一种用于海洋温度及压力同步监测的多波长激光器的制作方法

本申请涉及海洋环境监测技术领域，尤其涉及一种用于海洋温度及压力同步监测的多波长激光器。

背景技术：

由于海洋面积广大又瞬息万变，它是影响全球气候、水、旱、台风等自然灾害的重要的因素，因此海洋环境对气象预报和灾害预警具有重大意义。其中，海水的温度和压力的测量对研究海洋学、海洋环境监测等有十分重要的意义，例如，在海洋科考、军事等领域，需要及时获得海温度剖面以及压力的动态变化。

目前，海洋温度和压力的监测装备多为电学设备，大多存在价格昂贵、体积大、布放困难、容易受电磁干扰等问题。并且，温度和压力多采用分立电子设备分别进行监测和信号处理，要实现海区大范围监控，需要大量传感器组合阵列，因此存在投资巨大、系统复杂且可靠性低、数据兼容与综合处理困难等问题。

鉴于此，为适应海洋规划发展需求，需大力开发数据兼容性强、成本低廉、结构紧凑、并满足高精度原位测量需求的海洋温度和压力监测装备。由于分布式光纤传感技术可以实现沿光纤长度方向分布的被测物理量连续传感、测量，能够集传感、传输功能于一体，不仅能够完成在整条光纤长度上的分布式环境参量的空间、时间多维分布状态信息的连续测量，还能将分布式的测量信息实时、无损地传输到信息处理中心，同时，基于分布式光纤传感技术的传感系统具有结构简单、使用方便、单位长度内信号获取成本低、性价比高等优点，因此，该技术应用于一种海洋温度及压力的连续空间监测。

在分布式光纤传感系统中，多波长的激光源是关键器件，而现有的多波长激光源价格居高不下，严重影响了分布式光纤传感的大规模推广，低价格、高性能的多波长激光源成为目前本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

针对上述问题，本申请实施例提供了一种用于海洋温度及压力同步监测的多波长激光器。

本申请实施例提供的用于海洋温度及压力同步监测的多波长激光器，包括：

所述宽谱激光源，用于输出宽谱激光；

所述脉冲控制器用，于将所述宽谱激光源输出的宽谱激光转换为宽谱脉冲光；

所述相移光栅单元，用于从所述宽谱脉冲光中解调出按时序排列的多个不同波长的脉冲光。

可选地，所述激光器还包括第一波分复用器，其中：

所述第一波分复用器的第一端口与所述脉冲控制器的输出端连接、第二端口与所述相移光栅单元连接、第三端口用于输出所述按时序排列的多个不同波长的脉冲光；

所述相移光栅单元包括一根光纤，所述光纤上设置有多个中心窗口波长不同的反射式相移光栅。

可选地，所述激光器还包括第一波分复用器，其中：

所述第一波分复用器的第一端口与所述脉冲控制器的输出端连接、第二端口与所述相移光栅单元连接、第三端口用于输出所述按时序排列的多个不同波长的脉冲光；

所述相移光栅单元包括多根光纤，各所述光纤上分别设置有一个反射式相移光栅，各所述光纤上的相移光栅的中心窗口波长均不相同。

可选地，所述激光器还包括第一波分复用器，所述相移光栅单元包括多根光纤，各所述光纤上分别设置有一个透射式相移光栅，各所述光纤上的相移光栅的中心窗口波长均不相同；

所述第一波分复用器的第一端口与所述脉冲控制器的输出端连接、第二端口与各所述光纤的一端连接。

可选地，所述激光器还包括信号放大器，其中：

所述信号放大器，用于将所述多个不同波长的脉冲光进行幅值放大后输出。

可选地，所述信号放大器为掺铒光纤放大器或掺镱光纤放大器。

可选地，所述脉冲控制器为电光调制器和/或声光调制器。

由上述实施例可见，本实施例提供的用于海洋温度及压力同步监测的多波长激光器，利用脉冲控制器将宽谱激光源输出的宽谱激光转换为宽谱脉冲光，然后，利用相移光栅单元将从宽谱脉冲光中解调出多个不同波长的脉冲光。将激光器所输出的上述脉冲光经波分复用器射入海水中的传感光纤，散射光通过波分复用器返回控制解调模块，控制解调模块对上述利散射光进行解调，根据光信号的相位变化解析动态压力、波长变化解析海水温度，从而达到两者同时监测。本实施例提供的激光器，宽谱激光源选用低成本的普通宽谱激光器即可，同时，利用相移光栅实现宽谱激光的解调，由于其带宽极窄，进而可以获得高质量的脉冲激光光谱。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的第一种多波长激光器的基本结构示意图；

图2为本申请实施例提供的第二种多波长激光器的基本结构示意图；

图3为本申请实施例提供的第三种多波长激光器的基本结构示意图；

图4为本申请实施例提供的多波长激光器输出的按时序排列的激光光谱的示意图；

图5为本申请实施例提供的一种海洋温度及压力的连续空间监测装置的基本结构示意图；

图6为本申请实施例提供的第一种控制解调模块的基本结构示意图；

图7为本申请实施例提供的第二种控制解调模块的基本结构示意图；

图8为本申请实施例提供的第三种控制解调模块的基本结构示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本实施例提供的多波长激光器包括宽谱激光源、脉冲控制器和相移光栅单元，其中，脉冲控制器用于将宽谱激光源输出的宽谱激光转换为宽谱脉冲光，相移光栅单元用于将从所述宽谱脉冲光中解调出多个不同波长的脉冲光。

相移光栅单元中的相移光栅(psfbg,phaseshiftedfiberbragggrating)，可以实现激光的反射或者透射，并且其透射谱、反射谱的带宽极窄。本实施将上述相移光栅对与激光的解调方式，将光栅光纤分为透射式相移光栅和反射式相移光栅。基于上述相移光栅的类型，多波长激光器中的宽谱激光源、脉冲控制器以及相移光栅单元可以有三种不同的结构形式。

图1为本申请实施例提供的第一种多波长激光器的基本结构示意图。如图1所示，多波长激光器包括宽谱激光源101、脉冲控制器102、第一波分复用器103和相移光栅单元104。

其中，宽谱激光源101的输出端与脉冲控制器102的输入端连接，用于向脉冲控制器102输出相干长度小的宽谱激光，例如，线宽为几百mhz以上的光。脉冲控制器102可以是电光调制器、声光调制器或者两者的组合等，脉冲控制器102基于其接收的脉冲控制信号，将该宽谱激光转换为宽谱脉冲光，例如，脉冲控制信号为低电平时，脉冲控制器102不输出光，脉冲控制信号为为高电平时，脉冲控制器102输出光，进而实现宽谱脉冲信号的输出。其中，脉冲控制器102所接收的脉冲控制信号可以脉冲控制信号模块控制。需要说明的是，本实施例中，由于脉冲控制器102接收的激光信号为宽谱激光，所以将其输出的脉冲信号称为宽谱脉冲光。

第一波分复用器103的第一端口w1与脉冲控制器102的输出端连接、第二端口w2与相移光栅单元104连接。脉冲控制器102输出的宽谱脉冲光以经过第一波分复用器103的第一端口w1和第二端口w2，相移光栅单元包括一根光纤，光纤上设置有多个中心窗口波长不同的反射式相移光栅。例如，本实施例在一根掺铒光纤上刻制n个相移光栅，中心窗口波长分别为λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6……λn-1、λn，脉冲控制器102输出的宽谱脉冲光经第一波分复用器103后，进入光纤，经过psfbg1后解调出波长λ1的脉冲光，并经第一波分复用器103的第二端口w2返回至其第三端口w3，其它波长的光经过psfbg1与psfbg2之间的光纤(本本实施例称其为延时光纤)传输至psfbg2，经过psfbg2后解调出波长λ2的脉冲光，并经第一波分复用器103的第二端口w2返回至其第三端口w3，同理，经剩余的psfbg后，解调出其它波长的脉冲光，进而得到按时序排列的不同波长的激光光谱，并且，通过设置各psfbg之间的延时光纤的长度，便可以设置各波长的脉冲光之间的时间间隔。

进一步的，为对第一波分复用器103的第三端口w3输出的光信号进行放大，如图2所示，本实施例还设置有掺铒光纤放大器105，其中，掺铒光纤放大器105一端与第一波分复用器103的第三端口w3连接，用于将第一波分复用器103输出的多个不同波长的脉冲光进行幅值放大后输出，当然，在其它实施例也可以是其它类型的光信号放大器、如掺镱光纤放大器。

图2为本申请实施例提供的第二种多波长激光器的基本结构示意图。如图2所示，本实施例与上述多波长激光器的主要区别在于，相移光栅单元104由多根光纤组成，每根光纤上刻蚀有一个反射式相移光栅，并且光纤上的相移光栅的中心窗口波长不同，进而经第一波分复用器103的第二端口w2射入至各光纤后，可以得到不同波长的脉冲光，并且通过设置各根光纤中延时光纤的长度，得到按时序排列的不同波长的激光光谱。

图3为本申请实施例提供的第三种多波长激光器的基本结构示意图。如图3所示，本实施例与第二种多波长激光器的主要区别在于上述光纤上的相移光栅为透射式相移光纤，进而，本实施例中第一波分复用器103的第二端口w2与相移光栅单元104的一端连接、另一端与掺铒光纤放大器105的输入端口连接。

图4为本申请实施例提供的多波长激光器输出的按时序排列的激光光谱的示意图。如图4所示，多波长激光器10所输出的光脉冲在时间序列t(t1，t2，……，tn-1，tn)内输出波长序列λ(λ1，λ2，……，λn-1，λn)，满足如下条件：

tn-tn-1＝ln/vg(n≥2)(1)

tn-t1＝w(2)

其中：ln是第n个延时光纤的长度，w为脉冲控制信号的脉宽，υg为光在光纤介质中的传输速度。

需要说明的是，在其它实施例中多波长激光器10的内部结构还可以是上述任意两种或三种实施方式的组合结构。

基于上述多波长激光器，本实施例还提供了海洋温度及压力的连续空间监测装置。图5为本申请实施例提供的一种海洋温度及压力的连续空间监测装置的基本结构示意图。如图5所示，该装置包括多波长激光器10、第二波分复用器20、传感光纤30和控制解调模块40。多波长激光器10中的脉冲控制器所接收的脉冲控制信号可以由控制解调模块40输出，当然，也可以另设置一个脉冲控制信号输出模块。

多波长激光器10输出的各波长的脉冲光经过第二波分复用器20进入传感光纤30。传感光纤30设置在海水内，其中，传感光纤30可以垂直直通海底。传感光纤30垂直连接至海床上的深水锚定系留装置。上述深水锚定系留装置可以使用船舶停泊用的锚，将锚直接连接在传感光纤30的下端。

该传感光纤30通过深水锚定系留装置垂直地通向海底，因而传感光纤30上各点的温度分布和压力也就是海洋沿纵深垂直分布的温度场和压力分布。该传感光纤30具有很强的抗海水腐蚀能力、抗十几万米海面下的海水侧压能力和抗拉能力。

进一步的，本实施例采用的多波长激光器10所输出的脉冲光相干长度低，为了实现干涉调整解调，本实施例摒弃传统的后向瑞利散射光与激光本振光干涉的方法，采用后向瑞利散射光自干涉的方法实现信号解调。

热扰动导致光纤密度的不均匀以及光纤浓度不纯净(例如浓度不均匀的氧化物)两种情况是造成光纤折射率不均匀的主要原因，因为光纤中的不均匀结构尺寸一般小于入射光波长，所以入射光在传感光纤30中传输时会产生瑞利散射现象。

设入射到光纤中的脉冲光的功率为p0，距离传感光纤30初始端l处的后向瑞利散射光功率pbs(l)表达式为：

公式(3)中：υg为光在光纤介质中的传输速度，τ为入射到光纤中脉冲光宽度，cr为后向瑞利散射系数，即后向瑞利散射功率与总瑞利散射功率之比，αs为瑞利衰减系数，α为光纤衰减系数，l为从光纤初始端到散射点的距离。

公式(3)是传感光纤30上不同位置处的散射功率,通过监测光功率就可以实现对整个光纤的分布式测量，即可实现参量的连续空间测量。

当传感光纤上的温度没有变化时，不同时刻测得的后向瑞利散射曲线是相同的；当传感光纤上的温度有变化时，通过查找入射光频率中，可以恢复到温度变化前的后向瑞利散射曲线。

假设传感光纤30上的初始a时刻的温度为25℃，通过多波长激光器10入射频率v，得到传感光纤上的后向瑞利散射光功率pa(v,z)。在b时刻以相同方法测量得到后向瑞利散射光功率pb(v,z)。如果a时刻和b时刻传感光纤上的温度没有变化，则pb(v,z)与pa(v,z)相同；如果温度或应变发生变化，查找入射频率到达v+δv时，pb(v+δv,z)与pa(v,z)相同。δv表示入射频率的频率变化量，与传感光纤上温度变化有关，这意味着传感光纤上温度或应变变化引起后向瑞利散射光功率pb(v,z)在频域上的移动。

综上所述，对a、b时刻产生的后向瑞利散射光功率pa(v,z)与pb(v,z)进行相关处理，相关函数取最大值时对应入射光频率的变化量。因此，通过计算相关函数频谱的峰值频率可以获取传感光纤30上温度的分布信息。即控制解调模块40根据传感光纤30上各点的温度变化所引起的各波长的脉冲光的后向瑞利散射光功率变化，可以获得传感光纤30上温度的分布信息，进而可以获得海洋沿纵深分布的温度场。

同时，后向瑞利散射光波长序列进入到控制解调模块40，解调出后向瑞利散射光中固定波长的相位，即可以解析海水动态压力大小。其中，根据不同形式的控制解调模块，本实施例采用pgc(相位载波，phasegeneratedcarrier)或者3×3耦合器相位解调方案，解调出后向瑞利散射光自干涉的相位。

图6为本申请实施例提供的第一种控制解调模块的基本结构示意图。如图6所示，本实施例采用基于迈克尔逊干涉仪的pgc解调方式，该模块主要包括耦合器411、第一干涉臂412、第二干涉臂413、法拉第旋转镜414/415、光电探测器416以及采集处理单元417，其中：

耦合器411的第一端与第二波分复用器20的第二端口连接、第二端分别与第一干涉臂412和第二干涉臂413的一端连接，第一干涉臂412和第二干涉臂413另一端分别连接一个法拉第旋转镜414、415。另外，在第一干涉臂412上设有相位调制器4121，在第二干涉臂413上设有相位匹配环4131，相位匹配环4131的长度l满足下面条件：l≤lo/2，lo是脉冲光的相干长度，当然，也可以将相位匹配环4131设置在第一干涉臂412上。

光电探测器416与所述耦合器411的第三端连接，用于接收述第一干涉臂412和第二干涉臂413返回的后向瑞利散射干涉光，并根据后向瑞利散射干涉光生成相应的电信号。采集处理单元417与光电探测器416连接，用于对光电探测器416输出的电信号进行处理，解调出传感光纤中的扰动信号所引起的一个波长的脉冲光的相位变化，以实现海水压力的监测；另外，还会根据温度变化引起的各波长的脉冲光的后向瑞利散射光功率变化，以实现海水温度的监测。

具体的，对于相位的解调，根据光的相干原理，光电探测器416上的光强i可表示为：

i＝a+bcosφ(t)(4)

式(4)中：a是干涉仪输出的平均光功率，b是干涉信号幅值，b＝κa，κ≤1为干涉条纹可见度。φ(t)是干涉仪的相位差。设则式(2)可写为：

在式(5)中ccosω0t是相位载波，c是幅值，ω0是载波频率；dcosωst是传感光纤30扰动信号引起的相位变化,d是幅值，ωs是声场信号频率,ψ(t)是环境扰动等引起的初始相位的缓慢变化。将式(5)用bessel函数展开得：

式(6)中jn(m)是m调制深度下的n阶bessel函数值，分别令k＝0和1，便可以得到极品信号和二倍频信号。

利用bessel函数展开后的干涉仪输出探测器信号i进行基频信号(幅值是g)、二倍频信号(幅值是h)相乘，为了克服信号随外部的干扰信号的涨落而出现的消隐和畸变现象,对两路信号进行了微分交叉相乘(dcm)，微分交叉相乘后的信号经过差分放大、积分运算处理后转换为

将代入式(5)，可得：

b²ghj1(c)j2(c)[dcosωst+ψ(t)](8)

可得，积分后得到的信号包含了待测信号dcosωst和外界的环境信息.，后者通常是个慢变信号，且幅度可以很大，可通过高通滤波器加以滤除，最后输出为：

b²ghj1(c)j2(c)dcosωst(9)

由式(9)可以求解出传感光纤30扰动信号引起的相位变化的dcosωst信号。

图7为本申请实施例提供的第二种控制解调模块的基本结构示意图。如图7所示，本实施例采用基于迈克尔逊干涉仪的3×3耦合器相位解调方式，该模块主要包括耦合器424、第一干涉臂425、第二干涉臂426、法拉第旋转镜427/428、第一光电探测器421、第二光电探测器422、第三光电探测器423、第二波分复用器以及采集处理单元429。

耦合器424的第一端与第二波分复用器20的第三端口连接、第二端分别与第一干涉臂425和第二干涉臂426的一端连接，第一干涉臂425和第二干涉臂426另一端分别连接一个法拉第旋转镜427/428。另外，在第二干涉臂426上设有相位匹配环4261，相位匹配环4261的长度l满足下面条件：l≤lo/2，lo是脉冲光的相干长度，当然，也可以将相位匹配环4261设置在第一干涉臂425上。

第一光电探测器421、第二光电探测器422和第三光电探测器423均与所述耦合器424连接，用于接收所述第一干涉臂425和第二干涉臂426返回的后向瑞利散射干涉光，并根据所述后向瑞利散射干涉光生成相应的电信号。

后向瑞利散射光经过环形器20入射到耦合器424的端口2，由耦合器424的端口2分束分为两路光信号，一路光进入耦合器424的端口4，经过第一干涉臂425和法拉第旋转镜427返回耦合器424的端口4，另一束光进入到耦合器424的端口6经第二干涉臂426和法拉第旋转镜428后返回到耦合器424的端口6，两束光在耦合器424处合束干涉，后向瑞利散射干涉光经耦合器424的端口1、端口3进入到第一光电探测器421和第三光电探测器423，后向瑞利散射干涉光经耦合器424的端口2经过第二波分复用器20后进入到第二光电探测器422。

其中，三个探测器获取到的光强表达式为：

ip＝d+i0cos[φ(t)-(p-1)×(2π/3)]，p＝1,2,3(10)

在式(10)中，φ(t)＝φ(t)+ψ(t)；d为干涉信号直流分量；i0为干涉信号交流分量幅值；p为探测器接收光信号序列号，p＝1，2，3；φ(t)为扰动信号引起的相位差信号，rad；ψ(t)为环境噪声引起的相位差信号，rad。

然后，利用采集处理单元429对三个探测器所接收的光信号进行相位解调，进而得出传感光纤30中的扰动信号所引起的一个波长的脉冲光的相位变化；另外，采集处理单元429还用于温度变化引起的各波长的脉冲光的后向瑞利散射光功率变化。

图8为本申请实施例提供的第三种控制解调模块的基本结构示意图。如图8所示，本实施例采用基于马赫曾德干涉仪的pgc相位解调方式，该模块主要包括第一干涉臂431、第二干涉臂432、光电探测器433以及采集处理单元434。

第二波分复用器20的第三端口分别与第一干涉臂431和第二干涉臂432的一端连接，第一干涉臂431和第二干涉臂432的另一端分别与光电探测器433连接。另外，在第二干涉臂432上设有相位匹配环4321，相位匹配环4321的长度l满足下面条件：l≤l0，lo是脉冲光的相干长度，当然，也可以将相位匹配环4321设置在第一干涉臂431上。

光电探测器433用于接收第一干涉臂431和第二干涉臂432输出的后向瑞利散射干涉光，并根据后向瑞利散射干涉光生成相应的电信号。采集处理单元434与光电探测器433连接，用于对所述光电探测器输出的电信号进行处理，解调出所述传感光纤中的扰动信号所引起的一个波长的脉冲光的相位变化、温度变化引起的各波长的脉冲光的后向瑞利散射光功率变化。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。