CN102607736A - 一种光纤光栅结合布里渊散射信号检测的传感结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤光栅结合布里渊散射信号检测的传感检测结构，包括（波长可调）窄带光源、光耦合器、射频光调制器、脉冲光调制器、光带通滤波器、EDFA光放大器、光环形器或光双向耦合器、光耦合器、光纤光栅阵列、光偏振控制器、光纤、光电检测器、电子处理器。利用（波长可调）光源和射频光调制使得光产生精确的波长/频率控制，一起实现对光纤布拉格光栅（FiberBraggGrating，FBG，简称光纤光栅）反射光和布里渊(Brillouin)散射光进行光谱检测，实现对光纤光栅和布里渊散射的精确传感检测；通过检测光纤布里渊散射光可实现分布式的温度、应变等测量，利用光纤布拉格光栅可进行点式的温度、应变等测量，从而实现光纤光栅和布里渊散射信号共同检测的多参量多功能光纤传感器结构。

Description

一种光纤光栅结合布里渊散射信号检测的传感结构

技术领域

本发明涉及光纤布拉格光栅传感和布里渊分布式光纤传感，属于光纤传感技术领域。

背景技术

在分布式光纤传感领域中，拉曼分布式温度传感器的实际应用较为成熟，而布里渊分布式传感器的应用存在一些技术难点。例如专利1973178公开了一种分布式光纤传感器，是一类利用布里渊散射现象测定变形或温度的分布式光纤传感器；专利102109362A公开了一种采用光纤布里渊频移器的分布式光纤布里渊传感器，是一类利用光纤的布里渊散射的频移效应、布里渊散射光的应变/温度效应和光时域分析原理制成的分布式光纤传感器。但是这些公开仅限于对布里渊散射长距离分布式的检测，没有涉及到分布式光纤传感和其他光纤传感的有机结合。

国内有一些专利也公开了分布式光纤布里渊散射检测的改进方法，如101852655A公开的分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器，其特征是利用基于光纤非线性光学散射的融合原理和波分复用原理，利用背向光纤自发反斯托克斯和斯托克斯拉曼散射光强度比来测光纤温度以改良分布式布里渊散射传感系统，提高系统的信噪比，改善了测量精度。但是没有涉及点式传感和分布式传感结合的改进方法。

长距离布里渊分布式光纤传感方法也有被提出，（范胜利，宋牟平，基于光相干外差检测的布里渊散射DOFS的研究：光子学报，233-236，2005），利用了应用光相干和外差技术来检测布里渊散射光信号，实现了长距离布里渊散射分布式光纤传感系统。

发明内容

本发明的目的是提出一种光纤光栅结合布里渊散射信号检测的传感结构。

本发明所要解决的技术问题是提供一种成本低、易实现的光纤光栅和光纤布里渊背向散射同时检测的传感结构。本发明基于电信号的频率可以实现高精度控制的条件下，采用射频电信号光调制产生高精度的光频移，结合可调波长窄带光源，可实现高性价比的光纤光栅和布里渊散射信号同时检测的技术方案。

本发明的一种光纤光栅结合布里渊散射信号检测的传感结构，包括（波长可调）窄带光源、光耦合器I、射频光调制器、脉冲光调制器、光带通滤波器、光放大器、光环形器或光双向耦合器、光纤光栅阵列、光偏振控制器、光纤、光耦合器II、光电检测器、电子处理器；（波长可调）窄带光源发出光，并与光耦合器相连，光经过光耦合器后分两路，一路通过射频光调制器产生高精度光频率移动，再通过脉冲光调制器、光带通滤波器、光放大器、光环形器或光双向耦合器接入光纤，从光纤光栅阵列返回的信号光和从光纤中返回的布里渊散射信号光经环行器或光耦合器到达光电检测器进行探测；必要时从光源出来的另一路光，经偏振控制器与信号光经双向耦合器汇合后，进行光相干检测，利用光相干检测来提高检测信噪比，光电检测器连电子处理器。

上述的传感检测结构中，可用于同时检测光纤光栅反射信号和光纤布里渊背向散射信号。

上述的传感检测结构中，可以通过光耦合器从光源引一路参考光，经过偏振控制器到光电检测器，来实现光相干检测，以提高检测信噪比。

本发明利用光纤布拉格光栅的中心波长随外界传感量的变化来进行点式传感检测；利用光纤布里渊散射光的中心波长随外界传感量的变化来进行分布式传感检测；通过相互补偿来提高检测精度，并实现多参量传感。

（波长可调）窄带光源产生的直流光进入光耦合器并分为两路，一路探测光经过射频光调制器得到波长/频率精确可调的激光，再经过脉冲光调制器可得到光脉冲，经过光带通滤波器滤出所需频率光，再经光放大器进入光环行器（光双向耦合器），从光环行器（光双向耦合器）一端进入的光信号进入光纤并在光纤上传播（其间同时经过光纤光栅阵列），经光纤光栅反射返回的光信号和由光纤中返回的布里渊散射信号回到光环行器（光双向耦合器），进入光电检测器；光耦合器出来的光源的另一路光经过光偏振控制器调整后进入光电检测器，可实现需要的光相干检测。利用相干检测来提高检测信噪比。利用如下的光纤布里渊背向散射频移公式                                                

得到整个分布式光纤上的信息。在此基础上行，利用如下的光纤光栅频移公式

得到更精确的点式光纤光栅处的信息。

与现有技术和方案相比，本发明的优点在于

1、本发明的检测结构在分布式布里渊光纤传感结构的基础上，利用点式光纤光栅阵列对固定位置同时进行了精确的检测，使得整个传感系统在功能上更进一步；2、由于使用了（波长可调）光源和射频光调制来实现光频移，可以用来扩大波长/频率移动范围和精确频移；3、结构中可方便加入光相干检测，以提高检测信噪比； 4，更为精确的光纤光栅的检测可以为长距离的分布式传感做参考，尽量减少传感光纤各段初始信息（如温度信息）不一致引起的测量误差，并实现多机理多参量光纤传感。

附图说明

图1是本发明的一种光纤光栅结合布里渊散射信号检测的传感结构的示意图。

具体实施方式

参照图1，本发明包括（波长可调）窄带光源1、光耦合器2、射频光调制器3、脉冲光调制器4、光带通滤波器5、光放大器6、光环形器或双向耦合器7、光纤8、光纤光栅阵列9、光偏振控制器10、光耦合器11、光电检测器12、电子处理器13。（波长可调）窄带光源1与光耦合器2相连，通过射频光调制器3来调节光波长/或频率，再通过脉冲光调制器4、光带通滤波器5、光放大器6、光环形器或光双向耦合器7接入带光纤光栅的传感光纤，其光纤光栅反射光和布里渊散射光进入光耦合器11到光电检测器12，光耦合器2经光偏振控制器10到光耦合器11进入光电检测器12，可实现光相干检测，光电检测器12连电子处理器13。

（波长可调）窄带光源产生的光进入光耦合器分两路，一路探测光经过射频光调制器得到精确波长精确可调的激光。探测光经脉冲光调制器产生光脉冲，经过带通滤波器、光放大器进入光双向耦合器。从光双向耦合器一端进入的光信号直接到带有光栅的光纤，探测光信号沿光纤传播，光纤光栅阵列反射的信号光和光纤背向布里渊散射的信号光一起到达双向耦合器，并进入光电检测系统；耦合器出来的另一路光经过偏振控制器调整后直接进入光电检测器与探测光汇合，可实现光相干检测。

本发明光纤光栅和布里渊背向散射同时检测的工作方式为：通过分布式布里渊传感系统进行全尺度检测，实现结构损伤定位和较低精度定量，同时通过FBG系统对关键位置高精度准确定量测量。窄带光源1的波长可调的作用是扩大光波长/频率的移动范围，用于光纤光栅的检测，射频光调制器3的作用是进行光的高精度波长/频率移动，一方面用于高精度的光纤光栅传感，另一方面用于布里渊分布式光纤传感的频移。通过两种传感的相互补偿来提高信噪比，并实现多机理多参量光纤传感。 

Claims (5)

1.一种光纤光栅结合布里渊散射信号检测的传感检测结构，其特征是包括（波长可调）窄带光源（1）、光耦合器（2）、射频光调制器（3）、脉冲光调制器（4）、光带通滤波器（5）、光放大器（6）、光环形器（7）、光耦合器（11）、光电检测器（12）、电子处理器（13），（波长可调）窄带光源（1）与光耦合器（2）相连，其光耦合器（2）通过射频光调制器（3）连接到脉冲光调制器（4），并依次连接到光带通滤波器（5）和光放大器（6）, 光放大器（6）和光环形器（7）相连，光环形器（7）一端和接入了光纤光栅阵列（9）的光纤（8），另一端和光耦合器（11）的一端相连；光耦合器（2）另一端和光偏振控制器（10）相连并接入光耦合器（11），光耦合器（11）和光电检测器（12）相连并接入电子处理器（13）。

2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅结合布里渊散射信号检测的传感结构，其特征是所述的光纤光栅阵列的反射信号和长距离光纤的散射信号同时可被检测。

3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅结合布里渊散射信号检测的传感结构，其特征是和光环形器链接的光纤光栅阵列和光纤可替换为刻有光纤光栅的长距离光纤。

4.根据权利要求3所述的一种光纤光栅结合布里渊散射检测的传感结构，其特征是刻在光纤上的光栅阵列的反射信号和长距离光纤的散射信号也可被同时检测。

5.根据权利要求1所述的一种光纤光栅结合布里渊散射信号检测的传感结构，其特征是光环形器还可替换为双向光耦合器。

Images