一一对应，保证了高精度的分布式的超声探测。
[0023](5)全光纤结构设计，适合嵌入式、分布式的传感应用的需要。
【附图说明】
[0024]图1是本发明的基于多波长掺铒光纤激光器的分布式超声传感器的结构示意图；
[0025]图2是本发明的分布式超声传感器实现超声探测的原理示意图；
[0026]图3是本发明的分布式超声传感器中FBG反射光谱对超声信号响应的示意图；
[0027]图4是本发明的分布式超声传感器中每对FBG和π相移FBG光栅之间进行匹配的示意图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合【附图说明】及【具体实施方式】对本发明进一步说明。
[0029]参照附图1所示，本发明的基于多波长掺铒光纤激光器的分布式超声传感器包括:泵浦光源1、波分复用器2、掺铒光纤3、环行器4、光纤布拉格光栅FBG串5、波长解复用器件6、Ji相移FBG阵列7、定向耦合器阵列8、波长复用器件9以及光隔离器10。上述器件依次顺时针连接构成了环形谐振腔结构。
[0030]根据环行器5的单向传输特性，(即光路传输方向仅限于⑴一(2)，(2) — (3))，本发明将环行器的(2)端口与FBG串5相连接，通过此方法FBG串5的反射谱信号被引入到主光路中。
[0031]由泵浦光源1、波分复用器2及缠绕在偏振控制器上的掺铒光纤3构成了一个增益放大结构，用于激发稳定的多波长谐振，为分布式超声探测传感器提供多波长激光信号。通过将掺铒光纤缠绕偏振控制器的过程中对掺铒光纤的挤压和扭转，在掺铒光纤中产生光学双折射性质，进一步引起偏振烧孔效应。偏振烧孔效应会使得掺铒光纤中不同波长的激光具有不同的偏振状态，导致不同波长的光谱增益将来源于不同激发态的铒离子。当一束偏振光入射到掺铒光纤时，只会消耗与该偏振态对应的激发态铒离子。由此产生的偏振烧孔效应能有效地克服掺铒光纤的均匀展宽增益特性引起的模式竞争，实现稳定的多波长激光谐振。
[0032]多波长光纤系统的梳状滤波器由不同谐振波长的相移FBG光栅构成的光栅阵列7实现。即每条激光谱线的工作波长由对应31相移FBG的谐振透射波长所决定。系统所采用的π相移FBG的栅区较长(大于25毫米)，且谐振透射波长具有极窄的线宽，通常为几个皮米。因此系统可产生皮米量级线宽的多波长激光信号，以提高传感精度。
[0033]本发明采用由不同谐振波长的FBG构成的FBG串5作为超声探测单元。和π相移FBG相比较，每个FBG具有较短的栅区出毫米以下)和较宽的反射谱(几百个皮米)。并且每个FBG的工作波长都和相移FBG光栅阵列中的相应的相移FBG的透射波长相匹配(谐振波长为λ FBG对应谐振波长为λ _的31相移FBG)，S卩相移FBG的透射波长位于FBG反射光谱的线性工作区内，如附图2所示。由于相移FBG的线宽比FBG的线宽窄，所以系统工作波长由π相移FBG所决定。同时由于相移FBG和FBG波长匹配，因此每个波长的激光信号对应的谐振腔损耗会与所响应的FBG反射光谱的对应的反射率密切相关。
[0034]布拉格光栅FBG串5和分布式π相移FBG阵列7按照波长匹配关系，——对应平行布置于被测物体上，如附图1所示。每个FBG将对所在位置处进行超声探测。超声探测由匹配滤波器效应实现，具体原理如下。单个FBG的中心波长(λ)表达式为:
[0035]λ = 2neff Λ(I)
[0036]其中，neff代表光栅的有效折射率，A代表光栅周期。显然，FBG的中心波长(λ)由有效折射率(IWf)与光栅周期(Λ)共同决定。当超声信号入射到FBG时，由于超声传播的表现的机械波特性，会引起光纤局部的压缩和拉伸，从而造成有效折射率(nrff)与光栅周期(Λ)的改变，最终表现为FBG的中心波长(λ)随超声信号的漂移，如附图3所示。如上所述，由于π相移FBG所决定的激光谱线处于FBG工作波长的线性工作区，当FBG的中心波长(λ)随超声信号的漂移时，会造成其对应激光谱线反射率的变化，即谐振腔损耗的变化。这种腔损调制被激光器谐振腔的增益放大机制放大后，最终表现为激光谱线的功率变化，并被光电探测器接收到。波长解复用器件6将光路中的多波长激光信号分离，得到若干单波长信号。由上述讨论可知，每个单波长激光信号分别对应一个FBG，即对应一个超声探测点的探测信息。
[0037]值得注意的是，本发明中所使用的相移FBG阵列7具有较大的栅区长度(大于25毫米)，其透射光谱受超声振动影响很小。同时，FBG串5和相移FBG阵列7采用一致的平行的排列方式安置于被测物体上，它们的光谱移动对外界温度和应变具有几乎相同的响应。该方式能保证了匹配滤波不受外界环境扰动影响，保证激光的工作波长始终处于FBG反射光谱的线性工作区。使得本发明非常适合于嵌入式超声探测应用。
[0038]需要补充的是，如附图4所示，相移FBG中心波长两侧的冗余信号在匹配滤波过程中可被滤除。因为本发明所选取的FBG的反射光谱与相移FBG的透射光谱叠加时，虚线框内的信号最强(如附图4所示)，其余地方的信号都将被耗散。相移FBG的透射率较高，能保证探测信号具有较高的信噪比。
[0039]综上所述，本发明提出的基于多波长掺铒光纤激光器的分布式超声传感器具有灵敏度高、自适应匹配滤波不受环境扰动、分布式多点探测等多种优势，满足了超声探测技术进一步发展的需求。
[0040]以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种基于多波长掺铒光纤激光器的分布式超声传感器，其特征在于:所述分布式传感器包括:泵浦光源、波分复用器、掺铒光纤、环行器、波长解复用器件、π相移光纤布拉格光栅阵列、定向耦合器阵列、波长复用器件以及光隔离器，上述器件依次顺时针连接构成了环形腔结构；所述分布式传感器还包括由不同布拉格谐振波长的光纤布拉格光栅依次连接构成的光纤布拉格光栅串，所述光纤布拉格光栅串作为所述分布式传感器的分布式超声探测单元，能够将探测的超声转化为其反射光谱的移动；所述环行器将所述光纤布拉格光栅串的反射光谱信号接入所述环形腔结构中。
2.根据权利要求1所述的分布式超声传感器，其特征在于:通过挤压或者缠绕所述掺铒光纤，在所述掺铒光纤中引入偏振烧孔效应，以克服所述掺铒光纤中的模式竞争，实现稳定的多波长激光输出，为每个光栅布拉格光栅超声探测点提供相应的激光工作波长，保证分布式的超声探测的实现。
3.根据权利要求1所述的分布式超声传感器，其特征在于:所述π相移光纤布拉格光栅阵列由不同谐振透射波长的31相移光纤布拉格光栅构成，其中每个31相移光纤布拉格光栅的透射线宽较窄，为皮米量级，小于所述光纤布拉格光栅的反射线宽；每个π相移光纤布拉格光栅的透射峰与所述光纤布拉格光栅串中的每个光栅的谐振反射波长 对应，且具体波长位置满足31相移光纤布拉格光栅的透射峰波长处于光纤布拉格光栅的反射波长的线性工作区；所述光纤布拉格光栅串和π相移光纤布拉格光栅阵列按照波长匹配关系，一一对应平行布置于被测物体上。
4.根据权利要求1或3所述的分布式超声传感器，其特征在于:一方面所述相移光纤布拉格光栅阵列作为分布式超声传感器系统的梳状滤波器，决定多波长激光器的工作波长；另一方面所述31相移光纤布拉格光栅阵列与光纤布拉格光栅串相结合，实现匹配滤波功能，将超声引起的布拉格光栅光谱的移动转化为激光谐振腔内的损耗变化，并最终表现为激光信号输出功率的变化。
5.根据权利要求1或3所述的分布式超声传感器，其特征在于:所述波长解复用器件将分布式超声传感器系统光路中的多波长信号依据不同的波长进行分离，所获得的不同波长的激光信号与所述光纤布拉格光栅串上相应的探测位置的光纤布拉格光栅一一对应，实现分布式的超声探测。
6.根据权利要求1所述的分布式超声传感器，其特征在于:所述环行器具有单向传输特性，即光路传输方向仅限于掺铒光纤与环形器的连接端(I)到光纤布拉格光栅串与环形器的连接端(2)，再到波长解复用器件与环形器的连接端(3)。
7.根据权利要求1所述的分布式超声传感器，其特征在于:所述分布式超声传感器所实现的功能为:(a)具有能产生多波长的单一激光谐振腔；(b)可实现分布式的超声探测。
【专利摘要】一种基于多波长掺铒光纤激光器的分布式超声传感器。本发明提供了一种分布式超声传感器，包括：掺铒光纤、布拉格光纤光栅串、波长解复用器件以及π相移光纤布拉格光栅阵列。本发明利用偏振烧孔效应抑制掺铒光纤中的模式竞争，为分布式的超声探测提供多波长激光信号；π相移光纤布拉格光栅阵列作为梳状滤波器，决定多波长激光的工作波长；布拉格光栅串作为分布式的超声探测单元，将超声信息转化为其布拉格反射波长的漂移。同时，与π相移光纤布拉格光栅阵列配合进行匹配滤波，将超声信息转化为激光强度变化。波长解复用器件实现了不同激光波长的分离，实现波长和探测位置的一一对应。本发明具有分布式多点探测、探测灵敏度高、自适应匹配滤波等诸多优点。
【IPC分类】G01H9-00
【公开号】CN104614062
【申请号】CN201510035800
【发明人】田佳峻, 李苑, 全明冉, 姚勇
【申请人】哈尔滨工业大学深圳研究生院
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年1月23日