CN109945903A - 全光纤结构可调腔增益激光自混合振动、位移、速度传感方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明激光自混合传感技术领域，具体涉及全光纤结构可调腔增益激光自混合振动、位移、速度传感方法，泵浦光耦合注入激光器的谐振腔内，所述光纤激光器的增益介质对谐振腔内的信号光进行放大后耦合输出，输出的信号经过可调移频单元形成具有频差的移频光出射到待测目标表面后返回，使得激光器的谐振腔内最终输出信号光的功率发生变化，通过对最终输出信号光的功率变化进行检测并解调分析，得出待测目标的振动或位移或速度信息。为实现上述传感方法，本发明提供了全光纤结构可调腔增益激光自混合振动、位移、速度传感系统。本发明具有光路柔性传输，信号腔增益可调和可在线监测的有益效果。

Description

全光纤结构可调腔增益激光自混合振动、位移、速度传感方法 和系统

技术领域

本发明激光自混合传感技术领域，具体涉及全光纤结构可调腔增益激光自混合振动、位移、速度传感方法和系统。

背景技术

激光外差型干涉技术已广泛应用于国防军事、水力学、流体力学、风洞诊断与应用设计等领域。但外差型干涉技术的信号光和参考光在激光器谐振腔外进行干涉叠加，客观上存在结构复杂、光路准直困难等问题，限制了激光外差型干涉技术的应用场合。基于腔增益激光自混合干涉技术是解决上述问题，实现速度、振动、位移等高灵敏度测量的一种新的重要途径和有效手段。

但是复杂狭小环境下的非协同目标测量应用场景下，光回馈水平一般难以控制，而回馈水平又直接影响激光自混合速度、振动、位移信号的调制度和信噪比，最终造成激光自混合速度、振动、位移信号劣化且起伏剧烈，导致速度、振动、位移灵敏度及精度下降，严重限制了全光纤结构激光自混合传感技术应用。

而根据激光L-K速率方程理论，由于信号调制度决定了传感系统中待测物理量的检出极限，因此，激光自混合传感系统灵敏度受腔增益系数和目标物反射率的共同影响，当信号频率逼近激光弛豫震荡峰时可大幅提高腔增益系数获得较高的探测灵敏度。

但现有技术中仍然存在的以下技术问题为：(1)利用移频技术提高系统灵敏度的方案主要采用空间光激光器结合固定移频的方案，存在着光路结构复杂、被测目标不能被遮挡，空间光路折转元件以及目标物散射面尺寸限制等实际困难，难以满足狭小空间内物体速度、振动、位移的实时在线测量需求；(2)空间光声光调制器件的色散分光特性又对光路产生了极高的设计要求并引入了冗余空间光学器件的寄生热蠕动干扰；(3)无法根据回馈光水平及目标物速度、振动、位移实时有效调节信号腔增益补偿，难以与现有光纤系统有效耦合等实际困难。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供了全光纤结构可调腔增益激光自混合振动、位移、速度传感方法，目的在于解决现有的腔增益激光自混合振动、位移、速度传感技术难以满足狭小空间内物体速度、振动、位移的实时在线测量需求和无法根据回馈光水平及目标物速度、振动、位移实时有效调节信号腔增益补偿的技术问题。同时本发明还提出了配合上述传感方法的全光纤结构可调腔增益激光自混合振动、位移、速度传感系统。

本发明提供的全光纤结构可调腔增益激光自混合振动、位移、速度传感方法，具体技术方案如下：

全光纤结构可调腔增益激光自混合振动、位移、速度传感方法，泵浦光耦合注入激光器的谐振腔内，所述激光器的增益介质对谐振腔内的信号光进行放大后耦合输出，输出的信号经过可调移频单元形成具有频差的移频光出射到待测目标表面后返回，携带有待测目标信息的反馈信号光再次经过可调移频单元重新耦合进入谐振腔内，与所述激光器的谐振腔内原有的信号光混合并形成功率发生变化的最终输出信号光，检测并解调分析最终输出信号光的功率变化，得出待测目标的振动或位移或速度信息。

为实现上述传感方法，本发明提供了全光纤结构可调腔增益激光自混合振动、位移、速度传感系统，技术方案包括三种：

第一种技术方案为：全光纤结构可调腔增益激光自混合振动、位移、速度传感系统，包括泵浦光源、分布布拉格反射光纤激光器、耦合器、可调移频单元、掺铒光纤放大器、可调衰减器和光电探测器，

所述泵浦光源的输出端与所述分布布拉格反射光纤激光器的输入端相连，

所述分布布拉格反射光纤激光器通过所述耦合器、所述可调移频单元和所述掺铒光纤放大器与第一光环形器相连，所述可调衰减器设置在所述分布布拉格反射光纤激光器和所述第一光环形器之间；

或者所述分布布拉格反射光纤激光器通过所述耦合器、所述可调移频单元和所述掺铒光纤放大器与分光元件相连，所述可调衰减器设置在所述分布布拉格反射光纤激光器和所述分光元件之间，

所述光电探测器的输入端和所述分布布拉格反射光纤激光器相连。

在某些实施方式中，所述DBR光纤激光器包括波分复用器、第一布拉格光栅和第二布拉格光栅，所述波分复用器的输入端与所述泵浦光源的输出端相连，第一输出端与所述第一布拉格光栅相连，所述第一布拉格光栅和第二布拉格光栅之间通过有源光纤连接，所述波分复用器的第二输出端与所述光电探测器相连。

在某些实施方式中，还包括光隔离器件和准直器，所述光隔离器件设置在所述耦合器和所述第一光环形器之间，或者所述光隔离器件设置在所述耦合器和所述光分离器之间，所述准直器设置在所述第一光环形器之间和待测目标之间；

所述可调移频单元包括可调移频声光调制器和固定移频声光调制器，所述可调移频声光调制器和所述固定移频声光调制器串联。

第二种技术方案为：全光纤结构可调腔增益激光自混合振动、位移、速度传感系统，包括泵浦光源、环形腔光纤激光器、耦合器、可调移频单元、掺铒光纤放大器、可调衰减器和光电探测器，

所述泵浦光源的输出端与所述环形腔光纤激光器的输入端相连，

所述环形腔光纤激光器通过所述耦合器、所述可调移频单元和所述掺铒光纤放大器与第一光环形器相连，所述可调衰减器设置在所述分布布拉格反射光纤激光器和所述第一光环形器之间；

或者所述环形腔光纤激光器通过所述耦合器、所述可调移频单元和所述掺铒光纤放大器与分光元件相连，所述可调衰减器设置在所述分布布拉格反射光纤激光器和所述分光元件之间，

所述光电探测器的输入端和所述耦合器相连。

在某些实施方式中，所述环形腔光纤激光器包括波分复用器、第二光环形器和布拉格光栅，所述波分复用器的第一输入端与所述泵浦光源的输出端相连，所述波分复用器的输出端通过第一有源光纤连接与所述第二光环形器的第一端口相连；所述第二光环形器的第二端口通过第二有源光纤与所述布拉格光栅相连，所述第二有源光纤为未泵浦的低浓度掺铒有源光纤；所述第二光环形器的第三端口和所述波分复用器的第二输入端相连。

在某些实施方式中，还包括光隔离器件和准直器，所述光隔离器件设置在所述耦合器和所述第一光环形器之间，或者所述光隔离器件设置在所述耦合器和所述光分离器之间，所述准直器设置在所述第一光环形器之间和待测目标之间；

所述可调移频单元包括可调移频声光调制器和固定移频声光调制器，所述可调移频声光调制器和所述固定移频声光调制器串联。

第三种技术方案：全光纤结构可调腔增益激光自混合振动、位移、速度传感系统，包括泵浦光源、分布反馈式光纤激光器、耦合器、可调移频单元、掺铒光纤放大器、可调衰减器和光电探测器，

所述泵浦光源的输出端与所述分布反馈式光纤激光器的输入端相连，

所述分布反馈式光纤激光器通过所述耦合器、所述可调移频单元和所述掺铒光纤放大器与第一光环形器相连，所述可调衰减器设置在所述分布布拉格反射光纤激光器和所述第一光环形器之间；

或者所述分布反馈式光纤激光器通过所述耦合器、所述可调移频单元和所述掺铒光纤放大器与分光元件相连，所述可调衰减器设置在所述分布布拉格反射光纤激光器和所述分光元件之间，

所述光电探测器的输入端和分布反馈式光纤激光器相连。

在某些实施方式中，所述分布反馈式光纤激光器包括第一波分复用器、相移光栅和第二波分复用器，所述第一波分复用器的输入端与所述泵浦光源的输出端相连，所述第一波分复用器的第一输出端与所述相移光栅的一端相连，所述相移光栅的另一端与第二波分复用器的输入端连接，所述第一波分复用器的第二输出端与所述光电探测器相连。

在某些实施方式中，还包括光隔离器件和准直器，所述光隔离器件设置在所述耦合器和所述第一光环形器之间，或者所述光隔离器件设置在所述耦合器和所述光分离器之间，所述准直器设置在所述第一光环形器之间和待测目标之间；

所述可调移频单元包括可调移频声光调制器和固定移频声光调制器，所述可调移频声光调制器和所述固定移频声光调制器串联。

本发明提供的全光纤结构可调腔增益激光自混合振动、位移、速度传感方法和系统，回馈光路中可设置可调移频单元以控制激光输出移频量。在移频激光自混合传感系统中，频移量可用来提高回馈光在激光器腔内与增益介质的相互作用强度，提高速度、振动、位移的传感系统信号增益。本发明具有以下有益效果：1、全光纤结构可调腔增益激光自混合振动、位移、速度传感系统中的光路为柔性传输；2、激光器的谐振腔的腔增益可调；3、根据信号频率和反馈量，可以对增益进行实时补偿，并且在线监测。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的全光纤结构可调腔增益激光自混合振动、位移、速度传感系统平面结构示意图；

图2是本发明实施例1的分布布拉格反射光纤激光器的原理图；

图3本发明实施例2提供的全光纤结构可调腔增益激光自混合振动、位移、速度传感系统平面结构示意图；

图4是本发明实施例2的环形腔光纤激光器的原理图

图5本发明实施例3提供的全光纤结构可调腔增益激光自混合振动、位移、速度传感系统平面结构示意图；

图6是本发明实施例3的环形腔光纤激光器的原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

根据激光L-K速率方程理论，激光自混合信号调制度可表示如下:

其中，

式中，Ω为激光移频量，Ω_r为激光器弛豫振荡峰，G(2Ω)为信号的腔增益系数，φ_s为固定相位，φ表示由外部回馈引起的相位变化，R_eff为外部反射物的有效反射率，η为归一化的泵浦系数，γ_c和γ₁分别代表腔内光子衰变率和粒子数反转衰变率。由于信号调制度决定了传感系统中待测物理量的检出极限，因此激光自混合传感系统灵敏度受腔增益系数和目标物反射率的共同影响，通过式(2)可以看出，当信号频率逼近激光弛豫震荡峰时可大幅提高腔增益系数获得较高的探测灵敏度。

以激光L-K速率方程理论为基础，本发明提供了全光纤结构可调腔增益激光自混合振动、位移、速度传感方法，具体方案如下：

泵浦光耦合注入激光器的谐振腔内，激光器的增益介质对谐振腔内的信号光进行放大后耦合输出，输出的信号经过可调移频单元形成具有频差的移频光出射到待测目标表面后返回，携带有待测目标信息的反馈信号光再次经过可调移频单元重新耦合进入谐振腔内，与激光器的谐振腔内原有的信号光混合并最终输出，使得激光器的谐振腔内最终输出信号光的功率发生变化，通过对最终输出信号光的功率变化进行检测并解调分析，得出待测目标的振动或位移或速度信息。

实施例1

为配合传感方法，本实施例提供了相应的全光纤结构可调腔增益激光自混合振动、位移、速度传感系统，如图1所示，包括泵浦光源1、分布布拉格反射(Distributed BraggReflector，DBR)光纤激光器、耦合器3、可调移频单元4、掺铒光纤放大器5、可调衰减器6、第一光环形器7和光电探测器8，泵浦光源1的输出端与DBR光纤激光器的输入端相连，DBR光纤激光器的第一输出端通过耦合器3的与可调移频单元4的第一端口相连，可调移频单元4的第二端口与掺铒光纤放大器5的第一端口相连，掺铒光纤放大器5的第二端口与第一光环形器7相连，可调衰减器6的第一端口与耦合器3相连，第二端口与第一光环形器7相连，光电探测器8的输入端和DBR光纤激光器的第二输出端相连。本实施例中可以依据分布布拉格反射光纤激光器的功率的大小调换可调移频单元4和掺铒光纤放大器5的位置。

在本实施例中，DBR光纤激光器包括波分复用器21、第一布拉格光栅221和第二布拉格光栅222，波分复用器21的输入端与泵浦光源1的输出端相连，第一输出端与第一布拉格光栅221相连，第一布拉格光栅221和第二布拉格光栅222之间通过有源光纤23连接，有源光纤23两端设有普通单模光纤，波分复用器21的第二输出端与光电探测器8相连。

进一步地，还包括光隔离器件10，光隔离器件10设置在掺铒光纤放大器5和第一光环形器7之间。如此，有待测目标9信息的反馈信号光可以避开掺铒光纤放大器5，而选择经过第一光环形器7、衰减器和耦合器3后耦合回激光器的谐振腔内。还包括准直器11，准直器11设置在第一光环形器7之间和待测目标9之间，准直器11保证信号光平行出射至目标物体表面。此外，准直器11的后面可以设置透镜或这透镜组形成扩束系统，从而保证出射光以较大口径平行光入射或者聚焦入射到待测目标9上，并接受从待测目标9反射的回馈光。可调移频单元4包括可调移频声光调制器41和固定移频声光调制器42，可调移频声光调制器41和固定移频声光调制器42串联。

具体的传感过程为：泵浦光经波分复用器21的输出端从其第一输出端输出，然后进入第一布拉格光栅221耦合进有源光纤23，有源光纤23中掺杂有增益介质，泵浦光在有源增益介质中得到放大，从第二布拉格光栅222输出。输出的的光信号进入可调移频单元4经掺铒光纤放大器5放大后射到待测目标9并返回，可调移频单元4由一组正负移频光纤声光调制器AOM₁和AOM₂组成，其中AOM₁为可调移频声光调制器41，移频范围为Ω_0±Ω，AOM₂固定移频量为-Ω₀，串联工作可使输出激光产生频差Ω的频移光。所输出频移光从第一环形器的第一端口输入，第二端口输出射到目标物上产生反射或散射。携带有待测目标9信息的反馈信号光再次通过准直器11、第一光环形器7(第二端口射入，第三端口射出)、可调衰减器6、耦合器3后耦合回激光器的谐振腔内形成激光自混合干涉效应，系统最终输出的信号光(即自混合信号光)由波分复用器21第二输出端输出到光电探测器8，最终速度、振动、位移等传感测量。

本实施例中的传感系统传感原理的推导过程如下：

如图2所示，为实施例1中DBR光纤激光器的原理图。

DBR光纤激光器有源光纤23两端的第一布拉格光栅221和第二拉格光栅腔镜反射率分别为R₁、R₂，泵浦光P_p ⁱⁿ(下角标p代表泵浦光)从第一布拉格光栅221耦合进有源光纤23,掺杂稀土离子因吸收泵浦光从基态跃迁到激发态,实现粒子数反转。反转后的粒子经弛豫后以辐射的形式从激发态跃迁回基态，产生激光P_Laser从第二布拉格光栅222输出，P_L ⁱⁿ(P_L ^out)、P_R ⁱⁿ(P_R ^out)分别代表激光器的输入端进入(输出)有源增益介质和从第一输出端进入(输出)有源增益介质的信号光功率。从第二布拉格光栅222(r₂端)出射的激光P_Laser经移频单元入射到外界物体再回馈谐振腔中，形成线形腔光纤激光器自混合效应。其中，由外界目标物体反馈回激光器腔内的反馈光携带了物体的运动信息，这部分光称之为种子光P_seed。回馈光路中的可调移频单元4通过控制激光输出的移频量改变自混合信号增益系数。基于DBR光纤激光器的自混合传感系统原理图，并根据边界条件以及L-K速率方程理论模型，可以获得激光器功率传输的方程组：

对式(3)-(6)进行迭代得到DBR光纤激光器的输出功率随散射光变化的关系式如下：

其中，ε₁、ε₂、R₁、R₂分别为左右两端的腔内损耗和反射镜的反射率，α_s为信号光小信号吸收系数，L为有源光纤23长度，Pabs s和Pabs p分别为信号光和泵浦光输入光功率和输出光功率的差值，和分别为泵浦光和信号光的饱和光功率，可表示为：

P_seed为回馈光功率，可表示为：

其中r*为利用三镜腔理论模型获得的有效折射率，P_Laser为从激光器内腔出射的激光，r₂为激光器右端反射镜的反射系数，r₃为外界回馈目标的反射系数，L_ext(t)为目标物到激光器出射端面的实时距离，υ₀为原始激光出射频率。

结合公式(7)和(9)，可获得激光输出功率方程为：

由于P_seed包含了目标物位置信息，当位置信息发生变化时，会引起输出激光输出功率P_Laser发生变化，通过检测激光功率变化可测量被测物的速度、振动、位移等信息。

此外，需要特别说明的是本实施例中的第一光环形器7还可以替换为分光元件。输出的光信号经过可调移频单元4、掺铒光纤放大器5放大后射到待测目标9并返回，所输出频移光经入射到目标物上产生反射或散射，携带有待测目标9信息的反馈信号光再次通过准直器11、可调移频单元4、分光元件、可调衰减器6、耦合器3后耦合回全光纤激光器的谐振腔内形成激光自混合干涉效应，输出激光产生频差2Ω的频移光。此外，此外，耦合器3设有三个端口，包括第一端口、第二端口和第三端口，第一端口接收DBR光纤激光器输出的光信号，第二端口出射光信号，第三端口接收从待测目标9反射的回馈光，耦合器3第二端口后面的光路元件可以与分复用器21的第二输出端相连，光电探测器8的输入端和耦合器3第二端口相连；同时，在DBR光纤激光器和耦合器3之间可以选择性地添加设置第三波分复用器。

实施例2

本实施例中，泵浦光通过环形腔光纤激光器对谐振腔内的信号光进行放大后耦合输出。

为配合传感方法，本实施例提供了相应的全光纤结构可调腔增益激光自混合振动、位移、速度传感系统，如图3所示，包括泵浦光源1、环形腔光纤激光器、耦合器3、可调移频单元4、掺铒光纤放大器5、可调衰减器6、第一光环形器7和光电探测器8，泵浦光源1的输出端与环形腔光纤激光器的输入端相连，环形腔光纤激光器的输出端通过耦合器3的与可调移频单元4的第一端口相连，可调移频单元4的第二端口与掺铒光纤放大器5的第一端口相连，掺铒光纤放大器5的第二端口与第一光环形器7相连，可调衰减器6的第一端口与耦合器3相连，第二端口与第一光环形器7相连，光电探测器8的输入端和耦合器3相连。本实施例中可以依据分布布拉格反射光纤激光器的功率的大小调换可调移频单元4和掺铒光纤放大器5的位置。

在本实施例中，环形腔光纤激光器包括波分复用器21、第二光环形器24和布拉格光栅22，波分复用器21的第一输入端与泵浦光源1的输出端相连，波分复用器21的输出端通过第一有源光纤231连接与第二光环形器24的第一端口相连；第二光环形器24的第二端口通过第二有源光纤232与布拉格光栅22相连，第二有源光纤232为未泵浦的低浓度掺铒有源光纤；第二光环形器24的第三端口和波分复用器21的第二输入端相连。

进一步地，还包括光隔离器件10，光隔离器件10设置在掺铒光纤放大器5和第一光环形器7之间。如此，有待测目标9信息的反馈信号光可以避开掺铒光纤放大器5，而选择经过第一光环形器7、衰减器和耦合器3后耦合回激光器的谐振腔内。还包括准直器11，准直器11设置在第一光环形器7之间和待测目标9之间，准直器11保证信号光平行出射至目标物体表面。此外，准直器11的后面可以设置透镜或这透镜组形成扩束系统，从而保证出射光以较大口径平行光入射或者聚焦入射到待测目标9上，并接受从待测目标9反射的回馈光。可调移频单元4包括可调移频声光调制器41和固定移频声光调制器42，可调移频声光调制器41和固定移频声光调制器42串联。

具体的传感过程为：泵浦光经波分复用器21的输出端，并从其第一输出端输出，然后进入耦合进第一有源光纤231，有源光纤中掺杂有增益介质，泵浦光在有源增益介质中得到放大，进入第二光环形器24经过第二有源光纤232从拉格光栅输出。第二有源光纤232为未泵浦的低浓度掺铒有源光纤，作为饱和吸收体插入到光纤布拉格光栅22和环形器之间，进一步压窄输出激光线宽。输出的光信号进入可调移频单元4经掺铒光纤放大器5放大后射到待测目标9并返回，可调移频单元4由一组正负移频光纤声光调制器AOM₁和AOM₂组成，其中AOM₁为可调移频声光调制器41，移频范围为Ω_0±Ω，AOM₂固定移频量为-Ω₀，串联工作可使输出激光产生频差Ω的频移光。所输出频移光从第一环形器的第一端口输入，第二端口输出射到目标物上产生反射或散射。携带有待测目标9信息的反馈信号光再次通过准直器11、第一光环形器7(第二端口射入，第三端口射出)、可调衰减器6、耦合器3后分成两路：一路信号光耦合回激光器的谐振腔内形成激光自混合干涉效应，另一路信号光进入光电探测器8后经信号处理单元可获得目标物速度、振动、位移，最终实现超窄线宽环形腔光纤激光器自混合移频速度、振动、位移等传感。

本实施例中的传感系统传感原理的推导过程如下：

如图4所示，为实施例2中环形腔光纤激光器的原理图。

泵浦光P_p ⁱⁿ(下角标p代表泵浦光)从波分复用器21耦合进环形腔光纤激光器，产生种子光P_seed经布拉格光栅22和有源光纤选频并多次放大，产生激光P_Laser从拉格光栅输出，出射的激光P_Laser经移频单元入射到外界物体再回馈谐振腔中，形成环形腔光纤激光器自混合效应。其中回馈光路中的可调移频单元4通过控制激光输出的移频量改变自混合信号增益系数。根据能级系统辐射过程的分析和激光器的基本原理，结合环形腔光纤激光器的边界条件以及L-K速率方程理论模型，可以获得激光器功率传输的方程组：

这里ε₁为谐振腔内损耗，主要为波分复用器21件以及隔离器等光学器件产生的产生的插入损耗，κ为耦合器3的分光比，r₁、r₂分别为布拉格光栅22的反射系数和目标物的反射系数。结合公式(11)-(13)，我们可获得激光输出方程：

根据公式(9)，可获得激光输出方程：

种子光_seed可写作式(9)的形式以引入目标物速度、振动、位移信息，形成激光自混合速度、振动、位移等传感信号。

由于P_seed包含了目标物位置信息，当位置信息发生变化时，会引起输出激光输出功率P_Laser发生变化，通过检测激光功率变化可测量被测物的速度、振动、位移等信息。

此外，需要特别说明的是本实施例中的第一光环形器7还可以替换为分光元件。输出的光信号经过可调移频单元4、掺铒光纤放大器5放大后射到待测目标9并返回，所输出频移光经入射到目标物上产生反射或散射，携带有待测目标9信息的反馈信号光再次通过准直器11、可调移频单元4、分光元件、可调衰减器6、耦合器3后耦合回全光纤激光器的谐振腔内形成激光自混合干涉效应，输出激光产生频差2Ω的频移光。

实施例3

为配合传感方法，本实施例提供了相应的全光纤结构可调腔增益激光自混合振动、位移、速度传感系统，如图5所示，包括泵浦光源1、分布反馈式(Distributed Feedback，DFB)光纤激光器、耦合器3、可调移频单元4、掺铒光纤放大器5、可调衰减器6、第一光环形器7和光电探测器8，泵浦光源1的输出端与分布反馈式光纤激光器的输入端相连，分布反馈式光纤激光器的第一输出端通过耦合器3、掺铒光纤放大器5与可调移频单元4的第一端口相连，可调移频单元4的第二端口与第一光环形器7相连，可调衰减器6的第一端口与耦合器3相连，第二端口与第一光环形器7相连，光电探测器8的输入端和分布反馈式光纤激光器的第二输出端相连。本实施例中可以依据分布反馈式光纤激光器的功率的大小调换可调移频单元4和掺铒光纤放大器5的位置。

在本实施例中，DFB光纤激光器，包括第一波分复用器211、相移光栅22和第二波分复用器212，第一波分复用器211的输入端与泵浦光源1的输出端相连，第一波分复用器211的第一输出端与相移光栅22的一端相连，相移光栅22的另一端与第二波分复用器212的输入端连接，第一波分复用器211的第二输出端与光电探测器8相连。

进一步地，还包括光隔离器件10，光隔离器件10设置在掺铒光纤放大器5和第一光环形器7之间。如此，有待测目标9信息的反馈信号光可以避开掺铒光纤放大器5，而选择经过第一光环形器7、衰减器和耦合器3后耦合回激光器的谐振腔内。还包括准直器11，准直器11设置在第一光环形器7之间和待测目标9之间，准直器11保证信号光平行出射至目标物体表面。此外，准直器11的后面可以设置透镜或这透镜组形成扩束系统，从而保证出射光以较大口径平行光入射或者聚焦入射到待测目标9上，并接收从待测目标9反射的回馈光。可调移频单元4包括可调移频声光调制器41和固定移频声光调制器42，可调移频声光调制器41和固定移频声光调制器42串联。

具体的传感过程为：泵浦光经第一波分复用器211的输出端并从其第一输出端输出，然后进入相移光栅22经过有源光纤，有源光纤中掺杂有增益介质，泵浦光在有源增益介质中得到放大，从第二波分复用器212输出。输出的光信号经掺铒光纤放大器5放大后进入可调移频单元4再射到待测目标9并返回，可调移频单元4由一组正负移频光纤声光调制器AOM₁和AOM₂组成，其中AOM₁为可调移频声光调制器41，移频范围为Ω_0±Ω，AOM₂固定移频量为-Ω₀，串联工作可使输出激光产生频差Ω的频移光。所输出频移光从第一环形器的第一端口输入，第二端口输出射到目标物上产生反射或散射。携带有待测目标9信息的反馈信号光再次通过准直器11、第一光环形器7(第二端口射入，第三端口射出)、可调衰减器6、耦合器3后耦合回激光器的谐振腔内形成激光自混合干涉效应，系统最终输出的信号光(即自混合信号光)由第一波分复用器211第二输出端输出到光电探测器8，最终速度、振动、位移等传感测量。

本实施例中的传感系统传感原理的推导过程如下：

如图6所示，为实施例3中DFB光纤激光器的原理图。

DFB光纤激光器包括相移光栅22，泵浦光通过第一波分复用器211进入相移光栅22的有源光纤,掺杂稀土离子因吸收泵浦光从基态跃迁到激发态,实现粒子数反转。反转后的粒子经弛豫后以辐射的形式从激发态跃迁回基态，产生激光从第二波分复用器212输出。P_P ⁱⁿ表示进入DFB光纤激光器等效谐振腔内的泵浦光功率，P_L ⁱⁿ、P_L ⁱⁿ分别表示从激光器等效谐振腔内向左输入和输出的光功率，P_R ⁱⁿ、P_R ^out分别是从激光器等效谐振内向右输入和输出的光功率。从第二波分复用器212)出射的激光P_Laser经移频单元入射到外界物体再回馈谐振腔中，形成分布反馈式光纤激光器自混合效应。其中，由外界目标物体反馈回激光器腔内的反馈光携带了物体的运动信息，这部分光称之为种子光P_seed。回馈光路中的可调移频单元4通过控制激光输出的移频量改变自混合信号增益系数。基于DFB光纤激光器的自混合传感系统原理图，并根据边界条件以及公式(3)-(6)，可以得出DFB光纤激光器的输出功率的表达式为：

其中，ε₁、ε₂、R₁、R₂分别为左右两端的腔内损耗和DFB光纤激光器等效谐振腔前后两端的反射率，α_s为信号光小信号吸收系数，L为有源光纤长度，和分别为信号光和泵浦光输入光功率和输出光功率的差值，和分别为泵浦光和信号光的饱和光功率。

结合公式(9)，可获得激光输出功率方程为：

种子光_seed可写作式(9)的形式以引入目标物速度、振动、位移信息，形成激光自混合速度、振动、位移等传感信号。

由于P_seed包含了目标物位置信息，当位置信息发生变化时，会引起输出激光输出功率P_Laser发生变化，通过检测激光功率变化可测量被被测物的速度、振动、位移等信息。

此外，需要特别说明的是本实施例中的第一光环形器7还可以替换为分光元件。输出的的光信号经过可调移频单元4、掺铒光纤放大器5放大后射到待测目标9并返回，所输出频移光经入射到目标物上产生反射或散射，携带有待测目标9信息的反馈信号光再次通过准直器11、可调移频单元4、分光元件、可调衰减器6、耦合器3后耦合回全光纤激光器的谐振腔内形成激光自混合干涉效应，输出激光产生频差2Ω的频移光。此外，耦合器3设有三个端口，包括第一端口、第二端口和第三端口，第一端口接收DFB光纤激光器输出的光信号，第二端口出射光信号，第三端口接收从待测目标9反射的回馈光，耦合器3第二端口后面的光路元件可以与第一波分复用器211的第二输出端相连，光电探测器8的输入端和耦合器3第二端口相连；同时，在DFB光纤激光器和耦合器3之间可以选择性地添加设置第三波分复用器。

上述仅本发明较佳可行实施例，并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的技术人员，在本发明的实质范围内，所作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.全光纤结构可调腔增益激光自混合振动、位移、速度传感方法，其特征在于，泵浦光耦合注入激光器的谐振腔内，所述光纤激光器的增益介质对谐振腔内的信号光进行放大后耦合输出，输出的信号经过可调移频单元形成具有频差的移频光出射到待测目标表面后返回，携带有待测目标信息的反馈信号光再次经过可调移频单元重新耦合进入谐振腔内，与所述激光器的谐振腔内原有的信号光混合并形成功率发生变化的最终输出信号光，检测并解调分析最终输出信号光的功率变化，得出待测目标的振动或位移或速度信息。

2.全光纤结构可调腔增益激光自混合振动、位移、速度传感系统，其特征在于，包括泵浦光源、分布布拉格反射光纤激光器、耦合器、可调移频单元、掺铒光纤放大器、可调衰减器和光电探测器，

所述泵浦光源的输出端与所述分布布拉格反射光纤激光器的输入端相连，

所述分布布拉格反射光纤激光器通过所述耦合器、所述可调移频单元和所述掺铒光纤放大器与第一光环形器相连，所述可调衰减器设置在所述分布布拉格反射光纤激光器和所述第一光环形器之间；

或者所述分布布拉格反射光纤激光器通过所述耦合器、所述可调移频单元和所述掺铒光纤放大器与分光元件相连，所述可调衰减器设置在所述分布布拉格反射光纤激光器和所述分光元件之间，

所述光电探测器的输入端和所述分布布拉格反射光纤激光器相连。

3.根据权利要求2所述的全光纤结构可调腔增益激光自混合振动、位移、速度传感系统，其特征在于，所述分布布拉格反射光纤激光器包括波分复用器、第一布拉格光栅和第二布拉格光栅，所述波分复用器的输入端与所述泵浦光源的输出端相连，第一输出端与所述第一布拉格光栅相连，所述第一布拉格光栅和第二布拉格光栅之间通过有源光纤连接，所述波分复用器的第二输出端与所述光电探测器相连。

4.根据权利要求2所述的全光纤结构可调腔增益激光自混合振动、位移、速度传感系统，其特征在于，还包括光隔离器件和准直器，所述光隔离器件设置在所述耦合器和所述第一光环形器之间，或者所述光隔离器件设置在所述耦合器和所述光分离器之间，

所述准直器设置在所述第一光环形器之间和待测目标之间；

所述可调移频单元包括可调移频声光调制器和固定移频声光调制器，所述可调移频声光调制器和所述固定移频声光调制器串联。

5.全光纤结构可调腔增益激光自混合振动、位移、速度传感系统，其特征在于，包括泵浦光源、环形腔光纤激光器、耦合器、可调移频单元、掺铒光纤放大器、可调衰减器和光电探测器，

所述泵浦光源的输出端与所述环形腔光纤激光器的输入端相连，

所述环形腔光纤激光器通过所述耦合器、所述可调移频单元和所述掺铒光纤放大器与第一光环形器相连，所述可调衰减器设置在所述分布布拉格反射光纤激光器和所述第一光环形器之间；

或者所述环形腔光纤激光器通过所述耦合器、所述可调移频单元和所述掺铒光纤放大器与分光元件相连，所述可调衰减器设置在所述分布布拉格反射光纤激光器和所述分光元件之间，

所述光电探测器的输入端和所述耦合器相连。

6.根据权利要求5所述的全光纤结构可调腔增益激光自混合振动、位移、速度传感系统，其特征在于，所述环形腔光纤激光器包括波分复用器、第二光环形器和布拉格光栅，所述波分复用器的第一输入端与所述泵浦光源的输出端相连，所述波分复用器的输出端通过第一有源光纤连接与所述第二光环形器的第一端口相连；所述第二光环形器的第二端口通过第二有源光纤与所述布拉格光栅相连，所述第二有源光纤为未泵浦的低浓度掺铒有源光纤；所述第二光环形器的第三端口和所述波分复用器的第二输入端连接。

所述光电探测器的输入端和所述耦合器相连。

7.根据权利要求5所述的全光纤结构可调腔增益激光自混合振动、位移、速度传感系统，其特征在于，还包括光隔离器件和准直器，所述光隔离器件设置在所述耦合器和所述第一光环形器之间，或者所述光隔离器件设置在所述耦合器和所述光分离器之间，所述准直器设置在所述第一光环形器之间和待测目标之间；

所述可调移频单元包括可调移频声光调制器和固定移频声光调制器，所述可调移频声光调制器和所述固定移频声光调制器串联。

8.全光纤结构可调腔增益激光自混合振动、位移、速度传感系统，其特征在于，包括泵浦光源、分布反馈式光纤激光器、耦合器、可调移频单元、掺铒光纤放大器、可调衰减器和光电探测器，

所述泵浦光源的输出端与所述分布反馈式光纤激光器的输入端相连，

所述分布反馈式光纤激光器通过所述耦合器、所述可调移频单元和所述掺铒光纤放大器与第一光环形器相连，所述可调衰减器设置在所述分布布拉格反射光纤激光器和所述第一光环形器之间；

或者所述分布反馈式光纤激光器通过所述耦合器、所述可调移频单元和所述掺铒光纤放大器与分光元件相连，所述可调衰减器设置在所述分布布拉格反射光纤激光器和所述分光元件之间，

所述光电探测器的输入端和分布反馈式光纤激光器相连。

9.根据权利要求8所述的全光纤结构可调腔增益激光自混合振动、位移、速度传感系统，其特征在于，所述分布反馈式光纤激光器包括第一波分复用器、相移光栅和第二波分复用器，所述第一波分复用器的输入端与所述泵浦光源的输出端相连，所述第一波分复用器的第一输出端与所述相移光栅的一端相连，所述相移光栅的另一端与第二波分复用器的输入端连接，所述第一波分复用器的第二输出端与所述光电探测器相连。

10.根据权利要求8所述的全光纤结构可调腔增益激光自混合振动、位移、速度传感系统，其特征在于，还包括光隔离器件和准直器，所述光隔离器件设置在所述耦合器和所述第一光环形器之间，或者所述光隔离器件设置在所述耦合器和所述光分离器之间，所述准直器设置在所述第一光环形器之间和待测目标之间；

所述可调移频单元包括可调移频声光调制器和固定移频声光调制器，所述可调移频声光调制器和所述固定移频声光调制器串联。