CN104614062B

CN104614062B - 一种基于多波长掺铒光纤激光器的分布式超声传感器

Info

Publication number: CN104614062B
Application number: CN201510035800.1A
Authority: CN
Inventors: 田佳峻; 李苑; 全明冉; 姚勇
Original assignee: Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Current assignee: Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Priority date: 2015-01-23
Filing date: 2015-01-23
Publication date: 2017-09-22
Anticipated expiration: 2035-01-23
Also published as: CN104614062A

Abstract

本发明提供了一种分布式超声传感器，包括：掺铒光纤、布拉格光纤光栅串、波长解复用器件以及π相移光纤布拉格光栅阵列。本发明利用偏振烧孔效应抑制掺铒光纤中的模式竞争，为分布式的超声探测提供多波长激光信号；π相移光纤布拉格光栅阵列作为梳状滤波器，决定多波长激光的工作波长；布拉格光栅串作为分布式的超声探测单元，将超声信息转化为其布拉格反射波长的漂移。同时，与π相移光纤布拉格光栅阵列配合进行匹配滤波，将超声信息转化为激光强度变化。波长解复用器件实现了不同激光波长的分离，实现波长和探测位置的一一对应。本发明具有分布式多点探测、探测灵敏度高、自适应匹配滤波等诸多优点。

Description

一种基于多波长掺铒光纤激光器的分布式超声传感器

技术领域

本发明涉及超声探测技术领域，特别是一种分布式超声传感器。

背景技术

超声探测技术是无损探测领域里的一种有力的测量和诊断工具，广泛的应用于医疗诊断、材料特性分析、结构健康诊断等领域。目前主流的超声传感器为压电陶瓷超声传感器。但因其体积大、易受电磁干扰、每个传感器至少需要两根电源线等缺点，不适合永久嵌入型的分布式的超声探测需求。

近年来，因具有体积小、质量轻、寿命长、抗电磁干扰能力强以及结构兼容性好等诸多优点，基于光纤布拉格光栅(FBG)的光纤超声探测技术引起了人们越来越多的关注，并被广泛应用于超声探测系统中来，尤其是永久型、嵌入型的超声探测。该探测技术主要依据超声信号在光纤中传播过程中，会引起光栅周期和折射率的动态变化，最终导致FBG反射光谱漂移而实现的。

根据探测系统所使用的光源的不同，光纤布拉格光栅超声探测方法主要可以分成三大类。

第一类探测方法是以宽带光源为光源信号，FBG作为超声的探测单元，并结合利用匹配光栅滤波器技术，将超声信息转化为光的强度变化。但是这种方法，所得探测信号的信噪比不高，导致探测灵敏度不高。

为解决这一问题，研究者提出了第二类探测方法。这类方法中，采用波长可调谐激光器作为外部的输入光源。测量过程中，激光器的工作波长需要调谐到FBG反射光谱的线性工作区，并将超声信息转换为激光强度的相关调制。这种方法的灵敏度较第一类方法有所提高，但仍受限于FBG本身的反射线宽。利用窄线宽的π相移FBG可进一步提高灵敏度。但需要更窄线宽的波长可调谐激光器作为光源，成本较高。此外这类方法在测量过程中，由于激光器波长的不稳定或者环境的扰动(温度的变化，被测物的形变)往往FBG或π相移FBG的工作光谱的漂移，造成激光波长漂移出FBG或π相移FBG的线性工作区，导致探测器失效。因此需要操作复杂且昂贵的伺服反馈系统来保证激光器的工作波长始终处于π相移FBG的线性工作区。(D.Gatti et al.Opt.Express 16(3),1954-1950,2008)。

为了解决此问题，研究者提出了第三类基于自适应的激光腔损调制-增益放大的超声主动探测机制。与第一、二类方法不同的是，在这类方法里，激光器不再仅仅作为提供输入光束的外部的输入光源，而是本身即作为超声传感器(T.Q.Liu et al.Adaptiveultrasonic sensor using a fiber ring laser with tandem fiber Bragggratings.Opt.Letters,2014,39(15):4462-4465)。激光器系统采用2只栅区长度不同、波长匹配的FBG作为超声探测单元，同时进行匹配滤波。其中栅区长、线宽窄的FBG作为匹配滤波器，决定了激光器的工作波长；栅区短、线宽稍宽的FBG作为超声探测单元。且两光栅的波长匹配，即窄线宽的FBG的工作波长处于宽线宽FBG的工作波长的线性区。一方面而由于栅区长度不同，这2只FBG光栅对超声的灵敏度不同，栅区短的光栅对超声响应的灵敏度高，用来作为超声探测单元；而栅区长的光栅对超声不敏感，用来作为匹配滤波器，并确定激光器的工作波长。另一方面由于制作材料相同，这2只FBG光栅工作波长对温度和应变引起光栅光谱移动的响应相同。因此始终能够保证在不同工作环境下(温度变化，被测物应变)的波长匹配，消除激光工作波长线性工作区的漂移问题。实现了一种操作简单、灵敏度高的超声探测技术。

随着超声探测技术的进步和其应用范围的日益加深和广泛，多点的、分布式的超声探测具有重要的现实意义。然而，上述的光纤超声探测技术均是基于单点探测实现的。如若进行多点的分布式超声探测，利用现有的方法，要么每增加一个探测点，就要求增加一个昂贵的可调激光源(第二类方法)，显然不利于成本的控制和系统的简化。要么通过叠加多个单点探测系统融合到一条光路中(第三类方法)，实现一种多点的超声探测(T.Q.Liu etal.Multiplexed fiber-ring laser sensors for ultrasonic detection.Opt.Express,2013,21(25):30474-30480)。然而该方法中虽然系统共用一条光路，但是并不是严格意义上的单激光谐振腔系统，也未能解决单一谐振腔内掺铒光纤的中的模式竞争引起的激光功率不稳定的问题，仍然每个探测点都需要单独的激光谐振腔(泵浦源、增益放大介质)和匹配滤波单元。并且随着探测点个数增加，系统会更加复杂、成本更加昂贵。同时，由于存在多个激光谐振腔，该探测系统的稳定性不能得到保障。

发明内容

针对以上问题，本申请提出一种基于多波长掺铒光纤激光器的分布式超声探测器。能在单激光谐振腔系统中实现多点超声探测，不仅系统结构简化而且成本也大大降低。同时又能自适应的环境的扰动，消除工作点线性区漂移，保证了传感的可靠性和灵敏度。该技术的实现将更有助于分布式、嵌入式超声探测技术的发展。

本发明通过以下技术方案实现。

一种基于多波长掺铒光纤激光器的分布式超声传感器，其特征在于:所述分布式传感器包括：泵浦光源、波分复用器、掺铒光纤、环行器、波长解复用器件、π相移光纤布拉格光栅阵列、定向耦合器阵列、波长复用器件以及光隔离器，上述器件依次顺时针连接构成了环形腔结构；所述分布式传感器还包括由不同布拉格谐振波长的光纤布拉格光栅依次连接构成的光纤布拉格光栅串，所述光纤布拉格光栅串作为所述分布式传感器的分布式超声探测单元，能够将探测的超声转化为其反射光谱的移动；所述环行器将所述光纤布拉格光栅串的反射光谱信号接入所述环形腔结构中。

进一步地，通过挤压或者缠绕所述掺铒光纤，在所述掺铒光纤中引入偏振烧孔效应，以克服所述掺铒光纤中的模式竞争，实现稳定的多波长激光输出，为分布式的光栅布拉格光栅超声探测点提供相应的激光工作波长，保证分布式的超声探测的实现。

进一步地，所述环行器具有单向传输特性，即光路传输方向仅限于掺铒光纤与环形器的连接端(1)到光纤布拉格光栅串与环形器的连接端(2)，再到波长解复用器件与环形器的连接端(3)。

进一步地，所述π相移光纤布拉格光栅阵列由不同谐振透射波长的π相移光纤布拉格光栅构成，其中每个π相移光纤布拉格光栅的透射线宽较窄，为皮米量级，小于所述光纤布拉格光栅的反射线宽；每个π相移光纤布拉格光栅的透射峰与所述光纤布拉格光栅串中的每个光栅的谐振反射波长一一对应，且具体波长位置满足π相移光纤布拉格光栅的透射峰波长处于光纤布拉格光栅的反射波长的线性工作区；所述光纤布拉格光栅串和π相移光纤布拉格光栅阵列按照波长匹配关系，一一对应平行布置于被测物体上。

进一步地，所述波长解复用器件将分布式超声传感器系统光路中的多波长信号依据不同的波长进行分离，所获得的不同波长的激光信号与所述光纤布拉格光栅串上相应的探测位置的光纤布拉格光栅一一对应，实现分布式的超声探测。

一方面所述π相移光纤布拉格光栅阵列作为分布式超声传感器系统的梳状滤波器，决定多波长激光器的工作波长；另一方面所述π相移光纤布拉格光栅阵列与光纤布拉格光栅串相结合，实现匹配滤波功能，将超声引起的布拉格光栅光谱的移动转化为激光谐振腔内的损耗变化，并最终表现为激光信号输出功率的变化。

本发明的分布式超声传感器所实现的功能为：(a)具有能产生多波长的单一激光谐振腔；(b)可实现分布式的超声探测。

本发明提出的基于多波长掺铒光纤激光器的分布式超声传感器。利用偏振烧孔效应克服掺铒光纤中的模式竞争，在单一激光谐振腔产生功率稳定的多波长激光，为多点的超声探测提供激光输出信号。超声的探测单元由多个FBG构成。每个FBG对应一个探测点，并采用π相移FBG与FBG相结合的自适应匹配滤波技术，有效地将超声信号转化为激光器的腔内损耗调制，并经过激光谐振腔的增益放大最终表现为激光信号输出功率的调制，实现高灵敏的超声探测。本发明具有以下优势：

(1)实现了光纤激光器-超声探测器的一体化的设计下的单谐振腔多波长激光激发。该系统可提供了多路的激光信号，实现分布式超声传感。同时该设计实现了超声探测器就是光纤激光器本身；超声探测的入射的激光波长就是激光器本身的工作波长。由此解决了光栅超声探测中光源波长漂移造成传感灵敏度失效的问题。

(2)采用π相移FBG与FBG相结合自适应匹配滤波。其中，激光器的工作波长由π相移FBG的谐振波长决定，线宽仅为几个皮米，提高了超声传感的灵敏度。FBG作为超声的探测单元，并与π相移FBG波长匹配，即π相移FBG波长匹配的工作波长处于FBG的反射光谱的线性工作区。利用π相移FBG与FBG对环境扰动(比如：气温变化，应力应变等)具有相同的波长响应的特性，从而保证在环境的扰动下π相移FBG与FBG工作波长匹配，避免了环境扰动造成的超声探测灵敏度失效。

(3)同单纯的匹配滤波器方法探测超声信号相比较，本发明的激光器-探测器一体化的设计，能使超声信号经过FBG和π相移FBG的匹配滤波转化为激光强度变化后，再经过激光谐振腔的增益放大，提高了信噪比。

(4)波长复用的FBG光栅串与波长解复用的π相移FBG阵列相结合，实现每个单波长激光信号分别对应一个探测点。单波长信号与探测点的一一对应，保证了高精度的分布式的超声探测。

(5)全光纤结构设计，适合嵌入式、分布式的传感应用的需要。

附图说明

图1是本发明的基于多波长掺铒光纤激光器的分布式超声传感器的结构示意图；

图2是本发明的分布式超声传感器实现超声探测的原理示意图；

图3是本发明的分布式超声传感器中FBG反射光谱对超声信号响应的示意图；

图4是本发明的分布式超声传感器中每对FBG和π相移FBG光栅之间进行匹配的示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

参照附图1所示，本发明的基于多波长掺铒光纤激光器的分布式超声传感器包括：泵浦光源1、波分复用器2、掺铒光纤3、环行器4、光纤布拉格光栅FBG串5、波长解复用器件6、π相移FBG阵列7、定向耦合器阵列8、波长复用器件9以及光隔离器10。上述器件依次顺时针连接构成了环形谐振腔结构。

根据环行器5的单向传输特性，(即光路传输方向仅限于(1)→(2)，(2)→(3))，本发明将环行器的(2)端口与FBG串5相连接，通过此方法FBG串5的反射谱信号被引入到主光路中。

由泵浦光源1、波分复用器2及缠绕在偏振控制器上的掺铒光纤3构成了一个增益放大结构，用于激发稳定的多波长谐振，为分布式超声探测传感器提供多波长激光信号。通过将掺铒光纤缠绕偏振控制器的过程中对掺铒光纤的挤压和扭转，在掺铒光纤中产生光学双折射性质，进一步引起偏振烧孔效应。偏振烧孔效应会使得掺铒光纤中不同波长的激光具有不同的偏振状态，导致不同波长的光谱增益将来源于不同激发态的铒离子。当一束偏振光入射到掺铒光纤时，只会消耗与该偏振态对应的激发态铒离子。由此产生的偏振烧孔效应能有效地克服掺铒光纤的均匀展宽增益特性引起的模式竞争，实现稳定的多波长激光谐振。

多波长光纤系统的梳状滤波器由不同谐振波长的π相移FBG光栅构成的光栅阵列7实现。即每条激光谱线的工作波长由对应π相移FBG的谐振透射波长所决定。系统所采用的π相移FBG的栅区较长(大于25毫米)，且谐振透射波长具有极窄的线宽，通常为几个皮米。因此系统可产生皮米量级线宽的多波长激光信号，以提高传感精度。

本发明采用由不同谐振波长的FBG构成的FBG串5作为超声探测单元。和π相移FBG相比较，每个FBG具有较短的栅区(6毫米以下)和较宽的反射谱(几百个皮米)。并且每个FBG的工作波长都和π相移FBG光栅阵列中的相应的π相移FBG的透射波长相匹配(谐振波长为λ_m的FBG对应谐振波长为λ_mm的π相移FBG)，即π相移FBG的透射波长位于FBG反射光谱的线性工作区内，如附图2所示。由于π相移FBG的线宽比FBG的线宽窄，所以系统工作波长由π相移FBG所决定。同时由于π相移FBG和FBG波长匹配，因此每个波长的激光信号对应的谐振腔损耗会与所响应的FBG反射光谱的对应的反射率密切相关。

布拉格光栅FBG串5和分布式π相移FBG阵列7按照波长匹配关系，一一对应平行布置于被测物体上，如附图1所示。每个FBG将对所在位置处进行超声探测。超声探测由匹配滤波器效应实现，具体原理如下。单个FBG的中心波长(λ)表达式为：

λ＝2n_effΛ (1)

其中，n_eff代表光栅的有效折射率，Λ代表光栅周期。显然，FBG的中心波长(λ)由有效折射率(n_eff)与光栅周期(Λ)共同决定。当超声信号入射到FBG时，由于超声传播的表现的机械波特性，会引起光纤局部的压缩和拉伸，从而造成有效折射率(n_eff)与光栅周期(Λ)的改变，最终表现为FBG的中心波长(λ)随超声信号的漂移，如附图3所示。如上所述，由于π相移FBG所决定的激光谱线处于FBG工作波长的线性工作区，当FBG的中心波长(λ)随超声信号的漂移时，会造成其对应激光谱线反射率的变化，即谐振腔损耗的变化。这种腔损调制被激光器谐振腔的增益放大机制放大后，最终表现为激光谱线的功率变化，并被光电探测器接收到。波长解复用器件6将光路中的多波长激光信号分离，得到若干单波长信号。由上述讨论可知，每个单波长激光信号分别对应一个FBG，即对应一个超声探测点的探测信息。

值得注意的是，本发明中所使用的π相移FBG阵列7具有较大的栅区长度(大于25毫米)，其透射光谱受超声振动影响很小。同时，FBG串5和π相移FBG阵列7采用一致的平行的排列方式安置于被测物体上，它们的光谱移动对外界温度和应变具有几乎相同的响应。该方式能保证了匹配滤波不受外界环境扰动影响，保证激光的工作波长始终处于FBG反射光谱的线性工作区。使得本发明非常适合于嵌入式超声探测应用。

需要补充的是，如附图4所示，π相移FBG中心波长两侧的冗余信号在匹配滤波过程中可被滤除。因为本发明所选取的FBG的反射光谱与π相移FBG的透射光谱叠加时，虚线框内的信号最强(如附图4所示)，其余地方的信号都将被耗散。π相移FBG的透射率较高，能保证探测信号具有较高的信噪比。

综上所述，本发明提出的基于多波长掺铒光纤激光器的分布式超声传感器具有灵敏度高、自适应匹配滤波不受环境扰动、分布式多点探测等多种优势，满足了超声探测技术进一步发展的需求。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于多波长掺铒光纤激光器的分布式超声传感器，其特征在于：所述分布式传感器包括：泵浦光源、波分复用器、掺铒光纤、环行器、波长解复用器件、π相移光纤布拉格光栅阵列、定向耦合器阵列、波长复用器件以及光隔离器，上述器件依次顺时针连接构成了环形腔结构；所述分布式传感器还包括由不同布拉格谐振波长的光纤布拉格光栅依次连接构成的光纤布拉格光栅串，所述光纤布拉格光栅串作为所述分布式传感器的分布式超声探测单元，能够将探测的超声转化为其反射光谱的移动，所述光纤布拉格光栅串位于被测物体上；所述环行器将所述光纤布拉格光栅串的反射光谱信号接入所述环形腔结构中，所述环行器具有单向传输特性，即光路传输方向仅限于掺铒光纤与环形器的连接端(1)到光纤布拉格光栅串与环形器的连接端(2)，再到波长解复用器件与环形器的连接端(3)。

2.根据权利要求1所述的分布式超声传感器，其特征在于：通过挤压或者缠绕所述掺铒光纤，在所述掺铒光纤中引入偏振烧孔效应，以克服所述掺铒光纤中的模式竞争，实现稳定的多波长激光输出，为每个光栅布拉格光栅超声探测点提供相应的激光工作波长，保证分布式的超声探测的实现。

3.根据权利要求1所述的分布式超声传感器，其特征在于：所述π相移光纤布拉格光栅阵列由不同谐振透射波长的π相移光纤布拉格光栅构成，其中每个π相移光纤布拉格光栅的透射线宽较窄，为皮米量级，小于所述光纤布拉格光栅的反射线宽；每个π相移光纤布拉格光栅的透射峰与所述光纤布拉格光栅串中的每个光栅的谐振反射波长一一对应，且具体波长位置满足π相移光纤布拉格光栅的透射峰波长处于光纤布拉格光栅的反射波长的线性工作区；所述光纤布拉格光栅串和π相移光纤布拉格光栅阵列按照波长匹配关系，一一对应平行布置于被测物体上。

4.根据权利要求1或3所述的分布式超声传感器，其特征在于：一方面所述π相移光纤布拉格光栅阵列作为分布式超声传感器系统的梳状滤波器，决定多波长激光器的工作波长；另一方面所述π相移光纤布拉格光栅阵列与光纤布拉格光栅串相结合，实现匹配滤波功能，将超声引起的布拉格光栅光谱的移动转化为激光谐振腔内的损耗变化，并最终表现为激光信号输出功率的变化。

5.根据权利要求1或3所述的分布式超声传感器，其特征在于：所述波长解复用器件将分布式超声传感器系统光路中的多波长信号依据不同的波长进行分离，所获得的不同波长的激光信号与所述光纤布拉格光栅串上相应的探测位置的光纤布拉格光栅一一对应，实现分布式的超声探测。

6.根据权利要求1所述的分布式超声传感器，其特征在于：所述分布式超声传感器所实现的功能为：(a)具有能产生多波长的单一激光谐振腔；(b)可实现分布式的超声探测。