CN103954307A - 光纤激光传感器时分、波分联合复用方法 - Google Patents

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本发明公开了一种光纤激光传感器时分、波分联合复用方法，包括以下步骤：(一)、采用光开关对光纤激光器的输出光进行强度调制，以产生高消光比的窄脉冲光信号实现通道选择，构建时分复用结构；(二)、在每个时分复用通道中构建光纤激光传感器线形波分复用阵列，以实现光纤激光传感器时分、波分的联合复用；(三)、通过同一个非平衡光纤干涉仪将对被选通通道中各激光波长的位移信息转化为干涉仪输出相位的变化；(四)、将不同波长的干涉信息分离至n路信号解调电路，解调出对应时分通道的相应波长的光纤激光传感器所在位置处的传感信号。本发明在较大程度上提高了光纤激光传感器阵列的复用数量，使整个光纤激光传感系统更细、更轻、更可靠。

Description

光纤激光传感器时分、波分联合复用方法
技术领域
本发明涉及一种光纤激光传感器复用方法，具体涉及光纤激光传感器时分、波分联合复用方法。
背景技术
光纤激光器应用于传感具有体积小、灵敏度高、不受电磁干扰等特性，在水声探测、振动传感和声监测等领域得到越来越广泛的应用。在某些应用领域，对光纤激光传感器的复用规模要求较高，例如在水声探测的应用中，由于水下声场的复杂性，水听器都以阵列的形式投入应用，以提高对水声信号的空间增益，阵列规模通常达到32元以上。光纤激光传感器使用光纤激光器作为传感单元，结合其波长的本征可复用特性，可在单根光纤内复用多个光纤激光传感器，使其阵列系统缆径小而便于携带和布放。从国内外的研究报道来看，目前对光纤激光传感器成阵技术的研究仅限于波分复用技术，而受光纤激光器同线泵浦能力和光纤激光器出射光波段带宽的限制，使用单一的波分复用技术，目前光纤激光水听器阵列的最大复用数也只达到16阵元，要达到大规模成阵的实际应用需求，仍需要探寻其它的有效复用途径。
发明内容
本发明的目的是提供一种光纤激光传感器时分、波分联合复用方法，基于时分和波分联合复用技术，以低成本、高可靠度构建直径小、轻型的大规模光纤激光传感器阵列。
为实现上述目的，本发明设计的光纤激光传感器时分、波分联合复用方法，包括以下步骤：
(一)、构建时分复用结构：采用光开关对m个通道中光纤激光器的输出光进行强度调制，以产生高消光比的窄脉冲光信号实现通道选择，从而构建时分复用结构；
(二)、时分、波分联合复用：使用波分多路复用方法，在每个时分复用通道中构建n元光纤激光传感器线形波分复用阵列，以实现光纤激光传感器时分、波分的联合复用；
(三)、激光波长位移信息转化：对步骤(一)中被选通通道，使用波分多路复用方法通过同一个非平衡光纤干涉仪将该通道中各激光波长的位移信息转化为干涉仪输出相位的变化；
(四)、解调光纤激光传感器所在位置处的传感信号：由解波分复用器将不同波长的干涉信息分离至n路信号解调电路，结合光开关的调制脉冲控制时序，解调出对应时分通道的相应波长的光纤激光传感器所在位置处的传感信号，m、n为自然数。
上述技术方案的步骤(一)中，通道选择的方法为使用m×1型光开关或使用m个独立的光开关，配合m×1合束器实现m个信道的信道选择。
上述技术方案的步骤(三)中，使用非平衡光纤Michelson干涉仪将各激光波长的位移信息转化为干涉仪相应输出相位的变化。
上述技术方案的步骤(三)中，使用非平衡光纤Mach-Zehnder干涉仪将各激光波长的位移信息转化为干涉仪相应输出相位的变化。
进一步地，由2×2耦合器和3×3耦合器组成的非平衡光纤Michelson干涉仪，在三路干涉输出后分别接入解波分复用器，结合光开关的调制脉冲控制时序，将各时分通道中不同波长的光纤激光传感器的干涉信号分离至相应的解调电路。
或者使用基于3×3耦合器的非平衡光纤Michelson干涉仪，对两路进行干涉输出后分别接入解波分复用器，结合光开关的调制脉冲控制时序，将各时分通道中不同波长的光纤激光传感器的干涉信号分离至相应的解调电路。
或者使用基于2×2耦合器的非平衡光纤Michelson干涉仪，干涉仪输出信号接入解波分复用器，结合光开关的调制脉冲控制时序，将各时分通道中不同波长的光纤激光传感器的干涉信号分离至相应通道的解调电路。
光纤激光传感器出射激光是靠增益介质的受激辐射向外发出大量的光子而形成的，在此过程中，泵浦激光需要将大量处于低能级的粒子抽运到高能级上，使粒子数密度反转分布值达到阈值以上，这时增益系数大于总损耗系数，激光传感器开始出射激光，该过程需要一定的时间才能完成，并需要经过一段时间的震荡过程才能达到稳态。光纤激光传感器从接受泵浦激光作用到稳定出射激光，整个物理过程需要的时间甚至可达到ms级。因此，现有的基于泵浦光源脉宽调制的时分复用方法对光纤激光传感器成阵是不可行的。
本发明方法保证了泵浦光源对各通道光纤激光传感器的连续泵浦，同时不需要时延光纤的参与，从而大大降低了时分通道选择的时序控制难度，减少了系统实现的复杂度。然而，系统使用干涉仪相位解调法实现波长检测，时分复用系统的信道数及信道采样率受干涉仪非平衡路径、光开关上升沿(下降沿)时间及光电探测器响应时间的制约，为了解决上述问题，本发明在时分复用结构的基础上，基于光纤激光传感器的本征波长可复用性，使用波分多路复用(WDM)技术，在每个时分复用通道中构建多元光纤激光传感器线形波分复用阵列，以实现光纤激光传感器时分、波分的联合复用。这种结构使光纤激光传感器阵列规模不再完全受制于单一的复用技术发展的局限性所带来的复用能力的制约，从而在较大程度上提高了光纤激光传感器阵列的复用数量，使整个光纤激光传感系统更细、更轻、更可靠。
附图说明
图1是实现本发明方法的光纤激光传感器阵列结构示意图。
图中1—980nm泵浦激光源，2—单模光纤，3—980nm隔离器，4—1×N耦合器，5—980/1550nm光纤波分复用耦合器，6—m×n元光纤激光传感器，7—1550nm隔离器，8—m×1路光开关，9—非平衡光纤Michelson干涉仪，10—解波分复用器BWDM，11—n路信号解调电路。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
光纤激光传感器时分、波分联合复用方法，包括以下步骤：
(一)、构建时分复用结构：采用光开关对m个通道中光纤激光器的输出光进行强度调制，以产生高消光比的窄脉冲光信号实现通道选择，使用m×1型光开关或使用m个独立的光开关，配合m×1合束器实现m个信道的信道选择，然后构建时分复用结构；
(二)、时分、波分联合复用：使用波分多路复用方法，在每个时分复用通道中构建n元光纤激光传感器线形波分复用阵列，以实现光纤激光传感器时分、波分的联合复用；
(三)、激光波长位移信息转化：对步骤(一)中被选通通道，使用波分多路复用方法通过同一个非平衡光纤Michelson干涉仪或者非平衡光纤Mach-Zehnder干涉仪，将该通道中各激光波长的位移信息转化为干涉仪输出相位的变化；
(四)、解调光纤激光传感器所在位置处的传感信号：由解波分复用器将不同波长的干涉信息分离至n路信号解调电路，结合光开关的调制脉冲控制时序，解调出对应时分通道的相应波长的光纤激光传感器所在位置处的传感信号，其中，m、n为自然数。
非平衡光纤Michelson干涉仪可以由以下多种耦合器组合构成：
使用基于3×3耦合器的非平衡光纤Michelson干涉仪，对两路进行干涉输出后分别接入解波分复用器，结合光开关的调制脉冲控制时序，将各时分通道中不同波长的光纤激光传感器的干涉信号分离至相应的解调电路。
使用基于2×2耦合器的非平衡光纤Michelson干涉仪，干涉仪输出信号接入解波分复用器，结合光开关的调制脉冲控制时序，将各时分通道中不同波长的光纤激光传感器的干涉信号分离至相应通道的解调电路。
由2×2耦合器和3×3耦合器组成的非平衡光纤Michelson干涉仪，在三路干涉输出后分别接入解波分复用器，结合光开关的调制脉冲控制时序，将各时分通道中不同波长的光纤激光传感器的干涉信号分离至相应的解调电路。
在图1所示的光纤激光传感器阵列结构中，980nm泵浦激光源1发出的激光经过980nm隔离器3，由单模光纤2传输至1×N耦合器4将泵浦光源分配到m个时分通道中，并通过各通道中980/1550nm光纤波分复用耦合器5，再由单模光纤2传输至n元不同波长的光纤激光传感器6，各通道中n元光纤激光传感器6受到相应位置的外界参量的作用，引起出射激光波长的变化，其波长位移的大小正比于其所受外界参量的波动，携带有各阵元位置处传感信息的激光再由单模光纤2引导至各通道980/1550nm光纤波分复用耦合器5，然后经过1550nm隔离器7后由m×1路光开关8对各通道输出光进行强度调制以产生高消光比的窄脉冲光信号，并通过控制各通道调制脉冲的时序来实现通道的选通，所选通通道的信号光经过非平衡Michelson干涉仪9将该通道中各激光波长的位移信息转化为干涉仪输出相位的变化，此后通过解波分复用器BWDM10将该通道中不同波长波段的水听器的干涉信号分离出来，进入相应的信号解调电路11进行解调。即各通道中波长为λ1的光纤激光传感器的激光分离至第一通道、波长为λ2的光纤激光传感器的激光分离至第二通道，依此类推，其中，各时分通道中各光纤激光传感器对应的波长λ1～λn分别与解波分复用器各通道中心波长与带宽相对应。

Claims (7)

1.一种光纤激光传感器时分、波分联合复用方法，其特征在于包括以下步骤：
(一)、构建时分复用结构：采用光开关对m个通道中光纤激光器的输出光进行强度调制，以产生高消光比的窄脉冲光信号实现通道选择，从而构建时分复用结构；
(二)、时分、波分联合复用：使用波分多路复用方法，在每个时分复用通道中构建n元光纤激光传感器线形波分复用阵列，以实现光纤激光传感器时分、波分的联合复用；
(三)、激光波长位移信息转化：对步骤(一)中被选通通道，使用波分多路复用方法通过同一个非平衡光纤干涉仪将该通道中各激光波长的位移信息转化为干涉仪输出相位的变化；
(四)、解调光纤激光传感器所在位置处的传感信号：由解波分复用器将不同波长的干涉信息分离至n路信号解调电路，结合光开关的调制脉冲控制时序，解调出对应时分通道的相应波长的光纤激光传感器所在位置处的传感信号，上述m、n为自然数。
2.根据权利要求1所述的光纤激光传感器时分、波分联合复用方法，其特征在于：步骤(一)中通道选择的方法为使用m×1型光开关或使用m个独立的光开关，配合m×1合束器实现m个信道的信道选择。
3.根据权利要求1或2所述的光纤激光传感器时分、波分联合复用方法，其特征在于：步骤(三)中使用非平衡光纤Michelson干涉仪将各激光波长的位移信息转化为干涉仪相应输出相位的变化。
4.根据权利要求1或2所述的光纤激光传感器时分、波分联合复用方法，其特征在于：步骤(三)中使用非平衡光纤Mach-Zehnder干涉仪将各激光波长的位移信息转化为干涉仪相应输出相位的变化。
5.根据权利要求3所述的光纤激光传感器时分、波分联合复用方法，其特征在于：由2×2耦合器和3×3耦合器组成的非平衡光纤Michelson干涉仪，在三路干涉输出后分别接入解波分复用器，结合光开关的调制脉冲控制时序，将各时分通道中不同波长的光纤激光传感器的干涉信号分离至相应的解调电路。
6.根据权利要求3所述的光纤激光传感器时分、波分联合复用方法，其特征在于：使用基于3×3耦合器的非平衡光纤Michelson干涉仪，对两路进行干涉输出后分别接入解波分复用器，结合光开关的调制脉冲控制时序，将各时分通道中不同波长的光纤激光传感器的干涉信号分离至相应的解调电路。
7.根据权利要求3所述的光纤激光传感器时分、波分联合复用方法，其特征在于：使用基于2×2耦合器的非平衡光纤Michelson干涉仪，干涉仪输出信号接入解波分复用器，结合光开关的调制脉冲控制时序，将各时分通道中不同波长的光纤激光传感器的干涉信号分离至相应通道的解调电路。
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