CN101419317B - 一种基于光纤Bragg光栅的双边缘滤波器 - Google Patents

Abstract

一种基于光纤Bragg光栅的双边缘滤波器，入射光经光纤进入第一光纤耦合器中被分为两等份，分别由第一光纤耦合器的C端和D端输出；输出的两路光信号分别进入第一光纤环行器和第二光纤环行器；并分别经第一光纤Bragg光栅和第二光纤Bragg光栅反射后被第一雪崩光电探测器和第二雪崩光电探测器接收并转化为电信号；上述为全光纤光路结构，体积小，成本低，稳定性高；本发明还公开了一种布里渊散射分布式光纤传感装置，包括两个上述双边缘滤波器；第一双边缘滤波器用于提供反馈，稳定激光器的工作波长；第二双边缘滤波器用于探测布里渊散射光频移，实现被测量的分布式传感。

Description

一种基于光纤Bragg光栅的双边缘滤波器

技术领域

本发明涉及一种滤波器，更特别地说，涉及一种基于光纤Bragg光栅的双边缘滤波器。

背景技术

激光多普勒雷达利用光的多普勒效应，测量激光光束在大气中传输时，后向散射信号的多普勒频移来反演空间的风速分布。激光多普勒雷达的信号探测技术主要有两种：相干探测技术和直接探测技术。相干探测技术测量的是回波信号和发射的激光信号之间的差频信号，直接探测技术测量的是接收信号和发射的激光信号的相对能量变化。

激光多普勒雷达的直接探测技术主要实现方式有单边缘探测和双边缘探测。单边缘探测技术一般采用单一的F-P标准具探测多普勒频移，双边缘探测技术一般采用双F-P标准具探测多普勒频移，因而它的灵敏度和探测精度更高，在激光多普勒雷达中被广泛应用。

图1所示的是基于F-P标准具的双边缘滤波器，由分立的光学元件组成。其反射面被分割成两部分，腔长上存在微小的差别，以形成频率上的差异。在出射端，输出光信号经过三角棱镜3和凸透镜4后，分别照射在两个探测器上，形成了两个信号探测通道，其透射光谱的中心频率分别为v₁和v₂。两个F-P标准具被固定在第一基板1和第二基板2之间，用于消除因振动或热效应引起的两个通道中心频率的漂移。被探测的信号进入双边缘滤波器后，不同部分同时经过两个F-P标准具滤波输出。当被测信号无频移时，落入两个通道的信号强度相同；当被测信号发生频移时，落入两个通道的信号强度发生变化，其中一个变小，另一个变大。通过比较两个输出信号的大小就可以获得多普勒频移。

基于F-P标准具的双边缘滤波器为精密的光学器件，具有精度高、灵敏度高、性能稳定的优点，但是其价格较为昂贵，且体积较大，不利于整体系统的集成化。

光纤光栅是近几年发展最为迅速的光纤无源器件之一。它利用光纤材料的光敏性(如外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久性变化)，在光纤纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。利用这一特性可构成许多性能独特的光纤无源器件。由于光纤本身具有低损耗传输、抗电磁干扰、化学性质稳定及电绝缘等优点，因此，光纤光栅在光纤通信和光纤传感领域有着广泛的应用前景：在光纤通信领域中，可利用光纤光栅构成光纤滤波器、色散补偿器、光纤激光器、波分复用系统等；在光纤传感领域，由于外界参量的变化会引起光纤光栅结构参数的变化，进而导致光纤光栅光谱特性发生变化，因而可以实现外界参量的传感。

根据光纤光栅周期的长短，可以将光纤光栅分为长周期光纤光栅和短周期光纤光栅。长周期光纤光栅的周期通常为几十至几百微米，为透射光栅；短周期光纤光栅的周期小于1μm，为反射光栅，又称之为光纤Bragg光栅。其结构示意图如图2(a)所示，图中：Λ为光栅周期，L为光栅的长度。光纤Bragg光栅的折射率为固定的周期性调制分布，调制深度与光栅周期均为常数，光栅波矢量方向与光纤轴线方向一致。当光经过光纤Bragg光栅时，满足相位匹配条件的光被强烈反射，不满足相位匹配条件的光被微弱反射，其反射光谱示意图如图2(b)所示，图中：λ_B为光纤Bragg光栅的峰值波长，Δλ_B为光纤Bragg光栅的反射带宽。光纤Bragg光栅的结构参数主要有光栅周期、光栅长度、折射率扰动量和纤芯有效平均折射率等；反射光谱参数主要有反射率、峰值波长、反射带宽等。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服上述由分立光学元件组成的双边缘滤波器的不足，提供一种新型的基于光纤Bragg光栅的双边缘滤波器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于光纤Bragg光栅的双边缘滤波器，其特征在于：包含第一光纤耦合器、第一光纤环行器、第一光纤Bragg光栅、第一雪崩光电探测器、第二光纤环行器、第二光纤Bragg光栅、第二雪崩光电探测器；入射光经光纤进入第一光纤耦合器中被分为两等份，分别由第一光纤耦合器的C端和D端输出；第一光纤耦合器的C端输出的光信号从第一光纤环行器的1端口进入第一光纤环行器并从2端口进入第一光纤Bragg光栅，被第一光纤Bragg光栅反射回来的光信号从第一光纤环行器的3端口输出，被第一雪崩光电探测器接收并转化为电信号；第一光纤耦合器的D端输出的光信号从第二光纤环行器的1端口进入第二光纤环行器并从2端口进入第二光纤Bragg光栅，被第二光纤Bragg光栅反射回来的光信号从第二光纤环行器的3端口输出，被第二雪崩光电探测器接收并转化为电信号。

所述第一光纤耦合器、第一光纤环行器、第一雪崩光电探测器以及与第二光纤环行器、第二雪崩光电探测器之间为全光纤光路结构。

上述基于光纤Bragg光栅的双边缘滤波器利用光纤Bragg光栅的窄带滤波特性来实现双边缘滤波。

一种基于全光纤双边缘滤波器的布里渊散射分布式光纤传感装置，以上述的基于光纤Bragg光栅的双边缘滤波器为核心器件；包括有DFB激光器；其特征在于：包含两个上述的基于光纤Bragg光栅的双边缘滤波器，分别为第一双边缘滤波器和第二双边缘滤波器；第一双边缘滤波器用于提供反馈，稳定激光器的工作波长；第二双边缘滤波器用于探测布里渊散射光频移，实现被测量的分布式传感。

上述装置利用基于光纤Bragg光栅的双边缘滤波器的鉴频特性来实现DFB激光器的频率稳定技术。

设定第一双边缘滤波器的中心频率为DFB激光器正常工作状态下输出激光的中心频率；第一双边缘滤波器中两个光纤Bragg光栅的峰值频率位于DFB激光器输出激光中心频率的两侧，二者的滤波谱线有相互重叠的区域；设定第二双边缘滤波器的中心频率与第一双边缘滤波器的中心频率相差11GHz；，位于布里渊散射光频移的平均位置；第二双边缘滤波器中两个光纤Bragg光栅的峰值频率位于第二双边缘滤波器中心频率的两侧，二者的滤波谱线有相互重叠的区域。

所述第一全光纤双边缘滤波器和第二全光纤双边缘滤波器放置于第二恒温箱中，保持其工作环境温度稳定。

所述基于全光纤双边缘滤波器的布里渊散射分布式光纤传感装置还包含有用于在线校准的参考光纤，所述参考光纤被无应力地放置于第一恒温箱中。

本发明与现有技术相比所具有的优点是：

1.本发明的基于光纤Bragg光栅的双边缘滤波器为全光纤光路结构，体积小，成本低，稳定性高；

2.本发明的基于光纤Bragg光栅的双边缘滤波器通过测量两个信号通道输出信号的比值来探测光信号的频率，能够消除光功率波动对探测精度的影响。

附图说明

图1为由分立光学元件组成的F-P双边缘滤波器；

图2为光纤Bragg光栅的结构及反射光谱示意图；

图3为本发明的基于光纤Bragg光栅的双边缘滤波器示意图；

图4为本发明的基于光纤Bragg光栅的双边缘滤波器的工作原理；

图5为基于全光纤双边缘滤波器的布里渊散射分布式光纤传感装置示意图；

图6为本发明的双边缘滤波器输出信号比值同布里渊散射光频率的关系曲线。

图中：1.第一基板，2.第二基板，3.三角棱镜，4.凸透镜，5.第一光纤，6.第一光纤耦合器，7.第二光纤，8.第一光纤环行器，9.第一光纤Bragg光栅，10.第三光纤，11.第一雪崩光电探测器，12.第一电缆，13.第四光纤，14.第二光纤环行器，15.第二光纤Bragg光栅，16.第五光纤，17.第二雪崩光电探测器，18.第二电缆，19.DFB激光器，20.第六光纤，21.第三光纤耦合器，22.第七光纤，23.电脉冲发生器，24.第三电缆，25.脉冲调制器，26.第八光纤，27.掺铒光纤放大器，28.第九光纤，29.第三光纤环行器，30.第十光纤，31.参考光纤，32.第一恒温箱，33.第十一光纤，34.第二传感光纤，35.第十二光纤，36.第十三光纤，37.第一双边缘滤波器，38.第二双边缘滤波器，39.第二恒温箱，40.第一除法器，41.第二除法器，42.第四电缆，43.光源驱动控制电路，44.第五电缆，45.第六电缆，46信号采集与处理单元。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

参见图3，本发明的基于光纤Bragg光栅的双边缘滤波器。各部件之间的连接关系为：第一光纤5与第一光纤耦合器6的A端连接，第一光纤耦合器6的C端通过第二光纤7与第一光纤环行器8的1端口连接，第一光纤Bragg光栅9与第一光纤环行器8的2端口连接，第一光纤环行器8的3端口通过第三光纤10与第一雪崩光电探测器11的输入端A连接，第一雪崩光电探测器11的输出端B与第一电缆12连接。第一光纤耦合器6的D端通过第四光纤13与第二光纤环行器14的1端口连接，第二光纤Bragg光栅15与第二光纤环行器14的2端口连接，第二光纤环行器14的3端口通过第五光纤16与第二雪崩光电探测器17的输入端A连接，第二雪崩光电探测器17的输出端B与第二电缆18连接。

入射光经第一光纤5进入第一光纤耦合器6中被分为两等份，分别由第一光纤耦合器6的C端和D端输出。C端输出的光信号经第二光纤7从第一光纤环行器8的1端口进入第一光纤环行器8并从2端口进入第一光纤Bragg光栅9，被第一光纤Bragg光栅9反射回来的光信号从第一光纤环行器8的3端口输出，经第三光纤10被第一雪崩光电探测器11接收并转化为电信号，由第一电缆12输出；D端输出的光信号经第四光纤13从第二光纤环行器14的1端口进入第二光纤环行器14并从2端口进入第二光纤Bragg光栅15，被第二光纤Bragg光栅15反射回来的光信号从第二光纤环行器9的3端口输出，经第五光纤16被第二雪崩光电探测器17接收并转化为电信号，由第二电缆18输出。

参见图4，本发明的基于光纤Bragg光栅的双边缘滤波器的工作原理；图4中，T₁(v)为第一光纤Bragg光栅9的反射光谱，其中心频率为v₁，T₂(v)为第二光纤Bragg光栅15的反射光谱，其中心频率为v₂，T₁(v)和T₂(v)可以作为双边缘滤波器两个信号通道的透过率函数。I_S(v_S)为待测光信号，无频移时，其中心频率为v₀；v₁和v₂之间略有差异，形成双边缘滤波器的两个信号通道，双边缘滤波器的中心频率设定为v₀，即与无频移时的待测光信号I_S(v_S)的中心频率相等。当待测光信号I_S(v_S)不发生频移时，进入全光纤双边缘滤波器的两个信号通道的待测光信号的强度相等；当待测光信号I_S(v_S)发生频移时，进入两个信号通道的待测光信号的强度发生变化，分别为I₁(v_S)和I₂(v_S)，可由(1)和(2)确定，

$I_1\left(v_S\right)=I_S\left(v_S\right)\⊗T_1\left(v\right)---\left(1\right)$

$I_2\left(v_S\right)=I_S\left(v_S\right)\⊗T_2\left(v\right)---\left(2\right)$

其中，

为卷积符号，v_S为待测光信号的频率。

取两个信号的比值，有：

$R\left(v_S\right)=\frac{I_1\left(v_S\right)}{I_2\left(v_S\right)}---\left(3\right)$

R(v_S)仅与待测光信号I_S(v_S)的频率v_S有关，可以通过R(v_S)来获得待测光信号的频率v_S。

参见图5，基于全光纤双边缘滤波器的布里渊散射分布式光纤传感装置，以基于光纤Bragg光栅的双边缘滤波器为核心器件；包含两个基于光纤Bragg光栅的双边缘滤波器，分别为第一双边缘滤波器37和第二双边缘滤波器38；第一双边缘滤波器37用于提供反馈，稳定激光器的工作波长；第二双边缘滤波器38用于探测布里渊散射光频移，实现被测量的分布式传感。装置中各部件之间的连接关系为：DFB激光器19通过第六光纤20与第三光纤耦合器21的A端连接，第三光纤耦合器21的C端通过第七光纤22与脉冲调制器25连接，电脉冲发生器23通过第三电缆24与脉冲调制器25连接；脉冲调制器25通过第八光纤26与掺铒光纤放大器27连接，掺铒光纤放大器27通过第九光纤28与第三光纤环行器29的1端口连接，第三光纤环行器29的2端口通过第十光纤30与放置于第一恒温箱32的参考光纤31连接，参考光纤31通过第十一光纤33与第二传感光纤34连接；第三光纤环行器29的3端口通过第十二光纤35与第二双边缘滤波器38连接，第二双边缘滤波器38的输出端与第二除法器41连接，第二除法器41通过第六电缆45与第二信号采集与处理单元46连接；第三光纤耦合器21的D端通过第十三光纤36与第一双边缘滤波器37连接；第一双边缘滤波器37的输出端与第一除法器40连接；第一除法器37通过第四电缆42与光源驱动控制电路43连接；光源驱动电路43通过第五电缆44与DFB激光器19连接；第一双边缘滤波器37和第二双边缘滤波器38都放置于第二恒温箱39中。

DFB激光器19发出的窄线宽连续激光经第六光纤20进入第三光纤耦合器21按分光比99:1被分为两部分，其中99％的光由第三光纤耦合器21的C端口输出，用于探测布里渊散射光信号，实现被测量的分布式传感；1％的光由第三光纤耦合器21的D端口输出，用于提供反馈，稳定DFB激光器19的工作波长；第三光纤耦合器21的C端输出的光信号经第七光纤22进入脉冲调制器25，电脉冲发生器23发出的具有一定脉冲宽度和重复频率的电脉冲信号经第三电缆24作用于脉冲调制器25，将窄线宽连续激光调制成脉冲光；脉冲光通过第八光纤26进入掺铒光纤放大器27，光功率被放大的光脉冲信号经第九光纤28从第三光纤环行器29的1端口输入，2端口输出，经第十光纤30进入参考光纤31再经第十一光纤33进入第二传感光纤34；参考光纤31被无应力地放置于第一恒温箱32中，用于在线校准；光脉冲信号在参考光纤31和传感光纤34中发生布里渊散射；后向布里渊散射光信号从第三光纤环行器29的2端口输入，3端口输出，经第十二光纤35进入放置于第二恒温箱39的第二双边缘滤波器38被鉴频，从第二双边缘滤波器38的两个信号通道输出的电信号进入第二除法器41，输出只与布里渊散射光频率相关的电信号，经第六电缆45送入信号采集与处理单元46，可解调出被测量的分布信息。

从第三光纤耦合器21的D端口输出的1％的光信号经第十三光纤36进入放置于第二恒温箱39的第一双边缘滤波器37被鉴频，从第一双边缘滤波器37的两个信号通道输出的电信号进入第一除法器40，输出只与DFB激光器19输出激光频率相关的电信号，经第四电缆42送入光源驱动控制电路43，其输出的控制信号经第五电缆44作用于DFB激光器19，稳定其工作波长。

参见图3，本发明的核心器件，基于光纤Bragg光栅的全光纤双边缘滤波器。本实施例中，该器件采用全保偏光路结构。第一光纤5、第二光纤7、第三光纤10、第四光纤13、第五光纤16采用保偏光纤；第一光纤耦合器6采用保偏光纤耦合器，分光比为1:1，1.55μm波段；第一光纤环行器8和第二光纤环行器14采用保偏光纤环行器，1.55μm波段；第一雪崩光电探测器11和第二雪崩光电探测器17采用InGaAs雪崩光电二极管，波长响应范围为1.1～1.6μm。

参见图5，以本发明的基于光纤Bragg光栅的双边缘滤波器为核心器件构成的布里渊散射分布式光纤传感装置。本实施例中，该装置采用全保偏光路结构。第六光纤20、第七光纤21、第八光纤26、第九光纤28、第十光纤30、第十一光纤33、第十二光纤35、第十三光纤36、参考光纤31、第二传感光纤34采用保偏光纤；第三光纤耦合器21采用保偏光纤耦合器，分光比为99:1，1.55μm波段；第三光纤环行器29采用保偏光纤环行器，1.55μm波段；DFB激光器19工作波长1550nm，线宽小于1MHz；第一除法器40和第二除法器41由专用芯片及其外围电路组成；光源驱动控制电路43由专用控制芯片及其外围电路组成；信号采集与处理单元46由数据采集卡及信号处理、显示软件组成。

以本发明的基于光纤Bragg光栅的双边缘滤波器为核心器件构成的布里渊散射分布式光纤传感装置能够实现如下功能：

一、激光器工作波长的稳定

光源工作波长的漂移会引入误差，降低被测量的测量精度。本发明公开了一种稳定光源工作波长的方法，利用全光纤双边缘滤波器的鉴频特性提供反馈，使光源工作波长稳定，有利于提高测量精度。其结构如图5虚线部分所示。DFB激光器19发出的中心波长为1550nm、线宽小于1MHz的激光经第六光纤20进入第三光纤耦合器21，被分成功率比为99:1的两部分，1％的光进入第一双边缘滤波器37被鉴频，第一除法器40输出的与DFB激光器19输出频率相关的电信号作为反馈，经第四电缆42送入光源驱动控制电路43，光源驱动控制电路43对接收到的与DFB激光器19输出频率相关的反馈信号进行分析和处理，并通过第五电缆44传输相应的控制信号来稳定DFB激光器19的工作波长。

第一双边缘滤波器37的中心频率设定为DFB激光器19输出激光的中心频率。第一双边缘滤波器37中两个光纤Bragg光栅的选取原则是二者的峰值频率位于DFB激光器19输出激光中心频率的两侧，二者的滤波谱线有相互重叠区域，重叠区域即为第一双边缘滤波器37的有效工作区域。所构成的第一双边缘滤波器37的滤波谱线陡峭，工作带宽较窄，目的是提高第一双边缘滤波器37的灵敏度，使其能够探测到DFB激光器19输出激光频率的微小变化，并及时施加反馈控制，稳定其工作波长。

设DFB激光器19输出的激光信号为I_DFB(v_DFB)，第一双边缘滤波器37的两个通道的透过率分别为T₁(v)和T₂(v)，中心频率为v₀₁，即DFB激光器19正常工作状态下的输出激光频率。第一双边缘滤波器37的两个通道的输出信号分别由(4)、(5)确定。

$I_1\left(v_{\mathrm{DFB}}\right)=I_{\mathrm{DFB}}\left(v_{\mathrm{DFB}}\right)\⊗T_1\left(v\right)---\left(4\right)$

$I_2\left(v_{\mathrm{DFB}}\right)=I_{\mathrm{DFB}}\left(v_{\mathrm{DFB}}\right)\⊗T_2\left(v\right)---\left(5\right)$

其中，

为卷积符号。取两个信号的比值，有：

$R_{\mathrm{DFB}}\left(v_{\mathrm{DFB}}\right)=\frac{I_1\left(v_{\mathrm{DFB}}\right)}{I_2\left(v_{\mathrm{DFB}}\right)}---\left(6\right)$

当v_DFB＝v₀₁时，DFB激光器19的工作波长没有漂移，进入第一双边缘滤波器37的两个通道的信号强度相同，可将此时的R_DFB(_vDFB)作为标准信号；当v_DFB≠v₀₁时，DFB激光器19的工作波长发生漂移，进入第一双边缘滤波器37的两个通道的信号强度不再相同，其中一个变大，另一个变小，此时两个输出信号的比值为

将该信号与标准信号进行比较，确定反馈量并形成控制信号去调节DFB激光器19的中心频率v_DFB，当v_DFB稳定在v₀₁时，DFB激光器19的工作波长可稳定在1550nm。

二、传感装置的在线校准

该传感装置的在线校准通过放置于第一恒温箱32中的参考光纤31来实现。参考光纤31的长度为几十米或几百米，要求将其无应力地放置于第一恒温箱32中，目的是克服参考光纤31所受应力对在线校准精度的影响。

光纤中的布里渊散射频移同被测量(温度、应变)在一定条件下呈线性关系，并由(7)确定。

$v_B(T,\mathrm{\ϵ})=v_B(T_0,{\mathrm{\ϵ}}_0)+C_{v_{B}T}(T-T_0)+C_{v_B\mathrm{\ϵ}}(\mathrm{\ϵ}-{\mathrm{\ϵ}}_0)---\left(7\right)$

其中，T₀为参考温度，ε₀为参考应变，T为待测温度，ε为待测应变，

为布里渊频移温度系数，

为布里渊频移应变系数，v_B(T，ε)为在待测温度和待测应变下的布里渊频移，v_B(T₀，ε₀)为在参考温度和参考应变下的布里渊频移。

本实施例中，参考光纤31无应力地放置于第一恒温箱32中，因此参考应变ε₀＝0，参考温度为第一恒温箱32所设定的温度T₀。此时，(7)式可简化为：

$v_B(T,\mathrm{\ϵ})=v_B(T_0,0)+C_{v_{B}T}(T-T_0)+C_{v_B\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\ϵ}---\left(8\right)$

光纤中的布里渊散射具有很好的重复性，利用这一特性，可以实现在线校准。第一恒温箱的温度恒定在T₀时，v_B(T，0)为恒定值，作为整个传感装置的稳定的参考基准。当第二传感光纤34中各点的被测量(温度、应力)发生变化时，可通过(8)反演出被测量沿第二传感光纤34的分布信息。

三、被测量的分布式传感

参见图5，以本发明的基于光纤Bragg光栅的双边缘滤波器为核心器件构成的布里渊散射分布式光纤传感装置。该装置实现被测量分布式传感的工作过程可描述为：DFB激光器19发出的窄线宽连续激光经第六光纤20进入第三光纤耦合器21按分光比99:1被分为两部分，其中99％的光由第三光纤耦合器21的C端口输出，经第七光纤22进入脉冲调制器25，电脉冲发生器23发出的具有一定脉冲宽度和重复频率的电脉冲信号经第三电缆24作用于脉冲调制器25，将窄线宽连续激光调制成脉冲光。脉冲光通过第八光纤26进入掺铒光纤放大器27放大光功率后，经第九光纤28从第三光纤环行器29的1端口输入，2端口输出，经第十光纤30进入参考光纤31再经第十一光纤33进入第二传感光纤34。光脉冲信号在参考光纤32和传感光纤34中发生布里渊散射。后向布里渊散射光信号从第三光纤环行器29的2端口输入，3端口输出，经第十二光纤35进入放置于第二恒温箱39的第二双边缘滤波器38被鉴频，从第二双边缘滤波器38的两个信号通道输出的电信号进入第二除法器41，输出只与布里渊散射光频率相关的电信号，经第六电缆45送入信号采集与处理单元46，可解调出被测量的分布信息。

在该传感装置中，电脉冲发生器23输出脉冲的宽度和重复频率决定了经脉冲调制器25调制后输出光脉冲的宽度和重复频率，它们同传感装置的空间分辨率和传感距离直接相关。

传感装置的空间分辨率可定义为传感装置对沿光纤长度分布的被测量进行测量时所能分辨的最小空间单元。设传感装置的空间分辨率为δS，光脉冲宽度(即电脉冲发生器23输出的电脉冲宽度)为t_W。则二者的关系可由(9)确定。

$t_W=\frac{2n}{c}\mathrm{\δS}---\left(9\right)$

为了避免后向散射信号发生混叠，要求一个光脉冲走完整个传感光纤，其散射信号返回入射端后，才发出下一个光脉冲。因此，入射光脉冲的重复频率f满足：

$f\≤\frac{c}{2\mathrm{nL}}---\left(10\right)$

在(9)和(10)中，c是真空中的光速，n是光纤的折射率，L是传感距离。

在确定传感装置的空间分辨率δS和传感距离L之后，可通过(9)和(10)调节电脉冲发生器23输出的电脉冲宽度和重复频率。

携带有被测量信息的布里渊散射光的频率由第二双边缘滤波器38来鉴别。本实施例中，设定第二双边缘滤波器38的中心频率v₀₂同第一双边缘滤波器37的中心频率v₀₁相差11GHz，使v₀₂位于布里渊散射光的平均位置。第二双边缘滤波器38中的两个光纤Bragg光栅的选取原则是二者的峰值频率位于v₀₂的两侧，二者的滤波谱线有相互重叠的区域，重叠区域即为第二双边缘滤波器38的有效工作区域。

设进入第二双边缘滤波器38的布里渊散射信号为I_B(v_B)，第二双边缘滤波器38的两个通道的透过率分别为T₁(v)和T₂(v)，中心频率为v₀₂，第二双边缘滤波器38的两个通道的输出信号分别由(11)、(12)确定。

$I_1\left(v_B\right)=I_B\left(v_B\right)\⊗T_1\left(v\right)---\left(11\right)$

$I_2\left(v_B\right)=I_B\left(v_B\right)\⊗T_2\left(v\right)---\left(12\right)$

其中，

为卷积符号。取两个信号的比值，有：

$R_B\left(v_B\right)=\frac{I_1\left(v_B\right)}{I_2\left(v_B\right)}---\left(13\right)$

当v_B＝v₀₂时，进入第二双边缘滤波器38的两个通道的信号强度相同；当被测量使布里渊散射光频率变化时，v_B≠v₀₂，进入第二双边缘滤波器38的两个通道的信号强度不再相同，其中一个变大，另一个变小，此时两个输出信号的比值为R_B(v_B)，该比值同布里渊频移v_B之间的关系曲线如图6所示，图6中阴影所示区域为工作区域，工作区域内曲线呈单调变化，适合于分布式测量。第二除法器41输出的电信号与R_B(v_B)相关，该信号经第六电缆45进入信号采集与处理单元46。信号采集与处理单元46对该电信号进行数字化处理，根据图6所示的曲线获得布里渊散射频移v_B。根据(8)所确定的布里渊散射频移与被测量(温度、应力)的关系，可获得被测量(温度、应力)的分布信息，实现分布式传感。

Claims (5)

1.一种基于全光纤双边缘滤波器的布里渊散射分布式光纤传感装置，以基于光纤Bragg光栅的双边缘滤波器为核心器件；所述基于光纤Bragg光栅的双边缘滤波器，包含第一光纤耦合器(6)、第一光纤环行器(8)、第一光纤Bragg光栅(9)、第一雪崩光电探测器(11)、第二光纤环行器(14)、第二光纤Bragg光栅(15)、第二雪崩光电探测器(17)；入射光经第一光纤(5)进入第一光纤耦合器(6)中被分为两等份，分别由第一光纤耦合器(6)的C端和D端输出；第一光纤耦合器(6)的C端输出的光信号从第一光纤环行器(8)的1端口进入第一光纤环行器(8)并从2端口进入第一光纤Bragg光栅(9)，被第一光纤Bragg光栅(9)反射回来的光信号从第一光纤环行器(8)的3端口输出，被第一雪崩光电探测器(11)接收并转化为电信号；第一光纤耦合器(6)的D端输出的光信号从第二光纤环行器(14)的1端口进入第二光纤环行器(14)并从2端口进入第二光纤Bragg光栅(15)，被第二光纤Bragg光栅(15)反射回来的光信号从第二光纤环行器(9)的3端口输出，被第二雪崩光电探测器(17)接收并转化为电信号；利用光纤Bragg光栅的窄带反射特性，通过两个信号通道输出信号强度比与所述入射光的频率的关系来获得所述入射光的测频率信息以实现双边缘滤波；

所述基于全光纤双边缘滤波器的布里渊散射分布式光纤传感装置包括DFB激光器(19)；其特征在于：包含两个如上所述的基于光纤Bragg光栅的双边缘滤波器，分别为第一双边缘滤波器(37)和第二双边缘滤波器(38)；第一双边缘滤波器(37)用于提供反馈，稳定激光器的工作波长；第二双边缘滤波器(38)用于探测布里渊散射光频移，实现被测量的分布式传感。

2.根据权利要求1所述的一种基于全光纤双边缘滤波器的布里渊散射分布式光纤传感装置，其特征在于：利用权利要求1中所述的一种基于光纤Bragg光栅的双边缘滤波器的鉴频特性来实现DFB激光器(19)的频率稳定技术。

3.根据权利要求1所述的一种基于全光纤双边缘滤波器的布里渊散射分布式光纤传感装置，其特征在于：设定第一双边缘滤波器(37)的中心频率为DFB激光器(19)正常工作状态下输出激光的中心频率；第一双边缘滤波器(37)中两个光纤Bragg光栅的峰值频率位于DFB激光器(19)输出激光中心频率的两侧，二者的滤波谱线有相互重叠的区域；设定第二双边缘滤波器(38)的中心频率与第一双边缘滤波器(37)的中心频率相差11GHz，位于布里渊散射光频移的平均位置；第二双边缘滤波器(38)中两个光纤Bragg光栅的峰值频率位于第二双边缘滤波器(38)中心频率的两侧，二者的滤波谱线有相互重叠的区域。

4.根据权利要求1所述的一种基于全光纤双边缘滤波器的布里渊散射分布式光纤传感装置，其特征在于：第一全光纤双边缘滤波器(37)和第二全光纤双边缘滤波器(38)放置于第二恒温箱(39)中，保持其工作环境温度稳定。

5.根据权利要求1所述的一种基于全光纤双边缘滤波器的布里渊散射分布式光纤传感装置，其特征在于：所述装置还包含有用于在线校准的参考光纤(31)，所述参考光纤(31)被无应力地放置于第一恒温箱(32)中。

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