CN103344184B - 基于线性腔多波长光纤激光器的自混合波分复用多通道位移传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于线性腔多波长光纤激光器的自混合波分复用多通道位移传感系统，其特征是采用线性腔多波长光纤激光器用于产生多波长激光，并配合多通道密集波分复用单元产生各通道具有独立波长的λ₁，λ₂，λ₃……λ_n多路光束；多通道收集与耦合单元出射多路光束，并以各独立通道一一对应地接收来自被测物体散射面的反馈光信号形成激光自混合信号；多通道信号处理单元中以光电探测器接收独立波长的多通道自混合光信号并转换为电信号，由信号处理单元中后级电路处理自混合信号。本发明测量精度高、工作性能稳定，应用场合广泛，特别是远距离多通道测量。

Description

基于线性腔多波长光纤激光器的自混合波分复用多通道位移传感系统

技术领域

本发明涉及一种光学干涉位移传感技术，特别涉及一种自混合位移传感技术。

背景技术

光学位移传感技术有抗电磁干扰、高灵敏度、大动态范围、易复用、可应用于高温高压、易燃易爆等恶劣环境等优势，可充分解决传统机电型位移传感器所存在的主要问题。干涉位移传感技术中较为常见的外差干涉位移传感技术包含有分光单元、汇聚单元，并且各单元中的光学器件之间需要精密准直。激光自混合技术相对于传统外差型干涉测量技术具有易于准直，结构紧凑、灵巧等特点。同时基于光纤激光器的自混合位移传感技术，更是具有光纤的可饶性所带来的小型化、集约化优势以及散热快、损耗低、较高的上转换效率和低激光阈值的特点，适用于复杂环境以及需多点测量的场合。

多波长激光器作为多通道光源的激光自混合干涉原理如图5所示，干涉系统由多波长激光器和外部反射物体组成。反馈光存在的时候可以通过改变激光器腔内的光子密度进而调制激光器本身的频率和强度，形成了自混合干涉。多波长激光器经密集波分复用系统分为具有独立波长为λ_i的多通道光束。第i通道光束的内腔长度为L_i0，激光器前镜面18和激光器后镜面19的反射系数分别为r_i1和r_i2，目标物体散射端面20的反射系数为r_i3，L_iext为各通道激光器外腔长度，n为激光介质的折射率。各通道的初始的光场为E_i0，自混合干涉后光场为E_i(t)。激光器总光场E（t）为：

$E=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{E}_i\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{i1}{r}_{i2}\exp \{-j4\mathrm{\π}{v}_i\frac{n{L}_{i0}}{c}+(g_i-{\mathrm{\γ}}_i)L_{i0}\}{E}_{i0}---\left(2\right)$

$+r_{i1}(1-{r_{i2}}^2)\exp \{-j4\mathrm{\π}{v}_i\frac{n{L}_{i0}+L_{\mathrm{iext}}}{c}+(g_i-\mathrm{\γ})L_{i0}\}{E}_{i0}$

式（2)中g_i为激光腔内波长为λ_i在单位长度引起的线性增益,γ_i为波长为λ_i激光腔内单位长度的损耗,ν_i为波长为λ_i的激光振荡频率。由于激光器阈值增益被反馈光调制，激光输出功率比例于激光阈值增益，因此，激光的输出功率被反馈光调制，输出的光功率可表示为:

$I=\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i=\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{i0}\[1+m_i\cos \left(4\mathrm{\π}\frac{L_{i0}+\mathrm{\Δ}{L}_i\left(t\right)}{{\mathrm{\λ}}_i}\right)\]=\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{i0}\[1+m_i\cos (2\mathrm{\π}{f}_i\left(t\right)+{\mathrm{\φ}}_i)---\left(3\right)$

这里第i通道调制系数mi在工作条件一定时为比例于反馈强度的常数。L_i0，ΔL_i(t)是第i通道的外界反馈物散射面初始外腔长和外腔长随时间的变化，f_i(t)是第i通道干涉条纹变化频率，φ_i是第i通道的初始相位，I_i0为第i通道激光器没有外腔反馈时的激光强度。其中激光强度I_i0和干涉条纹变化频率f_i(t)可由光功率计和频谱仪测定，由此可以获得外界反馈物散射面位移随时间的变化为线性腔多波长激光器输出的多波长激光通过密集波分复用系统后，各位移传感通道可获得具有单一独立波长的自混合信号以满足对各通道的独立检测。密集波分复用带来的多通道位移传感技术能直接解决单激光器进行多点测量时扫描时间过长的技术难题。

目前进行多通道测量的光纤型激光自混合位移传感技术主要采用环形腔光纤激光器作为光源，主要存在如下三个方面问题：

1、由于模式间隔与腔长成反比，环形腔光纤激光器的腔体较长产生多纵模以及纵模间跳模现象。跳模引起激光器输出功率，输出频率不稳定，影响激光器位移传感的测量精度。

2、腔内光子传播时间与光子寿命的比值决定位移传感灵敏度。其比值越大，灵敏度越低。环形腔光纤激光器的腔体较长会降低位移传感灵敏度限制在远距离位移传感中的应用。

3、环形腔光纤激光器较低弛豫振荡峰严重制约着激光自混合位移传感技术的动态测量范围，引起测量带宽受限等诸多问题。在环形腔多波长激光器的弛豫振荡峰频率受泵浦功率影响在20-140kHz之间变化，限制了后级处理电路的带宽范围。当位移变化频率υ(t)在过弛豫振荡峰频率附近时，会造成无法响应、造成动态带宽受限。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种测量精度更高、工作性能更加稳定，应用场合广泛，特别是远距离测量的基于线性腔多波长光纤激光器的自混合波分复用多通道位移传感系统。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明基于线性腔多波长光纤激光器的自混合波分复用多通道位移传感系统的特点是：采用线性腔多波长光纤激光器用于产生多波长λ₁，λ₂，λ₃……λ_n激光；设置第一密集波分复用单元和第二密集波分复用单元作为分波长器件；所述线性腔多波长光纤激光器配合所述第一密集波分复用单元以及多通道光收集与耦合单元出射各通道分别具有独立波长的λ₁，λ₂，λ₃……λ_n多通道光束，并通过所述多通道光收集与耦合单元以各独立通道一一对应地接收来自各被测物体散射面的反馈光信号形成激光自混合信号；

以所述第二密集波分复用单元对于线性腔多波长光纤激光器的输出信号进行分波以获得各自独立的多道通自混合光信号，设置多通道信号处理单元以其光电探测器接收来自第二密集波分复用单元的多通道自混合光信号，并转换为各路电输出信号；

由式（1）获得对应于第i通道的被测物体的在时间t内的位移量x_i(t)：

$x_i\left(t\right)=x_i\left(0\right)+\underset{0}{\overset{1}{\∫}}\frac{{\mathrm{\λ}}_i}{2}{f}_i\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

式（1）中，λi是第i通道中的激光波长，i=1,2,3……n，f_i(t)是第i通道干涉条纹变化频率，x_i(0)是第i通道初始外腔长。

本发明基于线性腔多波长光纤激光器的自混合波分复用多通道位移传感系统的结构特点为：

不同中心波长的第一多级光栅和第二多级光栅组成中心波长匹配的光纤光栅对，并分别构成激光器谐振腔的前后端面；泵浦单元出射的泵浦激光由波分复用器引入所述激光器谐振腔内并激发增益介质产生与多级光纤光栅对中心波长匹配的多波长激光；在所述激光器谐振腔内分别设置有用于稳定多波长激光输出的可调谐衰减器和偏振控制器；以所述泵浦激光由波分复用器的输出作为线性腔多波长激光器(1)的第一输出端，用于连接第一密集波分复用单元，以第二多级光栅的输出作为线性腔多波长激光器的第二输出端，用于连接第二密集波分复用单元。

本发明基于线性腔多波长光纤激光器的自混合波分复用多通道位移传感系统的结构特点也为：

以具有不同中心波长的多级光栅为激光器谐振腔的前端面，以宽带反射镜为激光器谐振腔的后端面；泵浦单元出射的泵浦激光由波分复用器引入激光器谐振腔内并激发增益介质产生与多级光栅中心波长匹配的多波长激光；在所述激光器谐振腔内分别设置有用于稳定多波长激光输出的可调谐衰减器和偏振控制器；所述波分复用器件的输出端连接耦合器的输入端；以所述耦合器的两个输出端分别作为线性腔多波长光纤激光器的第一输出端和第二输出端；所述第一输出端和第二输出端分别用于连接第一密集波分复用单元和第二密集波分复用单元；

所述宽带反射镜为全光纤反射镜或宽带介质膜反射镜。

本发明基于线性腔多波长光纤激光器的自混合波分复用多通道位移传感系统的结构特点还可以为：

激光器谐振腔的前端面和后端面均为宽带反射装置，在所述激光器谐振腔内分别设置有用于滤波的选频滤波器、用于稳定多波长激光输出的可调谐衰减器和偏振控制器；泵浦单元出射的泵浦激光由波分复用器引入激光器谐振腔内激发增益介质产生与选频滤波器波长匹配的多波长激光；在波分复用器与可调谐衰减器之间设置耦合器，以所述耦合器的两个输出端分别作为线性腔多波长光纤激光器的第一输出端和第二输出端；所述第一输出端和第二输出端分别用于连接第一密集波分复用单元和第二密集波分复用单元；

所述宽带反射装置为全光纤的反射镜或宽带介质膜反射镜；

所述选频滤波器为法布里—泊罗标准具滤波器、马赫一泽德干涉仪滤波器或萨格纳克环滤波器。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明采用线性腔多波长激光器，其相对于环形腔多波长激光器腔体较短，起振的纵模较少，从而能够实现稳定的多波长输出。结合波分复用系统，各通道输出单一波长激光，可保证基于线性腔多波长激光器自混合位移传感系统的各个通道实现稳定的和准确的位移测量。

2、本发明采用线性腔多波长激光器，腔内光子传播时间与光子寿命的比值较小能够实现更高的测量灵敏度。因此基于线性腔多波长激光器自混合位移传感系统灵敏度相对更高。

3、本发明采用线性腔多波长激光器的弛豫振荡峰(几十到几百MHz)能够实现带宽更宽的测量范围，能够保证大动态范围响应高灵敏度测量。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明中不同中心波长的光纤光栅对线性腔多波长激光器示意图；

图3为本发明中不同中心波长的光纤光栅和宽带反射镜线性腔多波长激光器示意图；

图4为本发明中选频滤波器的多波长激光器示意图；

图5为自混合理论模型；

图中标号：1线性腔多波长光纤激光器；2第一密集波分复用单元；3第二密集波分复用单元；4多通道光收集与耦合单元；5多通道信号处理单元；6被测物体的散射面；7第一输出端；8第二输出端；9泵浦单元；10增益介质；11波分复用器；12可调谐衰减器；13偏振控制器；14前端面；15后端面；14a第一多级光栅；15a第二多级光栅；14b多级光栅；15b宽带反射镜；16选频滤波器；17耦合器；18激光器前镜面；19激光器后镜面；20目标物体散射端面。

具体实施方式

本实例基于线性腔多波长光纤激光器的自混合波分复用多通道传感系统是采用自混合干涉原理的传感器，通过散射光将待测信号反馈回激光器并转换到自混合信号频率、幅度的变化中去，可实现待测信号的抗干扰和保密性强的传输。

如图1所示，采用线性腔多波长光纤激光器1用于产生多波长λ₁，λ₂，λ₃……λ_n激光；设置第一密集波分复用单元2和第二密集波分复用单元3作为分波长器件；线性腔多波长光纤激光器1配合设置第一密集波分复用单元2以及多通道光收集与耦合单元4出射各通道具有独立波长的λ₁，λ₂，λ₃……λ_n多通道光束，并通过多通道光收集与耦合单元4以各独立通道一一对应地接收来自各被测物体6散射面的反馈光信号形成激光自混合信号；以第二密集波分复用单元3对于线性腔多波长光纤激光器1的输出信号进行分波以获得各自独立的多道通自混合光信号，设置多通道信号处理单元5以其光电探测器接收来自第二密集波分复用单元3的多通道自混合光信号，并转换为各路电输出信号；信号处理单元5常规设置有放大、滤波和解调部分。本实例在具体实施中，利用波分复用技术实现多通道激光自混合位移传感。其中第i通道利用对应波长为λ_i的出射光束实现位移传感，与其它通道互不干扰各自独立。

由（1）获得对应于第i通道的被测物体的在时间t内的位移量量x_i(t)：

$x_i\left(t\right)=x_i\left(0\right)+\underset{0}{\overset{1}{\∫}}\frac{{\mathrm{\λ}}_i}{2}{f}_i\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

式（1）中，λi是第i通道中的激光波长，i=1,2,3……n，f_i(t)是第i通道干涉条纹变化频率，x_i(0)是第i通道初始外腔长。通过对外界反馈物体位移信息的测量，可以进一步获得外界反馈物体振动，平动或者转动的信息。

如附图2所示，设置线性腔多波长光纤激光器1为不同中心波长的第一多级光栅14a和第二多级光栅15a组成中心波长匹配的光纤光栅对，并分别构成激光器谐振腔的前后端面；泵浦单元9出射的泵浦激光由波分复用器11引入所述激光器谐振腔内并激发增益介质10产生与多级光纤光栅对中心波长匹配的多波长激光；在所述激光器谐振腔内分别设置有用于稳定多波长激光输出的可调谐衰减器12和偏振控制器13；以泵浦激光由波分复用器11的输出作为线性腔多波长激光器1的第一输出端7，用于连接第一密集波分复用单元2，以第二多级光栅15的输出作为线性腔多波长激光器1的第二输出端8，用于连接第二密集波分复用单元3。

如附图3所示，设置所述的线性腔多波长光纤激光器1为以具有不同中心波长的多级光栅14b为激光器谐振腔的前端面，以宽带反射镜15b为激光器谐振腔的后端面；泵浦单元9出射的泵浦激光由波分复用器11引入激光器谐振腔内并激发增益介质10产生与多级光栅14b中心波长匹配的多波长激光；在所述激光器谐振腔内分别设置有用于稳定多波长激光输出的可调谐衰减器12和偏振控制器13；波分复用器件11的输出端连接耦合器17的输入端；以所述耦合器17的两个输出端分别作为线性腔多波长光纤激光器的第一输出端7和第二输出端8；第一输出端7和第二输出端8分别用于连接第一密集波分复用单元2和第二密集波分复用单元3；宽带反射镜15b为全光纤反射镜或宽带介质膜反射镜。

如图4所示，设置所述线性腔多波长光纤激光器1为激光器谐振腔的前端面14和后端面15均为宽带反射装置，在激光器谐振腔内分别设置有用于滤波的选频滤波器16、用于稳定多波长激光输出的可调谐衰减器12和偏振控制器13；泵浦单元9出射的泵浦激光由波分复用器11引入激光器谐振腔内激发增益介质10产生与选频滤波器16波长匹配的多波长激光；在波分复用器11与可调谐衰减器12之间设置耦合器17，以耦合器17的两个输出端分别作为线性腔多波长光纤激光器的第一输出端7和第二输出端8；第一输出端7和第二输出端8分别用于连接第一密集波分复用单元2和第二密集波分复用单元3；

具体实施中，宽带反射装置为全光纤的反射镜或宽带介质膜反射镜；选频滤波器16为法布里—泊罗标准具滤波器、马赫一泽德干涉仪滤波器或萨格纳克环滤波器。

本实施例中，是以光收集与耦合单元4调节所收集反馈光强度，光收集与耦合单元4可由准直器组、透镜组和光纤球面组构成。

第一密集波分复用单元2和第二密集波分复用单元3是对多波长激光器进行波分复用获得独立的单波长输出以满足对各通道的独立检测，密集波分复用单元可由密集波分复用器、阵列波导光栅等密集分光器件构成。

Claims (4)

1.一种基于线性腔多波长光纤激光器的自混合波分复用多通道位移传感系统，其特征是采用线性腔多波长光纤激光器(1)用于产生多波长λ₁，λ₂，λ₃……λ_n激光；设置第一密集波分复用单元(2)和第二密集波分复用单元(3)作为分波长器件；所述线性腔多波长光纤激光器(1)配合所述第一密集波分复用单元(2)以及多通道光收集与耦合单元(4)出射各通道分别具有独立波长的λ₁，λ₂，λ₃……λ_n多通道光束，并通过所述多通道光收集与耦合单元(4)以各独立通道一一对应地接收来自各被测物体(6)散射面的反馈光信号形成激光自混合信号；

以所述第二密集波分复用单元(3)对于线性腔多波长光纤激光器(1)的输出信号进行分波以获得各自独立的多道通自混合光信号，设置多通道信号处理单元(5)以其光电探测器接收来自第二密集波分复用单元(3)的多通道自混合光信号，并转换为各路电输出信号；

由式(1)获得对应于第i通道的被测物体的在时间t内的位移量x_i(t)：

$x_t\left(t\right)=x_i\left(0\right)+\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\frac{{\mathrm{\λ}}_i}{2}{f}_i\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

式(1)中，λi是第i通道中的激光波长，i＝1,2,3……n，f_i(t)是第i通道干涉条纹变化频率，X_i(0)是第i通道初始外腔长。

2.根据权利要求1所述的基于线性腔多波长光纤激光器的自混合波分复用多通道位移传感系统，其特征是所述线性腔多波长光纤激光器(1)的结构设置为：

不同中心波长的第一多级光栅(14a)和第二多级光栅(15a)组成中心波长匹配的光纤光栅对，并分别构成激光器谐振腔的前后端面；泵浦单元(9)出射的泵浦激光由波分复用器(11)引入所述激光器谐振腔内并激发增益介质(10)产生与多级光纤光栅对中心波长匹配的多波长激光；在所述激光器谐振腔内分别设置有用于稳定多波长激光输出的可调谐衰减器(12)和偏振控制器(13)；以所述泵浦激光由波分复用器(11)的输出作为线性腔多波长光纤激光器(1)的第一输出端(7)，用于连接第一密集波分复用单元(2)，以第二多级光栅(15)的输出作为线性腔多波长光纤激光器(1)的第二输出端(8)，用于连接第二密集波分复用单元(3)。

3.根据权利要求1所述的基于线性腔多波长光纤激光器的自混合波分复用多通道位移传感系统，其特征是所述线性腔多波长光纤激光器(1)的结构设置为：

以具有不同中心波长的多级光栅(14b)为激光器谐振腔的前端面，以宽带反射镜(15b)为激光器谐振腔的后端面；泵浦单元(9)出射的泵浦激光由波分复用器(11)引入激光器谐振腔内并激发增益介质(10)产生与多级光栅(14b)中心波长匹配的多波长激光；在所述激光器谐振腔内分别设置有用于稳定多波长激光输出的可调谐衰减器(12)和偏振控制器(13)；所述波分复用器(11)的输出端连接耦合器(17)的输入端；以所述耦合器(17)的两个输出端分别作为线性腔多波长光纤激光器的第一输出端(7)和第二输出端(8)；所述第一输出端(7)和第二输出端(8)分别用于连接第一密集波分复用单元(2)和第二密集波分复用单元(3)；

所述宽带反射镜(15b)为全光纤反射镜或宽带介质膜反射镜。

4.根据权利要求1所述的基于线性腔多波长光纤激光器的自混合波分复用多通道位移传感系统，其特征是所述线性腔多波长光纤激光器(1)的结构设置为：

激光器谐振腔的前端面(14)和后端面(15)均为宽带反射装置，在所述激光器谐振腔内分别设置有用于滤波的选频滤波器(16)、用于稳定多波长激光输出的可调谐衰减器(12)和偏振控制器(13)；泵浦单元(9)出射的泵浦激光由波分复用器(11)引入激光器谐振腔内激发增益介质(10)产生与选频滤波器(16)波长匹配的多波长激光；在波分复用器(11)与可调谐衰减器(12)之间设置耦合器(17)，以所述耦合器(17)的两个输出端分别作为线性腔多波长光纤激光器的第一输出端(7)和第二输出端(8)；所述第一输出端(7)和第二输出端(8)分别用于连接第一密集波分复用单元(2)和第二密集波分复用单元(3)；

所述宽带反射装置为全光纤的反射镜或宽带介质膜反射镜；

所述选频滤波器(16)为法布里—泊罗标准具滤波器、马赫一泽德干涉仪滤波器或萨格纳克环滤波器。