专利名称：一种基于自外差探测的远距离光纤布拉格光栅传感方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明属于传感技术领域，涉及了一种基于自外差探测技术来提高探测灵敏度并结合波长可调激光器和消除背向瑞利散射结构的远距离传感的方法，即远距离光纤布拉格光栅传感方法以及实现该方法的设备。
背景技术：
光纤布拉格光栅(FBG)具有高灵敏度、抗电磁干扰、结构简单和高分辨率等优点，在传感领域的应用引起了人们极大的重视。在实际应用中，长距离的光纤光栅传感装置可以广泛应用于输油管道、变电站等各种领域。由于瑞利散射和光纤的损耗等因素的影响，用宽带光源进行光纤光栅传感装置的研究时，最远只能传输25km。因此，如何提高FBG的传感距离已经成了迫切需要解决的问题。在过去的几年中，科学家们提出了很多方法来提高传感距离，但是这些方法普遍使用的光放大器。随着传感距离的进一步增加，放大器的泵浦功率就需要进一步提高，当泵浦功率超过一定阈值时，就会产生受激效应。而且输入光功率的增加也会导致背向瑞利散射的增加，影响信噪比。为了解决这些问题，传感装置就需要额外增加器件，使得复杂程度进一步加大。这将会限制传感装置的实际应用范围。除了提高输入光功率之外，提高探测效率是另一种增加传感距离的有效方法。外差探测技术可以极大的提高探测灵敏度，从而提高探测效率。与直接探测技术相比，外差探测技术可以达到光量子探测的极限。应用外差探测技术并结合消除背向瑞利散射光的特殊结构，可以有效的降低传感装置复杂程度，提高信噪比，增加传感距离。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提出一种基于自外差探测技术并结合波长可调激光源和消除背向瑞利散射结构的远距离光纤布拉格光栅传感方法，同时提供了实现该方法的设备。其技术解决方案是采用一个波长可调的窄线宽激光器作为光源，将其发射的光束分成两部分，一部分作为本地参考光，另一部分调制成脉冲探测光；使用两段长度相同(或相似)的光纤分别作为传输探测光和反射传感信号光的通道，并对返回的反射传感信号光进行移频；将移频后的反射传感信号光和本地参考光进行自外差探测，就可以得出相干信号的峰值功率；改变可调激光器的输出光波长，就可获得各个波长所对应的信号功率，从而绘制出传感光纤光栅阵列的反射谱；由于传感光纤光栅阵列的布拉格波长随温度、应力等传感量变化而变化，因此通过布拉格波长的变化以及传感量随波长变化的关系就可以得出传感量的变化。实现上述方案的装置包括波长可调的窄线宽激光器、三端口 3dB光耦合器、扰偏器、光脉冲调制模块、光隔离器、两段长度相同(或相似)的长距离光纤、光环形器、传感光纤布拉格光栅阵列、移频模块、四端口 3dB光耦合器、平衡光电探测器、信号采集分析和控制模块。可调激光器的光输 出端与三端口 3dB耦合器的单端口端的端口连接；三端口 3dB耦合器的双端口端的一个端口和扰偏器的输入端口连接，另一个端口和光脉冲调制模块的输入端口连接；光脉冲调制模块的输出端口和光隔离器的输入端口连接；光隔离器的输出端口经过一段长距离传输光纤和光环形器的入射端口 I连接；环形器的透射端口 2和传感光纤光栅阵列连接，反射端口 3经过另一段长距离光纤和移频模块的输入端口连接；四端口 3dB光耦合器的两个输入端口同侧，分别和移频模块的输出端口、扰偏器的输出端口连接；四端口 3dB光耦合器的两个输出端口同侧，和平衡光电探测器的输入端口连接，探测器的输出端口和信号采集分析和控制模块的输入端口连接；信号采集分析和控制模块的控制端口和波长可调激光器的GPIO 口连接。本发明利用自外差探测技术实现了微弱传感信号的检测，提高了检测效率，增加的传感距离，并结合波长可调激光源，通过扫描输出光波长的方法，绘制出传感光纤光栅的反射谱，准确的获得了光纤光栅的布拉格波长变化，进而得到传感量的变化。另外，本发明采用特殊结构，消除了背向瑞利散射对传感信号的影响。本发明方法在相同的输入光功率下可以实现更长距离的光纤光栅传感，具有抗干扰能力强，结构简单，控制方便等优点，并且可以同时实现多个光纤光栅和不同传感量的检测，非常适用于检测地震、海嘯、变电站和输油管道等恶劣环境。
图I为本发明的结构示意图。
具体实施例方式如图I所示，一种基于自外差探测技术的远距离光纤布拉格光栅传感装置包括窄线宽的波长可调激光器I、三端口 3dB光耦合器2、扰偏器3、光脉冲调制模块4、光隔离器5、两段长度相同(或相似)的长距离光纤6和9、光环形器7、传感光纤布拉格光栅8、移频模块10、四端口 3dB耦合器11、平衡光电探测器12、信号采集分析和控制模块13。波长可调激光器I的输出端口和三端口 3dB光耦合器2的单端口端的端口连接，三端口 3dB光耦合器2的双端口端的一个端口和扰偏器3的输入端口连接，耦合器2的双端口端的另一个端口和光脉冲调制模块4的输入端口连接；光脉冲调制模块4的输出端口和光隔离器5的输入端口连接；长距离光纤6 —端和光隔离器5的输出端口连接，另一端和光环行器7的入射端口连接；光环行器7的透射端口和传感光纤光栅阵列8连接；另一段长距离光纤9的一端和光环行器7的反射端口连接，另一端和移频模块10的输入端口连接；四端口 3dB光耦合器11的两个输入端口同侧分别和移频模块10的输出端口、扰偏器3的输出端口连接；四端口3dB光耦合器11的两个输出端口同侧，分别和平衡光电探测器12的两个光输入端口连接；信号采集分析和控制模块13的输入端口和平衡光电探测器12的电输出端口连接，信号采集分析和控制模块13的控制端口和波长可调的窄线宽激光器I的GPIO 口连接。具体的远距离光纤光栅传感方法包括以下步骤
步骤(I)波长可调的窄线宽激光器发出的单频光束通过三端口 3dB光纤耦合器后分成强度相等的两部分光束，一部分通过扰偏器，作为自外差探测的本征光；另一部分光束通过光脉冲调制模块调制成脉冲探测光。其中扰偏器是为了消除光偏振态对测量结果的影响。
步骤(2)探测脉冲光通过光隔离器后进入到一段长距离传输光纤，然后通过远端光环形器的入射端口 I和透射端口 2进入到传感光纤光栅阵列。光纤光栅反射回来的信号通过远端环形器的透射端口 2和反射端口 3进入另一段长距离传输光纤。其中光隔离器的作用是保护光脉冲调制模块避免传输光纤中的背向瑞利散射光的影响。使用两段光纤分别传输探测脉冲信号和反射传感信号是为了避免背向瑞利散射光对传感信号的影响，实际应用中，两段传输光纤的长度要保持一致。步骤(3)移频模块对返回的反射传感信号进行移频，然后和本征光一起进入四端口 3dB光耦合器，产生的相干光信号通过耦合器的另外两个端口进入平衡光电探测器转换成电信号。由信号采集分析和控制模块接收转换的电信号，将信号采集分析和控制模块的中心频率设置成反射传感信号的频移量，就可以得出传感信号的时域轨迹，轨迹的峰值功率就是相干信号的功率；轨迹的横轴表示的是光信号自发射到接收的时间差，可用于计算光纤光栅的距离。
步骤(4)通过信号采集分析和控制模块调节激光器的输出光波长，就可得到各个波长所对应的信号功率，从而绘制出传感光纤光栅阵列的反射谱，获得此时光纤光栅传感阵列的各个光纤光栅的布拉格波长。由于传感光纤光栅阵列的布拉格波长随温度、应力等传感量变化而变化，因此通过布拉格波长的变化以及传感量随波长变化的关系就可以得出传感量的变化。信号采集分析和控制模块既可以采集和分析传感信号和传感量的变化又可以控制可调激光器的输出光波长，实现了整套装置的自动化操作，提高了运行效率。
权利要求
1.一种基于自外差探测的远距离光纤布拉格光栅传感方法，其特征在于包括以下步骤 步骤(I)波长可调的窄线宽激光器发出的单频光束通过三端口的3dB光纤耦合器后分成强度相等的两部分光束，一部分通过扰偏器，作为自外差探测的本征光；另一部分光束通过光脉冲调制模块调制成脉冲探测光； 步骤(2)探测脉冲光通过光隔离器后进入到一段长距离传输光纤，然后通过远端光环形器的入射端口 I和透射端口 2进入到传感光纤光栅阵列；光纤光栅反射回来的信号通过远端环形器的透射端口 2和反射端口 3进入另一段长距离传输光纤，实现入射信号和反射传感信号的分离； 步骤(3)移频模块对返回的反射传感信号进行移频，然后和本征光一起进入四端口3dB光耦合器，产生的相干光信号通过光耦合器的另外两个端口进入平衡光电探测器转换成电信号；由信号采集分析和控制模块接收转换的电信号，将信号采集分析和控制模块的中心频率设置成反射传感信号的频移量，就能够看到传感信号的时域轨迹，轨迹的峰值功率就是相干信号的功率；轨迹的横轴表示的是光信号自发射到接收的时间差，可用于计算光纤光栅的距离；步骤(4)通过信号采集分析和控制模块调节激光器的输出光波长，就可得到各个波长所对应的信号功率，从而绘制出传感光纤光栅阵列的反射谱，获得此时传感光纤光栅阵列的各个光纤光栅的布拉格波长；传感光纤光栅阵列的布拉格波长随温度、应力传感量变化而变化，因此通过布拉格波长的变化以及传感量随波长变化的关系就能够得出传感量的变化；信号采集分析和控制模块既采集和分析传感信号和传感量的变化又控制可调激光器的输出光波长。
2.如权利要求I所述的基于自外差探测的远距离光纤布拉格光栅传感方法，其特征在于两段传输光纤的长度要保持一致。
3.如权利要求I所述远距离光纤光栅传感装置，包括窄线宽的波长可调激光器、三端口 3dB光耦合器、扰偏器、光脉冲发生模块、光隔离器、两段长度相同或相近的长距离传输光纤、光环形器、传感光纤光栅阵列、移频模块、四端口 3dB光耦合器、平衡光电探测器、信号采集分析和控制模块，其特征在于可调激光器的光输出端与三端口 3dB耦合器的单端口端连接；三端口 3dB光耦合器的双端口端的一个端口和扰偏器的输入端口连接，另一个端口和光脉冲发生模块的输入端口连接；光脉冲发生模块的输出端口和光隔离器的输入端口连接；光隔离器的输出端口经过一段长距离传输光纤和光环形器的入射端口 I连接；环形器的透射端口 2和传感光纤光栅阵列连接，反射端口 3经过另一段长距离光纤和移频模块的输入端口连接；四端口 3dB光耦合器的两个输入端口同侧，分别和移频模块的输出端口、扰偏器的输出端口连接；四端口 3dB光耦合器的两个输出端口同侧，和平衡光电探测器的输入端口连接，探测器的输出端口和信号采集分析和控制模块的输入端口连接；信号采集分析和控制模块的控制端口和波长可调激光器的GPIO 口连接。
全文摘要
基于自外差探测的远距离光纤布拉格光栅传感方法，波长可调的窄线宽激光器发出的单频光束通过三端口的光纤耦合器后分成强度相等的两部分光束，一部分通过扰偏器，作为自外差探测的本征光；另一部分光束通过光脉冲调制模块调制成脉冲探测光；探测脉冲光通过光隔离器后进入到一段长距离传输光纤，然后通过远端光环形器进入传感光纤光栅阵列；光纤光栅反射回来的信号经移频模块对返回的反射传感信号进行移频，然后和本征光一起进入四端口光耦合器，产生的相干光信号通过光耦合器的另外两个端口进入平衡光电探测器转换成电信号。由信号采集分析和控制模块接收转换的电信号，将信号采集分析得到传感信号的时域轨迹，峰值功率就是相干信号的功率。
文档编号G01D5/353GK102620761SQ20121009860
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月6日 优先权日2012年4月6日
发明者蔡江江, 许国良, 赵晓东 申请人:南京大学