采用光電探測器和光纖光柵的激光傳感器頻分復(fù)用裝置的制造方法
【專利摘要】一種采用光電探測器和光纖光柵的激光傳感器頻分復(fù)用裝置，涉及光纖傳感測量，本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的多位置測量性價(jià)比低以及泵浦光轉(zhuǎn)換效率低問題，本發(fā)明包括泵浦光源、光纖隔離器、波分復(fù)用器、光電探測器、1*M耦合器、檢測單元和M個(gè)多縱模環(huán)形腔激光傳感器，多縱模環(huán)形腔激光傳感器包括環(huán)形結(jié)構(gòu)、光纖耦合器和光纖光柵，泵浦光源、光纖隔離器、波分復(fù)用器依次串接在光路中，波分復(fù)用器的光輸出端與1*M耦合器的光輸入端連通，M個(gè)多縱模環(huán)形腔激光傳感器的光輸入端同時(shí)與1*M耦合器連通，波分復(fù)用器的傳感信號(hào)的輸出端與光電探測器的傳感信號(hào)的輸入端連通，光電探測器的檢測信號(hào)的輸出端與檢測單元連通。本發(fā)明適用于多位置實(shí)時(shí)監(jiān)測。
【專利說明】
采用光電探測器和光纖光柵的激光傳感器頻分復(fù)用裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于光纖傳感測量技術(shù)領(lǐng)域，它涉及動(dòng)態(tài)物理量監(jiān)測、多位置實(shí)時(shí)監(jiān)測的 分布式傳感領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] G.A.Ball首先提出拍頻解調(diào)這個(gè)概念，它利用一個(gè)短腔、單頻的光纖光柵激光器 里面存在的兩個(gè)正交拍頻模式，通過測量兩束正交偏振激光干涉產(chǎn)生的拍頻信號(hào)頻率，得 到應(yīng)力與拍頻頻率漂移響應(yīng)為-4.謂他/叫。隨后夂!'.&11^14 〇加利用作用在有源光纖上 的橫向壓力可以改變腔內(nèi)正交偏振激光波長，從而改變拍頻信號(hào)的頻率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓力的 測量，并且消除了溫度對(duì)測量的影響。O.Hadeler利用鉺釔共摻偏振激光器也實(shí)現(xiàn)了溫度和 應(yīng)力的同時(shí)測量，并給出了理論解釋。光纖激光傳感器特別是光纖光柵激光傳感器是在普 通無源光纖光柵傳感器的基礎(chǔ)上，將光纖光柵寫到有源光纖上或者寫入到兩光纖光柵之 間，形成有效的，具有增益性質(zhì)的激光諧振腔。當(dāng)外界物理量發(fā)生變化時(shí)，出射的激光波長、 偏振或者模式發(fā)生相應(yīng)變化，通過檢測這些激光參量的變化，即可實(shí)現(xiàn)測量監(jiān)測物理量的 目的。光纖激光傳感器具有價(jià)格低廉、輕便、耐酸堿、抗腐蝕和抗電磁干擾等優(yōu)良特性。按照 激光傳感器的檢測方式不同，目前主要分為相位型激光傳感器和偏振型激光傳感器。
[0003] 光纖干涉型激光傳感器雖然有超高的精度，但是它需要一套復(fù)雜的光學(xué)干涉設(shè)備 去完成波長到相位的轉(zhuǎn)換。理論上，臂長差越大，波長一相位的響應(yīng)越大，在相位解調(diào)裝置 的相位分辨率一定的情況下，精度就越高。但是事實(shí)卻經(jīng)常與之相反，較長的臂長差也耦合 進(jìn)了更多的環(huán)境噪聲，使得激光傳感器的精度降低。因此實(shí)際上，這種干涉解調(diào)儀的理論精 度很難實(shí)現(xiàn)，除非超高精度的溫度控制裝置被用來控制干涉儀周圍的溫度場分布，但是這 樣大大增加了系統(tǒng)的造價(jià)。
[0004] 光纖偏振型激光傳感器給出了一個(gè)新的思路，一般光纖非理想圓形，短的光纖激 光器一般會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)正交的偏振光，這兩個(gè)光在光纖激光腔內(nèi)的光程不同，導(dǎo)致兩束激光 有兩個(gè)不同的波長。由于它們是在同一激光腔內(nèi)形成的兩束正交偏振激光，所以他們之間 有很好的相干性。利用光纖偏振器與兩正交偏振光成45度角方向?qū)墒庀喔莎B加，通過 檢測相干產(chǎn)生的拍頻信號(hào)的頻率漂移得到傳感信息。
[0005] 利用多縱模光纖激光傳感器的優(yōu)良性能，結(jié)合動(dòng)態(tài)拍頻解調(diào)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)低成本、 結(jié)構(gòu)簡單、具有動(dòng)態(tài)解調(diào)能力的高性能傳感器。期刊optics communication在2013年刊登 了"Simultaneous measurement of strain and temperature with a multi-longitudinal mode erbium-doped fiber laser"提出利用多縱模摻鉺光纖激光傳感器進(jìn) 行應(yīng)力和溫度的同時(shí)測量。利用多縱模光纖激光傳感器對(duì)溫度和腔長變化的交叉敏感，實(shí) 現(xiàn)對(duì)溫度和應(yīng)變同時(shí)測量。公開號(hào)為CN102003970的中國專利"光纖激光器動(dòng)態(tài)信號(hào)解調(diào)方 法"提出電子拍頻解調(diào)方式實(shí)現(xiàn)模式間產(chǎn)生拍頻信號(hào)的解調(diào)，實(shí)現(xiàn)傳感信號(hào)的動(dòng)態(tài)解調(diào)能 力。公開號(hào)為CN102636203的中國專利"一種基于雙波長拍頻技術(shù)的光纖光柵傳感解調(diào)裝 置"提出一種基于雙波長拍頻技術(shù)的光纖傳感解調(diào)裝置，利用光柵制作的法布里-珀羅腔， 結(jié)合可調(diào)諧帶通濾波器，實(shí)現(xiàn)單縱?；蚨嗫v模環(huán)腔激光傳感器的解調(diào)，克服現(xiàn)有基于拍頻 技術(shù)的傳感器的需要在單縱模的條件解調(diào)的限制。公開號(hào)為CN102706375的中國專利"光 纖-無線混合式傳感監(jiān)測系統(tǒng)"提出結(jié)合環(huán)形腔多縱模光纖激光傳感器和無線傳感技術(shù)的 混合式傳感單點(diǎn)檢測系統(tǒng)。
[0006] 光纖激光傳感技術(shù)被廣泛應(yīng)用于壓力、折射率、化學(xué)及生物溶液的濃度、溫度等物 理量測量上。但是由于實(shí)際需要的是多位置物理量測量，而且要求實(shí)時(shí)性，這就需要多個(gè)多 縱模環(huán)形腔激光傳感器，而每一個(gè)多縱模環(huán)型腔激光傳感器對(duì)應(yīng)需要一個(gè)光源及一套解調(diào) 光路，結(jié)果在多位置實(shí)時(shí)測量中需要多個(gè)光源及解調(diào)光路，造成成本高且資源的大量浪費(fèi)。
[0007] 多縱模環(huán)型腔激光傳感器由于只用一個(gè)光纖光柵作為選波器件，并結(jié)合3dB耦合 器實(shí)現(xiàn)諧振腔制作，這簡化了多縱模環(huán)型腔激光傳感器的制作難度，降低了信號(hào)由于額外 的相位匹配和波長諧振匹配引入的噪聲，提高了信噪比，削弱了四波混頻噪聲。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有多位置測量中需要多個(gè)多縱模環(huán)形腔激光傳感器， 而每一個(gè)多縱模環(huán)形腔激光傳感器對(duì)應(yīng)需要一個(gè)光源及解調(diào)光路，這造成其使用成本高和 資源浪費(fèi)的問題，提供一種基于拍頻技術(shù)的多縱模環(huán)形腔激光傳感器頻分復(fù)用裝置。
[0009] 基于拍頻技術(shù)的多縱模環(huán)形腔激光傳感器頻分復(fù)用裝置，它包括栗浦光源、光纖 隔離器、波分復(fù)用器、光電探測器、1*M耦合器、檢測單元和M個(gè)多縱模環(huán)形腔激光傳感器，M 為大于1的整數(shù)，多縱模環(huán)形腔激光傳感器包括環(huán)形結(jié)構(gòu)、光纖耦合器和光纖光柵，環(huán)形結(jié) 構(gòu)的兩個(gè)端口同時(shí)與光纖耦合器連通，光纖耦合器與光纖光柵依次串接在光路中，栗浦光 源、光纖隔離器、波分復(fù)用器依次串接在光路中，波分復(fù)用器的光輸出端與1*M耦合器的光 輸入端連通，M個(gè)多縱模環(huán)形腔激光傳感器的光輸入端同時(shí)與1*M耦合器連通，波分復(fù)用器 的傳感信號(hào)的輸出端與光電探測器的傳感信號(hào)的輸入端連通，光電探測器的檢測信號(hào)的輸 出端與檢測單元的檢測信號(hào)的輸入端連通。
[0010] 本發(fā)明通過一個(gè)光源及解調(diào)光路實(shí)現(xiàn)了同時(shí)獲取M個(gè)多縱模環(huán)形腔激光傳感器傳 感信號(hào)的輸出，實(shí)現(xiàn)了M個(gè)傳感探頭的復(fù)用。解決了現(xiàn)有單個(gè)多縱模環(huán)形腔激光傳感器無法 同時(shí)獲知多位置物理量，且多個(gè)多縱模環(huán)形腔激光傳感器需要多個(gè)光源及解調(diào)光路的問 題。實(shí)現(xiàn)多傳感器并聯(lián)復(fù)用，每個(gè)傳感器獨(dú)立測量，提高激光帶寬的利用率，實(shí)現(xiàn)傳感器超 長距離監(jiān)測、多位置實(shí)時(shí)監(jiān)測以及信號(hào)位置快速定位的能力。降低了應(yīng)用傳感器陣列的成 本，使傳感技術(shù)的應(yīng)用更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用。將3dB耦合器的兩個(gè)50%輸出端連接構(gòu)成環(huán)形結(jié)構(gòu)，并 以此環(huán)形結(jié)構(gòu)和光纖光柵構(gòu)成諧振腔的兩個(gè)腔鏡。由于采用單光柵結(jié)構(gòu)，減少了傳統(tǒng)的雙 光柵傳感器中光柵之間的相位匹配和波長諧振噪聲，進(jìn)一步提高信噪比。同時(shí)無需制作兩 個(gè)參數(shù)一致光柵，降低了制作難度，進(jìn)一步提升了激光傳感器的實(shí)用性。
[0011] 發(fā)明重點(diǎn)在提出一種基于拍頻技術(shù)的多縱模環(huán)形腔激光傳感器頻分復(fù)用裝置，裝 置中的傳感器為利用3dB耦合器、摻鉺光纖和光纖光柵構(gòu)成的多縱模環(huán)形腔激光傳感器。利 用傳感器產(chǎn)生的多個(gè)縱模干涉形成拍頻信號(hào)作為傳感復(fù)用信號(hào)，解調(diào)方式為全電子拍頻解 調(diào)。將多縱模環(huán)形腔激光傳感器產(chǎn)生的拍頻信號(hào)通過光電探測器直接轉(zhuǎn)換為電子拍頻信 號(hào)，利用頻譜分析儀檢測多縱模環(huán)形腔激光傳感器的拍頻頻率。不同多縱模環(huán)形腔激光傳 感器是由有效諧振腔長來區(qū)別的，不一致的有效諧振腔長導(dǎo)致不同多縱模環(huán)形腔激光傳感 器的拍頻頻率間隔不一致，即利用頻率間隔不同實(shí)現(xiàn)區(qū)分和定位傳感器目的，實(shí)現(xiàn)頻分復(fù) 用。該裝置的頻率間隔設(shè)定可以通過改變多縱模環(huán)形腔激光傳感器諧振腔的有效長度來實(shí) 現(xiàn)，這使得多縱模環(huán)形腔激光傳感器擁有更好的環(huán)境適應(yīng)能力，可根據(jù)實(shí)際需要改變腔長， 進(jìn)一步提升多位置探測的能力。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為【具體實(shí)施方式】一中多縱模環(huán)形腔激光傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]
【具體實(shí)施方式】一： 結(jié)合圖1和圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述基于拍頻技術(shù)的多縱模環(huán)形腔激光傳 感器頻分復(fù)用裝置，它包括栗浦光源1、光纖隔離器2、波分復(fù)用器3、光電探測器4、1*M耦合 器5、檢測單元7和M個(gè)多縱模環(huán)形腔激光傳感器6，M為大于1的整數(shù)，多縱模環(huán)形腔激光傳感 器6包括環(huán)形結(jié)構(gòu)6-1、光纖親合器6-2和光纖光柵6-3，環(huán)形結(jié)構(gòu)6-1的兩個(gè)端口同時(shí)與光纖 耦合器6-2連通，光纖耦合器6-2與光纖光柵6-3依次串接在光路中，栗浦光源1、光纖隔離器 2、波分復(fù)用器3依次串接在光路中，波分復(fù)用器3的光輸出端與1*M耦合器5的光輸入端連 通，M個(gè)多縱模環(huán)形腔激光傳感器6的光輸入端同時(shí)與1*M耦合器5連通，波分復(fù)用器3的傳感 信號(hào)的輸出端與光電探測器4的傳感信號(hào)的輸入端連通，光電探測器4的檢測信號(hào)的輸出端 與檢測單元7的檢測信號(hào)的輸入端連通。
[0014] 環(huán)形結(jié)構(gòu)6-1是利用3dB光纖耦合器6-2的兩個(gè)50%輸出端通過普通光纖(或摻鉺光 纖)連接構(gòu)成，3dB光纖耦合器6-2輸入端通過普通光纖（或摻鉺光纖）連接于光纖光柵6-3 上，以此構(gòu)成多縱模環(huán)形腔激光傳感器6。
[0015]選擇多縱模環(huán)形腔激光傳感器6產(chǎn)生的拍頻頻率vN作為傳感信號(hào)，當(dāng)應(yīng)變施加到 多縱模環(huán)形腔激光傳感器上時(shí)，應(yīng)變引起的腔長變化將導(dǎo)致激光多縱模的模式間隔的變 化，最后表現(xiàn)為拍頻傳感信號(hào)頻率的變化，其表達(dá)如下：
為光纖有效彈光系數(shù)，e光纖的縱向應(yīng)變。a為光纖的熱膨脹系數(shù)，〖為光纖的熱光系 數(shù)。e和AT分別是施加在光纖上的應(yīng)變和溫度信息。L為諧振腔有效長度，n為光纖諧振腔有 效折射率，c為光在真空中的傳播速度，N為正整數(shù)。通過拍頻信號(hào)的變化我們能夠監(jiān)測溫度 或應(yīng)變的變化。
[0016]由于光纖多縱模環(huán)型腔激光傳感器6只需要一個(gè)光柵6-3做為選波器件，所以解決 了直腔中兩個(gè)光柵反射端腔鏡波長和光柵反射相位不匹配的問題，因此擁有更高的信噪比 和更小的相位噪聲。
[0017] 本發(fā)明采用半導(dǎo)體激光器作為栗浦光源，栗浦波長為980nm或1480nm，栗浦光通過 具有抑制背向光作用的光纖隔離器到波分復(fù)用器980nm端（1480nm端)進(jìn)入1*M耦合器，1*M 耦合器的輸入端連接于波分復(fù)用器公共端，1*M耦合器的M個(gè)輸出端分別連接M個(gè)傳感器探 頭，傳感器探頭是多縱模環(huán)型腔激光傳感器6。栗浦光源980nm(或1480nm)提供光功率達(dá)到 多縱模傳感器閾值時(shí)，傳感器將輸出1550nm波段激光，激光攜帶傳感器的傳感信息，以此實(shí) 現(xiàn)信息傳感和傳遞目的，調(diào)節(jié)傳感器諧振腔長度，實(shí)現(xiàn)設(shè)定M個(gè)傳感器拍頻信號(hào)頻率間隔目 的，利用拍頻頻率間隔差異表征不同傳感器的測量信息，實(shí)現(xiàn)多路傳感器復(fù)用。將波分復(fù)用 器的1550端連接于探測器光學(xué)端口，探測器為高頻光電探測器，探測器將M個(gè)傳感器的光拍 頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)，通過頻率檢測，實(shí)時(shí)得知任意傳感器拍頻頻率變化，實(shí)現(xiàn)傳感測量 目的。
[0018] M個(gè)多縱模環(huán)形腔激光傳感器6由于腔長不同，所以產(chǎn)生的拍頻間隔也不同，傳感 器布放在任意探測位置，可探測信號(hào)包括應(yīng)力、溫度、壓力等物理量信息，探測物理量的改 變?cè)斐晒饫w諧振腔的有效腔長發(fā)生改變，繼而導(dǎo)致M個(gè)多縱模環(huán)形腔激光傳感器6產(chǎn)生的激 光干涉形成的拍頻信號(hào)間隔發(fā)生改變，即待測信息轉(zhuǎn)換為拍頻間隔改變，M個(gè)多縱模環(huán)形腔 激光傳感器6自身產(chǎn)生的多縱模激光是相干的，不會(huì)因?yàn)閺?fù)用而產(chǎn)生傳感器間的交叉干擾， 復(fù)用傳感器信號(hào)可耦合到同一光纖通道，不同傳感器所產(chǎn)生的頻率信息變化可以利用光電 探測器4直接捕獲，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換之后，實(shí)現(xiàn)將多縱模拍頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子拍頻信號(hào)，拍頻 信號(hào)間隔不受電子轉(zhuǎn)換過程影響，這就解決了解調(diào)過程中產(chǎn)生干擾造成傳感信息解調(diào)失真 的問題，電子拍頻信號(hào)由檢測單元7進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了拍頻信號(hào)動(dòng)態(tài)監(jiān)測，通過對(duì)拍頻頻率 的改變量計(jì)算獲得傳感信息。
[0019] 該多縱模環(huán)形腔激光傳感器6不限于如圖1所示的形狀，腔內(nèi)光纖可根據(jù)實(shí)際需要 調(diào)整，可以纏繞在待測物體表面，腔外光纖可以依據(jù)不同布放位置設(shè)計(jì)連接長度，腔外光纖 長度變化不影響傳感器精度，便于應(yīng)用在對(duì)傳感器體積、位置要求苛刻的特殊環(huán)境下使用。 這種基于光纖拍頻技術(shù)的多縱模環(huán)形腔激光傳感器頻分復(fù)用系統(tǒng)可以應(yīng)用在復(fù)雜電磁環(huán) 境下，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)、應(yīng)力、溫度等物理信息監(jiān)測，特別適用于需要大面積監(jiān)測，精度要求高的 等傳統(tǒng)傳感器難以實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控領(lǐng)域，并且在航空航天的智能蒙皮領(lǐng)域有巨大優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明 的環(huán)形腔多縱模光纖激光傳感器6形狀多變，如可以整合繞在一個(gè)柱體上，從而實(shí)現(xiàn)某些特 殊場合的信息檢測。本發(fā)明旨在提出一種實(shí)時(shí)多路同時(shí)監(jiān)測的傳感器陣列，實(shí)現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)化 管理。
[0020]
【具體實(shí)施方式】二： 結(jié)合圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是對(duì)【具體實(shí)施方式】一所述基于拍頻技術(shù)的多縱 模環(huán)形腔激光傳感器頻分復(fù)用裝置的進(jìn)一步限定，1*M親合器5采用波導(dǎo)型耦合器。
[0021]
【具體實(shí)施方式】三： 結(jié)合圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是對(duì)【具體實(shí)施方式】一所述基于拍頻技術(shù)的多縱 模環(huán)形腔激光傳感器頻分復(fù)用裝置的進(jìn)一步限定，光纖耦合器6-2采用3dB光纖耦合器。 [0022] 3dB耦合器6-2的兩個(gè)50%輸出端連接構(gòu)成環(huán)形結(jié)構(gòu)6-1，并以此環(huán)形結(jié)構(gòu)6-1和光 纖光柵6-3構(gòu)成諧振腔的兩個(gè)腔鏡。
[0023]多縱模環(huán)形腔激光傳感器6的諧振腔是由連接于光纖光柵6-3和3dB耦合器6-2之 間的普通光纖或摻鉺光纖，以及3dB耦合器6-2的兩個(gè)50%輸出端相連形成的環(huán)形結(jié)構(gòu)6-1中 普通光纖或摻鉺光纖共同構(gòu)成。
[0024]利用光電探測器將多縱模環(huán)形腔激光傳感器的拍頻頻率直接轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)，結(jié) 合頻譜分析檢測單元直接進(jìn)行分析。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于拍頻技術(shù)的多縱模環(huán)形腔激光傳感器頻分復(fù)用裝置，其特征在于，它包括栗浦 光源（1)、光纖隔離器(2)、波分復(fù)用器(3)、光電探測器(4)、1*M親合器(5)、檢測單元(7)和Μ 個(gè)多縱模環(huán)形腔激光傳感器(6)，Μ為大于1的整數(shù)，多縱模環(huán)形腔激光傳感器(6)包括環(huán)形 結(jié)構(gòu)(6-1 )、光纖親合器(6-2)和光纖光柵(6-3)，環(huán)形結(jié)構(gòu)(6-1)的兩個(gè)端口同時(shí)與光纖親 合器(6-2)連通，光纖耦合器(6-2)與光纖光柵(6-3)依次串接在光路中，栗浦光源（1)、光纖 隔離器(2)、波分復(fù)用器(3)依次串接在光路中，波分復(fù)用器(3)的光輸出端與1*Μ耦合器(5) 的光輸入端連通，Μ個(gè)多縱模環(huán)形腔激光傳感器(6)的光輸入端同時(shí)與1*Μ耦合器(5)連通， 波分復(fù)用器(3)的傳感信號(hào)的輸出端與光電探測器(4)的傳感信號(hào)的輸入端連通，光電探測 器(4)的檢測信號(hào)的輸出端與檢測單元(7)的檢測信號(hào)的輸入端連通； 環(huán)形結(jié)構(gòu)(6-1)是利用3dB光纖耦合器(6-2)的兩個(gè)50%輸出端通過摻鉺光纖連接構(gòu)成， 3dB光纖耦合器(6-2)輸入端通過摻鉺光纖連接于光纖光柵(6-3)上，以此構(gòu)成多縱模環(huán)形 腔激光傳感器(6)。
【文檔編號(hào)】G01D5/353GK106052729SQ201610520787
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2013年11月21日
【發(fā)明人】不公告發(fā)明人
【申請(qǐng)人】充夢(mèng)霞