CN105588587A - 基于自动电平控制的自发布里渊散射信号提取装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于自动电平控制的自发布里渊散射信号提取装置及方法，第一光纤耦合器的两个输出端分别对应连接第二光纤耦合器的两个输入端，形成两个光纤臂，构成光纤马赫-曾德干涉仪，压电陶瓷缠绕于一个光纤臂上，使两光纤臂间存在长度差，第二光纤耦合器的瑞利散射信号输出端连接有第三光纤耦合器，布里渊散射信号输出端连接隔离器，第三光纤耦合器的输出端连接光电探测器，光电探测器连接对数放大器，对数放大器的输出端连接积分器，对两光纤臂的光程差进行调节。本发明通过自动检测瑞利散射光强度自动调节压电陶瓷驱动电压，不需人工边观测边手动调节，解决光源频率漂移及震动等影响使得瑞利散射的增大导致布里渊散射信号提取困难的问题。

Description

基于自动电平控制的自发布里渊散射信号提取装置及方法
技术领域
本发明涉及一种基于自动电平控制的自发布里渊散射信号提取装置及方法。
背景技术
目前，所报道的基于自发布里渊散射信号的提取方法主要有两类，外差检测和直接检测。外差检测方案具有信噪比高、不受光源频率漂移的影响等优点，但系统复杂，成本非常高。基于法布里-珀罗干涉仪(F-P干涉仪)的直接检测方法插入损耗较大，超过10dB，对本来就很微弱的布里渊散射信号检测不利。后来出现了包括本作者在内的研究人员设计的采用马赫－曾德干涉仪(MZI)提取布里渊散射信号的方法，其具体实现框图如图1所示。
用两个标准3dB光纤耦合器及其光纤臂连接而成光纤MZI，其中一个光纤臂上缠绕圆筒形压电陶瓷，使两臂间引入一定长度差。并在压电陶瓷两个电极施加一定的直流电压，通过调节该直流电压，圆筒压电陶瓷直径产生变化，缠绕在其上的光纤长度产生变化，进而实现对MZI两个臂的光程差的调节。当在MZI一个输入端输入两个频率分别为f1和f2的光波时，如果二者的频差Δf与光纤MZI自由程(FSR)满足关系式：
Δf＝(k+1/2)FSR
则调节光纤MZI两臂之间长度差可使两种不同频率的光波在第二个耦合器两个不同端口输出。
光纤中的布里渊散射是光波和声波在光纤中传播时相互作用而产生的非线性散射光，布里渊散射的斯托克斯光与反斯托克斯光频率相对于入射光频率(等于瑞利散射光频率)产生一个布里渊频移。这样，布里渊散射和瑞利散射两种频率不同的光波入射到光纤MZI，经过压电陶瓷调节两臂光程差，可以使布里渊散射和瑞利散射从不同端口输出，在输出端口加入隔离器，使布里渊散射通过，瑞利散射得到抑制，布里渊散射信号通过隔离器后再次通过光纤MZI，对瑞利散射进一步抑制，最终输出高纯的布里渊散射信号。
现有基于光纤MZI的布里渊散射信号提取装置靠手动调节压电陶瓷的驱动电压，获得对瑞利散射的最佳抑制，提取布里渊散射信号。由于布里渊散射信号与瑞利散射信号之间的频率间隔约为11GHz左右，相对于光波频率来说距离非常近，光源信号频率随着环境温度的变化不断漂移，并且光纤MZI本身对环境也非常敏感，使得对瑞利散射的抑制不稳定，需要边观测边调节，应用非常不便，只能用于实验室，实用化程度较低。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于自动电平控制的自发布里渊散射信号提取装置及方法，本发明通过在光纤MZI中引入自动电平控制技术实现对瑞利散射抑制的自动调节，使布里渊散射信号提取过程自动化，稳定可靠，便于将技术产品化。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于自动电平控制的自发布里渊散射信号提取装置，包括第一光纤耦合器和第二光纤耦合器，其中，第一光纤耦合器的两个输出端分别对应连接第二光纤耦合器的两个输入端，形成两个光纤臂，构成光纤马赫-曾德干涉仪，压电陶瓷缠绕于一个光纤臂上，使两光纤臂间存在长度差，第二光纤耦合器的瑞利散射信号输出端连接有第三光纤耦合器，布里渊散射信号输出端连接隔离器，所述第三光纤耦合器的输出端连接光电探测器，将瑞利散射光信号转换为电信号，光电探测器连接对数放大器，使电信号具有更大的增益，对数放大器的输出端连接积分器，对放大的电信号和参考电平进行误差积分，经驱动放大器使输出信号达到压电陶瓷的驱动电压范围，对两光纤臂的光程差进行调节。
所述隔离器使布里渊散射信号通过，抑制瑞利散射信号。
所述压电陶瓷为圆筒形压电陶瓷，使两光纤臂间引入一定长度差。
进一步的，所述压电陶瓷两个电极施加一定的直流电压，通过调节该直流电压，圆筒压电陶瓷直径产生变化，缠绕在其上的光纤长度产生变化，调节两个光纤臂的光程差。
所述第一光纤耦合器的输入端输入的信号包括两个频率，且两者的频率差Δf与光纤马赫-曾德干涉仪的自由程FSR满足：Δf＝(k+1/2)FSR，k为整数。
所述输入信号经过第二光纤耦合器，布里渊散射信号和瑞利散射信号分别通过两个不同的输出口输出。
所述参考电平设置为能够使瑞利散射处于最小的电平值。
一种基于自动电平控制的自发布里渊散射信号提取方法，具体为：第一光纤耦合器的两个输出端分别对应连接第二光纤耦合器的两个输入端，形成两个光纤臂，构成光纤马赫-曾德干涉仪，压电陶瓷缠绕于一个光纤臂上，使两光纤臂间存在长度差，使布里渊散射信号和瑞利散射信号从第二光纤耦合器的不同端口输出，瑞利散射信号经过光电检测器，将瑞利散射光信号转换为电信号，将该信号进行对数放大，使瑞利散射微弱时获得更大的增益，提高电路处理的动态范围，对数放大器的输出与参考电平通过积分器对比较误差进行积分，经驱动放大器使输出信号达到压电陶瓷的驱动电压范围，对两光纤臂的光程差进行进一步的调节，阻止瑞利散射增大，使布里渊散射输出信噪比达到最佳。
所述第三耦合器、光电探测器、对数放大器、积分器、驱动放大器和光纤马赫-曾德干涉仪构成负反馈环路，对瑞利散射信号进行自动抑制。
本发明的有益效果为：
(1)光纤马赫-曾德干涉仪的输出端将信号分为两路，其中一路瑞利散射信号经光电检测后用于对其的自动电平控制，达到稳定获得布里渊散射信号最佳信噪比的目的；
(2)瑞利散射信号经耦合器、光电探测器、对数放大器、积分器、驱动放大器和光纤MZI组成负反馈环路，对瑞利散射进行自动抑制；
(3)参考电平设置为能够使瑞利散射处于最小的电平值，这样，当出现由于温度等环境变化或激光器本身频率漂移导致瑞利散射增大时，自动电平控制负反馈环路可以自动对MZI两臂的光程差进行调节，阻止瑞利散射增大，达到稳定布里渊散射输出信噪比的目的。；
(4)通过自动电平控制技术来实现对瑞利散射的自动抑制，从而稳定的获得布里渊散射信号，避免了人工边观测边调节带来的应用困难，使基于自发布里渊散射的光纤传感技术更易于产品化；
(5)通过自动检测瑞利散射光强度自动调节压电陶瓷驱动电压，不需人工边观测边手动调节，解决光源频率漂移及震动等影响使得瑞利散射的增大导致布里渊散射信号提取困难的问题。
附图说明
图1为现有的基于马赫曾德干涉仪的布里渊散射信号提取装置结构示意图；
图2为本发明的结构示意图；
其中：1、光纤耦合器，2、压电陶瓷，3、隔离器，4、驱动放大器，5、积分器，6、对数放大器，7、光电探测器，B,R、输入信号，B、布里渊散射信号，R、瑞利散射信号，C、参考信号。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，现有的基于马赫曾德干涉仪的布里渊散射信号提取装置，是用两个标准3dB光纤耦合器1及其光纤臂连接而成光纤MZI(马赫-曾德干涉仪)，其中一个光纤臂上缠绕圆筒形压电陶瓷2，使两臂间引入一定长度差。并在压电陶瓷2两个电极施加一定的直流电压，通过调节该直流电压，圆筒压电陶瓷2直径产生变化，缠绕在其上的光纤长度产生变化，进而实现对MZI两个臂的光程差的调节。当在MZI一个输入端输入两个频率分别为f1和f2的光波时，如果二者的频差Δf与光纤MZI自由程(FSR)满足关系式：
Δf＝(k+1/2)FSR
则调节光纤MZI两臂之间长度差可使两种不同频率的光波在第二个耦合器两个不同端口输出。
光纤中的布里渊散射是光波和声波在光纤中传播时相互作用而产生的非线性散射光，布里渊散射的斯托克斯光与反斯托克斯光频率相对于入射光频率(等于瑞利散射光频率)产生一个布里渊频移。这样，布里渊散射和瑞利散射两种频率不同的光波入射到光纤MZI，经过压电陶瓷2调节两臂光程差，可以使布里渊散射和瑞利散射从不同端口输出，在输出端口加入隔离器3，使布里渊散射通过，瑞利散射得到抑制，布里渊散射信号通过隔离器3后再次通过光纤MZI，对瑞利散射进一步抑制，最终输出高纯的布里渊散射信号。
如图2所示，本发明通过在光纤MZI中引入自动电平控制技术实现对瑞利散射抑制的自动调节，使布里渊散射信号提取过程自动化，稳定可靠，便于将技术产品化。
当光源发生频率漂移或光纤MZI受环境影响时，原瑞利散射最佳抑制状态会发生变化，即瑞利散射增大，布里渊散射减小，此时需要重新调节压电陶瓷2驱动电压，改变光纤MZI两臂之间的光程差，重新获得瑞利散射的最佳抑制。本发明通过将瑞利散射信号(R)输出端加入一个光纤耦合器1，使瑞利散射另外分出一路，经过光电检测器，将瑞利散射光信号转换为电信号，将该信号进行对数放大，使瑞利散射微弱时获得更大的增益，提高电路处理的动态范围，对数放大器6的输出与参考电平通过积分器5对比较误差进行积分，经驱动放大器4使输出信号达到压电陶瓷2的驱动电压范围。参考电平设置为能够使瑞利散射处于最小的电平值，这样，当出现由于温度等环境变化或激光器本身频率漂移导致瑞利散射增大时，自动电平控制负反馈环路可以自动对MZI两臂的光程差进行调节，阻止瑞利散射增大，达到稳定布里渊散射输出信噪比的目的。
瑞利散射经耦合器、光电探测器7、对数放大器6、积分器5、驱动放大器4和光纤MZI组成负反馈环路，对瑞利散射进行自动抑制。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种基于自动电平控制的自发布里渊散射信号提取装置，包括第一光纤耦合器和第二光纤耦合器，其中，第一光纤耦合器的两个输出端分别对应连接第二光纤耦合器的两个输入端，形成两个光纤臂，构成光纤马赫-曾德干涉仪，压电陶瓷缠绕于一个光纤臂上，使两光纤臂间存在长度差，其特征是：第二光纤耦合器的瑞利散射信号输出端连接有第三光纤耦合器，布里渊散射信号输出端连接隔离器，所述第三光纤耦合器的输出端连接光电探测器，将瑞利散射光信号转换为电信号，光电探测器连接对数放大器，使电信号具有更大的增益，对数放大器的输出端连接积分器，对放大的电信号和参考电平进行误差积分，经驱动放大器使输出信号达到压电陶瓷的驱动电压范围，对两光纤臂的光程差进行调节。
2.如权利要求1所述的一种基于自动电平控制的自发布里渊散射信号提取装置，其特征是：所述隔离器使布里渊散射信号通过，抑制瑞利散射信号。
3.如权利要求1所述的一种基于自动电平控制的自发布里渊散射信号提取装置，其特征是：所述压电陶瓷为圆筒形压电陶瓷，使两光纤臂间引入一定长度差。
4.如权利要求3所述的一种基于自动电平控制的自发布里渊散射信号提取装置，其特征是：所述压电陶瓷两个电极施加一定的直流电压，通过调节该直流电压，圆筒压电陶瓷直径产生变化，缠绕在其上的光纤长度产生变化，调节两个光纤臂的光程差。
5.如权利要求1所述的一种基于自动电平控制的自发布里渊散射信号提取装置，其特征是：所述第一光纤耦合器的输入端输入的信号包括两个频率，且两者的频率差Δf与光纤马赫-曾德干涉仪的自由程FSR满足：Δf＝(k+1/2)FSR，k为整数。
6.如权利要求1所述的一种基于自动电平控制的自发布里渊散射信号提取装置，其特征是：所述输入信号经过第二光纤耦合器，布里渊散射信号和瑞利散射信号分别通过两个不同的输出口输出。
7.如权利要求1所述的一种基于自动电平控制的自发布里渊散射信号提取装置，其特征是：所述参考电平设置为能够使瑞利散射处于最小的电平值。
8.一种基于自动电平控制的自发布里渊散射信号提取方法，其特征是：具体为：第一光纤耦合器的两个输出端分别对应连接第二光纤耦合器的两个输入端，形成两个光纤臂，构成光纤马赫-曾德干涉仪，压电陶瓷缠绕于一个光纤臂上，使两光纤臂间存在长度差，使布里渊散射信号和瑞利散射信号从第二光纤耦合器的不同端口输出，瑞利散射信号经过光电检测器，将瑞利散射光信号转换为电信号，将该信号进行对数放大，使瑞利散射微弱时获得更大的增益，提高电路处理的动态范围，对数放大器的输出与参考电平通过积分器对比较误差进行积分，经驱动放大器使输出信号达到压电陶瓷的驱动电压范围，对两光纤臂的光程差进行进一步的调节，阻止瑞利散射增大，使布里渊散射输出信噪比达到最佳。
9.如权利要求8所述的一种基于自动电平控制的自发布里渊散射信号提取方法，其特征是：所述第三耦合器、光电探测器、对数放大器、积分器、驱动放大器和光纤马赫-曾德干涉仪构成负反馈环路，对瑞利散射信号进行自动抑制。
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