CN103575313B - 基于拍频技术的多纵模环形腔激光传感器频分复用装置 - Google Patents
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Abstract
基于拍频技术的多纵模环形腔激光传感器频分复用装置，涉及光纤传感测量，本发明为了解决现有的多位置测量性价比低以及泵浦光转换效率低问题，本发明包括泵浦光源、光纤隔离器、波分复用器、光电探测器、1*M耦合器、检测单元和M个多纵模环形腔激光传感器，多纵模环形腔激光传感器包括环形结构、光纤耦合器和光纤光栅，泵浦光源、光纤隔离器、波分复用器依次串接在光路中，波分复用器的光输出端与1*M耦合器的光输入端连通，M个多纵模环形腔激光传感器的光输入端同时与1*M耦合器连通，波分复用器的传感信号的输出端与光电探测器的传感信号的输入端连通,光电探测器的检测信号的输出端与检测单元连通。本发明适用于多位置实时监测。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感测量技术领域，它涉及动态物理量监测、多位置实时监测的分布式传感领域。
背景技术
G.A.Ball首先提出拍频解调这个概念，它利用一个短腔、单频的光纤光栅激光器里面存在的两个正交拍频模式，通过测量两束正交偏振激光干涉产生的拍频信号频率，得到应力与拍频频率漂移响应为-4.1MHz/με。随后J.T.Kringlebotn利用作用在有源光纤上的横向压力可以改变腔内正交偏振激光波长，从而改变拍频信号的频率，实现了对压力的测量，并且消除了温度对测量的影响。O.Hadeler利用铒钇共掺偏振激光器也实现了温度和应力的同时测量，并给出了理论解释。
光纤激光传感器特别是光纤光栅激光传感器是在普通无源光纤光栅传感器的基础上，将光纤光栅写到有源光纤上或者写入到两光纤光栅之间，形成有效的，具有增益性质的激光谐振腔。当外界物理量发生变化时，出射的激光波长、偏振或者模式发生相应变化，通过检测这些激光参量的变化，即可实现测量监测物理量的目的。光纤激光传感器具有价格低廉、轻便、耐酸碱、抗腐蚀和抗电磁干扰等优良特性。按照激光传感器的检测方式不同，目前主要分为相位型激光传感器和偏振型激光传感器。
光纤干涉型激光传感器虽然有超高的精度，但是它需要一套复杂的光学干涉设备去完成波长到相位的转换。理论上，臂长差越大，波长－相位的响应越大，在相位解调装置的相位分辨率一定的情况下，精度就越高。但是事实却经常与之相反，较长的臂长差也耦合进了更多的环境噪声，使得激光传感器的精度降低。因此实际上，这种干涉解调仪的理论精度很难实现，除非超高精度的温度控制装置被用来控制干涉仪周围的温度场分布，但是这样大大增加了系统的造价。
光纤偏振型激光传感器给出了一个新的思路，一般光纤非理想圆形，短的光纤激光器一般会产生两个正交的偏振光，这两个光在光纤激光腔内的光程不同，导致两束激光有两个不同的波长。由于它们是在同一激光腔内形成的两束正交偏振激光，所以他们之间有很好的相干性。利用光纤偏振器与两正交偏振光成45度角方向将两束光相干叠加，通过检测相干产生的拍频信号的频率漂移得到传感信息。
利用多纵模光纤激光传感器的优良性能，结合动态拍频解调技术可实现低成本、结构简单、具有动态解调能力的高性能传感器。期刊optics communication在2013年刊登了“Simultaneous measurement of strain and temperature with a multi-longitudinal modeerbium-doped fiber laser”提出利用多纵模掺铒光纤激光传感器进行应力和温度的同时测量。利用多纵模光纤激光传感器对温度和腔长变化的交叉敏感，实现对温度和应变同时测量。公开号为CN102003970的中国专利“光纤激光器动态信号解调方法”提出电子拍频解调方式实现模式间产生拍频信号的解调，实现传感信号的动态解调能力。公开号为CN102636203的中国专利“一种基于双波长拍频技术的光纤光栅传感解调装置”提出一种基于双波长拍频技术的光纤传感解调装置，利用光栅制作的法布里-珀罗腔，结合可调谐带通滤波器，实现单纵模或多纵模环腔激光传感器的解调，克服现有基于拍频技术的传感器的需要在单纵模的条件解调的限制。公开号为CN102706375的中国专利“光纤-无线混合式传感监测系统”提出结合环形腔多纵模光纤激光传感器和无线传感技术的混合式传感单点检测系统。
光纤激光传感技术被广泛应用于压力、折射率、化学及生物溶液的浓度、温度等物理量测量上。但是由于实际需要的是多位置物理量测量，而且要求实时性，这就需要多个多纵模环形腔激光传感器，而每一个多纵模环型腔激光传感器对应需要一个光源及一套解调光路，结果在多位置实时测量中需要多个光源及解调光路，造成成本高且资源的大量浪费。
多纵模环型腔激光传感器由于只用一个光纤光栅作为选波器件，并结合3dB耦合器实现谐振腔制作，这简化了多纵模环型腔激光传感器的制作难度，降低了信号由于额外的相位匹配和波长谐振匹配引入的噪声，提高了信噪比，削弱了四波混频噪声。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有多位置测量中需要多个多纵模环形腔激光传感器，而每一个多纵模环形腔激光传感器对应需要一个光源及解调光路，这造成其使用成本高和资源浪费的问题，提供一种基于拍频技术的多纵模环形腔激光传感器频分复用装置。
基于拍频技术的多纵模环形腔激光传感器频分复用装置，它包括泵浦光源、光纤隔离器、波分复用器、光电探测器、1*M耦合器、检测单元和M个多纵模环形腔激光传感器，M为大于1的整数，多纵模环形腔激光传感器包括环形结构、光纤耦合器和光纤光栅，环形结构的两个端口同时与光纤耦合器连通，光纤耦合器与光纤光栅依次串接在光路中，泵浦光源、光纤隔离器、波分复用器依次串接在光路中，波分复用器的光输出端与1*M耦合器的光输入端连通，M个多纵模环形腔激光传感器的光输入端同时与1*M耦合器连通，波分复用器的传感信号的输出端与光电探测器的传感信号的输入端连通,光电探测器的检测信号的输出端与检测单元的检测信号的输入端连通。
本发明通过一个光源及解调光路实现了同时获取M个多纵模环形腔激光传感器传感信号的输出，实现了M个传感探头的复用。解决了现有单个多纵模环形腔激光传感器无法同时获知多位置物理量，且多个多纵模环形腔激光传感器需要多个光源及解调光路的问题。实现多传感器并联复用，每个传感器独立测量，提高激光带宽的利用率，实现传感器超长距离监测、多位置实时监测以及信号位置快速定位的能力。降低了应用传感器阵列的成本，使传感技术的应用更加经济实用。将3dB耦合器的两个50%输出端连接构成环形结构，并以此环形结构和光纤光栅构成谐振腔的两个腔镜。由于采用单光栅结构，减少了传统的双光栅传感器中光栅之间的相位匹配和波长谐振噪声，进一步提高信噪比。同时无需制作两个参数一致光栅，降低了制作难度，进一步提升了激光传感器的实用性。
本发明重点在提出一种基于拍频技术的多纵模环形腔激光传感器频分复用装置，装置中的传感器为利用3dB耦合器、掺铒光纤和光纤光栅构成的多纵模环形腔激光传感器。利用传感器产生的多个纵模干涉形成拍频信号作为传感复用信号，解调方式为全电子拍频解调。将多纵模环形腔激光传感器产生的拍频信号通过光电探测器直接转换为电子拍频信号，利用频谱分析仪检测多纵模环形腔激光传感器的拍频频率。不同多纵模环形腔激光传感器是由有效谐振腔长来区别的，不一致的有效谐振腔长导致不同多纵模环形腔激光传感器的拍频频率间隔不一致，即利用频率间隔不同实现区分和定位传感器目的，实现频分复用。该装置的频率间隔设定可以通过改变多纵模环形腔激光传感器谐振腔的有效长度来实现，这使得多纵模环形腔激光传感器拥有更好的环境适应能力，可根据实际需要改变腔长，进一步提升多位置探测的能力。
附图说明
图1为本发明的结构示意图，图2为具体实施方式一中多纵模环形腔激光传感器的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述基于拍频技术的多纵模环形腔激光传感器频分复用装置，它包括泵浦光源1、光纤隔离器2、波分复用器3、光电探测器4、1*M耦合器5、检测单元7和M个多纵模环形腔激光传感器6，M为大于1的整数，多纵模环形腔激光传感器6包括环形结构6-1、光纤耦合器6-2和光纤光栅6-3，环形结构6-1的两个端口同时与光纤耦合器6-2连通，光纤耦合器6-2与光纤光栅6-3依次串接在光路中，泵浦光源1、光纤隔离器2、波分复用器3依次串接在光路中，波分复用器3的光输出端与1*M耦合器5的光输入端连通，M个多纵模环形腔激光传感器6的光输入端同时与1*M耦合器5连通，波分复用器3的传感信号的输出端与光电探测器4的传感信号的输入端连通,光电探测器4的检测信号的输出端与检测单元7的检测信号的输入端连通。
环形结构6-1是利用3dB光纤耦合器6-2的两个50%输出端通过普通光纤（或掺铒光纤）连接构成，3dB光纤耦合器6-2输入端通过普通光纤(或掺铒光纤)连接于光纤光栅6-3上，以此构成多纵模环形腔激光传感器6。
选择多纵模环形腔激光传感器6产生的拍频频率νN作为传感信号，当应变施加到多纵模环形腔激光传感器上时，应变引起的腔长变化将导致激光多纵模的模式间隔的变化，最后表现为拍频传感信号频率的变化，其表达如下：
Pe为光纤有效弹光系数，ε光纤的纵向应变。α为光纤的热膨胀系数，ξ为光纤的热光系数。ε和ΔT分别是施加在光纤上的应变和温度信息。L为谐振腔有效长度，n为光纤谐振腔有效折射率，c为光在真空中的传播速度，N为正整数。通过拍频信号的变化我们能够监测温度或应变的变化。
由于光纤多纵模环型腔激光传感器6只需要一个光栅6-3做为选波器件，所以解决了直腔中两个光栅反射端腔镜波长和光栅反射相位不匹配的问题，因此拥有更高的信噪比和更小的相位噪声。
本发明采用半导体激光器作为泵浦光源，泵浦波长为980nm或1480nm，泵浦光通过具有抑制背向光作用的光纤隔离器到波分复用器980nm端（1480nm端）进入1*M耦合器，1*M耦合器的输入端连接于波分复用器公共端，1*M耦合器的M个输出端分别连接M个传感器探头，传感器探头是多纵模环型腔激光传感器6。泵浦光源980nm(或1480nm)提供光功率达到多纵模传感器阈值时，传感器将输出1550nm波段激光，激光携带传感器的传感信息，以此实现信息传感和传递目的，调节传感器谐振腔长度，实现设定M个传感器拍频信号频率间隔目的，利用拍频频率间隔差异表征不同传感器的测量信息，实现多路传感器复用。将波分复用器的1550端连接于探测器光学端口，探测器为高频光电探测器，探测器将M个传感器的光拍频信号转换为电子信号，通过频率检测，实时得知任意传感器拍频频率变化，实现传感测量目的。
M个多纵模环形腔激光传感器6由于腔长不同所以产生的拍频间隔也不同，传感器布放在任意探测位置，可探测信号包括应力、温度、压力等物理量信息，探测物理量的改变造成光纤谐振腔的有效腔长发生改变，继而导致M个多纵模环形腔激光传感器6产生的激光干涉形成的拍频信号间隔发生改变，即待测信息转换为拍频间隔改变，M个多纵模环形腔激光传感器6自身产生的多纵模激光是相干的，不会因为复用而产生传感器间的交叉干扰，复用传感器信号可耦合到同一光纤通道，不同传感器所产生的频率信息变化可以利用光电探测器4直接捕获，经过光电转换之后，实现将多纵模拍频信号转换为电子拍频信号，拍频信号间隔不受电子转换过程影响，这就解决了解调过程中产生干扰造成传感信息解调失真的问题，电子拍频信号由检测单元7进行分析，实现了拍频信号动态监测，通过对拍频频率的改变量计算获得传感信息。
该多纵模环形腔激光传感器6不限于如图1所示的形状，腔内光纤可根据实际需要调整，可以缠绕在待测物体表面，腔外光纤可以依据不同布放位置设计连接长度，腔外光纤长度变化不影响传感器精度，便于应用在对传感器体积、位置要求苛刻的特殊环境下使用。这种基于光纤拍频技术的多纵模环形腔激光传感器频分复用系统可以应用在复杂电磁环境下，实现对振动、应力、温度等物理信息监测，特别适用于需要大面积监测，精度要求高的等传统传感器难以实现的监控领域，并且在航空航天的智能蒙皮领域有巨大优势。本发明的环形腔多纵模光纤激光传感器6形状多变，如可以整合绕在一个柱体上，从而实现某些特殊场合的信息检测。本发明旨在提出一种实时多路同时监测的传感器阵列，实现光网络化管理。
具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述基于拍频技术的多纵模环形腔激光传感器频分复用装置的进一步限定，1*M耦合器5采用波导型耦合器。
具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述基于拍频技术的多纵模环形腔激光传感器频分复用装置的进一步限定，光纤耦合器6-2采用3dB光纤耦合器。
3dB耦合器6-2的两个50%输出端连接构成环形结构6-1，并以此环形结构6-1和光纤光栅6-3构成谐振腔的两个腔镜。
多纵模环形腔激光传感器6的谐振腔是由连接于光纤光栅6-3和3dB耦合器6-2之间的普通光纤或掺铒光纤，以及3dB耦合器6-2的两个50%输出端相连形成的环形结构6-1中普通光纤或掺铒光纤共同构成。
利用光电探测器将多纵模环形腔激光传感器的拍频频率直接转换为电子信号，结合频谱分析检测单元直接进行分析。
Claims (3)
1.基于拍频技术的多纵模环形腔激光传感器频分复用装置，其特征在于，它包括泵浦光源(1)、光纤隔离器(2)、波分复用器(3)、光电探测器(4)、1*M耦合器(5)、检测单元(7)和M个多纵模环形腔激光传感器(6)，M为大于1的整数，多纵模环形腔激光传感器(6)包括环形结构(6-1)、光纤耦合器(6-2)和光纤光栅(6-3)，环形结构(6-1)的两个端口同时与光纤耦合器(6-2)连通，光纤耦合器(6-2)与光纤光栅(6-3)依次串接在光路中，泵浦光源(1)、光纤隔离器(2)、波分复用器(3)依次串接在光路中，波分复用器(3)的光输出端与1*M耦合器(5)的光输入端连通，M个多纵模环形腔激光传感器(6)的光输入端同时与1*M耦合器(5)连通，波分复用器(3)的传感信号的输出端与光电探测器(4)的传感信号的输入端连通,光电探测器(4)的检测信号的输出端与检测单元(7)的检测信号的输入端连通。
2.根据权利要求1所述基于拍频技术的多纵模环形腔激光传感器频分复用装置，其特征在于，1*M耦合器(5)采用波导型耦合器。
3.根据权利要求2所述基于拍频技术的多纵模环形腔激光传感器频分复用装置，其特征在于，光纤耦合器(6-2)采用3dB光纤耦合器。
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