束脉冲光，其中一束脉冲经长度为L的延迟光纤后产生时延ΔT为公式一：
n为光纤折射率，c为光在真空中的折射率；另一束脉冲光经电光相位调制器(6)后，将产生相位变化
为公式二：
其中，v0为入射光的中心频率,γ为斜坡信号的斜率,Vπ为调制器的半波电压，
为初始相位，t为入射光的传播时间；通过对公式二取微分，得到脉冲光的频率变化Δv为公式三：
进一步，波长为λ的脉冲光的中心波长变化量Δλ为公式四：
进一步，经延迟光纤与电光相位调制器输出光信号通过光耦合器合束后，形成波长差Δλ与时间差ΔT的双波长双脉冲光。
2.根据权利要求1所述的一种基于双波长双脉冲光源的准分布式传感装置，其特征在于：所述准分布式传感单元包括三端口环形器(8)和光纤光栅传感器阵列(9)，三端口环形器(8)的第一个端口与1*2耦合器(7)的输出端相连。
3.根据权利要求2所述的一种基于双波长双脉冲光源的准分布式传感装置，其特征在于：所述光纤光栅传感器阵列(9)为单个高斯型光纤光栅、或由多个中心波长相同的高斯型光纤光栅构成的串联结构、或由多个中心波长相同的高斯型光纤光栅构成的并联结构、或由多个中心波长相同的高斯型光纤光栅构成的串并联结构。
4.根据权利要求2所述的一种基于双波长双脉冲光源的准分布式传感装置，其特征在于：所述信号探测与解调单元包括单光子探测器(10)、时间数字转换器(11)和信息处理器(12)，单光子探测器(10)与三端口环形器(8)的第三个端口相连。
5.根据权利要求4所述的一种基于双波长双脉冲光源的准分布式传感装置，其特征在于：所述单光子探测器(10)由雪崩二极管或超导波导器件构成，所述时间数字转换器(11)采用单片机和/或可编程逻辑器件、和/或数字信号处理芯片、和/或嵌入式芯片、和/或延时取与器件构成，所述的信息处理器(12)由单片机和/或可编程逻辑器件、和/或数字信号处理芯片、和/或嵌入式芯片一种或多种器件实现。
6.根据权利要求4所述的一种基于双波长双脉冲光源的准分布式传感装置，其特征在于：所述信号探测与解调单元，探测到从准分布式传感单元反射回的双波长双脉冲光子计数分别为N1和N2，通过公式五和公式六表示：
其中，1和λ2分别为双脉冲光的波长，P1和P2为双波长脉冲的输入峰值功率，λB为光纤光栅传感器的反射中心波长，ωB为光纤光栅传感器的3dB宽带，k为***常数，大小为
其中，η为单光子探测器的探测效率，Δtgate为单光子探测器的时间门宽度，t1为测量时间，fpulse为激光器重复频率，ε为光纤的衰减系数，L为环形器到光纤光栅传感器的距离，Rmax为光纤光栅传感器的最大反射率，n为光纤折射率，h为普朗克常量，c为光在真空中的传播速度；
进一步，由公式五、公式六可得传感信号M，M由公式七表示：
其中
s为灵敏度，λB为传感单元的中心反射波长，P1和P2为双波长脉冲的输入峰值功率，光纤光栅的反射中心波长λB在外部作用下解调出的漂移量ΔλB与测量信号的改变量ΔM呈线性关系。
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