CN107167184B - 光纤激光器温度和应变同时测量系统 - Google Patents

Abstract

一种光纤激光器温度和应变同时测量系统，包括：光纤激光器、第一980nm隔离器、第二980nm隔离器、波分复用器、泵浦光源、第一耦合器、第二耦合器，其中所述光纤激光器、第一980nm隔离器、第二980nm隔离器、波分复用器、第一耦合器和第二耦合器组成环形光路；1550nm隔离器与第一耦合器的端口3连接；窄线宽可调谐激光器与1550nm隔离器的输入端连接；函数发生器与窄线宽可调谐激光器的输入端连接；第一探测器与第二耦合器的端口3连接；第二探测器与第二耦合器的端口4连接；示波器与第一探测器和第二探测器的输出端连接。本发明可以提高现有的光纤光栅温度、应变同时测量系统中的温度、应变测量分辨率。

Description

光纤激光器温度和应变同时测量系统

技术领域

本发明涉及温度和应变同时测量技术领域，尤其涉及一种基于光纤激光器的温度和应变同时测量系统。

背景技术

近二十年来，伴随着光纤光栅制作技术和解调技术的不断发展，光纤光栅应变、温度传感技术获得了广泛应用，尤其是在强电磁干扰、高温高压、易爆、化学腐蚀等恶劣环境中显示了很大的优。然而，光纤光栅的应变(指静态应变)、温度交叉敏感问题是其走向实用化需要解决的核心问题(Yong Zhao，Yanbiao Liao，Optics and Lasers in Engineering，vol.41，pp.1-18，2004)。虽然在土木工程、大型结构健康监测等领域，常规的参考光纤光栅补偿方法可以较为有效地解决这个问题，但难以满足地壳形变观测、地温观测等领域的高精度温度(mk量级)和静态应变(nε量级)测量要求，更难以实现高精度的光纤光栅温度和静态应变同时测量。

当前，我们可以通过窄线宽激光器以及参考补偿方法实现高精度的光纤光栅应变、温度单参量测量，如中国科学院半导体研究所基于相移光栅和小波去噪技术实现了nε量级分辨率静态应变测量(Wenzhu Huang，Wentao Zhang，et.al.，vol.32(22)，pp.3692-3698，2014)，上海交通大学基于激光锁频技术和参考稳频源实现了mK量级分辨率的温度测量(Qingwen Liu，Jiageng Chen，et al.，Proc.of SPIE，vol.9655，pp.965508，2015)。这上述方法均不能实现高精度的温度和静态应变同时测量，并且参考补偿方法由于参考光栅自身微小缓慢的蠕变/应力释放以及与传感光栅的温度灵敏度差异、或者由于绝对频率参考自身的频率缓慢漂移，会使其最终的静态应变、温度测量精度受限甚至失准，并且使其在传感探头结构设计和长期稳定性等方面面临挑战。

实际上，伴随着光纤光栅传感技术的发展，国内外已经有诸多“光纤光栅应变、温度同时测量技术”的解决方案报道，这也一直是这个领域的一个研究热点。例如，将光纤光栅/长周期光栅刻写在同一根光纤不同结构尺寸上(H.J.Patrick，et al.，IEEE PhotonicsTechnology Letters，vol.8(9)，pp.1223-1225，1996)，同一根光纤上刻写两个不同波长的光纤光栅/长周期光栅(Young-Geun Han，S.B.Lee，et al.，Optics Express，vol.11(5)，pp.476-481，2003)，在特殊结构光纤(如锥形光纤)上刻写光纤光栅(Hugo F.Lima，et al.，IEEE Sensors Journal，vol.10(2)，pp.269-273，2010)，利用光纤激光器(一种有源光纤光栅谐振腔)的双偏振/双纵模拍频频率(Li-Yang Shao，et al.，IEEE PhotonicsTechnology Letters，vol.19(20)，pp.1598-1600，2007)以及利用光纤激光器的输出中心波长和输出功率(Liang Gao，et al.，Optics Communications，vol.297，pp.98-101，2013)等方法。

但足，现有的光纤光栅应变、温度同时测量方案，其应变、温度测量分辨率普遍在με量级和℃量级，这距离高精度应变、温度测量领域的要求还有一定的距离；采用制作特殊结构的光纤光栅来实现应变、温度同时测量，这对光纤光栅的制作、传感器探头的设计都提出了更高的要求，不利于广泛的应用推广。

另外，意大利国家光学研究所P.Malara等人，在2014年、2015年提出了一种环形光路配置的相移光栅应变传感器(P.Malara，et al.，Optics Letters，vol.39(24)，pp.6899-6902，2014)，通过这种光路配置，相移光栅的反射谱出现了谐振峰频率分裂现象；而这个频率分裂的间距反映了外界应变、温度信息，由于频率分裂后的反射峰线宽非常窄，我们可以通过扫频激光精准地获取其波长差信息，进而得到更高分辨率的信号测量，但是这个方案同样不能消除温度问题(即该系统不能同时测量温度与应变)。有源光纤光栅谐振腔(即光纤激光器)是一种成熟的光纤器件，本申请将其作为传感元件，在上述环形光路的基础上突破有源光纤光栅的反射谱与双偏振激光同时获取光路设计难点，同时获得有源光纤光栅谐振腔的两组静态应变、温度响应方程，进而实现高精度静态应变、温度同时测量。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种光纤激光器温度和应变同时测量系统，采用单支有源光纤光栅谐振腔(即光纤激光器)作为敏感元件，通过巧妙的光路设计，同时获得光纤激光器的两组静态应变、温度响应方程，实现高精度静态应变、温度同时测量，可以解决现有高精度光纤光栅静态应变测量领域应变、温度交叉敏感的问题，大大提高现有的光纤光栅温度、应变同时测量系统中的温度、应变测量分辨率。

本发明提供一种光纤激光器温度和应变同时测量系统，包括：

一光纤激光器；

一第一980nm隔离器，其输出端与光纤激光器的一端连接；

一第二980nm隔离器，其输出端与光纤激光器的另一端连接；

一波分复用器，其端口1与第一980nm隔离器输入端连接；

一泵浦光源，其输出端与波分复用器的输入端口2连接；

一第一耦合器，其端口1与波分复用器的端口3连接；

一第二耦合器，其端口1与第一耦合器的端口2连接，该第二耦合器的端口2与第二980nm隔离器的输入端连接；

其中所述光纤激光器、第一980nm隔离器、第二980nm隔离器、波分复用器、第一耦合器和第二耦合器组成环形光路；

一1550nm隔离器，其输出端与第一耦合器的端口3连接；

一窄线宽可调谐激光器，其输出端与1550nm隔离器的输入端连接；

一函数发生器，其输出端与窄线宽可调谐激光器的输入端连接；

一第一探测器，其输入端与第二耦合器的端口3连接；

一第二探测器，其输入端与第二耦合器的端口4连接；

一示波器，其输入端与第一探测器和第二探测器的输出端连接。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的高精度光纤激光器温度和应变同时测量系统，采用单支光纤激光器作为敏感元件，通过巧妙的光路设计，同时获得光纤激光器的两组静态应变、温度响应方程，可以实现高精度静态应变、温度同时测量，解决现有高精度光纤光栅静态应变测量领域温度、应变交叉敏感的问题。

2、本发明提供的高精度光纤激光器温度和应变同时测量系统，可以大大提高现有的光纤光栅温度、应变同时测量系统中的温度、应变测量分辨率，同时满足地壳形变观测、低温观测的要求。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明如后，其中：

图1为本发明的系统原理示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种光纤激光器温度和应变同时测量系统，包括：

一光纤激光器10，所述一光纤激光器10是一种有源光纤光栅谐振腔，即可以是一种分布式反馈光纤激光器、也可以是一种反射式光纤激光器，其偏振激光拍频的频率为GHz量级；

一第一980nm隔离器20，其输出端与光纤激光器10的一端连接；

一第二980nm隔离器30，其输出端与光纤激光器10的另一端连接；

一波分复用器40，其端口1与第一980nm隔离器20输入端连接；

一泵浦光源50，其输出端与波分复用器40的输入端口2连接；

一第一耦合器60，其端口1与波分复用器40的端口3连接；

一第二耦合器70，其端口1与第一耦合器60的端口2连接，该第二耦合器70的端口2与第二980nm隔离器30的输入端连接；

其中所述光纤激光器10、第一980nm隔离器20、第二980nm隔离器30、波分复用器40、第一耦合器60和第二耦合器70组成环形光路；

一1550nm隔离器80，其输出端与第一耦合器60的端口3连接；

一窄线宽可调谐激光器81，其输出端与1550nm隔离器80的输入端连接，所述一窄线宽可调谐激光器81的光功率要保证环形光路输出到第一探测器90和第二探测器91的1550nm激光功率在这两个探测器的线性响应区间；

一函数发生器82，其输出端与窄线宽可调谐激光器81的输入端连接；

一第一探测器90，其输入端与第二耦合器70的端口3连接；一第二探测器91，其输入端与第二耦合器70的端口4连接；所述第一探测器90和第二探测器91均同时接收光纤激光器10的双偏振激光拍频信号和反射光谱谐振峰频率分割间距信号，在后期信号处理中需要分别从时域、频域将这两种信号区分开来；

一示波器92，其输入端与第一探测器90和第二探测器91的输出端连接，所述示波器92中嵌入相应的算法，实现光纤激光器双偏振激光的拍频频率、以及反射光谱谐振峰频率分割间距的大小的计算，并通过两个响应方程组完成温度和应变的解算。

其中所述的窄线宽可调谐激光器81的波长扫频驱动的扫频频率要与示波器中算法的解算速度匹配。

本发明的工作过程为：采用光纤激光器10作为温度、静态应变传感元件，并将其连接在环形光路中，其中光纤激光器的珊区长度远远小于环形光路的总长度，这样整个环形光路中对温度、静态应变敏感的部位主要集中在光纤激光器上，而可以忽略其他部分的影响。根据光纤激光器环形腔理论，我们可以通过外部窄线宽可调谐激光器81注入一束单频可调谐激光、经过第一耦合器60、波分复用器40、第一隔离器20进入到光纤激光器10，这样光纤激光器10可以将自身的反射光谱(谐振峰频率分裂光谱)反射回去，反向经过第一隔离器20、波分复用器40、第一耦合器60、第二耦合器70进入到第一探测器90中，并通过示波器20测得第一探测器90的功率响应得到光纤激光器10输出反射光谱谐振峰频率分裂间距的大小(其频率分割间距大小直接取决于外界环境的温度和静态应变)，进而可以得到一组光纤激光器静态应变、温度的响应方程。同时，根据光纤激光器的偏振拍频理论，当我们通过外部泵浦源50注入980nm激光，并经过波分复用器40、第一隔离器20进入光纤激光器10中使得其激射出单纵模双偏振激光，该偏振激光一方面反向经过第一隔离器20、波分复用器40、第一耦合器60、第二耦合器70进入到第一探测器90中；另一方面也可以经过第二隔离器30、第二耦合器70进入到第二探测器90中，进而我们可以通过示波器20测得第一探测器90或者第二探测器91的拍频信号，并且其输出的拍频信号频率波动大小由外界应变、温度共同决定，这样我们可以通过示波器直接读取该拍频信号的频率变化进而得到另一组光纤激光器静态应变、温度的响应方程。因此，根据上面所获得的两组光纤激光器静态应变、温度响应，我们可以利用二阶矩阵法来实现光纤激光器10的静态应变、温度同时测量。

在本发明中，光纤激光器10必须具有稳定的双偏振激光输出，并且偏振激光拍频的频率不易过大(一般在GHz量级，利于后期的偏振激光拍频频谱分析)。同时，该光纤激光器的反射光谱谐振峰线宽要足够窄(一般小于10pm量级，利于获得高精度反射光谱谐振峰频率分割间距大小)。

根据环形光路配置的光纤激光器谐振峰频率分裂特性，其频率分割间距大小与环形腔长度变化量之间的关系可以用公式(1)来表达。

式中，S代表频率分裂间距大小、R代表光纤激光器反射率、lB代表光纤激光器的栅区长度、L代表光纤环的总长度，λB代表所测量光纤激光器频率分裂处的波长。

这里，我们要求lB远远小于l，考虑典型光纤光栅谐振腔反射率的斜率

因此S/L这项就可以忽略了，S仅仅与栅区的扰动(如应变、温度)相关。因此，我们可以通过测量输出谱频率分裂间距的大小就可以得到一组光纤激光器静态应变、温度的响应方程，并且可以避免环形光路其他光路部分的影响。

另外，我们可以通过泵浦源50让该单纵模双偏振光纤激光器10激射并输出一束的双偏振激光器，根据偏振激光拍频理论，我们可以获取一个射频拍频信号，这个拍频信号频率波动可以用下面的公式来表达：

式中，B＝nx-ny代表双折射，pe代表应变-光弹系数，α代表线性的热膨胀系数，ξ代表热光系数。

根据公式(2)，我们可以知道单纵模双偏振光纤激光器输出的拍频信号频率波动大小由外界应变、温度共同决定，我们可以通过示波器10直接读取该拍频信号的频率变化进而得到另一组光纤激光器静态应变、温度的响应方程。

因此，根据上面所获得的两组光纤激光器静态应变、温度响应，我们可以利用二阶矩阵法来实现光纤激光器的静态应变、温度同时测量，如公式3所示。

式中，k11、k12分别代表基于环形光路配置的光纤激光器频率分割间距大小与应变、温度的灵敏度响应系数，k11、k12分别代表基于双偏振效应的光纤激光器10输出拍频频率波动与应变、温度灵敏度响应系数。

在本发明中，环形光路是整个系统中重要的光路结构，具有独特的设计思路。其中，在环形光路内，波分复用器40用于传递泵浦光源50的980nm光、光纤激光器激10射出的1550nm光、以及窄线宽可调谐激光器81的1550nm光；第一980nm隔离器20、第二980nm隔离器21，用于将隔离泵浦光源50输出的980nm光限制在环形光路中第一980nm隔离器20与第二980nm隔离器2之间，以避免泵浦光源输出到环形光路以外造成对光源器件的损伤和对测量结果的影响。第一耦合器60，用于注入窄线宽可调谐激光器81的1550nm光，并在环形光路中起到双向传输任何1550nm光的作用；第二耦合器70，用于在环形光路中双向传输任何1550nm光，并用于输出光纤激光器10的反射光谱以及激射后的双偏振激光。

在本发明中，环形光路外的各种光电器件，如泵浦光源50、窄线宽可调谐激光器81、第一探测器90、第二探测器91等，是为了给环形光路提高光源并实现光信号的探测。其中，泵浦光源50，用于给光纤激光器10提供980nm波长的泵浦源，使其激射。窄线宽可调谐激光器81，用于扫描光纤激光器10的反射光谱；窄线宽可调谐激光器81的光功率不易过大，需要保证环形光路输出到第一探测器90中的1550nm激光功率在第一探测器90的线性响应区间。1550nm隔离器80，用于阻止环形光路中1550nm激光返回到窄线宽可调谐激光器81中；函数发生器82，是窄线宽可调谐激光器81的波长扫描驱动。第一探测器90、第二探测器91，用于将环形光路输出的光纤激光器反射光谱以及光纤激光器激射后的双偏振激光转换为电压信号，作为示波器92的输入信号；第一探测器90同时接收光纤激光器10的双偏振激光拍频信号(频域信号)和反射光谱谐振峰频率分割间距信号(时域信号)，在后期信号处理中需要分别从时域、频域将这两种信号区分开来。示波器92用于对第一探测器90、第二探测器91的电压信号处理，分别得到双偏振激光的拍频频率变化、以及反射光谱的谐振峰频率分割间距的变化。窄线宽可调谐激光器81的波长扫频驱动的扫频频率要与示波器92中算法的解算速度匹配。示波器92中需要嵌入相应的算法，实现光纤激光器双偏振激光的拍频频率、以及反射光谱谐振峰频率分割间距大小的计算，并通过两个响应方程组完成温度和应变的解算。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光纤激光器温度和应变同时测量系统，包括：

一光纤激光器，其为有源光纤光栅谐振腔；

一第一980nm隔离器，其输出端与光纤激光器的一端连接；

一第二980nm隔离器，其输出端与光纤激光器的另一端连接；

一波分复用器，其端口1与第一980nm隔离器输入端连接；

一泵浦光源，其输出端与波分复用器的输入端口2连接；

一第一耦合器，其端口1与波分复用器的端口3连接；

一第二耦合器，其端口1与第一耦合器的端口2连接，该第二耦合器的端口2与第二980nm隔离器的输入端连接；

其中所述光纤激光器、第一980nm隔离器、第二980nm隔离器、波分复用器、第一耦合器和第二耦合器组成环形光路；

一1550nm隔离器，其输出端与第一耦合器的端口3连接；

一窄线宽可调谐激光器，其输出端与1550nm隔离器的输入端连接；

一函数发生器，其输出端与窄线宽可调谐激光器的输入端连接；

一第一探测器，其输入端与第二耦合器的端口3连接；

一第二探测器，其输入端与第二耦合器的端口4连接；

一示波器，其输入端与第一探测器和第二探测器的输出端连接；其中，

根据光纤激光器环形腔理论，注入一束单频可调谐激光到所述光纤激光器中，所述示波器测得所述第一探测器的功率相应得到所述光纤激光器输出反射光谱谐振峰频率分裂间距的大小，进而得到一组光纤激光器静态应变、温度的响应方程；同时，根据光纤激光器的偏振拍频理论，通过外部泵浦源注入激光到所述光纤激光器中使得其激射出单纵模双偏振激光，通过所述示波器测得所述第一探测器或第二探测器的拍频信号，所述示波器直接读取所述拍频信号的频率变化进而得到另一组光纤激光器静态应变、温度的响应方程；根据上述两组光纤激光器静态应变、温度的响应方程实现所述光纤激光器的静态应变、温度同时测量。

2.根据权利要求1所述的光纤激光器温度和应变同时测量系统，其中所述的光纤激光器是有源光纤光栅谐振腔，该有源光纤光栅谐振腔是分布式反馈光纤激光器，或是反射式光纤激光器，其偏振激光拍频的频率为GHz量级。

3.根据权利要求1所述的光纤激光器温度和应变同时测量系统，其中所述的窄线宽可调谐激光器的光功率要保证环形光路输出到第一探测器和第二探测器的1550nm激光功率在这两个探测器的线性响应区间。

4.根据权利要求3所述的光纤激光器温度和应变同时测量系统，其中所述的第一探测器和第二探测器均同时接收光纤激光器的双偏振激光拍频信号和反射光谱谐振峰频率分割间距信号，在后期信号处理中需要分别从时域、频域将这两种信号区分开来。

5.根据权利要求1所述的光纤激光器温度和应变同时测量系统，其中所述的示波器中嵌入相应的算法，实现光纤激光器双偏振激光的拍频频率、以及反射光谱谐振峰频率分割间距的大小的计算，并通过两个响应方程组完成温度和应变的解算。

6.根据权利要求1所述的光纤激光器温度和应变同时测量系统，其中所述的窄线宽可调谐激光器的波长扫频驱动的扫频频率要与示波器中算法的解算速度匹配。

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