CN105910727B - 一种含错位光纤利用光纤光栅滤波结构拍频测温的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含错位光纤利用光纤光栅滤波结构拍频测温的方法，其中光纤光栅、掺饵光纤、错位光纤和环形器组成光纤谐振腔，980nm泵浦光源经过980/1550nm波分复用器进入光纤谐振腔，光纤谐振腔中设有非线性增益的掺铒光纤，当泵浦频率达到阈值，光在光纤谐振腔中被激发出正交模式的偏振光，在光纤光栅处进行混频，在频谱分析仪上看到激光拍频信号，最终得到拍频信号与环境温度的对应关系并依据该拍频信号与环境温度的对应关系实现待测环境温度的测量。本发明测量过程简化，方便迅速，有效克服了传统温度测量方法中存在的繁琐流程。

Description

一种含错位光纤利用光纤光栅滤波结构拍频测温的方法

技术领域

本发明属于错位光纤测温技术领域，具体涉及一种含错位光纤利用光纤光栅滤波结构拍频测温的方法。

背景技术

光拍频技术作为相干检测技术的一种十分重要的手段，自1955年发现以来尤其是1960年激光出现以来得到迅速的发展。它对工业技术发展及科学研究起着非常重要的作用。在民用方面，光拍频在现代光学测量技术中有着重要的应用，它是一种检测微小频率差的特别灵敏和比较简单的方法。在军事方面，利用光拍频技术对多普勒测速雷达进行干扰的技术已成为现代电子战争中非常关键的技术。光拍频技术作为相干检测的重要手段进入测试技术领域以来，已从工业测试发展到大长度无导轨测量及小尺寸的超高精度测量，以及一些物理量的测量。它的优点及潜力吸引着许多研究人员进行开发性研究。目前基于拍频理论的光纤传感器的研究已取得多项研究成果，但也存在许多亟待解决的问题。比如，现有的利用光拍频理论测温的结构普遍对光源、光纤的性能要求严格、光路复杂，需考虑很多因素等，又由于干涉的复杂性，传感器探测到的信号很微弱，温度分辨率不高，稳定性差，所有这些导致成本增加且对温度传感系统的研究没有保障。

发明内容

本发明为解决基于光拍频理论对光纤温度传感系统研究的稳定性差、温度分辨率低和成本高等问题而提供了一种含错位光纤利用光纤光栅滤波结构拍频测温的方法，该方法通过分析、研究光纤光栅滤波结构下错位光纤在不同温度下输出波长不同进而影响相应输出激光拍频频率来实现环境温度的测量。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种含错位光纤利用光纤光栅滤波结构拍频测温的方法，其特征在于主要由980nm泵浦光源、980/1550nm波分复用器、光纤光栅、掺铒光纤、错位光纤、环形器、光电探测器和频谱分析仪构成错位光纤测温系统，其中沿光线传输方向依次设有通过光纤相连的980nm泵浦光源、980/1550nm波分复用器、光纤光栅、掺铒光纤、错位光纤和环形器，频谱分析仪和光电探测器依次通过光纤与980/1550nm波分复用器相连，具体测温过程为：光纤光栅、掺铒光纤、错位光纤和环形器组成光纤谐振腔，980nm泵浦光源经过980/1550nm波分复用器进入光纤谐振腔，光纤谐振腔中设有非线性增益的掺铒光纤，当泵浦频率达到阈值，光在光纤谐振腔中被激发出正交模式的偏振光，在光纤光栅处进行混频，在频谱分析仪上看到激光拍频信号，首先错位 光纤在室温环境中，980nm泵浦光源经过光纤谐振腔输出拍频信号，记录、存储此时的实验数据，经数字信号处理器进行处理，并通过理论计算值进行校正，作为参考值，然后让错位光纤处于不同于室温的环境中，经频谱分析仪观察拍频信号的变化，并记录、存储不同温度环境下的拍频信号，最终得到拍频信号与环境温度的对应关系并依据该拍频信号与环境温度的对应关系实现待测环境温度的测量。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)利用激光拍频理论，光信号在光纤谐振腔中多次循环放大溢出，通过频谱分析仪记录、测量数据并利用数字信号处理模块对数据进行快速处理，同时可进行计算校准，提高了测量精度；

(2)本发明利用光纤环形器代替反射镜，避免了由反射镜带来的光信号损耗对光纤谐振腔的影响；

(3)错位光纤对环境温度改变灵敏度高，系统结构简单、体积小巧，可以实现对不同环境温度的精确测量；

(4)测量过程简化，方便迅速，有效克服了传统温度测量方法中存在的繁琐流程。

附图说明

图1是本发明错位光纤测温系统的光路原理图。

图中：1、980nm泵浦光源，2、980/1550nm波分复用器，3、光纤光栅，4、掺铒光纤，5、错位光纤，6、环形器，7、光电探测器，8、频谱分析仪，9、光纤。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。

(1)错位光纤测温系统

由980nm泵浦光源1，980/1550nm波分复用器2、光纤光栅3、掺铒光纤4、错位光纤5、环形器6、光电探测器7和频谱分析仪8构成错位光纤测温系统，其中沿光线传输方向依次设有通过光纤9相连的980nm泵浦光源1、980/1550nm波分复用器2、光纤光栅3、掺铒光纤4、错位光纤5和环形器6，频谱分析仪8和光电探测器7依次通过光纤9与980/1550nm波分复用器2相连。

(2)环境温度的测量

光纤光栅、掺铒光纤、错位光纤和环形器组成一个光纤谐振腔，980nm泵浦光源通过980/1550nm波分复用器进入光纤谐振腔，光纤谐振腔中设有非线性增益的掺铒光纤，当泵 浦频率达到阈值，光在光纤谐振腔中被激发出正交模式的偏振光，在光纤光栅处进行混频，在频谱分析仪上可以清楚的看到激光拍频信号。首先错位光纤在室温环境中，980nm泵浦光源经过光纤谐振腔输出拍频信号，记录、存储此时的实验数据，经数字信号处理器进行处理，并通过理论计算值进行校正，作为参考值，然后让错位光纤处于不同于室温的环境中，经频谱分析仪观察拍频信号的变化，并记录、存储不同温度环境下的拍频信号，测温系统结构如图1所示。

(3)数据采集和处理

观察频谱分析仪显示的拍频信号的同时，对输出的拍频信号经数字信号处理器进行数据采集、存储并处理，利用同一段错位光纤，改变其周围环境温度得到不同的拍频信号曲线，记录拍频信号与被测环境温度的对应关系并依据该拍频信号与被测环境温度的对应关系实现待测环境温度的测量。

光通过光纤光栅、掺铒光纤、错位光纤和环形器组成一个光纤激光谐振腔，光在其中包含两个正交的偏振态，假设为x-偏振模和y-偏振膜，两个偏振态都将满足谐振条件，可以表示为：

其中L为腔长，M为一个整数表示谐振模数，是每个偏振态的传播常数。将带入公式(1)，谐振条件可以写成：

其中c为光在真空中的传播速度，为每个偏振模式的激光频率，n_x，y是光纤x-偏振模和y-偏振膜的有效折射率。n_x，y·L项为每个偏振模式的光程。光纤激光器产生拍频信号，其频率大小为由公式(2)，拍频可以表示为：

其中B＝n_x-n_y是正交偏振模式的折射率差，f_ave为平均激光频率，n₀为平均有效折射率， 为平均激光频率。将f_ave＝v/λ带入公式(3)，激光谐振腔激发出来的正交模式偏振光拍频可以写为：

其中，v表示光在光纤谐振腔中的传播速度，n₀为光纤的有效模式折射率，λ为光纤谐振腔激发出来的光的波长。

保持激光谐振腔中其他元器件周围温度不变，改变错位光纤周围温度，由于错位光纤干涉信号波长发生改变，因此谐振腔激发出来的激光波长也发生相应改变，即从频谱仪上观察到拍频信号的间隔发生改变。

光束未通过错位光纤时沿着纤芯传输，当光信号通过错位熔接处时开始分解，其一部分光信号进入包层形成包层模，另一部分光信号进入纤芯形成纤芯模，光信号在光纤中传输一段距离后，包层模和纤芯模再次耦合进入同一根光纤中，两种模式光束在纤芯发生干涉。

我们假设I₁和I₂为单模中纤芯模的光强和包层主要模的光强，则干涉信号强度可以表示为：

其中是光纤的相差，Δn_eff是有效折射率差，L是错位光纤有效干涉区域长度，λ是工作波长。当相差满足干涉条件(m是整数)时，相应的波长变化可以表示为：

根据公式(6)可知，在两个干涉最小值之间的自由光谱范围可以近似表示为：

公式(7)表明，自由光谱范围与有效折射率和错位光纤有效长度有关，波长最低点的变化可以表示为：

其中α为热膨胀系数，ε为热光系数。

综上所述，当温度变化作用于错位光纤时，拍频信号的变化量可以表示为：

其中，ΔT是错位光纤周围的温度变化量。

以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。

Claims (1)

1.一种含错位光纤利用光纤光栅滤波结构拍频测温的方法，主要由980nm泵浦光源、980/1550nm波分复用器、光纤光栅、掺铒光纤、错位光纤、环形器、光电探测器和频谱分析仪构成错位光纤测温系统，其中沿光线传输方向依次设有通过光纤相连的980nm泵浦光源、980/1550nm波分复用器、光纤光栅、掺铒光纤、错位光纤和环形器，频谱分析仪和光电探测器依次通过光纤与980/1550nm波分复用器相连，具体测温过程为：光纤光栅、掺铒光纤、错位光纤和环形器组成光纤谐振腔，980nm泵浦光源经过980/1550nm波分复用器进入光纤谐振腔，光纤谐振腔中设有非线性增益的掺铒光纤，当泵浦频率达到阈值，光在光纤谐振腔中被激发出正交模式的偏振光，在光纤光栅处进行混频，在频谱分析仪上看到激光拍频信号，首先错位光纤在室温环境中，980nm泵浦光源经过光纤谐振腔输出拍频信号，记录、存储此时的实验数据，经数字信号处理器进行处理，并通过理论计算值进行校正，作为参考值，然后让错位光纤处于不同于室温的环境中，经频谱分析仪观察拍频信号的变化，并记录、存储不同温度环境下的拍频信号，最终得到拍频信号与环境温度的对应关系并依据该拍频信号与环境温度的对应关系实现待测环境温度的测量，其特征在于：更为具体的，

光通过光纤光栅、掺铒光纤、错位光纤和环形器组成一个光纤激光谐振腔，光在其中包含两个正交的偏振态，假设为x-偏振模和y-偏振模，两个偏振态都将满足谐振条件，激光谐振腔激发出来的正交模式偏振光拍频可以写为：

其中，B是正交偏振模式的折射率差，v表示光在光纤谐振腔中的传播速度，n₀为光纤的有效模式折射率，λ为光纤谐振腔激发出来的光的波长；

保持激光谐振腔中其他元器件周围温度不变，改变错位光纤周围温度，由于错位光纤干涉信号波长发生改变，因此谐振腔激发出来的激光波长也发生相应改变，即从频谱仪上观察到拍频信号的间隔发生改变；

光束未通过错位光纤时沿着纤芯传输，当光信号通过错位熔接处时开始分解，其一部分光信号进入包层形成包层模，另一部分光信号进入纤芯形成纤芯模，光信号在光纤中传输一段距离后，包层模和纤芯模再次耦合进入同一根光纤中，两种模式光束在纤芯发生干涉；

假设I₁和I₂为单模中纤芯模的光强和包层主要模的光强，则干涉信号强度表示为：

其中是光纤的相差，Δn_eff是有效折射率差，L是错位光纤有效干涉区域长度，λ是工作波长，当相差满足干涉条件时，m是整数，相应的波长变化表示为：

根据公式(6)可知，在两个干涉最小值之间的自由光谱范围可以近似表示为：

公式(7)表明，自由光谱范围与有效折射率和错位光纤有效长度有关，波长最低点的变化可以表示为：

其中α为热膨胀系数，ε为热光系数；

当温度变化作用于错位光纤时，拍频信号的变化量表示为：

其中，ΔT是错位光纤周围的温度变化量。