CN110823262A - 基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法及系统，采用单光子探测器代替传统的光电转换器件，采用时间数字转换器对反射光子进行符合计数，进一步根据对反射光子的计数值可以计算出光纤光栅传感器的中心波长的漂移大小，进而解调出测量区域的物理信息变化大小，通过时间数字转换器和信号处理系统对电信号的输出时刻在时间上恢复得到光纤光栅的空间位置，从而获得物理信息发生改变的空间位置信息，实现分布式传感定位。本方法实现传感器位置信息的精确获取及对应传感信息的高精度解调。

Description

基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法及系统
技术领域
本发明属于光纤光栅传感技术领域，具体涉及基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法。
背景技术
准分布式光纤传感技术通过利用光学信号对温度、压强、应变、应力等物理信息进行多点同时检测，与传统电子传感器相比，具有抗电磁干扰能力强、电绝缘性能好、耐腐蚀、灵敏度高、传输容量大等优点，已广泛应用于桥梁检测、火灾预警、输油管道检测、建筑物安全检测等领域。
光纤传感技术最大的优势之一是可以在单根光纤上串联上百个光纤光栅传感器并利用时分复用技术对接收端数据进行分析处理达到大规模准分布式探测的目的，在同一根光纤上串联全同的弱反射光栅，这使得传感系统的搭建得到极大的便利并降低成本，处于光纤不同位置的光栅，利用时域上的不同延时差对反射光脉冲进行区分并逐一分析，获得不同位置处的物理信息。在时分复用系统中，接收端高效接收并准确区分、分析不同反射光脉冲信号是影响整个系统精度的重要因素，但是已有的准分布式传感系统由于光电转换器件的限制很难达到对传感器位置信息的精确获取及对应传感信息的高精度解调。
发明内容
本发明的目的在于：解决目前准分布式光纤传感技术由于光电转换器件的限制很难达到对传感器位置信息的精确获取及对应传感信息的高精度解调的问题，提出了一种基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法及系统。
本发明采用的技术方案如下：
基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法，方法为：
量子光源输出连续光经过处理为特定波长的光脉冲后进入光纤光栅传感器阵列；
单光子探测器对光纤光栅传感器阵列中的不同位置的光纤光栅的反射光进行探测，并对应在不同时刻输出对应的光信号，单光子探测器输出的每一个光信号都输入时间数字转换器并对应产生一个电信号，令时间数字转换器的计数值改变；
对单光子探测器输出的光信号进行符合计数，通过分析符合计数值的大小得到对应的光子波长，通过分析反射光波长变化解调得到各个光纤光栅传感器测量区域物理信息变化，对电信号的输出时刻在时间上恢复得到光纤光栅的空间位置。
进一步，如前所述基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法，所述对单光子探测器输出的光信号进行符合计数，通过分析符合计数值的大小得到对应的光子波长，通过分析反射光波长变化得到各个光纤光栅传感器测量区域物理信息变化的具体过程为：
信号处理系统对符合计数值进行处理，其坐标横轴为反射光子的传输时间，纵轴为反射光子的符合计数值，反射光子在时间数字转换器的符合计数值表示为：
Figure BDA0002288443600000021
式中，E0为光源注入到光纤的总能量，λ为入射光波长，α为光纤损耗，RG(λ)为光纤光栅反射光谱函数，η为单光子探测器的探测效率，tb为每个采样的窗口时间，fr为入射脉冲的重复率，tm为测量时间，h为普朗克常量，c为光在真空中的传播速度，λB为反射光波长，n为光纤折射率，N为平均光子数，N进一步表示为：
在注入到光纤的光波长及测量时间保持不变的情况下，反射光平均光子数N与光纤光栅传感器的中心波长λB唯一相关，由该公式得到：
Figure BDA0002288443600000023
通过上述公式，根据对反射光子的计数值计算出光纤光栅传感器的中心波长λB的漂移大小，进而解调出测量区域的物理信息变化大小。
进一步，如前所述基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法，所述通过数字转换器和信号处理系统对电信号的输出时刻在时间上恢复得到光纤光栅的空间位置的具体过程为：
令光纤光栅的间距为d，光纤光栅传感器阵列的反射光输出端与第一个光纤光栅的间隔为s，光纤光栅传感器阵列的反射光输出端与单光子探测器的距离为l，光脉冲经各个光纤光栅进行反射，第i个光纤光栅的反射光到达单光子探测器的时间为：
Figure BDA0002288443600000024
计算得到第i个光纤光栅传感器距环形器的距离为：
Figure BDA0002288443600000025
进一步，如前所述基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法，所述光纤光栅传感阵列由高斯函数型光纤光栅等间距排列构成。
进一步，如前所述基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法，所述量子光源为单波长窄带光源，所述光纤光栅传感阵列具有相同的中心波长，且中心波长与量子光源的中心波长相匹配，采用时分复用技术进行信号解调。
进一步，如前所述基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法，所述量子光源为宽带光源，所述的光纤光栅传感阵列中心波长与量子光源的输出波长范围相匹配，采用波分复用与时分复用相结合的技术进行信号解调。
进一步，如前所述基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法，所述所述光纤光栅传感阵列由高斯函数型光纤光栅等间距排列构成。
进一步，如前所述基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法，所述单光子探测器采用基于雪崩光电二极管或者超导波导器件。
基于上述基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法的基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感系统，所述系统包括量子光源，量子光源与脉冲调制器输入端相连，脉冲调制器输出端与窄带滤波器输入端相连，窄带滤波器输出端与环形器一端口相连，环形器二端口与光纤光栅传感器阵列相连，单光子探测器输入端口与环形器三端口相连，单光子探测器输出端口与时间数字转换器相连，时间数字转换器与信号处理系统连接；
量子光源输出连续光经过脉冲调制器调制为光脉冲信号，该光脉冲信号再经窄带滤波器输出特定波长的光脉冲，特定波长的光脉冲进入光纤光栅传感器阵列，单光子探测器对光纤光栅传感器阵列中的不同位置的光纤光栅的反射光进行探测，并对应在不同时刻输出对应的光信号，单光子探测器输出的每一个光信号都输入时间数字转换器并对应产生一个电信号，令时间数字转换器的计数值改变。
进一步，如前所述基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感系统，所述时间数字转换器采用基于单片机、可编程逻辑器件、数字信号处理芯片、嵌入式芯片、专用的延时取与器件中的一种或多种器件实现。
进一步，如前所述基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感系统，所述窄带滤波器为中心波长可调滤波器，其波长范围与量子光源匹配，带宽小于0.01nm。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明中，采用单光子探测器代替传统的光电转换器件，可以高效接收到反射光光子，提高传感系统的灵敏度。采用时间数字转换器对反射光子进行符合计数，由于时间数字转换器具有皮秒量级的分辨率，可以精确计算反射光波长的漂移量，物理信息的空间位置可通过定量分析符合计数的时间轴获得，这使得传感装置的空间定位精度大大提高。进一步根据对反射光子的计数值可以计算出光纤光栅传感器的中心波长的漂移大小，进而解调出测量区域的物理信息变化大小，通过时间数字转换器和信号处理系统对电信号的输出时刻在时间上恢复得到光纤光栅的空间位置，从而获得物理信息发生改变的空间位置信息，实现分布式传感定位。本方法实现传感器位置信息的精确获取及对应传感信息的高精度解调。
2、本发明中，光纤光栅阵列由高斯函数型光纤光栅等间距排列构成，反射光谱没有旁瓣，检测区域的物理信息与反射波长呈线性变化关系，可以提高传感系统的灵敏度，如果反射光谱形状偏离理想的高斯形状，可以对每个光栅的光谱形状进行校准。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明系统示意图；
图中标记：1-量子光源、2-脉冲调制器、3-窄带滤波器、4-环形器、5，6，7，8，9-高斯光纤光栅、10-单光子探测器、11-时间数字转换器、12-信号处理系统。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
一种基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法，以下将方法结合本发明中系统进行说明，如下步骤：
步骤一：量子光源输出连续光并经过脉冲调制器调制为光脉冲信号；
步骤二：脉冲调制器发出的脉冲光经窄带滤波器输出特定波长的光脉冲；
步骤三：脉冲光经环形器的一端口进入高斯光纤光栅传感器阵列，将不同位置处的物理信息变化量转换为高斯光纤光栅传感器的反射波长漂移量；
所述的光纤光栅的反射光谱为高斯函数型，其可以表示为：
RG(λ)＝Rmax exp(-4ln(2)(λ-λB)2/ΔλB 2) (1)
其中，Rmax是峰值反射率，λB是峰值波长，ΔλB是高斯光谱的3dB带宽。反射光谱由反射波长λB决定，当测量区域物理信息发生变化时，光纤光栅的反射光波长λB发生改变，对应系统光源波长的反射率发生改变。
步骤四：高斯光纤光栅传感器的反射光经环形器的二端口从环形器三端口进入单光子探测器，不同位置处的光纤光栅反射回来的具有不同的波长和传播时间，其被单光子探测器探测后将在不同时刻输出对应的光信号，光信号到来后在时间数字转换器产生一个电信号，使得时间数字转换器的计数值改变；
经光纤光栅传感器反射后，反射光到达单光子探测器的能量为：
E(λ)＝E0αRG(λ)ηtbfrtm＝E0αRmaxexp(-4ln(2)(λ-λB)2/ΔλB 2)ηtbfrtm (2)
其中，E0为光源注入到光纤的总能量，λ为入射光波长，α为光纤损耗，η为单光子探测器的探测效率，tb为每个采样的窗口时间，fr为入射脉冲的重复率，tm为测量时间；
步骤五：利用符合计数装置对单光子探测器的输出进行符合计数，通过分析符合计数值的大小，可以得到对应的光子波长，通过分析反射光波长变化得到各点物理信息变化；电信号的输出时刻在时间数字转换器和信号处理系统上可以恢复为光纤光栅的空间位置，实现传感定位。该步骤分为两部分，如下：
a.信号处理系统对符合计数值进行处理，其坐标横轴为反射光子的传输时间，纵轴为反射光子的符合计数值。反射光子在时间数字转换器的符合计数值表示为：
Figure BDA0002288443600000051
式中，RG(λ)为光纤光栅反射光谱函数，h为普朗克常量，c为光在真空中的传播速度，λB为反射光波长，n为光纤折射率，N为平均光子数N为平均光子数，
Figure BDA0002288443600000061
公式(4)中，在注入到光纤的光波长及测量时间保持不变的情况下，反射光平均光子数N与光纤光栅传感器的中心波长λB唯一相关，即：
当测量区域物理信息发生变化时，反射光的λB发生改变，反射光平均光子数N发生变化。根据时间数字转换器对反射光子的计数值可以计算出光纤光栅传感器的中心波长λB的漂移大小，进而解调出测量区域的物理信息变化大小；
b.光纤光栅的间距为d，环形器与第一个光纤光栅的间隔为s，环形器与单光子探测器的距离为1，脉冲光经各个光纤光栅进行反射，第i个光纤光栅的反射光到达单光子探测器的时间为：
Figure BDA0002288443600000063
则第i个光纤光栅传感器距环形器的距离为：
Figure BDA0002288443600000064
由公式(7)可知，光纤光栅传感器的位置与时间数字转换器横轴显示的时间点τi唯一相关。
本发明中方法和系统的灵敏度可以定义为单光子探测器探测到的反射光子在时间数字转换器中的计数值随光纤光栅传感器中心波长漂移量的变化率，用数学表达式表示为：
Figure BDA0002288443600000065
根据式(8)可知，系统的灵敏度与光源稳定性、光纤损耗α、单光子探测器的探测效率η、入射脉冲的重复频率fr、测量时间tm等相关。相比传统的光电转换器件，单光子探测器的噪声等效功率比较小、抖动低、计数率高、检测效率高使得系统的灵敏度大大提高。
由于时间数字转换器的分辨率可达到皮秒量级，可以对反射光到达单光子探测器的时间τi进行高精度、短时间间隔测量，将τi代入公式(7)便可精确计算出各个光纤光栅传感器的位置，进而解调出测量区域的物理信息变化的位置，因此传感装置的空间定位精度大大提高。
进一步，具体实施方式中，所述的量子光源为单波长窄带光源，所述的光纤光栅传感阵列具有相同的中心波长，且中心波长与量子光源的中心波长相匹配，采用时分复用技术进行信号解调；或者采用另一种具体实施方式，所述的量子光源为宽带光源，所述的光纤光栅传感阵列中心波长与量子光源的输出波长范围相匹配，采用波分复用与时分复用相结合的技术进行信号解调；
进一步，具体实施方式中，所述的窄带滤波器为中心波长可调滤波器，其波长范围与量子光源匹配，带宽小于0.01nm；
进一步，具体实施方式中，所述的单光子探测器采用基于雪崩光电二极管或者超导波导器件；
进一步，具体实施方式中，所述的单光子探测器的输出端与时间数字转换器相连，时间数字转换器与信号处理系统连接；时间数字转换器采用基于单片机、可编程逻辑器件、数字信号处理芯片、嵌入式芯片和专用的延时取与器件中的一种或多种器件实现。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
如图1所示，一种基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法，包括量子光源1、脉冲调制器2、窄带滤波器3、环形器4、高斯光纤光栅传感器(5、6、7、8、9)、单光子探测器11、时间数字转换器12、信号处理系统；
所述量子光源1与所述脉冲调制器2输入端相连，所述脉冲调制器输出端2与所述窄带滤波器3输入端相连，所述窄带滤波器3输出端与所述环形器4一端口相连，所述环形器4二端口与所述光纤光栅传感器阵列5、6、7、8、9相连，所述单光子探测器10输入端口与所述环形器4三端口相连，所述单光子探测器10输出端口与时间数字转换器11相连，所述时间数字转换器11与信号处理系统12连接。在该传感方法中，所用的量子光源为单波长窄带光源时，所述的光纤光栅传感阵列具有相同的中心波长，且中心波长与量子光源的中心波长相匹配，采用时分复用技术进行信号解调；所用的量子光源为宽带光源时，所述的光纤光栅传感阵列中心波长与量子光源输出波长范围相匹配，采用波分复用与时分复用相结合的技术进行信号解调。所述的窄带滤波器为中心波长可调滤波器，其波长范围与量子光源匹配，带宽小于0.01nm。所述的单光子探测器采用基于雪崩光电二极管或者超导波导器件。所述的时间数字转换器采用基于单片机、可编程逻辑器件、数字信号处理芯片、嵌入式芯片和专用的延时取与器件中的一种或多种器件实现。
光源注入到光纤的总能量为E0，入射光波长为λ0，光纤损耗为α，单光子探测器的探测效率为η，光纤光栅传感器的中心波长为λB，光纤光栅传感器的峰值反射率为Rmax，物理信息改变时，光纤光栅传感器的中心波长发生漂移，入射到单光子探测器的反射光能量改变，使得时间数字转换器对光子数的计数值发生改变。
物理信息改变后，第i个光纤光栅传感器的反射光到达单光子探测器的能量为：
Ei(λBi)＝E0αRGi(λ)η＝E0αRmaxexp(-4ln(2)(λ0-λBi)2/ΔλB 2)η；
此时在时间数字转换器可读到反射光子的计数值Ni为：
根据上式计算出λBi，则随物理信息的变化，λB变化的大小为ΔλBi＝|λB-λBi|，再根据波长与物理信息的关系进而得到物理信息的改变值。
测量时间为tmi，系统的灵敏度为：
Figure BDA0002288443600000082
物理信息改变后，已知时间数字转换器在计算机上显示的时间点τi，其所对应的光纤光栅传感器为第i个，则第i个光纤光栅传感器距环形器的距离为：
根据上式可以得到各光纤光栅传感器的空间位置，从而获得物理信息发生改变的空间位置信息，实现分布式传感定位。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法，其特征在于：方法为：
量子光源输出连续光经过处理为特定波长的光脉冲后进入光纤光栅传感器阵列；
单光子探测器对光纤光栅传感器阵列中的不同位置的光纤光栅的反射光进行探测，并对应在不同时刻输出对应的光信号，单光子探测器输出的每一个光信号都输入时间数字转换器并对应产生一个电信号，令时间数字转换器的计数值改变；
对单光子探测器输出的光信号进行符合计数，通过分析符合计数值的大小得到对应的光子波长，通过分析反射光波长变化解调得到各个光纤光栅传感器测量区域物理信息变化，对电信号的输出时刻在时间上恢复得到光纤光栅的空间位置。
2.根据权利要求1所述的基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法，其特征在于：所述对单光子探测器输出的光信号进行符合计数，通过分析符合计数值的大小得到对应的光子波长，通过分析反射光波长变化得到各个光纤光栅传感器测量区域物理信息变化的具体过程为：
信号处理系统对符合计数值进行处理，其坐标横轴为反射光子的传输时间，纵轴为反射光子的符合计数值，反射光子在时间数字转换器的符合计数值表示为：
式中，E0为光源注入到光纤的总能量，λ为入射光波长，α为光纤损耗，RG(λ)为光纤光栅反射光谱函数，η为单光子探测器的探测效率，tb为每个采样的窗口时间，fr为入射脉冲的重复率，tm为测量时间，h为普朗克常量，c为光在真空中的传播速度，λB为反射光波长，n为光纤折射率，N为平均光子数，N进一步表示为：
在注入到光纤的光波长及测量时间保持不变的情况下，反射光平均光子数N与光纤光栅传感器的中心波长λB唯一相关，由该公式得到：
Figure FDA0002288443590000013
式中Rmax是光纤光栅的峰值反射率，通过上述公式，根据对反射光子的计数值计算出光纤光栅传感器的中心波长λB的漂移大小，进而解调出测量区域的物理信息变化大小。
3.根据权利要求1所述的基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法，其特征在于：所述通过时间数字转换器和信号处理系统对电信号的输出时刻在时间上恢复得到光纤光栅的空间位置的具体过程为：
令光纤光栅的间距为d，光纤光栅传感器阵列的反射光输出端与第一个光纤光栅的间隔为s，光纤光栅传感器阵列的反射光输出端与单光子探测器的距离为1，光脉冲经各个光纤光栅进行反射，第i个光纤光栅的反射光到达单光子探测器的时间为：
Figure FDA0002288443590000021
计算得到第i个光纤光栅传感器距环形器的距离为：
Figure FDA0002288443590000022
4.根据权利要求1所述的基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法，其特征在于：所述光纤光栅传感阵列由高斯函数型光纤光栅等间距排列构成。
5.根据权利要求1所述的基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法，其特征在于：所述量子光源为单波长窄带光源，所述光纤光栅传感阵列具有相同的中心波长，且中心波长与量子光源的中心波长相匹配，采用时分复用技术进行信号解调。
6.根据权利要求1所述的基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法，其特征在于：所述量子光源为宽带光源，所述的光纤光栅传感阵列中心波长与量子光源的输出波长范围相匹配，采用波分复用与时分复用相结合的技术进行信号解调。
7.根据权利要求1所述的基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法，其特征在于：所述单光子探测器采用基于雪崩光电二极管或者超导波导器件。
8.一种基于上述权利要求1-7任一项所述基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法的基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感系统，其特征在于：所述系统包括量子光源，量子光源与脉冲调制器输入端相连，脉冲调制器输出端与窄带滤波器输入端相连，窄带滤波器输出端与环形器一端口相连，环形器二端口与光纤光栅传感器阵列相连，单光子探测器输入端口与环形器三端口相连，单光子探测器输出端口与时间数字转换器相连，时间数字转换器与信号处理系统连接；
量子光源输出连续光经过脉冲调制器调制为光脉冲信号，该光脉冲信号再经窄带滤波器输出特定波长的光脉冲，特定波长的光脉冲进入光纤光栅传感器阵列，单光子探测器对光纤光栅传感器阵列中的不同位置的光纤光栅的反射光进行探测，并对应在不同时刻输出对应的光信号，单光子探测器输出的每一个光信号都输入时间数字转换器并对应产生一个电信号，令时间数字转换器的计数值改变。
9.根据权利要求8所述的基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感系统，其特征在于：所述时间数字转换器采用基于单片机、可编程逻辑器件、数字信号处理芯片、嵌入式芯片、专用的延时取与器件中的一种或多种器件实现。
10.根据权利要求8所述的基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法，其特征在于：所述窄带滤波器为中心波长可调滤波器，其波长范围与量子光源匹配，带宽小于0.01nm。
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