CN101634571B - 光纤脉栅分布传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光纤脉栅分布传感装置。该装置包括低相干脉冲光源、光分路器、光环行器、光耦合器、光放大器、光干涉器和传感光纤。该装置中，低相干脉冲光源被光分路器分为两束，其中一束输出光传输到光耦合器，由光耦合器和光放大器产生脉栅，另一束输出光通过光环行器传到传感光纤；传感光纤的散射光与脉栅在光干涉器中干涉，按时间顺序采样干涉信号得分布信息。本装置有高灵敏度、低相干性要求、快采样、单回路等特点，可用于海洋、地质、建筑结构等的温度、应变/应力、振动等的分布检测，也可用于海洋、大气、生物组织或其它化学物理等分布物质的层析成像，适用面广。

Description

光纤脉栅分布传感装置

技术领域

本发明属于光纤光学及光纤分布传感技术领域，具体涉及一种光纤脉栅分布传感装置。

背景技术

地质、大型结构及建筑如油井、高压电力网、矿井、隧道、桥梁、水利工程、飞行器等，需要分布监测其应力/应变/形变、振动、温度等参数以确定其(安全)状态或预防火灾。这些大范围分布场量信息的获取需要高灵敏及高精度的分布式传感装置，以实现有效监测。基于光纤的分布式传感装置可检测出光纤沿线上应力/应变、振动、温度等场量在时间和空间上的信息分布，即光纤传感有提取温度、应力/应变、振动等大范围场量的分布信息和定位的能力，可解决分布传感的难题，是目前分布传感的有效方法之一。同时，光纤具有抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高、传感距离长等优势。因此，基于光纤的分布传感装置有着广泛的应用领域。

目前，基于光纤的分布传感装置主要有：光时域反射(包括瑞利散射、喇曼散射和布里渊散射)装置、基于前向光正交偏振模受扰动时模间耦合技术(包括偏振模耦合白光干涉)的检测装置、基于逆向泵浦光和探测光间非线性效应的装置、基于干涉原理的分布传感装置等。其中，光时域反射装置的工作过程是向光纤注入一高相干且稳定的脉冲光，通过瑞利散射、喇曼散射、布里渊散射等效应的后向散射光确定传感参量的变化，通过采样点和入射脉冲的时间差来定位空间位置。其不足是光纤后向散射信号很弱，信噪比低，要求高灵敏光探测器、多次平均等复杂耗时的信号处理。光时域反射还包括偏振光时域反射、光相干域反射、光频域反射和调频载波等。偏振光时域反射需要高功率短脉冲技术，且空间分辨率较低。调频载波技术可获得比偏振光时域反射高的分辨率，但受频率扫描非线性的限制。光相干域反射可获得高的空间分辨率和大的动态范围。基于干涉原理的分布传感装置主要有基于萨格拉克干涉、迈克尔逊干涉、马赫-曾德尔干涉及其组合干涉技术等的分布传感装置，如双波长萨格拉克干涉装置、萨格拉克/马赫-曾德尔干涉装置、萨格拉克/迈克尔逊干涉装置、双马赫-曾德尔干涉装置等。这些装置存在的不足是有偏振衰落问题，信噪比较低，相位解调较复杂，对光源的相干性和稳定性要求极高，有的还需要光纤屏蔽和光纤回路等。

与本申请专利相近的是光相干域反射检测装置，包括基于瑞利散射光和布里渊散射光的时域相干外差检测装置，它们的结构相似(如图1所示)，只是对应不同散射光的光频偏不同(见文献[1]J.P.King，D.F.Smith，et al.，Development of a coherent OTDR instrument，J.of Lightwave Technology，Vol.LT-5，No.4，1987，p616-624；[2]K.Shimizu，T.Horiguchi，et al.，Coherent self-heterodyne detection of spontaneously Brillouin-scattered light waves in asingle-mode fiber，Optics Letters，Vol.18，No.3，1993，p185-187)。其原理是：窄线宽(高相干)稳定连续光源A的输出光通过耦合器E1分为两束光，其中一束光作为参考光并传输到耦合器E3，另一束光经脉冲调制和光频移器B(图中的C和脉冲是光频移器B的驱动源)后形成为与参考光有光频偏移的脉冲光，光频移器B可以是布拉格声栅频移器；脉冲光通过耦合器E2传输到传感光纤，其瑞利散射或布里渊散射的后向分布散射光再通过耦合器E2，与参考光在耦合器E3处合束并产生干涉；其干涉信号是参考光与散射光的差频信号；当光纤处的应力/应变、振动或温度等发生变化时，该干涉信号也将发生变化；该干涉信号经光电探测器D和数据采集处理系统处理后，按采样时间顺序得到光纤沿线的分布信息。在基于瑞利散射的装置中，因瑞利散射光的频率与原光频率相同，只需频移一次(频偏约几十MHz)即可使其差频信号在探测器的频响范围内；在基于布里渊散射的装置中，因布里渊散射的频移较大(～11GHz)，需用光纤环和光频移器形成为一个光频移环路，对光进行循环多次的累加频移后，通过时间选通控制来选择频差满足探测器频响要求的脉冲光，再传输到传感光纤(见文献[2])。该类装置的优点是：只需在光纤一端测量，应用方便；用单个激光器实现自外差工作，容易控制脉冲光与连续光间的频差；若参考光足够强，可提高探测灵敏度；外差接收加窄带滤波器后可提高频率分辨力。其不足是：对光源要求极高(极高相干性和高稳定性)，空间分辨率较低，测量(累加平均)时间长，脉冲选通的精确控制较困难，数据处理设备较复杂。

发明内容

本发明的目的在于针对现有装置存在的上述不足，提供一种灵敏度高、信号解调简单的光纤脉栅分布传感装置。该装置利用脉栅的层析和分布测量能力，以及相干检测的高灵敏度、自放大和解调简单等特点，在光纤或敏感物质上实现分布传感。该装置可用于大范围温度、应变或振动等的分布传感，也可用于海洋、大气、生物组织或其它化学物理等分布物质的层析成像。

为实现本发明目的，采用了以下技术方案：

首先定义术语“脉栅(Pulse-grating，PG)”。所述脉栅是指不同脉冲的载波之间有相同初相位或有确定相位差的低相干性脉冲串或序列；所述低相干性是指脉冲的载波频率成分是宽频谱的，或是指脉冲的持续时间与脉冲载波的周期是接近的。这样定义的脉栅可用于空间分布信号的相干采样，具有空间选通性即空间信号采样特性，也具有空间标尺特性。

本发明所述的光纤脉栅分布传感装置，包括低相干脉冲光源、光分路器、光环行器、光耦合器、光放大器和光干涉器；其特征在于：低相干脉冲光源的脉冲光输出端连接到光分路器的输入端；光分路器的一个输出端连接到光耦合器的一个输入端，光分路器的另一个输出端连接到光环行器的输入端；光环行器第一输出端的输出光传输到敏感物质，光环行器的第二输出端连接到光干涉器的第一输入端；光耦合器的一个输出端连接到光放大器的输入端，光放大器的输出端连接到光耦合器的另一个输入端，光耦合器的另一个输出端连接到光干涉器的第二输入端。

本发明所述的光纤脉栅分布传感装置，其特征在于：所述光环行器的第一输出端连接有传感光纤；所述传感光纤是单模光纤或单模保偏光纤；所述光干涉器是能合束至少两束光的干涉仪。

本发明所述的光纤脉栅分布传感装置，其特征在于：所述光干涉器包括光纤分路器、光纤合路器、第一光电转换器、第二光电转换器和数据采集处理系统；所述光纤分路器的输入端是所述光干涉器的第二输入端，光纤合路器的一个输入端是光干涉器的第一输入端，光纤分路器的一个输出端连接到光纤合路器的另一个输入端，光纤分路器的另一个输出端连接到第二光电转换器，光纤合路器的输出端连接到第一光电转换器，第一光电转换器和第二光电转换器的输出端分别连接到数据采集处理系统的第一输入端和第二输入端。

本发明所述的光纤脉栅分布传感装置，其特征在于：所述光干涉器包括第一光准直镜、第二光准直镜、偏振分光棱镜、第一反射镜、第二反射镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第一光电转换器、第二光电转换器、第三光电转换器、第四光电转换器、数据采集处理系统；第一光准直镜和第二光准直镜的输入端分别为所述光干涉器的第一输入端和第二输入端，第一光准直镜和第二光准直镜的输出光均正(垂直)入射到偏振分光棱镜，偏振分光棱镜分出的平行偏振光(e光)和垂直偏振光(o光)分别传输到第一聚焦透镜和第二聚焦透镜，第一光电转换器和第三光电转换器分别位于第一聚焦透镜和第二聚焦透镜的焦平面上；第一反射镜位于来自第二光准直镜的平行偏振光(e光)光路上，第一反射镜的反射光传输到第二光电转换器；第二反射镜位于来自第二光准直镜的垂直偏振光(o光)光路上，第二反射镜的反射光传输到第四光电转换器；第一光电转换器、第二光电转换器、第三光电转换器和第四光电转换器的输出端分别连接到数据采集处理系统的第一输入端、第二输入端、第三输入端和第四输入端。

本发明所述的光纤脉栅分布传感装置，其特征在于：所述低相干脉冲光源是飞秒激光光源或超短脉冲光源，或是有宽光谱的脉冲光源，或是由宽光谱光源和光调制器构成的光源；所述低相干脉冲光源的光脉冲宽小于光脉冲两次经过光放大器的时间间隔；所述飞秒激光光源或超短脉冲光源的光脉冲宽小于100ps；所述宽光谱光源的光输出到光调制器的输入端，光调制器的输出光是所述低相干脉冲光源的输出光；所述宽光谱的谱宽大于200pm。

本发明所述的光纤脉栅分布传感装置，其特征在于：所述光分路器是光纤耦合器；所述光环行器是光纤环行器或光纤耦合器；所述光耦合器是耦合比为50∶50的2×2光纤耦合器；所述光放大器是放大倍数大于2的光纤放大器或半导体光放大器。

本发明所述的光纤脉栅分布传感装置，其特征在于：所述光纤分路器或所述光纤合路器是光纤耦合器。

本发明所述的光纤脉栅分布传感装置，其特征在于：所述光纤耦合器是保偏光纤耦合器，所述光纤环行器是保偏光纤环行器。

本发明所述的光纤脉栅分布传感装置，其特征在于：所述第一反射镜和第二反射镜是部分反射部分透射的介质膜反射镜；所述偏振分光棱镜是格兰-傅科棱镜或格兰-汤普森棱镜，或是尼科尔棱镜，或是洛匈棱镜；所述第二光准直镜的输出光的偏振主轴与偏振分光棱镜的光轴成45°。

本发明所述的光纤脉栅分布传感装置，其特征在于：所述数据采集处理系统是指能用其第二输入端的信号脉冲作为采样控制信号，对其第一输入端、第二输入端、或/和第三输入端和第四输入端的电信号按脉冲顺序采样，并用所采样值按采样顺序计算出来自光干涉器第一输入端的光强的数据采集与处理系统。

与现有装置比较，本发明提供的光纤脉栅分布传感装置的优点有：(a)本装置采用脉栅干涉获取信号，灵敏度高，抗干扰能力强，信号解调简单，对光源相干性和宽光谱脉冲光的脉宽要求低，采样速度快；(b)定位是用脉栅中光脉冲作为标尺进行度量的，稳定性好；单回路，不需光纤回路；(c)本装置可用于海洋、地质、建筑结构等的温度、应变/应力、振动等的分布检测，也可用于海洋、大气、生物组织或其它化学物理等分布物质的层析成像和分布检测，适用面很广。

附图说明

图1是现有光相干域反射检测装置的原理图；

图2是本专利实施例一涉及的光纤脉栅分布传感装置的结构图；

图3是本专利实施例二涉及的光干涉器的结构图；

图4是本专利实施例五涉及的光干涉器的结构图。

上述图中，实线代表光纤，虚线代表光线，实线箭头代表电信号连接及其流向，点画线框代表其内的各部件组合成的光干涉器3。

具体实施方式

下面结合附图，用本发明所述光纤脉栅分布传感装置，以获取应变或振动分布信息的实施例来进一步说明本发明。光纤脉栅分布传感装置的其它实施例与之相似，且不应依所述的实施例来限制本发明的保护范围。

实施例一：参见图2，本光纤脉栅分布传感装置的结构包括：低相干脉冲光源1、光分路器C1、光环行器C2、光耦合器C3、光放大器2和光干涉器3；其中的光干涉器3包括光纤分路器C4、光纤合路器C5、第一光电转换器4、第二光电转换器5和数据采集处理系统6。本装置的构成是：(1)低相干脉冲光源1是中心波长为1550nm、光谱带宽40nm、脉宽20ns、脉冲能量15nJ、脉冲重复频率1kHz的脉冲光源，其输出端装有光隔离器；该脉冲光源是基于内调制的脉冲光源，也可以是基于宽光谱光源和光调制器组合而成的脉冲光源；当是用宽光谱光源和光调制器组合而成的光源时，连续宽光谱光源的输出光传输到光调制器的光输入端，光调制器的输出光就是低相干脉冲光源1输出的脉冲光；(2)光分路器C1是耦合比为90∶10的2×2光纤耦合器，或者是用部分透射部分反射镜构成的光分束器；光环行器C2是光纤环行器或自由空间光环行器，也可用2×1的光纤耦合器来实现该光环行器C2的功能；光环行器C2的第一输出端是对应于其输入端为输入时的输出端，光环行器C2的第二输出端是对应于其第一输出端为输入时的输出端；光耦合器C3是耦合比为50∶50的2×2光纤耦合器。光放大器2是掺铒光纤放大器或是行波半导体光放大器；当采用行波半导体光放大器时，半导体光放大器的放大倍数为10，半导体光放大器与光纤之间的单端耦合损耗为3dB，光纤附加损耗小于1dB；当采用掺铒光纤放大器时，光纤放大器的放大倍数大于3，光放大器2和光耦合器C3之间光纤连接的损耗小于33％；(3)低相干脉冲光源1输出的脉冲光传输到光分路器C1的输入端；光分路器C1中分出比(也叫耦合率或分光比)为10％的一束输出光通过连接光纤F1连接到光耦合器C3的一个输入端，光分路器C1中分出比为90％的另一束输出光通过连接光纤传输到光环行器C2的输入端；光环行器C2的第二输出端通过连接光纤F5连接到光干涉器3的第一输入端，光环行器C2第一输出端的输出光(准直后)直接照射到敏感物质上，这可获取敏感物质后向散射光的分布以得到敏感物质的层析信息或应变/振动分布信息；光耦合器C3的一个输出端通过连接光纤F2连接到光放大器2的输入端，光放大器2的输出端通过连接光纤F3连接到光耦合器C3的另一个输入端，光耦合器C3的另一个输出端通过连接光纤F4连接到光干涉器3的第二输入端，与光放大器2相连的光耦合器C3两端口之间的光纤总长度大于6m；这就由光耦合器C3、光放大器2及其之间的连接光纤形成为一个有源光纤环，来自光分路器C1的脉冲光进入该有源光纤环后便在光耦合器C3的输出端产生脉栅，该脉栅便被传输到光干涉器3的第二输入端；在来自光分路器C1的下一个脉冲光进入该有源光纤环之前，降低光放大器2的泵浦功率或阻止光放大器2正常工作可使前一个脉冲光产生的脉栅消失；(4)其中光干涉器3的构成(见图2中点画线框内的组成)是：光纤合路器C5是2输入端1输出端的光纤耦合器，光纤合路器C5的一个输入端作为光干涉器3的第一输入端；光纤分路器C4是耦合比为90∶10且有1输入端2输出端的光纤耦合器，光纤分路器C4的输入端作为光干涉器3的第二输入端，光纤分路器C4中分出比为90％的输出端通过连接光纤F6连接到光纤合路器C5的另一个输入端，光纤分路器C4中分出比为10％的输出端连接到第二光电转换器5，即光纤分路器C4中耦合率为10％的输出端将其输出光传输到第二光电转换器5；光纤合路器C5的输出端连接到第一光电转换器4，即光纤合路器C5的输出端将其输出光传输到第一光电转换器4；第一光电转换器4和第二光电转换器5均为超快光电转换器，其有源材料是InGaAs，其响应速度为18ps，其波长响应范围为400～1600nm；第一光电转换器4和第二光电转换器5的电信号输出端分别连接到数据采集处理系统6的第一输入端和第二输入端；数据采集处理系统6是能用其第二输入端的信号脉冲作为采样控制信号，对其第一输入端、第二输入端的电信号按脉冲顺序采样，并用所采样值按采样顺序计算出来自光干涉器第一输入端的光强的数据采集与处理系统；光分路器C1、光环行器C2、光耦合器C3、光纤分路器C4和光纤合路器C5的偏振相关损耗均小于0.1dB，它们的隔离度均大于40dB。这就构成了可获取敏感物质中应变或振动分布信息的光纤脉栅分布传感装置。

更进一步，在本装置中，光环行器C2的第一输出端还可以连接有传感光纤Fs；该传感光纤Fs是30km长的单模光纤或单模保偏光纤。这就构成了可获取沿传感光纤Fs分布的应变或振动信息的光纤脉栅分布传感装置。

该装置中，低相干脉冲光源输出的脉冲光传输到光分路器的输入端，被光分路器分为至少两束光；光分路器的一束输出光传输到光耦合器的一个输入端，光分路器的另一束输出光传输到光环行器的输入端；光环行器第一输出端的输出光传输到敏感物质或传感光纤，光环行器的第二输出端的输出光传输到光干涉器的第一输入端；光耦合器的一束输出光传输到光放大器的输入端，光放大器的输出光传输到光耦合器的另一个输入端，光耦合器的另一束输出光传输到光干涉器的第二输入端。这样，光耦合器和光放大器产生脉栅，传感光纤或敏感物质的后向散射光与脉栅在光干涉器中干涉，按时间顺序采样干涉信号得分布信息。本装置有高灵敏度、低相干性要求、快采样、单回路等特点，可用于海洋、地质、建筑结构等的温度、应变/应力、振动等的分布检测，也可用于海洋、大气、生物组织或其它化学物理等分布物质的层析成像，适用面广。

实施例二：参见图3，本光纤脉栅分布传感装置的结构与实施例一结构的不同在于：(1)本实施例中，光分路器C1是耦合比为90∶10的1×2保偏光纤耦合器，光环行器C2是保偏光纤环行器或是2×1的保偏光纤耦合器，光耦合器C3是耦合比为50∶50的2×2保偏光纤耦合器，光放大器2是行波半导体光放大器，光分路器C1、光环行器C2、光耦合器C3的隔离度均大于40dB；(2)本实施例中，光分路器C1输出端和光耦合器C3输入端之间的连接光纤F1、光环行器C2的第二输出端和光干涉器3第一输入端间的连接光纤F5、光耦合器C3输出端和光放大器2输入端间的连接光纤F2、光放大器2输出端和光耦合器C3输入端之间的连接光纤F3、光耦合器C3输出端和光干涉器3第二输入端之间的连接光纤F4均是单模保偏光纤，传感光纤Fs为单模光纤或单模保偏光纤；(3)本实施例中，光干涉器3包括第一光准直镜L1、第二光准直镜L2、偏振分光棱镜LP、第一反射镜R1、第二反射镜R2、第一聚焦透镜L3、第二聚焦透镜L4、第一光电转换器4、第二光电转换器5、第三光电转换器7、第四光电转换器8、数据采集处理系统6；该光干涉器3的构成(见图3)是：第一光准直镜L1和第二光准直镜L2均是直径小于2mm的光纤自准直透镜(也称为光纤自聚焦透镜)，也可以是准直透镜；第一光准直镜L1和第二光准直镜L2的输入端分别为该光干涉器3的第一输入端和第二输入端，第一光准直镜L1和第二光准直镜L2的输出光均正(垂直)入射到偏振分光棱镜LP；偏振分光棱镜LP是格兰-傅科棱镜或格兰-汤普森棱镜，或是尼科尔棱镜，或是洛匈棱镜，也可以是渥拉斯顿棱镜(但采用渥拉斯顿棱镜时的结构要复杂一些)；第二光准直镜L2的输出光的偏振主轴与偏振分光棱镜LP的光轴成45°，该偏振主轴是指输出光电场(椭圆)偏振态的长轴或短轴方向(与所用单模保偏光纤的主轴或快轴/慢轴对应)；偏振分光棱镜LP分出的平行偏振光(e光)和垂直偏振光(o光)分别传输到第一聚焦透镜L3和第二聚焦透镜L4，该平行偏振光(e光)是指电场偏振方向平行于偏振分光棱镜LP光轴的光分量，该垂直偏振光(o光)是指电场偏振方向垂直于偏振分光棱镜LP光轴的光分量；第一光电转换器4和第三光电转换器7分别位于第一聚焦透镜L3和第二聚焦透镜L4的焦平面上，即分别位于平行偏振光(e光)和垂直偏振光(o光)的聚焦点上；这样，第一聚焦透镜L3和第二聚焦透镜L4分别将偏振分光棱镜LP分出的平行偏振光(e光)和垂直偏振光(o光)聚焦到第一光电转换器4和第三光电转换器7的光敏面上，使来自第一光准直镜L1和第二光准直镜L2的平行偏振光(e光)在第一光电转换器4的光敏面处合束并产生干涉，来自第一光准直镜L1和第二光准直镜L2的垂直偏振光(o光)在第三光电转换器7的光敏面处合束并产生干涉；第一反射镜R1和第二反射镜R2均是反射率为0.2透射率为0.8的介质膜反射镜，第一反射镜R1位于来自第二光准直镜L2的平行偏振光光路上，第一反射镜R1的反射面与平行偏振光光线成45°，第一反射镜R1的反射光传输到第二光电转换器5；第二反射镜R2位于来自第二光准直镜L2的垂直偏振光光路上，第二反射镜R2的反射面与垂直偏振光光线成45°，第二反射镜R2的反射光传输到第四光电转换器8；第一光电转换器4、第二光电转换器5、第三光电转换器7和第四光电转换器8的电信号输出端分别连接到数据采集处理系统6的第一输入端、第二输入端、第三输入端和第四输入端；数据采集处理系统6是指能用其第二输入端的信号脉冲作为采样控制信号，对其第一输入端、第二输入端、第三输入端和第四输入端的电信号按脉冲顺序采样，并用所采样值按采样顺序计算出来自光干涉器3第一输入端的光强的数据采集与处理系统。其它与实施例一的构成相同。

实施例三：本光纤脉栅分布传感装置的构成与实施例一构成的不同在于低相干脉冲光源1和光放大器2的不同：(1)本实施例中，低相干脉冲光源1是飞秒激光光源或超短脉冲光源；该飞秒激光光源或超短脉冲光源的光脉冲宽为300fs，中心波长800nm，光谱宽10nm，脉冲能量小于1nJ，重复频率1kHz；(2)本实施例中，光放大器2是能放大750～850nm波长光的行波半导体光放大器。第一光电转换器4和第二光电转换器5输出到数据采集处理系统6的电信号是对应于敏感物质或传感光纤Fs的分布反射光的包络分布。其它与实施例一的构成相同。

实施例四：本光纤脉栅分布传感装置的构成与实施例一构成的不同在于：(1)本实施例中，光分路器C1输出端和光耦合器C3输入端之间的连接光纤F1、光耦合器C3输出端和光放大器2输入端之间的连接光纤F2、光放大器2输出端和光耦合器C3输入端之间的连接光纤F3、光耦合器C3输出端和光干涉器3第二输入端之间的连接光纤F4、光环行器C2第二输出端和光干涉器3第一输入端之间的连接光纤F5、光纤分路器C4和光纤合路器C5之间的连接光纤F6均是单模光纤或单模保偏光纤；(2)本实施例中，光分路器C1是耦合比为90∶10的1×2保偏光纤耦合器，光环行器C2是保偏光纤环行器或是2×1的保偏光纤耦合器，光耦合器C3是耦合比为50∶50的2×2保偏光纤耦合器，光放大器2是行波半导体光放大器，光分路器C1、光环行器C2、光耦合器C3的隔离度均大于40dB。其它与实施例一的构成相同。

实施例五：参见图4，本光纤脉栅分布传感装置的构成与实施例一构成的不同在于光干涉器3中的光分路和光合路不同：本实施例中，(1)第三反射镜R3代替了实施例一中的光纤分路器C4，第四反射镜R4代替了光纤合路器C5，其它器件(如第一光电转换器4、第二光电转换器5及数据采集处理系统6)与实施例一的相同；(2)光干涉器3第一输入端和第二输入端的光线垂直并相交；第三反射镜R3是反射率0.1透射率0.9的介质膜反射镜并位于光干涉器3第二输入端的光路上，第三反射镜R3的反射面与光线成45°，第三反射镜R3的反射光传输到第二光电转换器5；第四反射镜R4是反射率0.2透射率0.8的介质膜反射镜并位于光干涉器3第一输入端和第二输入端的光路交点上，第四反射器R4的反射面与光线成45°；来自光干涉器3第一输入端和第二输入端的光在第四反射器R4处合束后再传输到第一光电转换器4。其它与实施例一的构成相同。这样构成了至少能合束两束光并产生干涉的干涉仪。

本发明利用脉栅的层析和分布测量能力，以及相干检测的高灵敏度、自放大和解调简单等特点，在光纤上实现分布传感。该装置可用于大范围温度、应变或振动等的分布传感或层析成像。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.光纤脉栅分布传感装置，所述脉栅是不同脉冲的载波之间有相同初相位或有确定相位差的低相干性脉冲串或序列；所述传感装置包括低相干脉冲光源(1)、光分路器(C1)、光环行器(C2)、光耦合器(C3)、光放大器(2)和光干涉器(3)；其特征在于：低相干脉冲光源(1)的脉冲光输出端连接到光分路器(C1)的输入端；光分路器(C1)的一个输出端连接到光耦合器(C3)的一个输入端，光分路器(C1)的另一个输出端连接到光环行器(C2)的输入端；光环行器(C2)第一输出端的输出光传输到敏感物质，光环行器(C2)的第二输出端连接到光干涉器(3)的第一输入端；光耦合器(C3)的一个输出端连接到光放大器(2)的输入端，光放大器(2)的输出端连接到光耦合器(C3)的另一个输入端，光耦合器(C3)的另一个输出端连接到光干涉器(3)的第二输入端。

2.根据权利要求1所述的传感装置，其特征在于：所述光环行器(C2)的第一输出端连接有传感光纤(Fs)；所述传感光纤(Fs)是单模光纤或单模保偏光纤；所述光干涉器(3)是能合束至少两束光的干涉仪。

3.根据权利要求1所述的传感装置，其特征在于：所述光干涉器(3)包括光纤分路器(C4)、光纤合路器(C5)、第一光电转换器(4)、第二光电转换器(5)和数据采集处理系统(6)；所述光纤分路器(C4)的输入端是所述光干涉器(3)的第二输入端，光纤合路器(C5)的一个输入端是光干涉器(3)的第一输入端，光纤分路器(C4)的一个输出端连接到光纤合路器(C5)的另一个输入端，光纤分路器(C4)的另一个输出端连接到第二光电转换器(5)，光纤合路器(C5)的输出端连接到第一光电转换器(4)，第一光电转换器(4)和第二光电转换器(5)的输出端分别连接到数据采集处理系统(6)的第一输入端和第二输入端。

4.根据权利要求1所述的传感装置，其特征在于：所述光干涉器(3)包括第一光准直镜(L1)、第二光准直镜(L2)、偏振分光棱镜(LP)、第一反射镜(R1)、第二反射镜(R2)、第一聚焦透镜(L3)、第二聚焦透镜(L4)、第一光电转换器(4)、第二光电转换器(5)、第三光电转换器(7)、第四光电转换器(8)、数据采集处理系统(6)；第一光准直镜(L1)和第二光准直镜(L2)的输入端分别为所述光干涉器(3)的第一输入端和第二输入端，第一光准直镜(L1)和第二光准直镜(L2)的输出光均正入射到偏振分光棱镜(LP)，偏振分光棱镜(LP)分出的平行偏振光e光和垂直偏振光o光分别传输到第一聚焦透镜(L3)和第二聚焦透镜(L4)，第一光电转换器(4)和第三光电转换器(7)分别位于第一聚焦透镜(L3)和第二聚焦透镜(L4)的焦平面上；第一反射镜(R1)位于来自第二光准直镜(L2)的平行偏振光e光光路上，第一反射镜(R1)的反射光传输到第二光电转换器(5)；第二反射镜(R2)位于来自第二光准直镜(L2)的垂直偏振光o光光路上，第二反射镜(R2)的反射光传输到第四光电转换器(8)；第一光电转换器(4)、第二光电转换器(5)、第三光电转换器(7)和第四光电转换器(8)的输出端分别连接到数据采集处理系统(6)的第一输入端、第二输入端、第三输入端和第四输入端。

5.根据权利要求1所述的传感装置，其特征在于：所述低相干脉冲光源(1)是飞秒激光光源或超短脉冲光源，或是有宽光谱的脉冲光源，或是由宽光谱光源和光调制器构成的光源；所述低相干脉冲光源(1)的光脉冲宽小于光脉冲两次经过光放大器(2)的时间问隔；所述飞秒激光光源或超短脉冲光源的光脉冲宽小于100ps；所述宽光谱光源的光输出到光调制器的输入端，光调制器的输出光是所述低相干脉冲光源的输出光；所述宽光谱的谱宽大于200pm。

6.根据权利要求1所述的传感装置，其特征在于：所述光分路器(C1)是光纤耦合器；所述光环行器(C2)是光纤环行器或光纤耦合器；所述光耦合器(C3)是耦合比为50∶50的2×2光纤耦合器；所述光放大器(2)是放大倍数大于2的光纤放大器或半导体光放大器；所述光纤环行器是保偏光纤环行器。

7.根据权利要求3所述的传感装置，其特征在于：所述光纤分路器(C4)或所述光纤合路器(C5)是光纤耦合器。

8.根据权利要求6或7所述的传感装置，其特征在于：所述光纤耦合器是保偏光纤耦合器。

9.根据权利要求4所述的传感装置，其特征在于：所述第一反射镜(R1)和第二反射镜(R2)是部分反射部分透射的介质膜反射镜；所述偏振分光棱镜(LP)是格兰.傅科棱镜或格兰.汤普森棱镜，或是尼科尔棱镜，或是洛匈棱镜；所述第二光准直镜(L2)的输出光的偏振主轴与偏振分光棱镜(LP)的光轴成45°。

10.根据权利要求3或4所述的传感装置，其特征在于：所述数据采集处理系统(6)是指能用其第二输入端的信号脉冲作为采样控制信号，对其第一输入端、第二输入端、或/和第三输入端和第四输入端的电信号按脉冲顺序采样，并用所采样值按采样顺序计算出来自光干涉器(3)第一输入端的光强的数据采集与处理系统。

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