CN117007177B - 一种基于高非线性光纤的声阻抗测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤传感领域，更具体地，涉及一种基于高非线性光纤的声阻抗测量装置及测量方法。本发明通过系统中的萨格纳克环，可以将对入射光产生的相位调制，转换为强度调制，从而被光电探测器接收，通过频谱分析仪得到前向布里渊散射的增益谱。测量的增益谱的线宽大小可以反映光纤外界的声阻抗信息。本发明利用高非线性光纤的高增益系数和高声阻抗灵敏度的特性，实现了对光纤外界声阻抗的高灵敏度测量，提升了传感器的性能。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感领域，更具体地，涉及一种基于高非线性光纤的声阻抗测量装置及测量方法。
背景技术
基于背向布里渊散射的光纤传感系统已经可以实现对温度和应变等物理量进行分布式测量。但光场和纵向声波均被束缚在纤芯中传播，无法实现对光纤外界环境的探测。另一方面，光纤中除了后向布里渊散射外，还存在前向布里渊散射。利用前向布里渊散射中的横向声波可以对光纤外界物质的声阻抗进行测量，进而实现光纤外部物质探测。
目前，基于前向布里渊散射的光纤传感系统已经实现了点式、多点和分布式传感。但在以往的大部分传感方案中，大多使用的都是普通单模光纤。然而单模光纤中前向布里渊散射的声光耦合系数较低，增益较小，使得信号信噪比较差，导致基于单模光纤的声阻抗传感灵敏度较低，难以实现高灵敏度的外界物质探测，这也限制了基于前向布里渊散的传感系统的传感性能。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，为了进一步简化实验系统以降低成本，同时还保证高测量精度，本发明提供了一种基于高非线性光纤的声阻抗测量装置及测量方法，本发明采用了高非线性光纤代替标准单模光纤，实现了更强的声光耦合效应，从而增强了前向布里渊散射增益系数，进而提高了测量信号的信噪比以及声阻抗的灵敏度。
本发明的技术方案是：一种基于高非线性光纤的声阻抗测量装置，包括第一激光器、脉冲发生器、电光调制器、第一偏振控制器、掺铒光纤放大器、第二激光器、第二偏振控制器和萨格纳克环结构，第一激光器的输出端同电光调制器的光信号输入端连接，脉冲发生器的输出端同电光调制器的电信号输入端连接，电光调制器的输出端同第一偏振控制器输入端连接，第一偏振控制器输出端同掺铒光纤放大器的输入端连接；第二激光器的输出端同第二偏振控制器的输入端连接，其特征在于：萨格纳克环内包含第一光学耦合器、第二光学耦合器、高非线性光纤、光学带通滤波器、第三偏振控制器、光电探测器、频谱分析仪，第一光学耦合器的左上端同第二偏振控制器输出端连接，左下端同光电探测器的输入端连接，右上端同第二光学耦合器的左下端连接，右下端同第三偏振控制器连接，第二光学耦合器的左上端同掺铒光纤放大器的输出端连接，其右端同高非线性光纤的左端相连，高非线性光纤的右端同光学带通滤波器的右端连接，光学带通滤波器的左端同第三偏振控制器右端连接；光电探测器的输出端同频谱分析仪的输入端相连。
根据如上所述的一种基于高非线性光纤的声阻抗测量装置，其特征在于：第一激光器输出波长为1560nm的连续光，脉冲发生器输出一个1ns的电脉冲信号加载到电光调制器中，第一激光器输出的连续光被电光调制器调制成光脉冲信号；随后通过第一偏振控制器调整泵浦光的偏振状态，选择不同的横向声模式进行激发；随后通过掺铒光纤放大器对泵浦光功率放大；然后通过掺铒光纤放大器放大光功率后经过第二光学耦合器入射至高非线性光纤中。
根据如上所述的一种基于高非线性光纤的声阻抗测量装置，其特征在于：第二激光器输出1550nm的连续光作为探测光，第二偏振控制器用于调整第二激光器输出光信号的偏振状态；第二激光器发出的连续光经过第二偏振控制器调制偏振和第一光学耦合器后，打入高非线性光纤中。
根据如上所述的一种基于高非线性光纤的声阻抗测量装置，其特征在于：光学带通滤波器通带波长为1550nm。
根据如上所述的一种基于高非线性光纤的声阻抗测量装置，其特征在于：通过调整萨格纳克环内第三偏振控制器，控制顺时针和逆时针的探测光在第一光学耦合器中干涉作用的效果，将相位调制转换为强度调制。
本发明还公开了一种基于高非线性光纤的声阻抗测量方法，通过两个激光器分别产生泵浦光和探测光，通过泵浦光激励出光纤中的横向声场模式，通过改变泵浦光和探测光后的偏振控制器，选择横向声场模式径向或扭转-径向模式；通过萨格纳克环将前向布里渊散射引起的相位调制转换为强度调制，再通过光电探测器和频谱分析仪，测量前向布里渊散射的频谱以及不同声学模式对应的增益谱；通过洛伦兹拟合得到增益谱的线宽Γm，从而计算出光纤外界环境的声阻抗信息，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，选择合适的声学模式进行声阻抗传感；
步骤2，计算边界处的声反射率R，具体步骤如下：第m阶径向声学模式R0,m引起的前向布里渊散射的增益谱线宽与边界处的反射率R存在如下关系：
其中，Γint为固有线宽，Vd为横向声速，a为光纤包层半径；
步骤3，根据边界处的声反射率R获得光纤外界物质的声阻抗，具体步骤如下：当光纤外界环境的声阻抗和光纤二氧化硅材料的声阻抗不同时，会产生阻抗失配，其边界处的声反射率R表示为：
其中，Zf为二氧化硅的声阻抗，Z0为光纤外界物质的声阻抗。由于二氧化硅的声阻抗Zf为固定值。
根据如上所述的一种基于高非线性光纤的声阻抗测量方法，其特征在于：步骤一的具体步骤为：前向布里渊散射中，不同声模式的增益系数g0m表示为：
其中，ω0是光波频率，γe是电致伸缩常数，neff是有效折射率，c是光速，ρ是二氧化硅的密度，Q0(m)和Q1(m)是声光耦合系数；
带入光纤参数，利用公式1，计算出光纤中各阶声模式的增益系数；选择增益更大的声模式。
根据如上所述的一种基于高非线性光纤的声阻抗测量方法，其特征在于：采用如上所述的一种基于高非线性光纤的声阻抗测量装置进行测量。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提供的基于高非线性光纤的高灵敏度声阻抗测量方法，采用前向布里渊散射作为传感原理。与后向布里渊散射的传感系统相比，不仅能对温度和应力进行传感测量，还能利用横向声波作为传感媒介，对光纤外界物质的声阻抗进行测量。
2、本发明提供的基于高非线性光纤的高灵敏度声阻抗测量方法，采用高非线性光纤替代传统的标准单模光纤。高非线性光纤具有较小的有效模式半径，声场和光场的重叠面积更大，声光耦合效率更高，因此前向布里渊散射的增益更大，测量信号的信噪比以及灵敏度也随之提高，从而实现高灵敏度的声阻抗传感。
3、本发明提供的基于高非线性光纤的高灵敏度声阻抗测量方法，采用双光源方案和萨格纳克环结构。其中一个光源作为泵浦光，另一个不同波长的光源作为探测光，其中泵浦光在激励出受激横向声波后会被环内的带通滤波器滤除，避免对探测光的影响。相比于自发前向布里渊散射，能够实现更高的信噪比，提高测量精度。萨格纳克环结构能将横向声场引起的相位调制转换为强度调制，从而被光电探测器接收，最后通过频谱分析仪分析前向布里渊散射的频谱。
附图说明
图1是本公开实施例提供的一种基于高非线性光纤的高灵敏度声阻抗测量系统结构图；
图2是本公开实施例提供的高非线性光纤和标准单模光纤的前向布里渊散射增益的仿真结果图；
图3是本公开实施例提供的高非线性光纤和标准单模光纤中R0,21和R0,9模式声场和光场分布的仿真结果图；
图4是本公开实施例提供的R0,m和TR2,m模式线宽随声阻抗的变化关系仿真结果图。
附图标记说明：第一激光器1-1、脉冲发生器1-2、电光调制器1-3、第一偏振控制器1-4，掺铒光纤放大器1-5、第二激光器1-6、第二偏振控制器1-7、第一光学耦合器1-8、第二光学耦合器1-9、高非线性光纤1-10、光学带通滤波器1-11、第三偏振控制器1-12、光电探测器1-13、频谱分析仪1-14。
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。
名词解释或说明：高非线性光纤的指标：具有大于10W-1km-1的高非线性系数；小于1480nm的截止波长；小于1.5dB/km的较低传输损耗；小于0.035ps/nm2·km的低色散斜率；零色散波长在S,C,L三波段可调；与普通单模光纤熔接具有较小的附加损耗。
图1是本公开实施例提供的一种基于高非线性光纤的声阻抗测量装置的结构图，包括第一激光器1-1、脉冲发生器1-2、电光调制器1-3、第一偏振控制器1-4、掺铒光纤放大器1-5、第二激光器1-6和第二偏振控制器1-7，第一激光器1-1的输出端同电光调制器1-3的光信号输入端连接，脉冲发生器1-2的输出端同电光调制器1-3的电信号输入端连接，电光调制器1-3的输出端同第一偏振控制器1-4输入端连接，第一偏振控制器1-4输出端同掺铒光纤放大器1-5的输入端连接；第二激光器1-6的输出端同第二偏振控制器1-7的输入端连接。
第一激光器1-1输出波长为1560nm的连续光，脉冲发生器1-2输出一个1ns的电脉冲信号加载到电光调制器1-3中，随后第一激光器1-1输出的连续光被电光调制器调制成光脉冲信号。随后通过第一偏振控制器1-4调整泵浦光的偏振状态，选择不同的横向声模式进行激发。随后通过掺铒光纤放大器1-5对泵浦光功率放大，使脉冲光峰值功率达到4W，达到前向布里渊散射的受激状态。然后通过掺铒光纤放大器1-5放大光功率后经过第二光学耦合器1-9入射至高非线性光纤1-10中，并作为泵浦光来激发出光纤中的横向声场模式。第二激光器1-6输出1550nm的连续光作为探测光，第二偏振控制器1-7用于调整第二激光器输出光信号的偏振状态。第二激光器1-6发出的连续光经过第二偏振控制器1-7调制偏振和第一光学耦合器1-8后，打入高非线性光纤中，并作为探测光探测前向布里渊散射引起的相位变化。
基于高非线性光纤的高灵敏度声阻抗传感装置还包括萨格纳克环结构，萨格纳克环内包含第一光学耦合器1-8、第二光学耦合器1-9、高非线性光纤1-10、光学带通滤波器1-11、第三偏振控制器1-12；也包括由光电探测器1-13、频谱分析仪1-14组成的信号采集及分析部分。第一光学耦合器1-8的左上端同第二偏振控制器1-7输出端连接，左下端同光电探测器1-13的输入端连接，右上端同第二光学耦合器1-9的左下端连接，右下端同第三偏振控制器1-12连接，第二光学耦合器1-9的左上端同掺铒光纤放大器1-5的输出端连接，其右端同高非线性光纤1-10的左端相连，高非线性光纤1-10的右端同光学带通滤波器1-11的右端连接，光学带通滤波器1-11的左端同第三偏振控制器1-12右端连接；光电探测器1-13的输出端同频谱分析仪1-14的输入端相连。
在萨格纳克环内，带通滤波器1-11通带波长为1550nm，即波长为1550nm的探测光可以在环内同时顺时针和逆时针传播，而波长为1560nm的泵浦光在环内只能顺时针传播且会被带通滤波器1-11滤除，因此泵浦光不会从第一耦合器1-8的输出端进入光电探测器1-13中。泵浦脉冲光会激励出光纤内的横向声学模式，包括纯径向模式和扭转-径向模式。其中纯径向模式会对探测光的相位产生调制，而扭转-径向模式不仅会调制探测光相位，还会影响其偏振。根据前向布里渊散射的相位匹配条件，只有顺时针方向传播的探测光会受到横向声场的作用产生前向受激布里渊散射，而逆时针的探测光不受作用，并与顺时针的探测光在第一耦合器1-8中产生干涉作用，将产生的相位调制转换成强度调制。
在萨格纳克环内，泵浦光沿顺时针方向传播，会激发出高非线性光纤1-10中两种受激横向声场：径向模式R0,m和扭转-径向模式TR2,m，其中m代表声场模式的阶数。通过调整第一偏振控制器1-4和第二偏振控制器1-7，可以选择声场模式的激发状态。之后泵浦光会被光学带通滤波器1-11滤除，避免对探测光的影响。环内，探测光会同时沿顺时针和逆时针两个方向传播，根据前向布里渊散射的相位匹配条件，只有顺时针方向的探测光会收到前向布里渊散射的作用，而逆时针的探测光不受影响。横向声波会对顺时针方向的探测光产生一个相位调制，与逆时针的探测光在第一光学耦合器1-8内通过干涉转换为强度调制，且可以通过环内第三偏振控制器1-12调整干涉的强度。最终散射信号光被光电探测器1-13接收，并在频谱分析仪1-14上显示前向布里渊散射信号的频谱分量。
本发明通过调整萨格纳克环内第三偏振控制器1-12，可以控制顺时针和逆时针的探测光在第一耦合器1-8中干涉作用的效果，将相位调制转换为强度调制。
本发明还公开了一种基于高非线性光纤的声阻抗测量方法，本发明的方法通过两个激光器分别产生泵浦光和探测光，通过泵浦光激励出光纤中的横向声场模式，并通过改变泵浦光和探测光后的偏振控制器，选择合适的横向声场模式径向或扭转-径向模式。通过萨格纳克环将前向布里渊散射引起的相位调制转换为强度调制，再通过光电探测器和频谱分析仪，测量前向布里渊散射的频谱以及不同声学模式对应的增益谱。通过洛伦兹拟合得到增益谱的线宽Γm，从而计算出光纤外界环境的声阻抗信息。
步骤1，选择合适的声学模式进行声阻抗传感，具体步骤如下：前向布里渊散射中，不同声模式的增益系数g0m可以表示为：
其中，ω0是光波频率，γe是电致伸缩常数，neff是有效折射率，c是光速，ρ是二氧化硅的密度，Q0(m)和Q1(m)是声光耦合系数。且分别可以表示为：其中，<·>代表在光纤截面上的积分。为光纤中的基础光学模式，b为光纤的有效模式半径。
带入光纤参数，利用公式1，可以计算出光纤中各阶声模式的增益系数。通过选择增益更大的声模式，可以提高前向布里渊散射信号的信噪比以及声阻抗灵敏度。
在本发明中用高非线性光纤代替传统的标准单模光纤。高非线性光纤具有更小的有效模式直径，因此在声波与光波的耦合过程中，能量更集中在纤芯内，因此二者的耦合效率更高，前向布里渊散射的增益系数越大，信号的强度也更高，声阻抗灵敏度更高。
步骤2，计算边界处的声反射率R，具体步骤如下：第m阶径向声学模式R0,m引起的前向布里渊散射的增益谱线宽与边界处的反射率R存在如下关系：
其中，Γint为固有线宽，Vd为横向声速，a为光纤包层半径。
步骤3，根据边界处的声反射率R获得光纤外界物质的声阻抗，具体步骤如下：当光纤外界环境的声阻抗和光纤二氧化硅材料的声阻抗不同时，会产生阻抗失配，其边界处的声反射率R可以表示为：
其中，Zf为二氧化硅的声阻抗，Z0为光纤外界物质的声阻抗。由于二氧化硅的声阻抗Zf为固定值，当光纤外界物质声阻抗Z0发生变化时，声学反射率R以及对应的线宽Γm也会随之改变。因此，可以通过测量谱线线宽来实现对光纤外界声阻抗的测量，即获得光纤外界物质的声阻抗Z0。
图2是本公开实施例提供的高非线性光纤和标准单模光纤R0,m模式增益系数的仿真结果。并以高非线性光纤中增益最高的模式为标准，进行了归一化处理。当共振频率为979.5MHz(对应R0,21声学模式)时，高非线性光纤的增益有最大值1.0；并且当共振频率超过1.5GHz时，其增益系数仍保持在0.5以上。对于标准单模光纤而言，其增益最大值0.41出现在共振频率为419.3MHz(对应R0,9声学模式)时；此外当共振频率超过900MHz时，标准单模光纤的增益系数就几乎趋于零。通过对比高非线性光纤和标准单模光纤的增益系数可以发现，高非线性光纤的增益系数显著高于标准单模光纤，且增益的峰值出现在高频部分，这有助于提高信噪比以及传感灵敏度。
图3是本公开实施例提供的高非线性光纤与标准单模光纤中光场基膜的归一化强度分布以及R0,9和R0,21模式的归一化密度分布仿真结果。由图2可以看出，在高非线性光纤中，高阶声场模式的振动更密集且强度更集中在纤芯部位，因此有利于声场和光场之间的重叠，从而使得耦合效率更高，增益更大。
图4是本公开实施例提供的高非线性光纤中R0,m和TR2,m模式线宽与声阻抗的理论关系仿真结果。对于二氧化硅光纤而言，Zf≈13.1kg/s·mm2。由于一般外界环境(如：空气、水、酒精、各种盐溶液等)的声阻抗远小于二氧化硅的声阻抗，根据公式(2)和(3)的表达式，线宽与声阻抗可近似为线性关系。图4分别给出了高非线性光纤中R0,m和TR2,m模式线宽随声阻抗变化的理论图，图中斜率即为声阻抗灵敏度，其与声场模式相关。
以上内容说明了基于高非线性光纤的高灵敏度声阻抗系统的优势，其中还介绍了高非线性光纤与标准单模光纤中不同声模式的增益系数以及声场和光场的分布都具有重要意义，具有实际应用价值。
本领域的技术人员容易理解，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 (6)
1.一种基于高非线性光纤的声阻抗测量装置，包括第一激光器、脉冲发生器、电光调制器、第一偏振控制器、掺铒光纤放大器、第二激光器、第二偏振控制器和萨格纳克环结构，第一激光器的输出端同电光调制器的光信号输入端连接，脉冲发生器的输出端同电光调制器的电信号输入端连接，电光调制器的输出端同第一偏振控制器输入端连接，第一偏振控制器输出端同掺铒光纤放大器的输入端连接；第二激光器的输出端同第二偏振控制器的输入端连接，其特征在于：萨格纳克环内包含第一光学耦合器、第二光学耦合器、高非线性光纤、光学带通滤波器、第三偏振控制器、光电探测器、频谱分析仪，第一光学耦合器的左上端同第二偏振控制器输出端连接，左下端同光电探测器的输入端连接，右上端同第二光学耦合器的左下端连接，右下端同第三偏振控制器连接，第二光学耦合器的左上端同掺铒光纤放大器的输出端连接，其右端同高非线性光纤的左端相连，高非线性光纤的右端同光学带通滤波器的右端连接，光学带通滤波器的左端同第三偏振控制器右端连接；光电探测器的输出端同频谱分析仪的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于高非线性光纤的声阻抗测量装置，其特征在于：第一激光器输出波长为1560nm的连续光，脉冲发生器输出一个1ns的电脉冲信号加载到电光调制器中，第一激光器输出的连续光被电光调制器调制成光脉冲信号；随后通过第一偏振控制器调整泵浦光的偏振状态，选择不同的横向声模式进行激发；随后通过掺铒光纤放大器对泵浦光功率放大；然后通过掺铒光纤放大器放大光功率后经过第二光学耦合器入射至高非线性光纤中。
3.根据权利要求1所述的一种基于高非线性光纤的声阻抗测量装置，其特征在于：第二激光器输出1550nm的连续光作为探测光，第二偏振控制器用于调整第二激光器输出光信号的偏振状态；第二激光器发出的连续光经过第二偏振控制器调制偏振和第一光学耦合器后，打入高非线性光纤中。
4.根据权利要求1所述的一种基于高非线性光纤的声阻抗测量装置，其特征在于：光学带通滤波器通带波长为1550nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于高非线性光纤的声阻抗测量装置，其特征在于：通过调整萨格纳克环内第三偏振控制器，控制顺时针和逆时针的探测光在第一光学耦合器中干涉作用的效果，将相位调制转换为强度调制。
6.一种采用权利要求1-5任一项所述的声阻抗测量装置的基于高非线性光纤的声阻抗测量方法，通过第一激光器、第二激光器分别产生泵浦光和探测光，通过泵浦光激励出光纤中的横向声场模式，通过改变泵浦光和探测光后的第一偏振控制器、第二偏振控制器，选择横向声场模式径向或扭转-径向模式；通过萨格纳克环将前向布里渊散射引起的相位调制转换为强度调制，再通过光电探测器和频谱分析仪，测量前向布里渊散射的频谱以及不同声学模式对应的增益谱；通过洛伦兹拟合得到增益谱的线宽Γm，从而计算出光纤外界环境的声阻抗信息，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，选择合适的声学模式进行声阻抗传感；
步骤2，计算边界处的声反射率R，具体步骤如下：第m阶径向声学模式R0,m引起的前向布里渊散射的增益谱线宽与边界处的反射率R存在如下关系：
其中，Γint为固有线宽，Vd为横向声速，a为光纤包层半径；
步骤3，根据边界处的声反射率R获得光纤外界物质的声阻抗，具体步骤如下：当光纤外界环境的声阻抗和光纤二氧化硅材料的声阻抗不同时，会产生阻抗失配，其边界处的声反射率R表示为：
其中，Zf为二氧化硅的声阻抗，Z0为光纤外界物质的声阻抗，由于二氧化硅的声阻抗Zf为固定值，当光纤外界物质声阻抗Z0发生变化时，反射率R以及对应的线宽Γm也会随之改变。
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| 基于布里渊增益-损耗谱的高精度分布式传感器;仲晓轩;梁浩;程凌浩;李杰;;激光与光电子学进展(第10期);全文 * |
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