CN114964327B - 一种基于时间透镜的实时弯曲传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于时间透镜的实时弯曲传感装置。本发明利用了微结构光纤传感器的时延随弯曲量变化的特性，通过基于时间透镜的时域放大系统对脉冲对时间间距的变化量进行放大及实时探测，确定实时弯曲量演化信息，并通过实时弯曲数量的大小确定弯曲方向、弯曲速度及弯曲加速度等信息，实现了多弯曲参量的同步实时传感。时间透镜具有时域放大功能，可以对微小弯曲量进行实时探测。本发明适用于高精度快速弯曲传感，具有传感效率高、价格低廉、结构紧凑、制作工艺简单、高灵敏度、高精度、多参量、实时性等优点。
Description
技术领域
本发明属于激光传感技术领域，特别涉及一种基于时间透镜的实时弯曲传感装置。
背景技术
随着光纤制造和飞秒激光技术的快速发展，超快光纤激光器广泛应用于生物成像、光通信、光谱学、传感等领域。光纤布拉格光栅、微结构光纤等无源光学器件，因其具有结构简单、柔性好、抗电磁、高精度、高灵敏度等特点在光纤传感领域得到了广泛应用。利用光纤(光纤器件)对环境物理量如温度、压力、电场、磁场的敏感性，通过监测在其中传输光的光强、相位、偏振等特性获得相关物理量的改变信息，可以实现对外界物理量包含应力、压强、温度、振动的传感，进而在医疗生物、医学、航天、航空、机械、石化、建筑、高铁、桥梁、国防工业等领域具有重要的应用潜力。
在光纤弯曲传感技术方面，目前发展比较成熟的是光纤布拉格光栅、微结构光纤干涉结构，该技术主要依赖于弯曲环境下光纤布拉格光栅反射波长的变化来实现弯曲距离传感，尽管做到较高距离精度，但是无法获取更多信息如方向、速度、加速度等。这主要是因为目前的光纤传感采用光谱仪采集数据，其通过机械扫描获取光谱，通常测量速度较慢，不能实现对光谱的实时测量，从而无法获取弯曲方向、速度、加速度等信息。
发明内容
本发明就是针对现有传感技术的不足，提出了基于一种基于时间透镜的实时弯曲传感装置，以解决目前无法实现对弯曲方向、速度、加速度等信息的同步实时获取问题。
本发明解决技术问题所采取的技术方案为：
本发明包括激光源、光耦合器、弯曲感应单元、泵浦单元、基于四波混频的时间透镜单元、光电探测器和实时示波器。
所述激光源作为探测光源，其输出端与光耦合器光纤连接，光耦合器用于对探测激光源分束，光耦合器的第一输出端通过弯曲感应单元与基于四波混频的时间透镜单元的第一输入端光纤连接，光耦合器的第二输出端通过泵浦单元与基于四波混频的时间透镜单元的第二输入端光纤连接，基于四波混频的时间透镜单元的输出端与光电探测器的输入端空间对准，光电探测器的输出端与实时示波器通过同轴电缆连接；
所述基于四波混频的时域放大单元用于实现对待测信号光进行时域放大，其基于时间透镜原理，通过泵浦光和待测信号光的四波混频效应，产生闲频光，闲频光反映具有相应时间放大倍数的待测信号光时域信息，所述的待测信号光为具有时间间隔的脉冲对，其是脉冲激光在经过弯曲感应单元时产生时延干涉所形成；
所述光电探测器将经过时域放大后的待测信号光时域信息进行探测并转换成电信号，通过实时示波器对该电信号进行监测，并反演该待测信号光的脉冲时间间距，根据该待测信号光的脉冲时间间距演化信息反演弯曲距离、弯曲方向、弯曲速度、弯曲加速度信息。
本发明主要适用于对弯曲的实时监测，利用了微结构光纤传感器的时延随弯曲量变化的特性，通过基于时间透镜的时域放大系统对脉冲对时间间距的变化量进行放大及实时探测，确定实时弯曲量演化信息，并通过实时弯曲数量的大小确定弯曲方向、弯曲速度及弯曲加速度等信息，实现了多弯曲参量的同步实时传感。时间透镜具有时域放大功能，可以对微小弯曲量进行实时探测。本发明适用于高精度快速弯曲传感，具有传感效率高、价格低廉、结构紧凑、制作工艺简单、高灵敏度、高精度、多参量、实时性等优点。
附图说明
图1为本发明基于时间透镜的实时弯曲传感装置的原理示意图；
图2为本发明基于时间透镜的实时弯曲传感装置的一个实施例光路图；
图3为本发明中所用微结构光纤的一个实施例示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明包括激光源100、光耦合器200、弯曲感应单元300、泵浦单元400、基于四波混频的时间透镜单元500、光电探测器600和实时示波器700。针对所述激光源100，其作为探测光源，采用宽带飞秒脉冲激光光源，输出波长覆盖1510nm至1580nm，其输出端与光耦合器200光纤连接，光耦合器200用于对探测激光源100分束，其第一输出端通过弯曲感应单元300与基于四波混频的时间透镜单元500的第一输入端光纤连接；第二输出端通过泵浦单元400与基于四波混频的时间透镜单元500的第二输入端光纤连接，该基于四波混频的时间透镜单元500的输出端与光电探测器600的输入端空间对准，该光电探测器600的输出端与实时示波器700通过同轴电缆连接。
将脉冲激光光源100的输出端口和光耦合器200的第一输入端口光纤连接，分束比为50:50的光耦合器200将脉冲激光光源100分为两路，其中一路激光给弯曲感应单元300，该脉冲激光在经过弯曲感应单元300时产生时延干涉，形成具有时间间隔的脉冲对，其作为待测信号光与基于四波混频的时间透镜单元500的第一输入端光纤连接；另一路激光给泵浦单元400，形成波长为ωp的泵浦光传输给该基于四波混频的时间透镜单元500的第二输入端，由于泵浦光和待测信号光是从同一激光光源分束而来，二者具有相同的重复频率。在所述基于四波混频的时间透镜单元500中实现对待测信号光的时域放大，通过泵浦光和待测信号光的四波混频效应，产生闲频光，闲频光反映具有相应时间放大倍数的待测信号光时域信息；所述光电探测器将经过时域放大后的待测信号光时域信息进行探测并转换成电信号，该实时示波器对该电信号进行监测，基于该电信号并根据该对应时间放大倍数，可以测量该待测信号光的脉冲间距信息。根据该待测信号光的脉冲时间间距演化信息反演弯曲距离、弯曲方向、弯曲速度、弯曲加速度信息。
其中，结合图2所示，所述弯曲感应单元300包含依次相连的第一滤波器301和微结构光纤302，所述第一滤波器301的输入端与第一光耦合器201的第一个输出端口光纤连接，经过第一滤波器301滤波后得到波长为ωs的信号光，其与微结构光纤302通过单模光纤连接，同时将微结构光纤302贴附于待测物体上，微结构光纤302形成马赫泽德干涉结构，当重复周期为T的脉冲光经过马赫泽德干涉结构后，在时域上脉冲表现为具有时间延迟的脉冲对，将其作为待测信号光，其时间间距Δτ为
其中，neff为微结构光纤的有效折射率，L为微结构光纤的长度，λ为光谱中心波长。当待测物体弯曲时，引起微结构光纤弯曲，使得微结构光纤有效折射率发生改变，时间间距和有效折射率成正比关系，从而导致时域上Δτ发生改变。因此，弯曲方向根据Δτ的变化量d(Δτ)得出，例如当d(Δτ)为正时，表示其弯曲方向为正，相反，当d(Δτ)为负，表示其弯曲方向为负；弯曲距离D和Δτ存在映射关系D＝kΔτ，其中k值可根据标准弯曲距离校准得到，因此根据Δτ的变化量d(Δτ)的数值得出弯曲距离；因脉冲周期为T，故系统探测周期为T，在T时间内的弯曲距离为D，其弯曲速度为D/T，弯曲加速度为D/T2。
如图3所示，在一种实施例中所述微结构光纤为一段七芯光纤333和两段多模光纤323，多模光纤323两端分别与单模光纤313和七芯光纤333熔接，多模光纤323用于单模光纤313和七芯光纤333的光耦合。
所述泵浦单元400包含第二滤波器401，所述第二滤波器401的输入端与第一光耦合器201的第二个输出端口光纤连接，经过第二滤波器401滤波后得到波长为ωp的泵浦光。
所述基于四波混频的时间透镜单元500包括第一光色散介质501、第二光色散介质502、光时间延迟器503、偏振控制器504、光放大器505、第二光耦合器202、非线性光介质506、第三滤波器507和第三光色散介质508。该第一光色散介质501的输入端作为该基于四波混频的时间透镜单元500的第一输入端，与所述弯曲单元300的输出端连接，用于输入待测信号光；该第二光色散介质502的输入端作为该基于四波混频的时间透镜单元500的第二输入端，与泵浦单元400的输出端连接，用于输入该泵浦光；所述非线性介质506对该泵浦光和待测光信号进行四波混频，生成包括闲频光的光信号并传输给该第三滤波器507，该第三滤波器507将该闲频光滤出并传输给该第三光色散介质508；基于时间透镜原理，该第一光色散介质501、第二光色散介质502和第三光色散介质508构成时间透镜的成像条件，其时间放大倍数是第三光色散介质508的总色散量与第一光色散介质501的总色散量的比值，从而实现对待测信号光的时域放大功能，获得具有对应时间放大倍数的闲频光；该光时间延迟器503对泵浦光的时域延迟进行调节，以保证输入至该第二光耦合器的泵浦光和待测信号光在时域上重叠；偏振控制器504对待测信号光的偏振态进行调节，使其与泵浦光的偏振态一致，提高四波混频效率。本发明中所述光色散介质为单模光纤或色散补偿光纤，所述非线性介质为高非线性光纤或硅基波导。
Claims (6)
1.一种基于时间透镜的实时弯曲传感装置，包括激光源、光耦合器、弯曲感应单元、泵浦单元、基于四波混频的时间透镜单元、光电探测器和实时示波器，其特征在于：
所述激光源作为探测光源，其输出端与光耦合器光纤连接，光耦合器用于对探测激光源分束，光耦合器的第一输出端通过弯曲感应单元与基于四波混频的时间透镜单元的第一输入端光纤连接，光耦合器的第二输出端通过泵浦单元与基于四波混频的时间透镜单元的第二输入端光纤连接，基于四波混频的时间透镜单元的输出端与光电探测器的输入端空间对准，光电探测器的输出端与实时示波器通过同轴电缆连接；
所述基于四波混频的时间透镜单元用于实现对待测信号光进行时域放大，其基于时间透镜原理，通过泵浦光和待测信号光的四波混频效应，产生闲频光，闲频光反映具有相应时间放大倍数的待测信号光时域信息，所述的待测信号光为具有时间间隔的脉冲对，其是脉冲激光在经过弯曲感应单元时产生时延干涉所形成；
所述光电探测器将经过时域放大后的待测信号光时域信息进行探测并转换成电信号，通过实时示波器对该电信号进行监测，并反演该待测信号光的脉冲时间间距，根据该待测信号光的脉冲时间间距演化信息反演弯曲距离、弯曲方向、弯曲速度、弯曲加速度信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于时间透镜的实时弯曲传感装置，其特征在于：所述弯曲感应单元包含依次相连的第一滤波器和微结构光纤，所述第一滤波器的输入端与光耦合器的第一输出端口光纤连接，经过第一滤波器滤波后得到的信号光，其与微结构光纤通过单模光纤连接，所述微结构光纤贴附于待测物体上。
3.根据权利要求2所述的一种基于时间透镜的实时弯曲传感装置，其特征在于：所述微结构光纤为一段七芯光纤和两段多模光纤，多模光纤两端分别与单模光纤和七芯光纤熔接，多模光纤用于单模光纤和七芯光纤的光耦合。
4.根据权利要求1所述的一种基于时间透镜的实时弯曲传感装置，其特征在于：所述基于四波混频的时间透镜单元包括第一光色散介质、第二光色散介质、光时间延迟器、偏振控制器、第二光耦合器、非线性光介质、滤波器和第三光色散介质；
第一光色散介质的输入端作为该基于四波混频的时间透镜单元的第一输入端，与所述弯曲感应单元的输出端连接，用于输入该待测信号光；第二光色散介质的输入端作为基于四波混频的时间透镜单元的第二输入端，与泵浦单元的输出端连接，用于输入泵浦光；
所述非线性光介质对泵浦光和待测光信号进行四波混频，生成包括闲频光的光信号并传输给滤波器；基于时间透镜原理，第一光色散介质、第二光色散介质和第三光色散介质构成时间透镜的成像条件，其时间放大倍数是第三光色散介质的总色散量与第一光色散介质的总色散量的比值，从而实现对待测信号光的时域放大功能，获得具有对应时间放大倍数的闲频光；光时间延迟器对泵浦光的时域延迟进行调节，以保证输入至所述第二光耦合器的泵浦光和待测信号光在时域上重叠；偏振控制器对待测信号光的偏振态进行调节，使其与泵浦光的偏振态一致，提高四波混频效率。
5.根据权利要求4所述的一种基于时间透镜的实时弯曲传感装置，其特征在于：所述第一光色散介质、第二光色散介质和第三光色散介质选用单模光纤或色散补偿光纤。
6.根据权利要求4所述的一种基于时间透镜的实时弯曲传感装置，其特征在于：所述非线性光介质为高非线性光纤或硅基波导。
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