CN112469958A - 通过调制光来确定光栅微扰的方法及系统 - Google Patents

通过调制光来确定光栅微扰的方法及系统 Download PDF

Info

Publication number
CN112469958A
CN112469958A CN201980046270.7A CN201980046270A CN112469958A CN 112469958 A CN112469958 A CN 112469958A CN 201980046270 A CN201980046270 A CN 201980046270A CN 112469958 A CN112469958 A CN 112469958A
Authority
CN
China
Prior art keywords
modulation
grating
phase shift
optical
dispersion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201980046270.7A
Other languages
English (en)
Inventor
什穆埃尔·施特克劳
齐夫·格莱萨
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ariel Scientific Innovations Ltd
Original Assignee
Ariel Scientific Innovations Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ariel Scientific Innovations Ltd filed Critical Ariel Scientific Innovations Ltd
Publication of CN112469958A publication Critical patent/CN112469958A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/35306—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement
    • G01D5/35309—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement using multiple waves interferometer
    • G01D5/35316—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement using multiple waves interferometer using a Bragg gratings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/35383—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using multiple sensor devices using multiplexing techniques
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/34—Optical coupling means utilising prism or grating
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B10/00—Integration of renewable energy sources in buildings
    • Y02B10/30—Wind power

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Transform (AREA)
  • Testing Of Optical Devices Or Fibers (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)
  • Light Guides In General And Applications Therefor (AREA)

Abstract

一种确定在一光纤中形成的一光栅的微扰的方法，所述方法包括：通过所述光纤调制及传输一光束、测量从所述光栅反射的光的一调制中的至少一个相移，以及基于所述相移来确定所述光栅的所述微扰。

Description

通过调制光来确定光栅微扰的方法及系统
相关申请
本申请主张于2018年7月4日提交的美国临时专利申请62/693,941的优先权，其内容通过引用的方式并入本文中。
技术领域及背景技术
在本发明的一些实施例中，本发明涉及一种传感系统，更具体地但非排他地涉及一种通过调制光的反射来进行感测的方法及系统，例如：通过光纤布拉格光栅(FBG)。
光纤布拉格光栅是光纤传感及通信领域中的一种众所周知的元件，并且通常由写入光敏光纤的重复图案组成。当被照亮时，布拉格光栅在一个波长范围内反射光的一部分，波长范围内的中心波长及带宽取决于光栅的特性(例如：间距、折射率、光栅长度)。所述范围的中心波长及带宽分别称为布拉格波长及FBG带宽。光栅的微扰(perturbation)可以在反射光谱中被侦测到，例如，通过温度、压力、应变、振动等对光栅的微扰导致布拉格波长的一偏移(称为“布拉格偏移(Bragg shift)”)。然后，可以将这种偏移与未受微扰的布拉格波长进行比较，以确定微扰的程度。
因此，FBG可作为传感器。FBG传感器特别适合用作智能结构的嵌入式传感器，其中所述传感器可用于实时评估温度、压力、应变、振动等。由于许多光栅可以写入一段光纤中并使用多路复用技术寻址，FBG传感器可提供准分布式(quasi-distributed)传感功能。
传统上，布拉格波长的偏移是通过诸如干涉仪、可调谐滤光片、可调谐激光器或衍射元件等光谱分析技术来测量的[Chen等人，“光纤布拉格光栅传感器技术综述”，Front.Optoelectron.中国4 204(2011)]。
众所周知，在长距离的光通信领域中，通过在光纤中线性分散超短脉冲并将其频谱映射到时域来测量光纤中的色散(dispersion)。这使得能够通过测量分散脉冲的时间分布中两个峰值之间的延迟来映射色散[Tong等人，“使用取样示波器进行光纤色散或脉冲频谱测量”，Electronics Lett.33(11)983-985(1997年)]。
发明内容
根据本发明的实施例的一个方面，本发明提供一种确定在一光纤中形成的一光栅的微扰的方法。所述方法包括：通过所述光纤调制及传输一光束、测量从所述光栅反射的光的一调制中的至少一个相移，以及基于所述至少一个相移来确定所述光栅的所述微扰。
根据本发明的实施例，所述调制在所述传输之前执行。根据本发明的实施例，所述调制在所述光束从所述光栅反射之后执行。根据本发明的实施例，所述调制在所述传输之前以及在所述光束从所述光栅反射之后执行。
根据本发明的实施例，所述光纤形成有多个光栅，并且其中所述多个光栅中的至少两个的特征是具有不同的布拉格波长。
根据本发明的实施例，所述方法还包括：在所述至少一个相移的所述测量之前，将反射的所述光束解复用到至少两个通道中，所述至少两个通道分别对应于所述不同的布拉格波长。
根据本发明的实施例，所述方法包括在多个调制频率上扫描所述调制的一频率，其中所述方法包括：针对每个调制频率来测量从所述至少两个光栅反射的光的一调制相移及一调制幅度，并且基于测量到的所述调制相移及测量到的所述调制幅度，为所述至少两个光栅中的每一个确定个别的光波长或光频移。
根据本发明的实施例，所述方法还包括：在所述至少一个相移的所述测量之前，使反射的所述光束进行色散。
根据本发明的实施例，所述色散是通过形成在一光纤中的一啁啾光栅(chirpedgrating)来进行的。
根据本发明的实施例，所述色散是通过一光纤线轴来进行的。
根据本发明的实施例，所述至少一个相移的所述测量的特征是一预定的相位分辨率，以及所述色散的特征是一预定的色散参数，所述预定的色散参数描述每单位波长的脉冲展宽，以及其中所述调制的一频率至少是介于所述相位分辨率与所述色散参数乘以一预定的光谱分辨率阈值的一乘积之间的一比率。
根据本发明的实施例，所述预定的光谱分辨率阈值小于0.1皮米，以及所述至少一个相移的所述测量是以至少1千赫的一采样率来进行。
根据本发明的实施例，所述色散的特征是一色散系数，其中所述方法包括：在多个色散系数值上改变所述系数的一数值、针对所述色散系数的每个数值来测量从所述光栅反射的光的一调制相移及一调制幅度，并且基于测量到的所述调制相移及测量到的所述调制幅度，为所述至少两个光栅中的每一个确定个别的光波长或光频移。
根据本发明的实施例，所述调制包括射频调制。根据本发明的实施例，所述调制包括正弦调制。
根据本发明的实施例，所述方法还包括：在所述传输之前放大所述光束。
根据本发明的实施例，所述光栅的所述微扰的所述确定不取决于反射的所述光束的一光功率。
根据本发明的实施例，在未确定反射的所述光束的一光功率的情况下执行所述方法。
根据本发明的实施例，所述光栅的所述微扰的所述确定包括：将所述微扰表示为表征所述光栅的一布拉格波长的一位移。
根据本发明的实施例，使用所述布拉格波长中的所述位移来计算影响所述光栅的所述微扰的至少一个物理量。
根据本发明的实施例，所述光栅的所述微扰的所述确定包括：将所述微扰表示为影响所述光栅的所述微扰的至少一个物理量。
根据本发明的实施例，所述至少一个物理量选自于由环境温度、施加于所述光纤的压力、所述光纤的应变及所述光纤的加速运动所组成的群组。
根据本发明的实施例的一个方面，本发明提供一种用于确定在一光纤中形成的一光栅的微扰的系统。所述系统包括：一光调制系统，用于调制一光束；一光耦合器，将所述光束耦合到所述光纤，并且接收从所述光栅反射的光；以及一光电分析系统，配置用以测量从所述光栅反射的光的一调制中的至少一个相移，并且基于所述至少一个相移来确定所述光栅的所述微扰。
根据本发明的实施例的一个方面，本发明提供一种传感系统。所述传感系统包括：一光调制系统，用于调制一光束；一光耦合器，将所述光束耦合到所述光纤，并且接收从所述光栅反射的光；以及一光电分析系统，配置用以测量从所述光栅反射的光的一调制中的至少一个相移，并且基于所述至少一个相移来确定所述光栅的所述微扰。
根据本发明的实施例，所述至少一个物理量是选自于由环境温度、施加于所述光纤的压力、所述光纤的应变及所述光纤的加速运动所组成的群组。
根据本发明的实施例，所述光调制系统配置成在所述传输之前调制所述光束。根据本发明的实施例，所述光调制系统配置成在所述光束从所述光栅反射之后调制所述光束。根据本发明的实施例，所述光调制系统配置成在所述传输之前以及在所述光束从所述光栅反射之后调制所述光束。
根据本发明的实施例，所述光纤形成有多个光栅，并且其中所述多个光栅中的至少两个的特征是具有不同的布拉格波长。
根据本发明的实施例，所述分析系统包括：一光学解复用系统，用于在所述至少一个相移的所述测量之前，将反射的所述光束解复用到至少两个通道中，所述至少两个通道分别对应于所述不同的布拉格波长。
根据本发明的实施例，所述分析系统包括：多个光检测器，一个光检测器用于所述至少两个通道中的每一个。
根据本发明的实施例，所述光调制系统配置成在多个调制频率上扫描所述调制的一频率，其中所述光电分析系统配置成针对每个调制频率来测量从所述光栅反射的光的一调制相移及一调制幅度，并且基于测量到的所述调制相移及测量到的所述调制幅度，为所述至少两个光栅中的每一个确定个别的光波长或光频移。
根据本发明的实施例，所述分析系统包括一单个光检测器。
根据本发明的实施例，所述分析系统包括：一色散光学器件，配置成在所述至少一个相移的所述测量之前，使反射的所述光束进行色散。
根据本发明的实施例，所述色散光学器件包括形成在一光纤中的一啁啾光栅。根据本发明的实施例，所述色散光学器件包括一光纤线轴。
根据本发明的实施例，所述分析系统包括一信号处理系统，所述信号处理系统配置为以一预定的相位分辨率测量所述至少一个相移，其中所述色散光学器件配置成根据一预定的色散参数来影响色散，所述预定的色散参数描述每单位波长的脉冲展宽，以及其中所述光调制系统配置成以一频率来调制所述光束，所述频率至少是介于所述相位分辨率与所述色散参数乘以一预定的光谱分辨率阈值的一乘积之间的一比率。
根据本发明的实施例，所述预定的光谱分辨率阈值小于10皮米。
根据本发明的实施例，所述预定的光谱分辨率阈值小于0.1皮米，以及其中所述信号处理系统配置成以至少1千赫的一采样率来测量所述至少一个相移。
根据本发明的实施例，所述色散光学器件是可控制的，其中所述系统包括：一色散控制器，用于控制所述色散光学器件，以改变表征所述色散光学器件的一色散系数的一数值，并且其中所述光电分析系统配置成针对所述色散系数的不同数值来测量从所述光栅反射的光的一调制相移及一调制幅度，并且基于测量到的所述调制相移及测量到的所述调制幅度，为所述至少两个光栅中的每一个确定个别的光波长或光频移。
根据本发明的实施例，所述系统还包括：一光放大器，用于在所述传输之前放大所述光束。
根据本发明的实施例的一个方面，本发明提供一种确定在一光纤中形成的多个光栅的微扰的方法。所述方法包括：通过所述光纤来调制及传输一光束，其中所述调制包括：在多个调制频率上扫描所述调制的一频率；针对每个调制频率来测量从所述光栅反射的光的一调制相移及一调制幅度；以及基于测量到的所述调制相移及测量到的所述调制幅度，确定至少两个所述光栅中的微扰。
根据本发明的实施例，所述方法还包括：使用一可控的色散光学器件来使从所述光栅反射的光进行色散，其中所述色散包括：控制所述色散光学器件以改变一色散系数的一数值，所述色散系数表征所述色散光学器件，其中所述方法包括：针对所述色散系数的不同数值来测量所述调制相移及所述调制幅度。
根据本发明的实施例的一个方面，本发明提供一种确定在一光纤中形成的多个光栅的微扰的方法。所述方法包括：通过所述光纤来调制及传输一光束；使用一可控的色散光学器件来使从所述光栅反射的光进行色散，其中所述色散包括：控制所述色散光学器件以改变一色散系数的一数值，所述色散系数表征所述色散光学器件；针对所述色散系数的不同数值来测量从所述光栅反射的光的一调制相移及一调制幅度；以及基于测量到的所述调制相移及测量到的所述调制幅度，确定至少两个所述光栅中的微扰。
根据本发明的实施例，所述调制是在所述传输之前执行。
根据本发明的实施例，所述调制在所述光束从所述光栅反射之后执行。
根据本发明的实施例，所述调制在所述传输之前以及在所述光束从所述光栅反射之后执行。
根据本发明的实施例，所述微扰的所述确定包括：计算由一相应光栅引起的一光波长或光频移。
除非另有定义，否则本文使用的所有技术及/或科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。尽管与本文所述的方法及材料类似或等效于本文所述的方法及材料可用于本发明实施例的实践或测试中，但下文描述示例性方法及/或材料。如有冲突，以专利说明书(包括定义)为准。此外，所述材料、方法及示例仅为说明性的，并非旨在限制本发明。
本发明的方法及/或系统的实现可涉及以手动、自动或其组合的方式来执行或完成选定的任务。此外，根据本发明的方法及/或系统的实施例的实际仪器及设备，可以使用操作系统通过硬件、软件或固件或它们的组合来实现几个选定任务。
例如，根据本发明的实施例，用于执行选定任务的硬件可以被实现为芯片或电路。作为软件，根据本发明实施例的选定任务可以被实现为由计算机使用任何合适的操作系统执行的多个软件指令。在本发明的一个示例性实施例中，根据本文所述的方法及/或系统的示例性实施例的一个或多个任务可以经由数据处理器来执行，例如：用于执行多个指令的计算平台。选择性地，数据处理器包括用于存储指令及/或数据的易失性存储器及/或用于存储指令和/或数据的非易失性存储器，例如，磁性硬盘及/或可移动介质。可择地，本发明还提供网络连接。本发明还可选择性地提供显示器及/或用户输入设备，例如：键盘或鼠标。
附图说明
本文仅通过举例的方式，参考多个附图来描述本发明的一些实施例。现在具体参考附图，应当强调，所示的细节是作为示例及用于对本发明的实施例的说明性讨论的目的。在这方面，结合附图所进行的描述对于本领域技术人员来说是显而易见的，本领域技术人员可以知道如何实践本发明的实施例。
在附图中：
图1是根据本发明的一些实施例中，适于确定在一光纤中形成的一光栅的微扰的方法的流程图；
图2是根据本发明的一些实施例中，适于确定形成在一光纤中的一光栅的微扰的系统的示意图；
图3是根据本发明的一些实施例中，在进行的实验中使用的实验装置的示意图；
图4示出在根据本发明的一些实施例进行的实验中获得的由于光纤布拉格光栅(FBG)上的周期性应变而监测到的布拉格波长偏移(Bragg wavelength shift)；
图5示出在根据本发明的一些实施例进行的实验中获得的针对不同振动功率值的水中超声波的傅里叶分析；
图6示出从缠绕在压电光纤拉伸器周围的FBG返回的一信号的傅里叶分析，所述拉伸器以大约200kHz的频率振动；
图7示出根据本发明的一些实施例进行的实验中获得的作为一速度函数的分辨率；
图8是根据本发明的一些实施例中，适于放大相移的方法的流程图；以及
图9是根据本发明的一些实施例中，用于放大相移的系统的示意方框图。
具体实施方式
在本发明的一些实施例中，本发明涉及一种传感系统，更具体但非排他地涉及一种通过调制光的反射来进行感测的方法及系统，例如：通过光纤布拉格光栅(FBG)。
在详细解释本发明的至少一个实施例之前，应当理解，本发明在其应用中不一定限于以下描述中阐述及/或在附图及/或示例中示出的组件及/或方法的构造及设置的细节。本发明能够以各种方式实施或以其他实施例来实施。
在传统的FBG传感器中，由FBG中的微扰引起的布拉格偏移通常是通过光谱分析技术来测量的，例如：光谱仪、干涉仪、可调谐光滤波器、可调谐激光器或衍射元件。本发明的发明人意识到这些技术是复杂的，并且需要昂贵的设备来达到足够的精度。发明人还意识到依赖于使用激光频率扫描的技术限制了测量的速度，特别是如果扫描是以机械方式进行的情况下。其他系统测量脉冲通过色散元件的时间响应。发明人发现这种技术还需要昂贵的工具，例如：调制器及快速电子检测装置，所述调制器能够调制超短脉冲(ultrashortpulses)。发明人还发现这种技术具有其他的缺点，例如：需要在频域中解析时间响应，这限制了频谱分辨率。
在寻找能够选择性且优选地克服上述问题的技术及/或选择性且优选地能够以更精确及/或以更高速度执行的技术的过程中，发明人设计了一种方法及系统，所述方法及系统能够直接从光栅反射的光调制中获取询问器数据(interrogator data)。发明人发现，这种直接获取受益于许多优点，并且同时克服了上述缺点中的一个或多个。首先，所述技术具有较高的噪声抑制及高速测量的功能，因为它不需要进行频谱扫描(spectral sweep)。第二点，相较于需要进行快速时域测量的设备，可以使用相对低成本的设备来执行所述技术。第三点，与在频域中解析时间响应的传统技术不同，对于传统技术来说，其分辨率受到衰减效应(fading effect)的约束，根据本发明的一些实施例，所述技术根据衰减效应中的周期性来选择工作频率，从而提高了分辨率。
现在参考附图，图1是根据本发明的一些实施例中，适于确定在一光纤中形成的一光栅的微扰的方法的流程图，以及图2是根据本发明的一些实施例中，适于确定形成在一光纤中的一光栅的微扰的一系统30的示意图。在一个优选的实施例中，系统30可用于执行所述方法的至少一些操作。
应当理解，除非特别定义，否则下文所述的操作可以以多种执行组合或顺序同时或依序地执行。具体地，流程图的顺序不应视为限制性的。例如，以特定顺序出现在下文的描述或流程图中的两个或多个操作可以以不同的顺序(例如：相反的顺序)或基本上同时执行。另外，下文描述的几个操作是可选的，并且可能不会执行。
所述方法从10开始并且选择性地且优选地继续进行到11，在11处产生光束，并且继续进行到12，在12处调制所述光束以提供一调制光束34。根据需求，光可以是红外光、可见光或紫外光。优选地，所述光是红外光。
所述产生11及调制12可以通过一光调制系统40来执行。所述调制可以是直接调制或外部调制，以及本领域中已知的任何类型的调制。当采用直接调制时，一光源36从一控制器42接收一调制信号并产生调制光束34。当采用外部调制时，由光源36产生一未调制的光束32，并由从控制器42接收所述调制信号的一光调制器38来进行调制。控制器42可以包括用于产生调制信号的专用电路。
所述调制可以在任何频率范围内，例如但不限于射频。当采用射频调制时，调制频率选择性且优选地为约1kHz到约40GHz。在本发明的多个不同的实施例中，所述调制是正弦调制，但是在一些实施例中也考虑了其它正弦调制波形。本发明还设想了采用多频率调制的实施例，例如：通过正弦信号的总和，其中每个正弦信号的频率不同。所述调制可用于调制光束的任何幅度、频率及相位，包括两个或两个以上幅度、频率及相位的调制。在一个优选的实施例中，至少采用幅度调制，并且在一个更优选的实施例中，仅采用幅度调制，其中不调制频率及相位。
本发明的实施例还考虑调制扫描，其中在多个调制频率上扫描所述调制的一频率。这些实施例的优点将在下文中说明。然而，应当理解，不一定要采用调制扫描，并且根据本发明的实施例的方法也可以在不需要频率扫描的情况下执行。
在本发明的一些可选的实施例中，所述方法进行到13，在13处放大光束34。可选地且优选地，这可以通过可选的光学放大器50来达成，例如但不限于：掺铒光纤放大器(EDFA)、掺镱光纤放大器(YDFA、拉曼放大器、混合拉曼/掺铒放大器、混合拉曼/掺镱放大器、铒镱共掺光纤放大器、掺钕光纤放大器、掺铥光纤放大器等)。
所述方法进行到14，所述调制光束34在14处通过一光纤44传输，所述光纤44具有形成在其中的一个或多个光栅46，然后所述方法进行到15，在15处，从一个或多个光栅46反射的光从光纤44耦合输出。一个或多个光栅可以装配在纤芯横截面的全部或一部分内或在光纤44的纤芯包层界面内，或装配在本领域已知的其他光纤段内。可选地且优选地，所述光纤44是具有一FBG传感器或FBG传感器阵列的光纤。所述光栅46配置成选择性地反射具有以特定布拉格波长为中心的特定布拉格带宽内的波长的光的分量，并且使得其他分量能够继续在光纤44中传播。当光纤44具有多个光栅时，至少两个所述光栅中的每一个，更优选地为形成在光纤44中的所述多个光栅中的每一个，被配置成选择性地反射光的不同分量。因此，光纤44的每个光栅46的特征是布拉格波长(以及相应的布拉格带宽)，其中所述多个光栅中的至少两个的特征是不同的布拉格波长。如图2所示，图2示出具有N个光栅的光纤，其特征是具有N个不同的布拉格波长，标示为λ1、λ1…、λN。所述光栅不需要根据其λ值进行排序。
在本发明的多个不同的示例性实施例中，所述光纤44配置在一结构上或嵌入一结构中，例如，所述结构包括但不限于：飞机机翼、栅栏、风力涡轮机叶片、建筑物、桥、涵洞、隧道衬砌、管线、河流、防洪水库、以及其相似物。
可选地且优选地，经由一个或多个光耦合器48使得光能够耦合输入到光纤44中及从光纤44耦合输出，所述光耦合器48在系统40及光纤44之间提供光耦合，并且可选地且优选地也在光纤44及一光电分析系统之间提供光耦合，通常在52处示出。在图2所示的示意图中(不应被视为是限制性的)，光耦合器48示出为一光环行器(optical circulator)，所述光环行器具有三个以上的输入/输出(I/O)端口(在本示例中显示了三个)，其中至少一个端口与系统40进行光通信，并且至少一个端口与光纤44进行光通信。在图2中，光束34通过环行器48的第一端口(1)进入环行器48，并且通过环行器48的第二端口(2)离开并进入光纤44。从所述光栅46反射的光在光纤44中向后传播，通过其第二端口(2)进入环行器48，并通过其第三端口(3)离开。反射光从第三端口可选地且优选地进入系统52以执行下文进一步详述的处理及分析。
在本发明的一些可选的实施例中，调制12是在所述光离开光纤44之后执行的。在这些实施例中，在所述光传输到所述光纤之前，不需要进行调制12。然而，在这些实施例中，本发明还考量到可能施加两次或两次以上的调制(例如：在所述光耦合到所述光纤之前，以及在所述光离开所述光纤之后)。
在本发明的一些实施例中，所述方法进行到16，在16处，反射光束已被分散。执行操作16以增加反射光束的群速度色散(GVD)。优选的，接续操作16，所述光束的GVD的大小大于系统52中所有其他分量组合的有效GVD的大小(例如：2倍或4倍或8倍或10倍以上)。可选地且优选地，通过一色散光学器件54来执行操作16，所述色散光学器件16在本发明的一些实施例中是系统52的组件。替代地或附加地，还可以通过所述光纤本身的一个或多个光栅来执行操作16。
适合用作器件54的色散光学器件的代表性示例包括但不限于：形成在光纤中的啁啾光栅(例如：啁啾FBG，例如但不限于：加拿大Teraxion公司销售的啁啾光纤光栅)、色散补偿光纤(DCF)以及光纤线轴。
预计在本申请成熟的专利有效期内，将开发出许多相关的光色散的光学器件，术语“色散光学器件”的范围旨在先验地包括所有这些新技术。
色散光学器件54提供的色散的特征通常是一色散系数
Figure BDA0002891010690000131
参数描述每单位波长的光脉冲在色散光学器件中传播的展宽量，通常以ps/nm为单位。适用于本实施例的是能够实现色散的色散光学器件，其特征是正色散参数或负色散参数
Figure BDA0002891010690000132
所述正色散参数或负色散参数
Figure BDA0002891010690000133
具有至少100ps/nm或至少300ps/nm或至少1000ps/nm或至少1500ns/nm或至少2000ns/nm或至少2500ps/nm的一绝对值。
在本发明的一些实施例中，色散光学器件54是可控的，其中可以通过色散控制器55来改变色散系数
Figure BDA0002891010690000134
例如，可以通过对器件54施加应变(例如：对器件54施加应力或张力)及/或改变其温度来实现色散系数的变化。优选地，色散控制器55配置为对器件45施加应力及/或张力及/或温度的结构。本实施例还考量色散扫描，其中色散系数
Figure BDA0002891010690000135
在多个色散系数上进行扫描。这些实施例的优点将在下文中解释。然而，应当理解，不一定要采用色散扫描，当色散光学器件54的特征是色散系数的固定值时，根据本发明的一些实施例的方法也可以实施。
当光纤44包括两个或多个光栅46时，所述方法可选地且优选地进行到17，在17处，对反射光束进行解复用。优选地，执行解复用17以提供两个或多个在空间上分离的光通道，每个通道对应于表征光纤44的不同光栅的布拉格波长。解复用17可以使用一光解复用系统56来执行，所述光解复用系统56也可以是系统52的一个组成部分。解复用系统56可以是任何形式，包括但不限于：阵列波导光栅、光子晶体光纤及其相似物。图2示出一光学解复用系统，所述光学解复用系统产生N个通道，每个通道对应上述集合中的一个布拉格波长λ1、λ2…、λN。
应当理解，即使光纤44包括多个光栅46，也不必针对反射光进行解复用。例如，当采用调制扫描时，调制频率的多重性可以提供关于一个以上光栅的贡献的足够信息，如下文进一步解释的内容。另一个示例是当采用色散扫描时，在这种情况下，色散系数的多个值可以提供关于一个以上光栅的贡献的足够信息，如下文所述。
在18处，所述光优选地转换成电信号，例如：使用光学检测器(例如：具有单个光学传感器的选择器)或光学检测器58的阵列(每个光通道具有一个，在实施例中，光被解复用为通道)，以及在19处，至少测量从光栅46反射光的调制中的一相位偏移，例如，如图2所示，通过一信号处理系统60来进行测量。在本发明的一些实施例中，操作19还包括测量所述信号的幅度。
本发明人发现调制相移是指示光栅中的微扰，因此可以改善传感，因为相移是直接从光的调制中确定的，而不需要确定信号的时域响应。
所述调制相移可以使用本领域中任何已知的技术，通过处理系统60来确定调制相移。在以下的示例章节中(参见示例2)，提供一种用于确定相移的合适技术的代表性示例。替代地或附加地，信号处理系统60可包括一网络分析器及/或频谱分析器。当处理系统60包括网络分析器时，处理系统60可同时用于处理由检测器阵列58提供的电信号，以确定相移，并且产生由光源36或调制器38接收的调制信号。因此，相同的网络分析器可同时用作控制器42及信号处理系统60。
在光纤具有多个光栅并且采用调制扫描的实施例中，可以根据由多个调制频率提供的信息来确定由每个光栅引起的单个相位、波长或频率偏移。在这些实施例中，针对每个调制频率，所述方法优选地测量反射光的全局相移(global phase shift)及全局幅度(global magnitude)。这提供多个全局相移及多个全局幅度。每个全局相移及全局幅度描述多个部分波形成的波，多个部分波分别对应于光纤中的多个光栅。因此，每个全局相移及全局幅度携带有关光纤中光栅引起的单个相位、波长或频率偏移的信息。根据本发明的一些实施例，采用的不同调制频率的数目足以从全局相移及全局幅度中提取单个相位、波长或频率偏移，并且可选地还提取各个幅度。这可以通过求解一组方程来实现，其中未知数是单个相位、波长或频率偏移，而系数及已知项是全局相移及全局幅度。本发明人发现，对于具有N个光栅的光纤，使用N/2个不同的调制频率就足够了。下文的示例部分提供了一组方程及自动求解这些方程的技术的代表性示例(参见示例3)。
在光纤具有多个光栅并且采用色散扫描的实施例中，可以根据由多个色散系数值提供的信息来确定由每个光栅引起的单个相位、波长或频率偏移。在这些实施例中，针对每个色散系数值，所述方法优选地测量反射光的全局相移及全局幅度。这提供多个全局相移及多个全局幅度，如以下进一步描述的内容。根据本发明的一些实施例，采用的不同色散系数的数目足以从全局相移及全局幅度中提取单个相位、波长或频率偏移，并且可选地还提取各个幅度。这可以通过求解一组方程来实现，如上文所述以及在下文中举例说明。
在本发明的一些实施例中，系统60还接收来自一参考光检测器62的一信号。参考光检测器62可接收从光栅反射但不经受进一步色散及/或解复用的光束。例如，可以将分束器(beam splitter)57放置在离开光纤44的光束的光路上，使得一道光束继续进行如上所描述的过程，并且作为参考光的另一道光束被引导到检测器62。
从19开始，所述方法可以进行到20，在20处，根据相移确定所述光栅的微扰。例如，假设系统40提供的光束是根据cos(Ωt)进行正弦调制的，其中Ω是角调制频率(例如：在射频范围内)。色散光学器件54使光进行色散，使得每个分量分别到达光解复用系统56。进一步假设，当光纤44未受微扰时，从第i个光栅反射的光分量离开色散光学器件54并获得整体调制相位
Figure BDA0002891010690000151
使得它是根据
Figure BDA0002891010690000152
调制的。系统56将每个分量引导到一个单独的通道中，其中从第i个光栅反射的光分量被引导到第i个光通道中。各个光学检测器将第i个光通道转换为电信号，再由信号处理系统60处理，以确定其调制参数。
假设现在微扰发生在第i个光栅，则第i个光栅选择性反射波长为λi+Δλi的光分量，其中λi是在第i个光栅不受微扰的情况下，从第i个光栅反射的光分量的波长(在光学范围内)。在通过色散光学器件54进行色散后，第i个分量获得一调制相位
Figure BDA0002891010690000161
使其按照
Figure BDA0002891010690000162
进行调制。因此，调制中的光学相移
Figure BDA0002891010690000163
是光波长偏移Δλi的一指标(或等效地，光频移Δfi＝cΔλi/λi 2，其中c是光的速度)。
当采用解复用系统56时，解复用系统56引导这个分量到第i个光学通道，相应的光学检测器将该分量转换为信号处理系统60所接收的电信号。当信号处理系统60确定由第i个检测器产生的信号的相位偏移时，所述方法确定在第i个光栅处发生微扰。
替代地，信号处理系统60可以在不进行解复用且不测量其调制相移指标的情况下确定光波长Δλi的值，例如，如本文所述采用调制扫描来进行确定。当信号处理系统60确定Δλi非零时，所述方法确定微扰发生在第i个光栅处。
因此，可选地且优选地，所述方法及系统基于相移成功地确定微扰，而不依赖反射光束的光功率。这与传统技术不同，传统技术需要复杂的光功率处理操作来确定微扰。
在20处确定的微扰可以以多种方式呈现。在一些实施例中，微扰用各自布拉格波长(在上述示例中为Δλi)的偏移来表示。可以确定布拉格波长的偏移，例如，使用根据经验生成的查找表，所述查找表与调制相移Δλi及布拉格偏移Δλi之间相关。根据布拉格偏移的表示值，所述方法可以确定影响光栅的微扰的物理量的数值，例如：如FBG传感器技术中已知的那样。
本发明还考量这样的实施例，在所述实施例中，在不实际确定布拉格偏移的情况下，微扰被表示为物理量的值。物理量的值可以使用根据经验生成的查找表来确定，所述查找表与调制相移及物理量的数值相关。
可确定的物理量的代表性示例包括但不限于：环境温度、施加在光纤上的压力、光纤的应变、光纤的加速运动(例如：振动)。考量的另一物理量是可以基于施加到光纤上的压力来确定的各个光栅的深度。
本发明人发现，通过明智地选择调制频率及/或调制相移的测量值的分辨率，可以提高布拉格偏移的感测分辨率(因此也可以提高要确定的物理量的值)。具体地，调制相移的测量值的分辨率表示为
Figure BDA0002891010690000171
色散的色散参数表示为
Figure BDA0002891010690000172
以及调制角频率表示为Ω，优选地，选择Ω、
Figure BDA0002891010690000173
以及
Figure BDA0002891010690000174
中至少一个来满足以下关系：
Figure BDA0002891010690000175
其中Δλres是预定的光谱分辨率阈值。例如，信号处理系统60能够测量
Figure BDA0002891010690000176
的分辨率的相位，以及色散光学器件54能够产生色散效果，其特征是色散参数为
Figure BDA0002891010690000177
的色散系数，控制器42可配置为产生以角调制频率为特征的调制信号，所述角调制频率Ω至少为
Figure BDA0002891010690000178
通常但非必须的，Δλres小于10皮米或小于1皮米或小于0.1皮米或小于0.05皮米，例如：0.01皮米或更小。
本发明人发现光谱分辨率Δλres的提高(因此也提高了确定物理量的值的能力)可以在不影响测量速度的情况下实现，或对测量速度的影响很小。测量的速度通常以信号处理系统60在确定调制相移时采用的采样率来表示。根据本发明的一些优选的实施例，在信号处理系统的采样率为至少1kHz或至少10kHz或至少100kHz或至少1MHz或至少10MHz的情况下，选择Ω、
Figure BDA0002891010690000179
以及
Figure BDA00028910106900001710
中的至少一个以提供小于0.1皮米或小于0.05皮米的频谱分辨率Δλres，例如：0.01或更小。
所述方法在21处终止。
本文所用的术语“约”表示±10％
在本文中，单词“示例性”用于表示“用作示例、实例或说明”。描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为比其他实施例更优或更有利及/或排除从其他实施例中并入特征。
在本文中，“可选地”一词用于表示“在一些实施例中提供而在其他实施例中未提供”。本发明的任何特定实施例可以包括多个“可选的”特征，除非这些特征冲突。
术语“包括”、“包含”、“含有”、“蕴含”、“具有”及其变化用语表示“包括但不限于”。
术语“由…组成”是指“包括并限于”。
术语“基本上由…组成”是指该组合物、方法或结构可以包括额外的成分、步骤及/或部分，但只有在额外的成分、步骤及/或部分不会实质性地改变所要求的组合物、方法或结构的基本及新颖特征的情况下，才可以包括额外的成分、步骤及/或部分。
如本文所用，除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一(a)”、“一(an)”及“所述”包括复数引用。例如，术语“一化合物”或“至少一种化合物”可包括多个化合物，包括其混合物。
在本申请中，本发明的各种实施例可以范围形式呈现。应当理解，范围形式的描述仅仅是为了方便及简洁，不应被解释为对本发明范围的不灵活限制。因此，范围的描述应视为具体公开所有可能的子范围以及该范围内的个别数值。例如，对诸如从1到6的范围的描述应当被认为具有具体公开的子范围，例如：从1到3、从1到4、从1到5、从2到4、从2到6、从3到6等等，以及在该范围内的单个数字，例如：1、2、3、4、5及6。不管范围有多宽，这一点都适用。
每当在此指示数字范围时，意味着包括所指示范围内的任何引用数字(分数或整数)。短语“在第一指示数字及第二指示数字之间的范围”及“从第一指示数字到第二指示数字之间的范围”在本文中可交换地使用，并且意指包括第一指示数字及第二指示数字以及它们之间的所有分数及整数。
应当理解，为了清楚起见，在个别实施例的上下文中描述的本发明的某些特征也可以在单个实施例中组合提供。相反地，为了清楚起见，在单个实施例的上下文中描述的本发明的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合提供，或者适合在本发明的任何其他描述的实施例中提供。在各个实施例的上下文中描述的某些特征不被视为这些实施例的基本特征，除非没有这些元素，该实施例就不能运作。
如上所述及在下文的权利要求部分中所要求保护的本发明的各种实施例及方面在以下示例中得到实验的支持。
示例：
现在参考以下示例，以下示例与以上描述一起以非限制性方式示出本发明的一些实施例。
示例1：实验性研究
这个示例示出一种基于射频(RF)相移测量的高速高灵敏度FBG询问器。利用一正弦调制源及一色散元件，将布拉格波长偏移直接转换为射频相移。已經验证了询问速度大于1MHz，光谱灵敏度小于1pm，以及100Hz时的灵敏度小于0.01pm。在5个数量级的速度范围内展示了出色的分辨率速度折衷(resolution-speed tradeoff)。已经验证了整体灵敏度与速度的关系为0.34fm/√Hz，相当于0.3纳米应变/√Hz。这个例子使用直接射频相移测量作为询问FBG传感器中波长偏移的基础。已经证实所述方法具有获得良好的分辨率速度折衷的独特潜力，例如，10MHz速度及1pm光谱分辨率。
光源由频率fmod＝Ω/2π及调制指数m的正弦射频信号调制，给出乘方：
P(t)＝P0[1+mcos(Ωt)]＝P0+PAC(t) (1)
其中P0及PAC(t)分别是平均功率及信号包络(signal envelope)。在通过色散系数为D[ps/nm/km]且长度为L的色散介质后，信号获得群延迟τg，其可表示为交流项(AC term)中的附加相位
Figure BDA0002891010690000201
Figure BDA0002891010690000202
由于群延迟取决于载波波长，中心波长的轻微偏移Δλ将导致射频相位
Figure BDA0002891010690000203
发生偏移，其近似表示为：
Figure BDA0002891010690000204
通过测量
Figure BDA0002891010690000205
确定Δλ。最小可检测的相移
Figure BDA0002891010690000206
受到伴随信号的相位噪声的限制。因此，光谱分辨率定义为：
Figure BDA0002891010690000207
因此，光谱分辨率改善较低的相移分辨率值，射频调制频率越高，色散越高。
本演示中使用的实验装置如图3所示。经由具有一可调谐射频滤波器的一矢量网络分析仪(VNA)的一射频信号来直接调制c波段的超发光二极管(SLED)。在本示例中，调制频率是fmod＝923MHz。调制光经由一EDFA放大，并通过环行器引导到三个具有不同布拉格波长的FBG的传感通道中。反射光被引导到一色散分量中，所述色散分量是由环行器及啁啾光纤光栅(Teraxion DCML-C0100-160k)组成的一色散补偿模块(DCM)或是一色散补偿光纤(DCF)，其中所述色散补偿模块的色散参数
Figure BDA0002891010690000208
(用于下文描述的前三个实验)，所述色散补偿光纤的色散参数为DL＝-680ps/nm(用于下文描述的第四个实验的一部分)。解复用器将光分成三个光谱区，该些光谱区对应于三个FBG的布拉格波长，然后将检测到的信号路由回VNA以进行RF相移测量。平均检测光功率为约-16dBm。
在第一个实验中，已经证实所述系统在弱应变下的性能。其中一个FBG利用电动高精度机械台以大约1赫兹的频率进行定期拉伸，信号以10赫兹的速度采样。FBG上的pk-pk应变为约0.09με，在布拉格波长上产生约0.1pm的光谱偏移。在图4中示出输出信号，图4示出本实施例的系统具有获取具有良好SNR的弱应变信号的能力。显示的分辨率低于0.1pm。在这个实验中，由于VNA的采样率与IFBW成正比，因此VNA的中频带宽(IFBW)被设置为IFBW＝10Hz，使得能够以大约每秒10个样本的速度进行采集。
第二个实验验证系统在20至100kHz范围内的超声波响应。第二个FBG被浸泡在一个充满水的容器中，同时还有一个超声波探头(超音速振动单元)，所述探头在20kHz下产生固定振动。图5所示为超声波强度的三个不同值的采集信号的快速傅立叶变换(FFT)。在图5中，绿线对应20％的超声功率、红线对应60％的超声功率、黑线对应80％的超声功率。为清楚起见，红线及黑线被偏移。请注意，随着强度的增加，会出现40kHz的二次谐波，而强度更高时，由于探头的非线性会出现其他频率。y轴波长偏移值(Δλ)仅指低强度水平的实验(20％)，其他均处于相同量级，但为清楚起见进行了偏移。为了记录更高的谐波振动，低水平实验的采集速度为约70kHz，高水平实验的速度为约96kHz。
图6显示了第三个实验的结果，其中第三个FBG缠绕在一个由正弦信号驱动的压电光纤拉伸器(Optiphase)周围，该拉伸器由200kHz的正弦信号驱动。采集速度设定为约1.4MHz。信号FFT的图式显示200kHz的峰值，其对应于布拉格波长中大约3.5pm的偏移，SNR为约7。
在这些实验中，没有观察到不同FBG反射的RF信号之间的串扰(cross-talk)，从而可以对每个FBG传感器进行干净的检测。
在第四个实验中，包括四个不同的运行(run)，在不同的
Figure BDA0002891010690000211
参数值及/或调制频率fmod下，系统分辨率对IFBW(限制测量速度)的总体依赖性进行了表征。在每次实验性运行中，使用第三次实验中使用的相同的第三个FBG，逐渐增加VNA的IFBW，并测量最小(SNR＝1)波长偏移分辨率。结果如图7所示。在第一次运行中，使用
Figure BDA0002891010690000212
的标准色散补偿光纤(DCF)(图7中的蓝点)。在第二次运行中，DCF被上述DCM取代(
Figure BDA0002891010690000213
图7中的红点)。两次运行的fmod均为133MHz。在第三次及第四次运行中，DCM保持不变，调制频率先增加到913MHz(图7中的绿点)，然后降低到635MHz(图7中的黑点)。在本示例中，后一个频率是优选的，使射频功率增加17dB。图7中的实线符合与速度平方根成正比的分辨率。
如图7所示，对于任何给定的色散参数
Figure BDA0002891010690000221
及调制频率，速度与灵敏度之间的折衷仅取决于IFBW。将色散系数提高成4倍，例如，用DCM(红线)代替DCF(蓝线)，从而通过与方程式(4)所预测的相同的因子来改善整体性能。将fmod提高成8倍(红线到绿线)使灵敏度改善了5.3倍。假设这是由于随着频率的增加，相位噪声增加，以及系统各部件对射频的综合依赖性造成的。这一点从635MHz(黑线)的最后运行中得到了证实，由于系统的整体射频响应，系统性能达到了峰值。这表示本例所描述的性能还可以进一步提高。
这个示例证实，整体灵敏度与速度的关系为约
Figure BDA0002891010690000222
就应变测量而言，相当于
Figure BDA0002891010690000223
这些结果优于传统的FBG询问器。本实施例的技术是稳健的，可以用于动态测量以及准静态监测(quasi-static monitoring)，而不需要增加成本及复杂性的额外补偿技术。由于依赖频域测量及电子射频处理，本实施例的技术比传统的方法，特别是那些转述时域测量的方法更加灵活。本示例证实通过调整射频滤波器带宽或其他等效的信号处理参数，可以在超高灵敏度或超高速之间的任何区域选择工作点(operating point)。
在2π相位模糊度约束下，示例技术的光谱动态范围(光谱带宽与分辨率之间的比率)为约35dB，相位分辨率为2mrad。至于可测量的波长范围，本实施例技术的灵活性是一个优点，因为降低调制频率会降低波长偏移与相位偏移的比率(参见方程式(3))，从而允许大波长范围的测量。在本发明的一些实施例中，如果采样率至少是信号测量速度的两倍，则可以通过数字信号处理对相位进行解包，使动态范围增加。大的光谱动态范围及灵活的波长范围测量使得可以进行高速及高分辨率的询问。本示例性技术的另一个优点是源功率的波动不影响测量。这一特点对于放大自发发射(ASE)光源特别有用，例如：SLED，其中宽带光谱在很长的时间尺度上显得很稳定，但在射频时间尺度上却有波动。
本实施例的技术的另一个优点是通过将每个FBG传感器的不同光谱区域路由到不同的检测器(例如：使用解复用器)，并且并行测量所有的相移，使得能够同时询问级联FBG传感器。这种能力对于机器状态监测等应用特别有用，尤其是在MHz采样率下。
示例2：
示例性相移测量
图8是根据本发明的一些实施例中，适合放大相对于一参考信号的一信号的一相移的方法的流程图。所述方法适于提高相移测量的分辨率。相移可以通过一个预定的因子放大到在相移检测器的检测分辨率范围内的一个数值。然后，放大后的相移可以由本技术中已知的相移检测器测量，并且测量的结果可以除以预定的因子，从而可以确定未放大的相移，即使其范围小于相移检测器的可用分辨率。
所述方法从600开始，并且进行到601，在601处产生或接收一信号S，并到602处产生或接收一参考信号Sref。例如，其中一个信号(例如：信号S)可以是从本实施例的光纤中的光栅反射的信号，而另一个信号(例如：信号Sref)可以经由不允许信号与光栅相互作用的路径接收。所述方法继续进行到603，在603处，至少一个信号的调制被改变。所述变化可选择地且优选地与调制幅度有关，使信号及参考信号的调制幅度充分地相互接近。优选地，信号的调制幅度与参考信号之间的比例为约0.9至约1.1，或约0.95至约1.05，或约0.99至约1.01，或约0.995至约1.005，或约0.999至约1.001，或约0.9995至约1.0005，或约0.9999至约1.0001。所述变化是可选且优选地并且与调制相位相关，使参考信号的相位θ1及信号的相位θ2之间的相位差θin是足够小的或足够接近π弧度，如本文进一步详述。可选地，通过方法100的选定操作产生信号S及Sref中的一个，以确保相位差θin是足够小的或足够接近π弧度。调制变化所采用的一个或多个幅度及一个或多个相位可以由所述方法选择，或者被存储或编码在改变调制的电路中。
所述方法优选地继续进行到604，在604处形成作为信号的线性组合的输出信号Sout。这可以通过电子方式、使用电路或使用光学组件来完成。组合604可以直接完成，例如：使用信号求和电路(signal summing circuit)，也可以间接完成，例如：通过信号乘法，然后提取与各信号成线性比例的信号分量，如本文进一步详述。
线性组合一般可写成Sout＝p(S+qSref)，其中p为归一化参数，q为线性组合系数，S及Sref分别为调制变化603后的信号及参考信号。归一化参数p可以设置为任意数，例如：1。所述线性组合系数反映了两个信号的权重比，并且可选地且优选地基于cos(θin)的符号，其中θin是信号的调制相位之间的相位差。
一般来说，当cos(θin)为负数时，q为约1，当cos(θin)为正数时，q为约–1。这在数学上可以写成q≈–NINT(cos(θin))，其中NINT是最接近的整数函数，以及≈符号要理解为10％以内。换句话说，q可选且优选满足条件sign(q)＝–sign(cos(θin))及0.9≤|q|≤1.1。
本发明人发现，上述步骤可以确保相对于相位差θin，相对于参考信号(θout–θ1)的输出信号的相位差被放大。研究发现，放大程度可以达到1/α的值，其中，α是1与信号的调制幅度的比率之差的绝对值。根据本发明的一些实施例，α可以是至多0.1或至多0.05或至多0.01或至多0.005或至多0.0001或更少，因此θout可以比θin大10倍或20倍或100倍或200倍或1000倍或2000倍或10000倍，其中θout是Sout的相位。
在本发明的一些实施例中，所述方法继续进行到605，在605处，测量输出信号相对于参考信号的相位。这可以使用本领域中已知的任何相位测量技术来完成。代表性的例子包括但不限于：美国
Figure BDA0002891010690000251
及美国On
Figure BDA0002891010690000252
的市售相位检测器。
在本发明的一些实施例中，所述方法继续进行到606处，在606处，测量输出信号相对于参考信号的相位随时间的变化。无论输出信号的相位是否已知，都可以执行操作606，因为即使在信号的相位本身未知的情况下，也可以测量信号的相位变化。因此，在一些实施例中执行605而不执行606，在一些实施例中执行605及606，在一些实施例中不执行605而执行606，以及在一些实施例中都不执行605及606。
所述方法在607处结束。
一旦测量到相位的变化，就可以乘以α以确定未放大的相移。
图9是根据本发明的一些实施例中，用于放大相对于一参考信号的一信号的相移的系统700的示意性方框图。系统700可选地且优选地配置为执行上述方法600的一个或多个操作。系统700包括一调制电路702，配置为改变本文进一步详述的至少一个信号的调制。由电路702执行的调制变化所采用一个或多个的幅度及一个或多个相位可以由系统700选择，例如，使用一幅度选择电路，或者被存储或编码在电路702中。
系统700还可以包括一信号组合器704，所述信号合路器704配置为形成输出信号Sout，所述输出信号Sout是信号的线性组合，如本文进一步详述。在一些实施例中，组合器704包括一信号加法器电路。当线性组合系数为正值(例如：q＝1)时，这些实施例是有用的。在一些实施例中，组合器704包括一信号减法器电路。当线性组合系数为负值(例如，q＝-1)时，这些实施例是有用的。在一些实施例中，组合器704包括一信号乘法器电路。当线性组合是通过乘法然后提取线性分量而获得时，这些实施例是有用的，如本文进一步详述。
在一些实施例中，组合器704是配置为执行本领域已知的两个信号的线性组合的光学组件。
在本发明的一些实施例中，系统700包括一检测器电路706，所述检测器电路706可以配置成相位检测器或相位变化检测器，所述相位检测器用于测量输出信号相对于参考信号的相位，所述相位变化检测器用于测量输出信号随时间变化的相位，或者所述检测器电路706可以配置为用于测量相位及其变化的相位检测器及相位变化检测器的组合。
示例3：
通过求解方程组来计算相移
本示例描述一种通过扫描调制频率来数值计算每个光栅引起的波长偏移的技术。这种技术的优点是不需要物理元件(例如：解复用器)来分离通道。由于从光栅反射的光(可选地且优选地通过色散光学器件)是从不同光栅返回的不同信号的总和，因此在调制频率Ω下的总信号可以写成：
Figure BDA0002891010690000261
其中ai及
Figure BDA0002891010690000262
是第i个光栅反射的幅度及相移，以及b及ξ分别是经由光学检测器测量的总信号的全局幅度及全局相移，所述光学检测器具有单个光学传感器。
假设通过扫描不同的调制频率Ωj(最优选为至少为N/2，其中N为光纤中的光栅数)，从初步测量中得知幅度ai，可以得到一个具有N个未知数的N个方程组(布拉格波长偏移Δλi)。扫描可以是串行或并行的。并行扫描可以通过同时用几个频率对射频信号进行调制，并且例如通过信号处理系统同时测量每个频率本身，例如：使用射频滤波器来实现。一个合适的N个方程组可以写成：
Figure BDA0002891010690000263
Figure BDA0002891010690000271
Figure BDA0002891010690000272
Figure BDA0002891010690000273
…
Figure BDA0002891010690000274
Figure BDA0002891010690000275
这个方程组的解或部分解可以提供Δλi、i＝1、2、...N的值。这个方程组可以用本领域已知的任何技术自动求解。代表性的例子包括但不限于“信赖域(Trust-region)”方法[26]以及“莱文贝格－马夸特方法(Levenberg-Marguardt)”技术[27，28]。
尽管已经结合具体实施例对本发明进行了描述，但对于本领域的熟练人员来说，许多替代方案、修改及变化将是显而易见的。因此，本发明旨在包含所有属于所附权利要求的精神及广义范围内的此类替代方案、修改及变化。
本说明书中提到的所有出版物、专利及专利申请在此通过引用的方式，整体并入说明书中，其与每个单独的出版物、专利或专利申请被特别地及单独地通过引用并入本文的程度一样。此外，本申请中对任何参考文献的引用或标识不应解释为承认该参考文献可作为本发明的现有技术。在使用章节标题的范围内，它们不应解释为必然的限制性。
此外，本申请的任何优先权文件均以引用其整体的方式并入本申请中。
参考文献
1.J.Chen、B.Liu及H.Zhang，“光纤光栅传感技术综述”，Front.Optoelectron.China 4 204(2011年)。
2.Y.C.Tong、L.Y.Chan及H.K.Tsang，“利用取样示波器测量光纤色散或脉冲频谱”，Electronics Lett.33(11)983-985(1997年)。
3.H.Chi及J.Yao，“使用飞秒脉冲激光及光学梳状滤波器，基于波长到时间映射的来测量光纤色散”，Optics Communications 280(2)337-342(2007年)。
4.Y.Wang、M.Han及A.Wang，“用于干涉型光纤传感器的信号解调的高速光纤光谱仪”，Opt.Lett.31 2408-10(2006年)。
5.H.Y.Fu、H.L.Liu、X.Dong、H.Y.Tam、P.K.A.Wai及C.Lu，“使用色散补偿光纤的高速光纤布拉格光栅传感器询问技术”，Electrincs Lett。44(10)618-619(2008年)。
6.J.Chou、B.Jalali及D.R.Solli，“实时光谱的放大波长及时间转换”，NaturePhotonics 2(1)48-51(2008年)。
7.P.V.Kelkar、F.Copbinger、A.S.Bhushan及B.Jalali，“时域光学传感”，Electronics Letters 35(19)1661-2(1999年)。
8.J.Chou、Y.Han及B.Jalali，“化学传感的时间-波长光谱法”。IEEE PhotonicsTech.Lett.16(4)1140-2(2004年)。
9.G.Herink、B.Jalali、C.Ropers及D.R.Solli，“在90MHz帧速率下用单次发射光谱法解决飞秒锁模的建立”，Nature Photonics 10 321-326(2016年)。
10.J.Hervas、C.R.Fernandez Pousa、D.Barrera、D.Pastor、S.Sales及J.Capmany，“使用波长到射频延迟映射的FBG级联传感器的询问技术”，J.LightwaveTechnol.33(11)2222–7(2015年)。
11.J.C.Bellido及C.R.Fernandez Pousa，“基于宽带啁啾光纤布拉格光栅的色散微波光子学链接的光谱分析”，J.Lightwave.Technol.33(20)4207-14(2015年)。
12.J.Park、W.V.Sorin及K.Y.Lau，“1550nm毫米波光传输中光纤色散损失的消除”，Electronics Lett.，33 512-3(1997年).
13.B.Costa、D.Mazzoni、M.Puleo及E.Vezzoni，“用LED测量光纤色散的相移技术”，IEEE J.Quantum Electron.QE-18(10)1509-1515(1982年)。
14.W.W.Morey、J.R.Dunphy及G.Meltz,“复用光纤布拉格光栅传感器”，j.Fiberand Integrated Optics 10 351-360(1992年)。
15.C.Wang及J.Yao，“基于干涉时间谱的光纤布拉格光栅传感器的超快及超高分辨率的询问技术”，J.Lightwave Technol.29(19),2927–2933(2011年)。
16.Lei,M.、Zou,W.,Li,X.及Chen,J.，“基于时间拉伸法的超快FBG询问器”，IEEEPhoton.Technol.Lett.28,778–781(2016年)。
17.A.Ikeda、T.Nomura、Y.H.Matsuda、S.Tani、Y.Kobayashi、H.Watanand、K.Sato，“使用光纤布拉格光栅及光学滤波器的100MHz高速应变监测器，用于测量超高磁场下的磁致伸缩”Rev.Sci.Instrum.88 083906(2017年)。
18.H.Fu、W.Zhang、C.Mou、X.Shu、L.Zhang、S.He及I.Bennion,“利用Sagnac-Loop-based微波光子滤波的高频光纤布拉格光栅传感询问系统,”IEEE Photonicstech.lett.21(8)519(2009年)。
19.J.Zhou、L.Xia、R.Chengy、Y.Wen及J.Rohollahnejad，“用于光纤布拉格光栅传感器的波长询问的射频非平衡M-Z干涉仪”Opt.Lett.41(2)313-316(2016年)。
20.H.Xia、C.Wang、S.Blais及J.Yao，“基于高阶色散波长-时间映射的光纤布拉格光栅传感器的超快且精确的询问”J.Lightwave.Technol.28(3)254-261(2010年)。
21.A.D.Kersey、T.A.Berkoff及W.W.Morey，“基于高分辨率光纤光栅的干涉型波长偏移传感器”Electronics Lett.28(3)236-238(1992年)。
22.X Dong、LY Shao、HY Fu、HY Tam及C.Lu,“基于射频信号测量的FBG传感器询问”Proc.of SPIE 7004 700423(2008年)。
23.J.Frieden,J Cugnoni、J.Botsis、T.Gmür及D.Coric,“使用嵌入式FBG传感器在动态载荷下对复合结构进行高速内部应变的测量”Compos.Struct.92 1905–1912(2010年)。
24.A.A.Giordana、E.E.Sicre及R.Duchowicz,“简单的波长到相位映射FBG的询问方法”Optics and Lasers in Engineering 55 221-225(2014年)。
25.R.D.Sante，“用于飞机复合结构的结构健康监测的光纤传感器：最新进展及应用”Sensors 15 18666-18713(2015年)。
26.Y.Yuan，“信任区域算法的最新进展”Math.Program.151 249-281(2015年)。
27.K.Levenberg，“一种利用最小二乘法求解某些问题的方法”Quart.Appl.Math.2 164–168(1944年)。
28.D.Marquardt，“非线性参数的最小二乘估计算法”SIAM J.Appl.Math.11 431–441(1963年)。

Claims (77)

1.一种确定在一光纤中形成的一光栅的微扰的方法，其特征在于：所述方法包括：通过所述光纤调制及传输一光束、测量从所述光栅反射的光的一调制中的至少一个相移，以及基于所述至少一个相移来确定所述光栅的所述微扰。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述调制在所述传输之前执行。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述调制在所述光束从所述光栅反射之后执行。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述调制在所述传输之前以及在所述光束从所述光栅反射之后执行。
5.如权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于：所述光纤形成有多个光栅，并且其中所述多个光栅中的至少两个的特征是具有不同的布拉格波长。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述方法还包括：在所述至少一个相移的所述测量之前，将反射的所述光束解复用到至少两个通道中，所述至少两个通道分别对应于所述不同的布拉格波长。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述调制包括在多个调制频率上扫描所述调制的一频率，其中所述方法包括：针对每个调制频率来测量从所述至少两个光栅反射的光的一调制相移及一调制幅度，并且基于测量到的所述调制相移及测量到的所述调制幅度，为所述至少两个光栅中的每一个确定个别的光波长或光频移。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法还包括：在所述至少一个相移的所述测量之前，使反射的所述光束进行色散。
9.如权利要求2至7任一项所述的方法，其特征在于：所述方法还包括：在测量所述至少一个相移之前，使反射的所述光束进行色散。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于：所述色散是通过形成在一光纤中的一啁啾光栅进行的。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述色散是通过形成在一光纤中的一啁啾光栅进行的。
12.如权利要求8所述的方法，其特征在于：所述色散是通过一光纤线轴进行的。
13.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述色散是通过一光纤线轴来进行。
14.如权利要求8所述的方法，其特征在于：所述至少一个相移的所述测量的特征是一预定的相位分辨率，以及所述色散的特征是一预定的色散参数，所述预定的色散参数描述每单位波长的脉冲展宽，以及其中所述调制的一频率至少是介于所述相位分辨率与所述色散参数乘以一预定的光谱分辨率阈值的一乘积之间的一比率。
15.如权利要求9至12任一项所述的方法，其特征在于：所述至少一个相移的所述测量的特征是一预定的相位分辨率，以及所述色散的特征是一预定的色散参数，所述预定的色散参数描述每单位波长的脉冲展宽，以及其中所述调制的一频率至少是所述相位分辨率与所述色散参数乘以一预定的光谱分辨率阈值的一乘积之间的一比率。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于：所述预定的光谱分辨率阈值小于10皮米。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于：所述预定的光谱分辨率阈值小于10皮米。
18.如权利要求14所述的方法，其特征在于：所述预定的光谱分辨率阈值小于0.1皮米，以及所述至少一个相移的所述测量是以至少1千赫的一采样率来进行。
19.如权利要求15所述的方法，其特征在于：所述预定的光谱分辨率阈值小于0.1皮米，以及所述至少一个相移的所述测量是以至少1千赫的一采样率来进行。
20.如权利要求8所述的方法，其特征在于：所述色散的特征是一色散系数，其中所述方法包括：在多个色散系数值上改变所述系数的一数值、针对所述色散系数的每个数值来测量从所述光栅反射的光的一调制相移及一调制幅度，并且基于测量到的所述调制相移及测量到的所述调制幅度，为所述至少两个光栅中的每一个确定个别的光波长或光频移。
21.如权利要求9至19所述的方法，其特征在于：所述色散的特征是一色散系数，其中所述方法包括：在多个色散系数值上改变所述系数的一数值、针对所述色散系数的每个数值来测量从所述光栅反射的光的一调制相移及一调制幅度，并且基于测量到的所述调制相移及测量到的所述调制幅度，为所述至少两个光栅中的每一个确定个别的光波长或光频移。
22.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述调制包括射频调制。
23.如权利要求2至21任一项所述的方法，其特征在于：所述调制包括射频调制。
24.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述调制包括正弦调制。
25.如权利要求2至22任一项所述的方法，其特征在于：所述调制包括正弦调制。
26.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法还包括：在所述传输之前放大所述光束。
27.如权利要求2至24任一项所述的方法，其特征在于：所述方法还包括：在所述传输之前放大所述光束。
28.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述光栅的所述微扰的所述确定不取决于反射的所述光束的一光功率。
29.如权利要求2至26任一项所述的方法，其特征在于：所述光栅的所述微扰的所述确定不取决于反射的所述光束的一光功率。
30.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在未确定反射的所述光束的一光功率的情况下执行所述方法。
31.如权利要求1至26任一项所述的方法，其特征在于：在未确定反射的所述光束的一光功率的情况下执行所述方法。
32.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述光栅的所述微扰的所述确定包括：将所述微扰表示为表征所述光栅的一布拉格波长的一位移。
33.如权利要求2至30任一项所述的方法，其特征在于：所述光栅的所述微扰的所述确定包括：将所述微扰表示为表征所述光栅的一布拉格波长的一位移。
34.如权利要求32所述的方法，其特征在于：所述方法还包括：使用所述布拉格波长中的所述位移来计算影响所述光栅的所述微扰的至少一个物理量。
35.如权利要求33所述的方法，其特征在于：所述方法还包括：使用所述布拉格波长中的所述位移来计算影响所述光栅的所述微扰的至少一个物理量。
36.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述光栅的所述微扰的所述确定包括：将所述微扰表示为影响所述光栅的所述微扰的至少一个物理量。
37.如权利要求2至30任一项所述的方法，其特征在于：所述光栅的所述微扰的所述确定包括：将所述微扰表示为影响所述光栅的所述微扰的至少一个物理量。
38.如权利要求34至37任一项所述的方法，其特征在于：所述至少一个物理量选自于由环境温度、施加于所述光纤的压力、所述光纤的应变及所述光纤的加速运动所组成的群组。
39.一种用于确定在一光纤中形成的一光栅的微扰的系统，其特征在于：所述系统包括：
一光调制系统，用于调制一光束；
一光耦合器，将所述光束耦合到所述光纤，并且接收从所述光栅反射的光；以及
一光电分析系统，配置用以测量从所述光栅反射的光的一调制中的至少一个相移，并且基于所述至少一个相移来确定所述光栅的所述微扰。
40.一种传感系统，其特征在于：所述传感系统包括：
一光调制系统，用于调制一光束；
一光耦合器，将所述光束耦合到所述光纤，并且接收从所述光栅反射的光；以及
一光电分析系统，配置用以测量从所述光栅反射的光的一调制中的至少一个相移，并且基于所述至少一个相移来确定所述光栅的所述微扰。
41.如权利要求40所述的系统，其特征在于：所述至少一个物理量是选自于由环境温度、施加于所述光纤的压力、所述光纤的应变及所述光纤的加速运动所组成的群组。
42.如权利要求39至41任一项所述的系统，其特征在于：所述光调制系统配置成在所述传输之前调制所述光束。
43.如权利要求39至41任一项所述的系统，其特征在于：所述光调制系统配置成在所述光束从所述光栅反射之后调制所述光束。
44.如权利要求39至41任一项所述的系统，其特征在于：所述光调制系统配置成在所述传输之前以及在所述光束从所述光栅反射之后调制所述光束。
45.如权利要求39所述的系统，其特征在于：所述光纤形成有多个光栅，并且其中所述多个光栅中的至少两个的特征是具有不同的布拉格波长。
46.如权利要求40至44任一项所述的系统，其特征在于：所述光纤形成有多个光栅，并且其中所述多个光栅中的至少两个的特征是具有不同的布拉格波长。
47.如权利要求45所述的系统，其特征在于：所述分析系统包括：一光学解复用系统，用于在所述至少一个相移的所述测量之前，将反射的所述光束解复用到至少两个通道中，所述至少两个通道分别对应于所述不同的布拉格波长。
48.如权利要求46所述的系统，其特征在于：所述分析系统包括：一光学解复用系统，用于在所述至少一个相移的所述测量之前，将反射的所述光束解复用到至少两个通道中，所述至少两个通道分别对应于所述不同的布拉格波长。
49.如权利要求45所述的系统，其特征在于：所述分析系统包括：多个光检测器，一个光检测器用于所述至少两个通道中的每一个。
50.如权利要求46所述的系统，其特征在于：所述分析系统包括：多个光检测器，一个光检测器用于所述至少两个通道中的每一个。
51.如权利要求45所述的系统，其特征在于：所述光调制系统配置成在多个调制频率上扫描所述调制的一频率，其中所述光电分析系统配置成针对每个调制频率来测量从所述光栅反射的光的一调制相移及一调制幅度，并且基于测量到的所述调制相移及测量到的所述调制幅度，为所述至少两个光栅中的每一个确定个别的光波长或光频移。
52.如权利要求46所述的系统，其特征在于：所述光调制系统配置成在多个调制频率上扫描所述调制的一频率，其中所述光电分析系统配置成针对每个调制频率来测量从所述光栅反射的光的一调制相移及一调制幅度，并且基于测量到的所述调制相移及测量到的所述调制幅度，为所述至少两个光栅中的每一个确定个别的光波长或光频移。
53.如权利要求51所述的系统，其特征在于：所述分析系统包括一单个光检测器。
54.如权利要求52所述的系统，其特征在于：所述分析系统包括一单个光检测器。
55.如权利要求39所述的系统，其特征在于：所述分析系统包括：一色散光学器件，配置成在所述至少一个相移的所述测量之前，使反射的所述光束进行色散。
56.如权利要求40至49任一项所述的系统，其特征在于：所述分析系统包括：一色散光学器件，配置成在所述至少一个相移的所述测量之前，使反射的所述光束进行色散。
57.如权利要求55所述的系统，其特征在于：所述色散光学器件包括形成在一光纤中的一啁啾光栅。
58.如权利要求56所述的系统，其特征在于：所述色散光学器件包括形成在一光纤中的一啁啾光栅。
59.如权利要求55所述的系统，其特征在于：所述色散光学器件包括一光纤线轴。
60.如权利要求56所述的系统，其特征在于：所述色散光学器件包括一光纤线轴。
61.如权利要求55所述的系统，其特征在于：所述分析系统包括一信号处理系统，所述信号处理系统配置为以一预定的相位分辨率测量所述至少一个相移，其中所述色散光学器件配置成根据一预定的色散参数来影响色散，所述预定的色散参数描述每单位波长的脉冲展宽，以及其中所述光调制系统配置成以一频率来调制所述光束，所述频率至少是介于所述相位分辨率与所述色散参数乘以一预定的光谱分辨率阈值的一乘积之间的一比率。
62.如权利要求56至59任一项所述的系统，其特征在于：所述分析系统包括一信号处理系统，所述信号处理系统配置为以一预定的相位分辨率测量所述至少一个相移，其中所述色散光学器件配置成根据一预定的色散参数来影响色散，所述预定的色散参数描述每单位波长的脉冲展宽，以及其中所述光调制系统配置成以一频率来调制所述光束，所述频率至少是介于所述相位分辨率与所述色散参数乘以一预定的光谱分辨率阈值的一乘积之间的一比率。
63.如权利要求61所述的系统，其特征在于：所述预定的光谱分辨率阈值小于10皮米。
64.如权利要求62所述的系统，其特征在于：所述预定的光谱分辨率阈值小于10皮米。
65.如权利要求61所述的系统，其特征在于：所述预定的光谱分辨率阈值小于0.1皮米，以及其中所述信号处理系统配置成以至少1千赫的一采样率来测量所述至少一个相移。
66.如权利要求62所述的系统，其特征在于：所述预定的光谱分辨率阈值小于0.1皮米，以及其中所述信号处理系统配置成以至少1千赫的一采样率来测量所述至少一个相移。
67.如权利要求55所述的系统，其特征在于：所述色散光学器件是可控制的，其中所述系统包括：一色散控制器，用于控制所述色散光学器件，以改变表征所述色散光学器件的一色散系数的一数值，并且其中所述光电分析系统配置成针对所述色散系数的不同数值来测量从所述光栅反射的光的一调制相移及一调制幅度，并且基于测量到的所述调制相移及测量到的所述调制幅度，为所述至少两个光栅中的每一个确定个别的光波长或光频移。
68.如权利要求56至65任一项所述的系统，其特征在于：所述色散光学器件是可控制的，其中所述系统包括：一色散控制器，用于控制所述色散光学器件，以改变表征所述色散光学器件的一色散系数的一数值，并且其中所述光电分析系统配置成针对所述色散系数的不同数值来测量从所述光栅反射的光的一调制相移及一调制幅度，并且基于测量到的所述调制相移及测量到的所述调制幅度，为所述至少两个光栅中的每一个确定个别的光波长或光频移。
69.如权利要求39所述的系统，其特征在于：所述系统还包括：一光放大器，用于在所述传输之前放大所述光束。
70.如权利要求40至65任一项所述的系统，其特征在于：一光放大器，用于在所述传输之前放大所述光束。
71.一种确定在一光纤中形成的多个光栅的微扰的方法，其特征在于：所述方法包括：
通过所述光纤来调制及传输一光束，其中所述调制包括：在多个调制频率上扫描所述调制的一频率；
针对每个调制频率来测量从所述光栅反射的光的一调制相移及一调制幅度；以及
基于测量到的所述调制相移及测量到的所述调制幅度，确定至少两个所述光栅中的微扰。
72.如权利要求71所述的方法，其特征在于：所述方法还包括：使用一可控的色散光学器件来使从所述光栅反射的光进行色散，其中所述色散包括：
控制所述色散光学器件以改变一色散系数的一数值，所述色散系数表征所述色散光学器件，其中所述方法包括：针对所述色散系数的不同数值来测量所述调制相移及所述调制幅度。
73.一种确定在一光纤中形成的多个光栅的微扰的方法，其特征在于：所述方法包括：
通过所述光纤来调制及传输一光束；
使用一可控的色散光学器件来使从所述光栅反射的光进行色散，其中所述色散包括：控制所述色散光学器件以改变一色散系数的一数值，所述色散系数表征所述色散光学器件；
针对所述色散系数的不同数值来测量从所述光栅反射的光的一调制相移及一调制幅度；以及
基于测量到的所述调制相移及测量到的所述调制幅度，确定至少两个所述光栅中的微扰。
74.如权利要求71至73任一项所述的方法，其特征在于：所述调制是在所述传输之前执行。
75.如权利要求71至73任一项所述的方法，其特征在于：所述调制在所述光束从所述光栅反射之后执行。
76.如权利要求71至73任一项所述的方法，其特征在于：所述调制在所述传输之前以及在所述光束从所述光栅反射之后执行。
77.如权利要求71至76任一项所述的方法，其特征在于：所述微扰的所述确定包括：计算由一相应光栅引起的一光波长或光频移。
CN201980046270.7A 2018-07-04 2019-07-04 通过调制光来确定光栅微扰的方法及系统 Pending CN112469958A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201862693941P 2018-07-04 2018-07-04
US62/693,941 2018-07-04
PCT/IL2019/050742 WO2020008464A1 (en) 2018-07-04 2019-07-04 Method and system for determining grating perturbation by modulated light

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112469958A true CN112469958A (zh) 2021-03-09

Family

ID=69060799

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201980046270.7A Pending CN112469958A (zh) 2018-07-04 2019-07-04 通过调制光来确定光栅微扰的方法及系统

Country Status (7)

Country Link
US (1) US11698277B2 (zh)
EP (2) EP4400811A3 (zh)
JP (1) JP7383644B2 (zh)
CN (1) CN112469958A (zh)
DK (1) DK3818331T3 (zh)
IL (1) IL279954B (zh)
WO (1) WO2020008464A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114137273A (zh) * 2021-11-30 2022-03-04 哈尔滨理工大学 Fbg级联光纤复合结构的消除温度敏感电流传感装置

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IL279954B (en) 2018-07-04 2022-08-01 Ariel Scient Innovations Ltd Method and system for finding interference in a lattice using modulated light

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5426297A (en) * 1993-09-27 1995-06-20 United Technologies Corporation Multiplexed Bragg grating sensors
US5680489A (en) * 1996-06-28 1997-10-21 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Optical sensor system utilizing bragg grating sensors
KR20000022321A (ko) * 1996-06-28 2000-04-25 더 거번먼트 오브 더 유나이티드 스테이츠 오브 아메리카, 애즈 레프리젠티드 바이 더 세크러테리 오브 더 네이비 네이벌 리서치 래보러토리 브래그 격자 센서를 이용한 광학 센서 시스템
US6137565A (en) * 1998-05-15 2000-10-24 Jenoptik Aktiengesellschaft Bragg grating temperature/strain fiber sensor having combination interferometer/spectrometer output arrangement
US20020041722A1 (en) * 2000-08-01 2002-04-11 Johnson Gregg A. Optical sensing device containing fiber bragg gratings
US20040202400A1 (en) * 2003-04-14 2004-10-14 Lake Shore Cryotronics, Inc. System and method for measuring physical stimuli using vertical cavity surface emitting lasers with integrated tuning means
WO2006113507A2 (en) * 2005-04-14 2006-10-26 Cornell Research Foundation, Inc. Chirped pulse fiber amplifier
US20130193961A1 (en) * 2010-09-08 2013-08-01 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University System and method for measuring perturbations using a slow-light fiber bragg grating sensor
CN103344194A (zh) * 2013-07-17 2013-10-09 中国科学院半导体研究所 基于光电振荡器的相移光纤布拉格光栅应变传感系统
CN105333815A (zh) * 2015-11-05 2016-02-17 北京交通大学 一种基于光谱色散线扫描的超横向分辨率表面三维在线干涉测量系统
CN106100748A (zh) * 2016-05-27 2016-11-09 西安电子科技大学 利用相位调制器和可调谐色散器生成微波波形的装置及方法
CN107947867A (zh) * 2017-12-05 2018-04-20 安徽工程大学 一种基于多频相位调制的单边带频谱产生装置及方法

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3743678A1 (de) 1987-12-23 1989-07-06 Philips Patentverwaltung Optisches rueckstreumessgeraet
US5675674A (en) * 1995-08-24 1997-10-07 Rockbit International Optical fiber modulation and demodulation system
US5748312A (en) * 1995-09-19 1998-05-05 United States Of American As Represented By The Secretary Of The Navy Sensing apparatus and method for detecting strain between fiber bragg grating sensors inscribed into an optical fiber
US6285806B1 (en) 1998-05-31 2001-09-04 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Coherent reflectometric fiber Bragg grating sensor array
US6785004B2 (en) 2000-11-29 2004-08-31 Weatherford/Lamb, Inc. Method and apparatus for interrogating fiber optic sensors
GB0415881D0 (en) * 2004-07-15 2004-08-18 Univ Southampton Multiwavelength optical sensors
JP2008020342A (ja) * 2006-07-13 2008-01-31 Yokogawa Denshikiki Co Ltd 外力検出装置
JP4698746B2 (ja) * 2009-04-23 2011-06-08 富士通株式会社 波長分散補償器
JP5894993B2 (ja) * 2010-09-08 2016-03-30 ザ ボード オブ トラスティーズ オブ ザ レランド スタンフォード ジュニア ユニバーシティー スローライトファイバブラッググレーティングセンサ
GB2508376A (en) 2012-11-29 2014-06-04 Ibm Optical spectrometer comprising an adjustably strained photodiode
US9583796B2 (en) * 2014-04-01 2017-02-28 Palo Alto Research Center Incorporated Method for monitoring/managing electrochemical energy device by detecting intercalation stage changes
FR3031590B1 (fr) * 2015-01-09 2017-01-13 Thales Sa Capteur a fibre optique
WO2017079596A1 (en) * 2015-11-06 2017-05-11 Ap Robotics, Llc Interferometric distance measurement based on compression of chirped interferogram from cross-chirped interference
EP3762774A4 (en) 2018-03-09 2021-12-08 Université Laval OPTICAL PHASE MODULATOR AND OPTICAL MODULATOR
IL279954B (en) 2018-07-04 2022-08-01 Ariel Scient Innovations Ltd Method and system for finding interference in a lattice using modulated light
EP4078132A4 (en) 2019-12-20 2024-01-17 Ariel Scientific Innovations Ltd. METHOD AND SYSTEM FOR EXTRACTING INFORMATION FROM AN OPTICAL SIGNAL

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5426297A (en) * 1993-09-27 1995-06-20 United Technologies Corporation Multiplexed Bragg grating sensors
US5680489A (en) * 1996-06-28 1997-10-21 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Optical sensor system utilizing bragg grating sensors
KR20000022321A (ko) * 1996-06-28 2000-04-25 더 거번먼트 오브 더 유나이티드 스테이츠 오브 아메리카, 애즈 레프리젠티드 바이 더 세크러테리 오브 더 네이비 네이벌 리서치 래보러토리 브래그 격자 센서를 이용한 광학 센서 시스템
US6137565A (en) * 1998-05-15 2000-10-24 Jenoptik Aktiengesellschaft Bragg grating temperature/strain fiber sensor having combination interferometer/spectrometer output arrangement
US20020041722A1 (en) * 2000-08-01 2002-04-11 Johnson Gregg A. Optical sensing device containing fiber bragg gratings
US20040202400A1 (en) * 2003-04-14 2004-10-14 Lake Shore Cryotronics, Inc. System and method for measuring physical stimuli using vertical cavity surface emitting lasers with integrated tuning means
WO2006113507A2 (en) * 2005-04-14 2006-10-26 Cornell Research Foundation, Inc. Chirped pulse fiber amplifier
US20130193961A1 (en) * 2010-09-08 2013-08-01 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University System and method for measuring perturbations using a slow-light fiber bragg grating sensor
CN103344194A (zh) * 2013-07-17 2013-10-09 中国科学院半导体研究所 基于光电振荡器的相移光纤布拉格光栅应变传感系统
CN105333815A (zh) * 2015-11-05 2016-02-17 北京交通大学 一种基于光谱色散线扫描的超横向分辨率表面三维在线干涉测量系统
CN106100748A (zh) * 2016-05-27 2016-11-09 西安电子科技大学 利用相位调制器和可调谐色散器生成微波波形的装置及方法
CN107947867A (zh) * 2017-12-05 2018-04-20 安徽工程大学 一种基于多频相位调制的单边带频谱产生装置及方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114137273A (zh) * 2021-11-30 2022-03-04 哈尔滨理工大学 Fbg级联光纤复合结构的消除温度敏感电流传感装置
CN114137273B (zh) * 2021-11-30 2023-11-28 哈尔滨理工大学 Fbg级联光纤复合结构的消除温度敏感电流传感装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20210262835A1 (en) 2021-08-26
EP3818331A1 (en) 2021-05-12
IL279954B (en) 2022-08-01
EP3818331A4 (en) 2022-03-23
JP2021529300A (ja) 2021-10-28
JP7383644B2 (ja) 2023-11-20
US11698277B2 (en) 2023-07-11
EP4400811A3 (en) 2024-09-04
IL279954A (en) 2021-03-01
EP4400811A2 (en) 2024-07-17
EP3818331B1 (en) 2024-04-24
DK3818331T3 (da) 2024-07-29
WO2020008464A1 (en) 2020-01-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9599460B2 (en) Hybrid Raman and Brillouin scattering in few-mode fibers
KR101040032B1 (ko) 광학적 ｆｍｃｗ 후방 산란 측정 시스템의 캘리브레이팅
Marin et al. Integrated FBG sensors interrogation using active phase demodulation on a silicon photonic platform
Senkans et al. Research on FBG‐Based Sensor Networks and Their Coexistence with Fiber Optical Transmission Systems
US11391645B2 (en) Birefringent multi-peak optical reference element and birefringent sensor system
Tanaka et al. Multipoint fiber Bragg grating sensing using two-photon absorption process in Silicon avalanche photodiode
CN112469958A (zh) 通过调制光来确定光栅微扰的方法及系统
JP6290798B2 (ja) Ｏｆｄｒ装置
KR101889351B1 (ko) 유효 측정점 개수가 확대된 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서 및 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법
Fujisue et al. Demodulation of acoustic signals in fiber Bragg grating ultrasonic sensors using arrayed waveguide gratings
Glasser et al. High speed and high sensitivity fiber Bragg grating interrogator based on the RF phase-shift technique
Misbakhov Combined raman DTS and address FBG sensor system for distributed and point temperature and strain compensation measurements
JP6085573B2 (ja) 分岐光線路の特性解析装置および分岐光線路の特性解析方法
Misbakhov Combined brillouin OFDA and address FBG sensor system for distributed and point temperature measurements
US12068779B2 (en) Fibre-optic measurement system, method of adaptation of the communication optical fibre into a measurement system, and fibre-optic measurement and communication system
CN108267160A (zh) 时分复用的光纤布拉格光栅传感系统
KR20160122319A (ko) 다중 광원을 이용한 광섬유 브릴루앙 시간영역해석 센서 및 그 센싱방법
Giordana et al. Simple wavelength-to-phase mapping FBG's interrogation method
Posada-Roman et al. Interrogation of FBG sensors based on electro-optic dual optical frequency combs
EP3335014B1 (en) Optical fiber-based sensor system
JP6224036B2 (ja) 分岐光線路設計方法
Guo et al. A novel algorithm based on DFB tunable laser array for demodulation of FBG sensors
JPWO2020008464A5 (zh)
JPWO2020261207A5 (zh)
Lee et al. Seoul National University, Seoul, Korea

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination