CN201237508Y - 一种基于光纤腔衰荡技术的分布式光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于光纤腔衰荡技术的分布式光纤传感器，其特征在于：激光光源与光纤分路器相连，光纤分路器连接若干可调光衰减器；第一个光纤环直接与可调光衰减器连接，其他光纤环均经过相应的光纤延迟线后与相应的可调光衰减器连接；若干光纤环的输出端连接光纤合路器，光纤合路器再与高速光电探测器、高速A/D转换和信号处理模块依次相互连接；所述的光纤环是在一个环状光纤的上下两端分别连接光纤耦合器，左右两侧分别连接单模光纤和光纤传感元件。有益效果是：将对强度或波长的测量转化为对光纤环衰荡时间的测量，实现一次测量的时间也只要毫秒量级，解调方法简单，容易实现分布式传感，可对多个物理量进行同时测量。

Description

一种基于光纤腔衰荡技术的分布式光纤传感器

技术领域

本实用新型涉及一种基于光纤腔衰荡技术的分布式光纤传感器，属于光纤传感器领域，是一种分布式光纤传感器的设计及其解调方法。

背景技术

光纤传感技术是上世纪七十年代随着光纤和光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体，光纤为媒质，感知和传输外界信号的新型传感技术。与传统的机械类和电子类传感器相比，光纤传感器具有如下几方面的优势：(1)灵敏度高，动态范围大；(2)抗电磁干扰，电绝缘性好，抗腐蚀，能在高温高压和易燃易爆等恶劣环境下工作；(3)传感头结构简单，尺寸小，重量轻，适合埋入大型结构中；(4)传输损耗小，可实现远距离检测；(5)光纤轻巧柔软，易复用和形成传感网络，易于实现分布式传感等等。因此光纤传感器一问世就受到了世界各国的普遍重视并开展了广泛的研究，目前其己在军事、国防、航天航空、工矿企业、能源环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器等方面获得了广泛应用。

自1989年Morey等人首次报道将光纤光栅用作传感以来，光纤光栅传感作为光纤传感的一个重要的分支，已成为光纤传感器研究领域中的一大热点，光纤光栅传感器除了具有普通光纤传感器的优点外，还具有自己独特的优点，如：测量信息是波长编码的，避免了光源强度起伏、光纤微弯和耦合损耗等因素对测量结果造成影响；具有很高的可靠性和稳定性；便于构成各种形式的光纤传感网络，进行大面积的多点测量；可实现绝对测量等。目前光纤光栅传感器主要用于对结构内部应变、压力、温度、振动、载荷疲劳和结构损伤等参数进行监测，分布式光纤光栅传感器主要应用于应变传感方面。

传统的测量光纤光栅波长漂移的方法是通过光谱仪进行直接观测，但普通光谱仪的分辨率只有0.01nm，且体积大、价格高，常用于实验室解调，达不到工程应用化和产业化的要求。经研究人员多年努力，人们已提出了多种用于光纤光栅波长变化的解调技术。目前较常用的解调方法分为干涉法和滤波法两大类，主要有：非平衡马赫-曾德(Mach-Zehnder，M-Z)光纤干涉仪解调法、非平衡迈克尔逊(Michelson)干涉仪解调法和塞纳克(Sagnac)光纤干涉仪解调法以及可调谐光纤法布里-珀罗(Fabry-Pérot，F-P)滤波器解调法、边沿滤波法、匹配滤波法、可调谐激光器波长匹配解调法、光栅色散法和啁啾光栅检测法等，这些技术各有优缺点，适用于不同条件的传感系统。

近年来人们提出了一种新型的基于光纤腔衰荡技术的光纤光栅解调方法，该方法将波长的解调转换为对光纤腔衰荡时间的测量，提高了解调的精度和速度。2002年Gupta M等人在论文《Cavity-enhanced spectroscopy in optical fibers》(Optics Letters，2002，27(21)：1878-1880)中利用10m长的端面镀高反膜的单模光纤光腔进行了介质折射率传感研究；2004年Tarsa P B等人在论文《Cavity ringdown strain gauge》(OpticsLetters，2004，29(12)：1339-1341)中利用端面镀高反射膜的单模光纤光腔和作为传感元件的双锥形光纤进行了拉力传感研究，但以上两种方法要在光纤端面镀高反射膜，加工工艺比较困难，另外反射膜的高反射区一般只有十几个nm，大大限制了所用激光波长的范围。2004年Chuji Wang等在论文《Fiber ringdown pressure sensors》(Optics Letters，2004，29(4)：352-254)和《Fiber loop ringdown for physical sensor development：pressuresensor》(Applied Optics，2004，43(35)：6458-6464)中提出利用光纤环结构在0-9.8×10⁶Pa范围内对单模光纤的压力传感进行了研究，并于2007年7月10日获得美国专利授权，专利号为7,241,986，B2。2006年Chuji Wang等又在论文《An alternative method to developfibre grating temperature sensors using the fibre loop ringdown scheme》(MeasurementScience and Technology，2006，17：1741-1751)中利用光纤环结构对光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)和长周期光纤光栅(Long-period fiber grating，LPFG)进行了温度传感实验，并于2008年1月29日获得美国专利授权，专利号为7,323,677，B1；2007年Ni N等人在论文《Cavity ring-down long-period fibre grating strainsensor》(Measurement Science and Technology，2007，18：3135-3138)中利用光纤环和LPFG进行了应力传感实验。但以上几篇文献中所用的方法一次都只能解调一个光纤光栅传感器，不能满足分布式传感的要求。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本实用新型提出一种基于光纤腔衰荡技术的分布式光纤传感器，可以满足基于光纤腔衰荡解调方法的光纤光栅传感器难以满足分布式传感的需求

技术方案

一种基于光纤腔衰荡技术的分布式光纤传感器，其特征在于：包括脉冲激光光源1、光纤分路器2、若干可调光衰减器3_1～n、若干光纤延迟线4_1～n-1、若干光纤环5_1～n、光纤合路器6、高速光电探测器7、高速模数(A/D)转换和信号处理模块8；激光光源1与光纤分路器2相连，光纤分路器2连接若干可调光衰减器3_1～n；第一个光纤环5₁直接与可调光衰减器3₁连接，其他光纤环5_2～n均经过相应的光纤延迟线4_1～n-1后与相应的可调光衰减器3_2～n连接；若干光纤环5_1～n的输出端连接光纤合路器6，光纤合路器6再与高速光电探测器7、高速A/D转换和信号处理模块依次相互连接；所述的光纤环5_1～n是上下两端的光纤耦合器9和11与左右两侧的单模光纤10和光纤传感元件12顺序连接，其中光纤耦合器9的低分光比的端口作为输入端，光纤耦合器11的低分光比的端口作为输出端。

所述的光纤分路器2为与若干可调光衰减器3_1～n数量相等的若干个1×2光纤耦合器2_1～n及折射率匹配液2_n+1串联而成；与其相适应的光纤合路器6是n×1光纤合束器。

所述的光纤延迟线的长度L_i＝5(τ₁+τ₂+……+τ_i)c/n_eff，其中：i为0～n-1，τ_i为光纤环5_i内的脉冲激光的衰荡时间，c为光速，n_eff为光纤的有效折射率。

所述的光纤传感元件12是：光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅、法布里-珀罗光纤腔、光纤微弯器或单模光纤。

所述的光纤耦合器9和11为1×2光纤耦合器，其分光比大于90％:10％。

所述的单模光纤10的长度取值范围在

与

之间，其中t_p为脉冲激光器的脉冲宽度。

有益效果

本实用新型的有益效果是：基于光纤腔衰荡技术的光纤传感器将对强度或波长的测量转化为对光纤环衰荡时间的测量。当外界物理量的作用使光纤环内光纤传感元件的插入损耗发生变化时，由于脉冲激光在环内不断绕行，每绕行一次将会对插入损耗的变化量放大一次，因此其测量精度比较高；每个脉冲激光在光纤环内的衰荡时间一般在微秒量级，即使在后续的处理过程中要对每个衰荡信号进行多次平均，实现一次测量的时间也只要毫秒量级，因而测量速度非常快；探测的激光脉冲序列为强度的相对值，因而光源所固有的激光脉冲强度的起伏对测量结果没有影响；解调方法简单，易于实现小型化、工程化和实用化；容易实现分布式传感，各光纤环内的光纤传感元件可以不同，可对多个物理量进行同时测量，且很容易扩展传感头的个数。

附图说明

图1：为本实用新型基于光纤腔衰荡技术的分布式光纤传感器实施方式的结构示意图；

图2：为本实用新型实验测量的脉冲激光从光纤环5₁输出的衰荡信号1；

图3：为本实用新型从光纤环5₁、5₂、……、5_n输出的衰荡信号1、2、……、n的示意图；

图4：为本实用新型对图2所示的衰荡信号1的峰值进行提取并进行单指数拟合的结果；

图5：为本实用新型实验所用作为光纤传感元件的FBG的一个典型的反射谱；

1—激光光源；2_1～n—光纤耦合器；3_1～n—可调光衰减器；4_1～n—光纤延迟线；5_1～n—光纤环；6—光纤合路器；7—高速光电探测器；8—高速A/D转换和信号处理模块；9—光纤耦合器；10—单模光纤；11—光纤耦合器；12—光纤传感元件。

具体实施方式

现结合附图对本实用新型作进一步描述：

装置实施例1，如图1所示，本实施例取n＝4，本实用新型的测量装置包括：激光光源1，光纤分路器2，可调光衰减器3₁、3₂、3₃、3₄，光纤延迟线4₁、4₂、4₃，光纤环5₁、5₂、5₃、5₄，光纤合路器6，高速光电探测器7，高速A/D转换和信号处理模块8，其中所述光纤分路器2由四个1×2光纤耦合器2₁、2₂、2₃、2₄及折射率匹配液2₅组成，所述的折射率匹配液2₅是为了抑制剩余脉冲激光在光纤出射端面产生反射，从而对测量结果造成影响，所述的光纤合路器6为一4×1光纤合束器，其功能是将从各光纤环输出的衰荡信号合为一束。

其中光纤环5₁包括两个分光比为99％:1％的1×2光纤耦合器9和11，单模光纤10和光纤传感元件12。所述单模光纤10两端分别与两个光纤耦合器9和11的99％的两端口相熔接，光纤传感元件12分别与两个光纤耦合器9和11的只有一根尾纤的两个端口相熔接，因此两个光纤耦合器9和11与单模光纤10及光纤传感元件12一起构成光纤环5₁，光纤环5₂、5₃、5₄与光纤环5₁结构一致。

光纤耦合器2₁一端与激光光源1直接相耦合连接，一端经由可调光衰减器3₁与光纤环5₁中的光纤耦合器9的1％的端口相熔接，另一端与光纤耦合器2₂直接相熔接，其余光纤耦合器2₂、2₃、2₄均分别依次通过相应的可调光衰减器3₂、3₃、3₄和光纤延迟线4₁、4₂、4₃与各自的光纤环5₂、5₃、5₄中的光纤耦合器9的1％的端口相连接，且光纤耦合器2₂、2₃、2₄之间顺次熔接，光纤耦合器2₄的一端与折射率匹配液2₅相连。

光纤环5₁、5₂、5₃、5₄分别通过各自的光纤耦合器11的1％的端口与光纤合路器6的各端口相耦合连接，最后光纤合路器6与高速光电探测器7、高速A/D转换和信号处理模块8依次顺序相连接。

其中所述的激光光源1用来产生脉冲激光，两个激光脉冲之间的时间间隔应大于所有光纤环内脉冲激光衰荡时间和的5倍，谱线宽度能覆盖光纤环5₁、5₂、5₃、5₄内所用光纤传感元件12的工作波长，脉冲宽度应小于各脉冲激光分别在光纤环5₁、5₂、5₃、5₄内绕行一周所用时间的最大值。

所述的可调光衰减器3₁、3₂、3₃、3₄的功能是在光纤分路器2对各脉冲激光强度大致调节的基础上再进行微调，使耦合进入各光纤环中的脉冲激光的强度基本相等，以便于和后续的高速光电探测器7的探测能力相匹配。

所述的光纤延迟线4₁、4₂、4₃由单模光纤构成，其功能相同，但长度不同，都是对脉冲激光起延迟作用，但延迟的时间存在差异，各光纤延迟线对脉冲激光的延迟时间为其之前各光纤环内脉冲激光衰荡时间和的5倍。又因为光纤的长度L₀由式子L₀＝tc/n_eff决定，其中t为脉冲激光在长度为L₀的光纤内的传播时间，因此第一个光纤延迟线4₁的长度L₁＝5τ₁c/n_eff，其中τ₁为光纤环5₁内脉冲激光的衰荡时间。光纤延迟线4₂的长度L₂＝5(τ₁+τ₂)c/n_eff，其中τ₂为光纤环5₂内脉冲激光的衰荡时间。同理可得到光纤延迟线4₃的长度L₃＝5(τ₁+τ₂+τ₂)c/n_eff，其中τ₃为光纤环5₃内脉冲激光的衰荡时间。

所述的单模光纤10的长度应使各脉冲激光在相应的光纤环5₁、5₂、5₃、5₄内绕行一周的时间均大于脉冲激光的脉冲宽度。

所述的光纤传感元件12为FBG、LPFG、F-P光纤腔、光纤微弯器或单模光纤。

所述的高速A/D转换和信号处理模块8是对各衰荡信号的峰值进行提取并对峰值进行单指数拟合，得出各脉冲激光在相应的光纤环内的衰荡时间，并做进一步的数据处理。

本实用新型基于光纤腔衰荡技术的分布式光纤传感器实施方式的主要工作过程为：激光光源1出射的脉冲激光经第一个光纤耦合器2₁分为两束，其中一束脉冲激光经可调光衰减器3₁由光纤环5₁中的光纤耦合器9的1％的端口耦合进入光纤环5₁内，进入光纤环5₁的脉冲激光在光纤环5₁内不断绕行，由于光纤环5₁内存在各种损耗，光纤环5₁内脉冲激光的强度就会不断衰减，从光纤环5₁中的光纤耦合器11的1％的端口输出的是峰值呈单指数衰减的激光脉冲序列，称为衰荡信号1，另一束脉冲激光经第二个光纤耦合器2₂再分为两束，其中一束脉冲激光经可调光衰减器3₂再经光纤延迟线4₁延迟后由光纤环5₂中的光纤耦合器9的1％的端口耦合进光纤环5₂内，并经过多次绕行和衰减损耗后，从光纤环5₂中的光纤耦合器11的1％的端口输出的也是峰值呈单指数衰减的激光脉冲序列，称为衰荡信号2，另一束脉冲激光经第三个光纤耦合器2₃再分为两束。基于相同的道理，分别依次经光纤耦合器2₃、2₄和可调光衰减器3₃、3₄以及光纤延迟线4₂、4₃将脉冲激光耦合进相应的光纤环5₃、5₄内，从光纤环5₃、5₄中光纤耦合器11的1％的端口输出的为相应的衰荡信号3、4。由于光纤延迟线4₁、4₂、4₃的作用，从光纤环5₁、5₂、5₃、5₄输出的衰荡信号1、2、3、4彼此错开一定时间。

从光纤环5₁、5₂、5₃、5₄输出的衰荡信号1、2、3、4都经光纤合束器6合束，再由高速光电探测器7探测，并由高速光电探测器7将光信号转变为电信号，然后经高速A/D转换和信号处理模块8对各衰荡信号做进一步的数据处理。与第一实施方式中的处理方法相似，通过测量外界物理量作用前后脉冲激光在每个光纤环内的两次衰荡时间，从两次衰荡时间中解调出该光纤环中光纤传感元件12所感知的外界物理量的作用量。

如图4所示，本实施方式中针对探测到的每一个衰荡信号，利用软件提取其峰值，采用单指数衰减函数y＝Aexp(-t/τ)+y₀对峰值进行拟合得到该衰荡信号的衰荡时间τ₀。对于每一个光纤环，当光纤传感元件12没有感知到外界物理量的作用时，脉冲激光在光纤环内的衰荡时间为 ${\mathrm{\τ}}_0=\frac{t_R}{{2\mathrm{\α}}_c+{\mathrm{\α}}_t+4{\mathrm{\α}}_f+{\mathrm{\α}}_s},$ 其中t_R＝n_effL/c为脉冲激光在光纤环内绕行一周所用的时间，n_eff为光纤的有效折射率，L为光纤环的长度，c为真空中的光速，2α_c为两个光纤耦合器9和11的耦合损耗和插入损耗、α_t为单模光纤10及光纤耦合器9和11的尾纤的传输损耗、4α_f为四个熔接点的插入损耗，α_s为光纤传感元件12的插入损耗。当光纤传感元件12感知到外界物理量的作用时，光纤传感元件12的插入损耗会发生变化，使光纤环内的总损耗发生变化，此时脉冲激光在光纤环内的衰荡时间变为 $\mathrm{\τ}\′=\frac{t_R}{{2\mathrm{\α}}_c+{\mathrm{\α}}_t+4{\mathrm{\α}}_f+{\mathrm{\α}}_s+{\mathrm{\Δ\α}}_s},$ 其中Δα_s为光纤传感元件12感知到外界物理量的作用后插入损耗的变化量。由以上两式可得光纤传感元件12插入损耗的变化量为 ${\mathrm{\Δ\α}}_s=t_R(\frac{1}{\mathrm{\τ}\′}-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_0}),$ 由于光纤传感元件12插入损耗的变化量与外界物理量的作用量是一一对应的，从而由Δα_s可得到外界物理量的作用量，达到传感的目的。基于相同的道理，每个光纤环中的光纤传感元件12都可感知其所在位置外界物理量的作用。

本实用新型基于光纤腔衰荡技术的分布式光纤传感器针对各光纤环5₁、5₂、5₃、5₄内的光纤传感元件12，通过一次测量就可从各光纤环5₁、5₂、5₃、5₄输出的衰荡信号中解调出该光纤环中光纤传感元件12所感知的外界物理量的作用量，且由于各光纤环之间相互独立，因此实现了分布式光纤传感的功能。

本实用新型各光纤环内的光纤传感元件12可以为FBG、LPFG或F-P光纤腔，也可以为光纤微弯器或单模光纤，前者测量精度高，而后者测量范围大。下面以光纤传感元件12为FBG为例进一步介绍基于光纤腔衰荡技术的分布式光纤传感器的详细的解调方法。图5所示为实验所用作为光纤传感元件12的一个FBG的反射谱，所用脉冲激光的波长处于FBG的反射谱主反射峰两侧的中间部分，如图中的a点或b点，当光纤环5₁内的FBG感知到外界物理量作用时，其反射谱会发生漂移，对于入射进该环内波长一定的脉冲激光，FBG的反射率会发生变化，使光纤环5₁内的总损耗发生相应的变化，最终从光纤环5₁输出的衰荡信号的衰荡时间也发生相应变化。通过测量外界物理量作用前后脉冲激光在各光纤环内的两次衰荡时间，就可得知各光纤环内总损耗的变化量，从而得到光纤环内FBG中心波长的漂移量，进一步可得到外界物理量的作用量，达到利用FBG实现分布式光纤传感的目的。基于相同的道理，利用LPFG、F-P光纤腔、光纤微弯器、单模光纤可实现不同测量精度和测量范围的分布式光纤传感的目的。

本实用新型各光纤环内的光纤传感元件12可相同，也可不同，可同时测同种物理量，也可同时测不同种物理量，只要待测物理量能引起光纤传感元件12的插入损耗发生一定的变化即可。因此本实用新型分布式光纤传感器不但可以实现对同一物理量的分布测量，也可实现同时对不同物理量的分布测量，因此功能强，方便实用，具有极大实际应用价值。

本实用新型基于光纤腔衰荡技术的分布式光纤传感器不限于上述实施方式，可作进一步改进，如：本实用新型分布式光纤传感器中的光纤环数目不限于四个，根据实际需要和成本考虑，可调整数目。光纤传感元件12不限于FBG、LPFG、F-P光纤腔、光纤微弯器、单模光纤，只要能引起光纤环内的总损耗发生一定的变化即可，可根据实际需要选择合适的实施方式和光纤传感元件12。

综上所述本实用新型基于光纤腔衰荡技术的分布式光纤传感器通过多个相对独立的光纤环设计，不但可以实现对同一物理量的分布测量，也可实现同时对不同物理量的测量，测量精度高，速度快，适用范围广，易于扩展传感头，且操作简单，可实现实用化和工程化，具有极大的实际应用价值。

Claims (6)

1.一种基于光纤腔衰荡技术的分布式光纤传感器，其特征在于：包括脉冲激光光源

(1)、光纤分路器(2)、若干可调光衰减器(3_1～n)、若干光纤延迟线(4_1～n-1)、若干光纤环(5_1～n)、光纤合路器(6)、高速光电探测器(7)、高速模数A/D转换和信号处理模块(8)；激光光源(1)与光纤分路器(2)相连，光纤分路器(2)连接若干可调光衰减器(3_1～n)；第一个光纤环(5₁)直接与可调光衰减器(3₁)连接，其他光纤环(5_2～n)均经过相应的光纤延迟线(4_1～n-1)后与相应的可调光衰减器(3_2～n)连接；若干光纤环(5_1～n)的输出端连接光纤合路器(6)，光纤合路器(6)再与高速光电探测器(7)、高速A/D转换和信号处理模块依次相互连接；所述的光纤环(5_1～n)是上下两端的光纤耦合器(9)和(11)与左右两侧的单模光纤(10)和光纤传感元件(12)顺序连接，其中光纤耦合器(9)的低分光比的端口作为输入端，光纤耦合器(11)的低分光比的端口作为输出端；所述的光纤分路器(2)为与若干可调光衰减器(3_1～n)数量相等的若干个1×2光纤耦合器(2_1～n)及折射率匹配液(2_n+1)串联而成。

2.根据权利要求1所述的基于光纤腔衰荡技术的分布式光纤传感器，其特征在于：；所述的的光纤合路器(6)是n×1光纤合束器。

3.根据权利要求1所述的基于光纤腔衰荡技术的分布式光纤传感器，其特征在于：所述的光纤延迟线(4_1～n-1)的长度L_i＝5(τ₁+τ₂+……+τ_i)c/n_eff，其中：i为0～n-1，τ_i为光纤环5_i内的脉冲激光的衰荡时间，c为光速，n_eff为光纤的有效折射率。

4.根据权利要求1所述的基于光纤腔衰荡技术的分布式光纤传感器，其特征在于：所述的光纤传感元件(12)是：光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅、法布里-珀罗光纤腔、光纤微弯器或单模光纤。

5.根据权利要求1所述的基于光纤腔衰荡技术的分布式光纤传感器，其特征在于：所述的光纤耦合器(9)和(11)为1×2光纤耦合器，其分光比大于90％:10％。

6.根据权利要求1所述的基于光纤腔衰荡技术的分布式光纤传感器，其特征在于：所述的单模光纤(10)的长度取值范围在

与

之间，其中t_p为脉冲激光器的脉冲宽度。

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