CN102506917A - 光纤混沌激光器用于光纤传感的装置及其方法 - Google Patents

光纤混沌激光器用于光纤传感的装置及其方法 Download PDF

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杨玲珍
冯亚强
朱林彦
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Abstract

一种光纤混沌激光器用于光纤传感的装置及其方法是含有光纤混沌激光器、数据处理系统和光纤传感系统，其所述光纤混沌激光器中设置有波长扫频滤波器发出的混沌光进入光纤耦合器后，一路经光电探测器进入数据处理系统；一路经光环形器进入光纤传感系统并反射回光环形器进入光电探测器和数据处理系统，后两路数据信号通过相关法和光纤光栅传感器件相结合进行温度和压力测量以及网络监测。本发明采用光纤激光器与光纤光栅传感器相结合，通过波长扫频和混沌相关特性确定检测点传感信息位置，通过混沌脉冲波长扫频实现对光纤光栅所在位置压力或温度的精确测量。

Description

光纤混沌激光器用于光纤传感的装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种混沌光纤传感装置及其方法，尤其是一种利用光纤激光器产生的波长扫频的混沌激光用于光纤传感装置及其方法，可用于温度和压力传感测量、网络监测等领域。
背景技术
光纤传感是采用光纤或光纤光栅作为传感器件，光纤传感器在温度、压力、环境污染等领域有着广泛应用（EP 2 136 227 A1，US2011/0190640，US7684656 B2）。与传统电传感器相比，光纤传感器具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、灵敏度、高重量轻、体积小及外形可变等明显的技术优势，光纤传感器便于复用、组网同一根传输光纤上的多个传感单元只通过一个通道实现对其测试信号的采集（US 2011/0051123 A1）。采用光纤为传感器件，通常利用光纤的瑞利散射和布里渊散射效应实现（CN101629852A，US 2011/0128990 A1）。在应用过程中需要将光源进行调制或采用脉冲激光光源，增加了系统的复杂度和成本。
以光纤光栅作为传感器件的光纤传感器，基于光纤光栅的传感主要依据光纤光栅的布喇格反射波长对外界物质折射率的敏感特性制成（US 2011/0102766 A1）。特别是用于一些重要物理参数如应变、温度、压力等的点式或分布式测量。根据应变、温度、压力等外界环境的变化将引起光纤有效折射率或光栅周期等参数的变化，从而导致光纤布拉格光栅的谐振波长发生变化，因此通过测量光栅谐振波长的变化就可获得周围环境参量的变化。采用宽带的光源，利用光纤光栅的反射谱和透射谱的变化及信号处理实现光纤传感，通常在固定的位置放置不同波长反射或透射率的光纤光栅，实现光纤传感（CN 101813529 A，CN 101216325A），增加了系统的光纤光栅制作的成本和复杂程度。
本发明基于现有的一种光纤激光器混沌激光测距方法及装置（CN100362366C），提出将波长扫频的混沌激光与光纤光栅相结合实现混沌激光用于光纤传感的装置和方法。
以掺铒光纤为增益介质的波长扫频光纤混沌激光器，利用光纤的非线性效应在光纤激光器中可产生GHz带宽的混沌振荡，结合掺铒光纤激光器的波长扫频范围宽的特性，实现宽带混沌激光输出。利用混沌光的相关信号具有delta函数的特征，确定光纤光栅的具体位置。利用多个相同的光纤光栅作为传感器件，通过波长的扫频与传感光纤光栅的波长相匹配，得到光纤传感信息。这样在光纤传感系统中采用多个相同的光纤光栅，对光纤光栅的制作成本和费用将大大降低，可简单通过增加光纤光栅的个数，实现分布式光纤传感。避免了由于不同的多个光纤光栅需采用的宽带光源。采用这种传感器将大大降低光纤光栅传感器的成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是实现光纤混沌激光波长的扫频和混沌信号的相关法相结合实现光纤传感，通过对光纤混沌激光器波长扫频实现光纤光栅传感信息的提取，实现传感信息的测量，通过混沌信号的相关法确定传感器的位置。并提供一种光纤混沌激光器用于光纤传感的装置及其方法。
为了实现上述目的，本发明所采取的措施是一种光纤混沌激光器用于光纤传感的装置及其方法的技术方案，本发明所述的一种光纤混沌激光器用于光纤传感的装置，包括有光纤混沌激光器、数据处理系统和光纤传感系统；其中：
所述的光纤混沌激光器中设置有波长扫频滤波器发出的混沌光进入光纤耦合器后，一路经光电探测器进入数据处理系统；一路经光环形器进入光纤传感系统并反射回光环形器进入光电探测器和数据处理系统。
在上述的技术方案中，所述的光纤混沌激光器是波长扫频的光纤环形腔激光器、线性腔激光器和八字型光纤激光器中的一种；所述的波长扫频滤波器是实现波长扫频的光纤光栅滤波器和F-P滤波器中的一种；所述的光纤传感系统中设置有至少两个以上的、相同的光纤光栅；所述的光纤传感系统中设置的相同的光纤光栅是与光纤混沌激光器中设置的波长扫频滤波器波长相对应的光纤光栅。
本发明一种光纤混沌激光器用于光纤传感的装置的方法，该方法是光纤混沌激光器中设置有波长扫频滤波器发出的混沌光进入光纤耦合器后，一路经光电探测器进入数据处理系统；一路经光环形器进入光纤传感系统并反射回光环形器进入光电探测器和数据处理系统，后两路数据信号通过相关法和光纤光栅传感器件相结合进行温度和压力测量以及网络监测。
本发明所提供的一种光纤混沌激光器用于光纤传感的装置及其方法，与在先技术比，本发明利用波长扫频的光纤混沌激光器，用于光纤传感的装置和方法，利用光纤的非线性效应在光纤激光器中可产生GHz带宽的混沌振荡，由于混沌的带宽决定了混沌相关的特性，尤其是相关曲线的主峰宽度决定了混沌测量的精度；利用光纤激光器的非线性效应实现的宽带特性，获得了高精度的光纤光栅位置的确定。
本发明所提供的技术方案采用波长扫频的光纤激光器与光纤光栅传感器件相结合，通过波长的扫频和混沌相关特性确定检测点传感信息的位置。通过混沌脉冲波长的扫频，实现对光纤光栅所在位置处压力或温度等测量信息的变化。
对于光纤传感系统，采用混沌相关法和波长相同的光纤光栅相结合，混沌相关法实现测量点的精确定位，宽带的混沌激光可以实现厘米量级的精确定位，采用波长扫频和相同光纤光栅阵列相结合，在不影响光纤光栅测量精度的前提下，减少了光纤光栅的成本和整个系统的成本。本发明的实施，将会促进混沌激光在光纤传感，光纤网络检测方面的发展。
附图说明
图1是本发明的混沌光纤传感器装置及其方法的结构示意图；
图2是本发明的光纤传感系统；
图3是本发明的光纤传感系统初始时数据处理系统输出；
图4是本发明的光纤混沌激光器在扫频前得数据处理系统输出；
图5是本发明的光纤混沌激光器在扫频后得数据处理系统输出。
图中：1：半导体激光器抽运源；2：波分复用器；3：掺铒光纤；4：高非线性光纤；5：光隔离器；6：光纤耦合器                                                
Figure 638336DEST_PATH_IMAGE001
；7：波长扫频滤波器；8：偏振控制器；9：光纤耦合器Ⅱ；10：光环行器；11：光纤光栅
Figure 683652DEST_PATH_IMAGE001
；12：光纤光栅
Figure 515080DEST_PATH_IMAGE002
；13：光纤光栅
Figure 63873DEST_PATH_IMAGE001
Figure 151914DEST_PATH_IMAGE002
；14：光纤光栅；15：光电探测器Ⅰ；16：光电探测器Ⅱ；17：数据处理系统。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作出进一步的说明：
实施本发明所提供的一种光纤混沌激光器用于光纤传感的装置，包括波长扫频的光纤混沌激光器，波长扫频滤波器，光纤耦合器，用于传感的光纤光栅，光环行器，光电探测器以及数据处理系统，其中：
所述光纤混沌激光器中设置有波长扫频滤波器7发出的混沌光进入光纤耦合器Ⅱ 9后，一路经光电探测器15进入数据处理系统17；一路经光环形器10进入光纤传感系统并反射经光环形器10进入光电探测器16和数据处理系统17；
本发明在具体实施过程中，所采用的光纤混沌激光器是波长扫频的光纤环形腔激光器，或者是采用线性腔激光器和八字型光纤激光器中的一种；所采用的波长扫频滤波器7是可实现波长扫频的光纤光栅滤波器，也可以采用F-P滤波器；
在光纤传感系统中所采用的光纤光栅是相同的光纤光栅，根据实际实施情况可以设置两个或两个以上的光纤光栅，而且与光纤混沌激光器中设置的波长扫频滤波器7扫频范围相应匹配的光纤光栅。
实施本发明所提供的一种光纤混沌激光器用于光纤传感的装置的方法，该方法是光纤混沌激光器中设置有波长扫频滤波器7发出的混沌光进入光纤耦合器Ⅱ 9后，一路经光电探测器15进入数据处理系统17；一路经光环形器10进入光纤传感系统并反射经光环形器10进入光电探测器16和数据处理系统17，后两路数据信号通过相关法和波长扫频的光纤激光器相结合进行温度和压力测量以及网络监测。
本发明上述发生装置的技术方案中，所述的光纤混沌激光器发出的混沌光信号是通过光纤的非线性效应实现的混沌激光；所述的光信号传输是光纤传输；所述的混沌激光产生利用光纤环形腔结构实现混沌激光输出，但并不局限于环形腔，也可为线性或者八字形光纤激光器；所述的光纤光栅是针对用于传感的光纤光栅和用于进行波长扫频的滤波器；所述的光纤耦合器包含通信用的光纤耦合器和常规的光纤耦合器，所述的高非线性光纤包括石英光子晶体光纤，高非线性碲酸盐普通光纤和光子晶体光纤，高非线性硫硫化物普通光纤和光子晶体光纤。
本发明上述发生方法的技术方案中，所述的光纤混沌激光器发出的混沌光信号是通过光纤的非线性效应实现的混沌激光；所述的光信号传输是光纤传输；所述的混沌激光产生利用光纤环形腔结构实现混沌激光输出，但并不局限于环形腔，也可为线性腔或者是八字形光纤激光器；所述的光纤耦合器包含通信用的光纤耦合器和常规的光纤耦合器，所述的高非线性光纤包括石英光子晶体光纤，高非线性碲酸盐普通光纤和光子晶体光纤，高非线性硫硫化物普通光纤和光子晶体光纤。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的详细说明：
如图1，宽带光纤混沌激光的产生具体示意图过程，利用光纤的非线性效应实现混沌激光的产生。半导体激光器抽运源1通过波分复用器2将半导体激光器发出的抽运光进入到掺铒光纤3，掺铒光纤为光纤激光器的增益介质，高非线性光纤4用来通过光纤的非线性效应实现宽带混沌的产生，光隔离器5保证光纤环的单方向运转，光纤耦合器6用来实现将光纤混沌激光器输出的光输出一部分重新输入到激光器中形成激光环形腔，另一部分用于光纤传感，波长扫频滤波器 7用于实现波长的扫描，在光纤传感测量过程中，通过波长的扫频可获得不同波长的混沌激光。通过扫频波长的大小，确定光纤光栅波长的变化，进而获得传感信息。偏振控制器8用来实现光纤激光器中偏振状态的控制，以获得宽带稳定的混沌激光。将波分复用器2、掺铒光纤3、高非线性光纤4、光隔离器5、光纤耦合器
Figure 289952DEST_PATH_IMAGE001
 6、波长扫频滤波器7和偏振控制器8通过光纤焊接机焊接成环形腔，在固定半导体激光器抽运源1在一定的抽运电流的情况下，通过调节偏振控制器8可以使光纤激光器实现混沌激光的输出。混沌激光的输出通过光电探测器将混沌光接入示波器，观察混沌信号的宽带和相关特性。
当波长扫频滤波器处于某一固定波长时，光纤激光器输出波长稳定的混沌激光，通过光纤耦合器Ⅱ9，将光分成两路，一路用于混沌激光的参考混沌光，进入光电探测器
Figure 958831DEST_PATH_IMAGE001
 15，一路通过光环行器10，通过光纤光栅 11，光纤光栅
Figure 644207DEST_PATH_IMAGE002
 12，光纤光栅
Figure 646798DEST_PATH_IMAGE001
Figure 170183DEST_PATH_IMAGE002
 13，光纤光栅
Figure 334448DEST_PATH_IMAGE003
 14，组成光纤传感系统，根据不同位置的光纤光栅反射回的混沌信号光，通过光环行器10， 进入光电探测器Ⅱ 16，将光电探测器 15和光电探测器Ⅱ 16输出的信号输入到数据处理系统17进行相关处理，由于光纤光栅的温度和压力都与波长有关，通过波长的扫频结合相关特性确定光纤光栅的位置和光纤传感的温度和压力等传感信息的获取。
如图2光纤光栅
Figure 54460DEST_PATH_IMAGE001
 11，光纤光栅
Figure 432351DEST_PATH_IMAGE002
 12，光纤光栅
Figure 33097DEST_PATH_IMAGE001
 13，光纤光栅 14，组成光纤传感系统.
以测量其中某一个光纤光栅位置处温度或压力发生来说明测量的原理：
如图3为波长扫频光纤混沌激光器发出的波长为
Figure 766240DEST_PATH_IMAGE004
，光纤光栅Ⅰ11，光纤光栅
Figure 272307DEST_PATH_IMAGE002
 12，光纤光栅
Figure 426208DEST_PATH_IMAGE001
 13反射波长为
Figure 661197DEST_PATH_IMAGE004
，光纤光栅 14反射波长在初始值与光纤混沌激光器的波长相一致均为
Figure 713784DEST_PATH_IMAGE004
且具有相同的反射波长和反射率时，数据处理系统检测的输出结果。
混沌光信号传输到光纤耦合器Ⅱ9，通过光纤耦合器Ⅱ9将混沌光分成两路，一路作为参考混沌光，参考混沌光通过光电探测器Ⅰ15，假设其输出满足的函数关系式为
Figure 399980DEST_PATH_IMAGE005
。另外一路通过光环行器10通过某一波长的混沌光经过光纤传感区域时，将经过光纤光栅Ⅰ11，光纤光栅 12，光纤光栅
Figure 658103DEST_PATH_IMAGE001
 13，光纤光栅
Figure 807642DEST_PATH_IMAGE003
 14。这样反射回的混沌光信号通过光环行器10进入测量混沌光信号光电探测器Ⅱ16，由于光纤光栅Ⅰ11，光纤光栅
Figure 134718DEST_PATH_IMAGE002
 12，光纤光栅
Figure 855287DEST_PATH_IMAGE001
Figure 2235DEST_PATH_IMAGE002
 13，光纤光栅
Figure 30234DEST_PATH_IMAGE003
 14，分别有信号反射回来，假设在光纤光栅Ⅰ11，光纤光栅
Figure 211816DEST_PATH_IMAGE002
 12，光纤光栅
Figure 604751DEST_PATH_IMAGE001
Figure 504574DEST_PATH_IMAGE002
 13，光纤光栅
Figure 70685DEST_PATH_IMAGE003
 14处往返时间分别为
Figure 44457DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 670611DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 792150DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 161952DEST_PATH_IMAGE009
，则测量信号光电探测器Ⅱ16输出满足的函数关系式为，则其互相关函数
Figure 52864DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 661700DEST_PATH_IMAGE012
，只有当
Figure 8761DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 19443DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 987399DEST_PATH_IMAGE015
，时，相关函数存在唯一峰值如图。基于此原理，通过数据处理系统17进行相关处理就可以获得参考混沌光经过网络检测点反射的往返时间
Figure 732818DEST_PATH_IMAGE017
，确定检测点光纤光栅位置。
如图4 ，假设光纤光栅
Figure 863585DEST_PATH_IMAGE003
 14温度或压力发生变化，将导致波长发生
Figure 2442DEST_PATH_IMAGE018
的变化，在波长没有扫描的情况下，由于光纤光栅
Figure 320291DEST_PATH_IMAGE003
 14的反射波长变化且变为
Figure 773269DEST_PATH_IMAGE019
波长。波长扫频光纤混沌激光器发出的波长为
Figure 758543DEST_PATH_IMAGE004
，光纤光栅Ⅰ11，光纤光栅
Figure 68301DEST_PATH_IMAGE002
 12，光纤光栅
Figure 873446DEST_PATH_IMAGE001
Figure 864536DEST_PATH_IMAGE002
 13反射波长为
Figure 704316DEST_PATH_IMAGE004
，仅仅光纤光栅
Figure 184976DEST_PATH_IMAGE003
 14反射波长由于温度或压力变化改变为
Figure 179215DEST_PATH_IMAGE019
时，仅仅光纤光栅
Figure 770733DEST_PATH_IMAGE003
 14无反射信号反射回数据处理系统，将反射回的信号光进行相关后，在
Figure 730599DEST_PATH_IMAGE016
将不出现反射峰值。
如图5，通过扫频将混沌激光器输出波长调整为
Figure 382160DEST_PATH_IMAGE019
，光纤光栅Ⅰ11，光纤光栅
Figure 99580DEST_PATH_IMAGE002
 12，光纤光栅
Figure 494789DEST_PATH_IMAGE001
Figure 309162DEST_PATH_IMAGE002
 13反射波长为
Figure 131624DEST_PATH_IMAGE004
，仅仅光纤光栅 14由于温度或压力变化反射波长改变为，由于光纤光栅Ⅰ11，光纤光栅
Figure 204119DEST_PATH_IMAGE002
 12，光纤光栅
Figure 197483DEST_PATH_IMAGE001
Figure 889496DEST_PATH_IMAGE002
 13，波长与光纤混沌激光器的信号光不一致则导致无信号反射回，仅仅只有光纤光栅
Figure 892087DEST_PATH_IMAGE003
 14此时的波长与光纤混沌激光器经扫频后的波长相一致为
Figure 415472DEST_PATH_IMAGE019
，所以仅仅在光纤光栅
Figure 579737DEST_PATH_IMAGE003
 14处有混沌信号返回，将反射回的信号进行相关，在
Figure 260511DEST_PATH_IMAGE016
将出现唯一的峰值。
通过波长的扫描的范围可以知道光纤光栅
Figure 801213DEST_PATH_IMAGE003
 14，温度或压力的变化。不出现反射峰值的说明温度和压力相对于初始值来说没有变化。通过将波长扫频的混沌激光与光纤传感相结合实现传感。

Claims (6)

1.一种光纤混沌激光器用于光纤传感的装置，包括有光纤混沌激光器、数据处理系统和光纤传感系统；其特征在于：
所述光纤混沌激光器中设置有波长扫频滤波器（7）发出的混沌光进入光纤耦合器（9）后，一路经光电探测器（15）进入数据处理系统（17）；一路经光环形器（10）进入光纤传感系统并反射回来经光环形器（10）进入光电探测器（16）和数据处理系统（17）。
2.如权利要求1所述的光纤混沌激光器用于光纤传感的装置，其特征在于：光纤混沌激光器是波长扫频的光纤环形腔激光器、线性腔激光器和八字型光纤激光器中的一种。
3.如权利要求1所述的光纤混沌激光器用于光纤传感的装置，其特征在于：波长扫频滤波器（7）是实现波长扫频的光纤光栅滤波器和F-P滤波器中的一种。
4.如权利要求1所述的光纤混沌激光器用于光纤传感的装置，其特征在于：光纤传感系统中设置有至少两个以上的、相同的光纤光栅。
5.如权利要求4所述的光纤混沌激光器用于光纤传感的装置，其特征在于：光纤传感系统中设置的相同的光纤光栅的传感测量范围是与光纤混沌激光器中设置的波长扫频滤波器（7）的扫频范围相匹配。
6.一种如权利要求1所述的光纤混沌激光器用于光纤传感装置的方法，其特征在于：光纤混沌激光器中设置有波长扫频滤波器（7）发出的混沌光进入光纤耦合器（9）后，一路经光电探测器（15）进入数据处理系统（17）；一路经光环形器（10）进入光纤传感系统并反射回光环形器（10）进入光电探测器（16）和数据处理系统（17）后，输出的两路数据信号通过相关法和激光器的扫频相结合实现信息定位和进行温度和压力信息的测量。
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