一种基于布里渊滤波器的光栅传感装置与方法与流程

本发明涉及光纤光栅传感技术领域，特别是一种基于布里渊滤波器的光栅传感装置与方法。

背景技术：

从20世纪60年代光纤发明以来，各种光纤有源无源器件一直是研究与应用的热点。随着物联网概念的提出与发展，光纤光栅传感器以其优异的抗电磁干扰、小尺寸、耐腐蚀、易嵌入、高灵敏度等特点，受到了广泛的关注与研究。由于光纤光栅传感器可以实现对温度、应力等多个参量的传感，被广泛应用于电力通信、建筑桥梁、石油化工、航天航空、生物医疗等多个领域。

光纤光栅传感器进行传感时，外界环境的变化仅改变光纤光栅的中心反射波长，这使得光纤光栅传感系统能够避免光源功率波动、光纤传输损耗、相位偏振等因素的影响，具有更高的稳定性。但这同时也意味着波长解调的稳定性和精确程度会对传感数据有着直接的影响。目前已有很多种解调方案，最简单的方案使用光谱分析仪测得光栅反射波长，但光谱分析仪体积大、扫描速度慢、价格较高、精度及自动化程度较低，不适于实际工程应用。商用系统主要采用可调谐光滤波器法及扫描法，但可调谐滤波器法的解调精度会受到滤波器自身的温漂等非线性效应的影响。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于布里渊滤波器的光栅传感装置与方法，本发明具有测量精度高、系统结构简单的优点。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种基于布里渊滤波器的光栅传感装置，包括宽带光源、第一环形器、传感光纤光栅、布里渊滤波器、同步信号模块、光电探测器和信号采集处理模块，布里渊滤波器包括产生受激布里渊散射SBS效应的光纤段，以及第二环形器和窄线宽可调谐光源；其中，

宽带光源，用于输出宽谱连续信号光至第一环形器的第一端口；

第一环形器，用于将宽谱连续信号光由其第二端口输出至传感光纤光栅；

传感光纤光栅，用于当接收到宽谱连续信号光时，输出满足布拉格反射条件的反射光至第一环形器的第二端口，并由第一环形器的第三端口输出至光纤段；

同步信号模块，用于输出同步信号至窄线宽可调谐光源、信号采集处理模块；

窄线宽可调谐光源，用于根据接收到的同步信号，输出扫频光至第二环形器的第一端口；

第二环形器，用于将扫频光由其第二端口输出至光纤段；

光纤段，用于当反射光和扫频光在其反向传输，产生SBS效应，输出放大后的反射光至第二环形器的第二端口，并由第二环形器的第三端口输出至光电探测器；

光电探测器，用于将放大后的反射光的光强转化为电信号输出至信号采集处理模块；

信号采集处理模块，用于根据同步信号和电信号解调出传感光纤光栅的中心反射波长。

作为本发明所述的一种基于布里渊滤波器的光栅传感装置进一步优化方案，扫频光的功率大于P_cr，

$P_{cr}=G\frac{K_p{A}_{eff}}{g_0{L}_{eff}}$

其中，P_cr为临界泵浦功率；G为受激布里渊散射阈值增益因子；K_p是偏振因子，1≤K_p≤2，K_p依赖于泵浦光和斯托克斯光的偏振态；A_eff是有效纤芯面积；g₀是增益谱峰值，与泵浦光波长有关；L_eff是有效作用长度，与产生SBS的光纤段长度有关。

作为本发明所述的一种基于布里渊滤波器的光栅传感装置进一步优化方案，G取21。

基于上述的一种基于布里渊滤波器的光栅传感装置的方法，包括以下步骤：

步骤一、采用宽带光源产生宽谱连续信号光，该宽谱连续信号光由第一环形器的第一端口输入、由第一环形器的第二端口输出至传感光纤光栅；

步骤二、传感光纤光栅产生满足布拉格条件的反射光输入至第一环形器的第二端口，并由第一环形器的第三端口输出至光纤段内；

步骤三、采用同步信号模块输出的同步信号作为窄线宽可调谐光源和信号采集处理模块的触发信号；

步骤四、窄线宽可调谐光源根据同步信号，输出扫频光至第二环形器的第一端口，并由第二环形器的第二端口输出至光纤段；

步骤五、反射光和扫频光在光纤段内反向传输，产生SBS效应对反射光进行放大，输出放大后的反射光至第二环形器的第二端口，并由第二环形器的第三端口输出至光电探测器；

步骤六、光电探测器将放大后的反射光的光强转化为电信号输出至信号采集处理模块；

步骤七、信号采集处理模块根据同步信号和电信号解调出传感光纤光栅的中心反射波长。

作为本发明所述的一种基于布里渊滤波器的光栅传感装置的方法进一步优化方案，传感光纤光栅的中心反射波长的计算方法如下：根据同步信号，得到各个扫频周期的开始时间点，通过寻找每个扫频周期的电信号峰值所在时间点即可得到当时扫频光的实时频率，再根据SBS原理即可计算出对应的光栅中心反射波长。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)使用受激布里渊散射作为滤波器，波长解调精度由扫频光线宽决定，采用窄线宽可调谐光源实现了高解调精度，可精确探测远距离处返回的微弱信号；

(2)不同于通常的滤波方式通过衰减实现，布里渊滤波器通过增益不同进行滤波，可以探测更加微弱和远距离的信号；

(3)本发明基于扫描法，通过输入反向的扫频光进行泵浦，利用产生的受激布里渊散射的增益谱来对光栅反射光进行滤波，实现波长解调；波长的解调精度与泵浦光的线宽相关，本装置中采用窄线宽可调谐光源，能够获得更高的解调精度；

(4)系统结构简单，不需要改变光源和传感部分的结构。

附图说明

图1是本发明基于布里渊滤波器的光栅传感系统结构示意图；

图2是受激布里渊散射中不同泵浦光对于某一频率信号光的增益谱图。

附图中的标记解释为：A-第一环形器的第一端口,B-第一环形器的第二端口,C-第一环形器的第三端口,D-第二环形器的第一端口,E-第二环形器的第二端口，F-第二环形器的第三端口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示是本发明基于布里渊滤波器的光栅传感系统结构示意图，一种基于布里渊滤波器的光栅传感装置，包括宽带光源、第一环形器、传感光纤光栅、布里渊滤波器、同步信号模块、光电探测器和信号采集处理模块，布里渊滤波器包括产生受激布里渊散射SBS效应的光纤段，以及第二环形器和窄线宽可调谐光源；其中，

宽带光源，用于输出宽谱连续信号光至第一环形器的第一端口A；

第一环形器，用于将宽谱连续信号光由其第二端口B输出至传感光纤光栅；

传感光纤光栅，用于当接收到宽谱连续信号光时，输出满足布拉格反射条件的反射光至第一环形器的第二端口，并由第一环形器的第三端口C输出至光纤段；

同步信号模块，用于输出同步信号至窄线宽可调谐光源、信号采集处理模块；

窄线宽可调谐光源，用于根据接收到的同步信号，输出扫频光至第二环形器的第一端口D；

第二环形器，用于将扫频光由其第二端口E输出至光纤段；

光纤段，用于当反射光和扫频光在其反向传输，产生SBS效应，输出放大后的反射光至第二环形器的第二端口，并由第二环形器的第三端口F输出至光电探测器；

光电探测器，用于将放大后的反射光的光强转化为电信号输出至信号采集处理模块；

信号采集处理模块，用于根据同步信号和电信号解调出传感光纤光栅的中心反射波长。

所述扫频光的功率大于P_cr，

$P_{cr}=G\frac{K_p{A}_{eff}}{g_0{L}_{eff}}$

其中，P_cr为临界泵浦功率；G为受激布里渊散射阈值增益因子，G取21；K_p是偏振因子，1≤K_p≤2，K_p依赖于泵浦光和斯托克斯光的偏振态；A_eff是有效纤芯面积；g₀是增益谱峰值，与泵浦光波长有关；L_eff是有效作用长度，与产生SBS的光纤段长度有关。

基于本发明装置的方法，包括以下步骤：

步骤一、采用宽带光源产生宽谱连续信号光，该宽谱连续信号光由第一环形器的第一端口输入、由第一环形器的第二端口输出至传感光纤光栅；

步骤二、传感光纤光栅产生满足布拉格条件的反射光输入至第一环形器的第二端口，并由第一环形器的第三端口输出至光纤段内；

步骤三、采用同步信号模块输出的同步信号作为窄线宽可调谐光源和信号采集处理模块的触发信号；

步骤四、窄线宽可调谐光源根据同步信号，输出窄线宽扫频光至第二环形器的第一端口，并由第二环形器的第二端口输出至光纤段内作为泵浦光；

步骤五、反射光和窄线宽扫频光在光纤段内反向传输，产生SBS效应对反射光进行放大，输出放大后的反射光至第二环形器的第二端口，并由第二环形器的第三端口输出至光电探测器；

步骤六、光电探测器将放大后的反射光的光强转化为电信号输出至信号采集处理模块；

步骤七、信号采集处理模块根据同步信号和电信号解调出传感光纤光栅的中心反射波长。

传感光纤光栅的中心反射波长的计算方法如下：根据同步信号，得到各个扫频周期的开始时间点，通过寻找每个扫频周期的电信号峰值所在时间点即可得到当时扫频光的实时频率，再根据SBS原理即可计算出对应的光栅中心反射波长。

图2为本发明所使用的受激布里渊散射滤波的增益谱示意图。

布里渊增益与散射光频率的关系公式为：

$g_B\left(\mathrm{\Ω}\right)=g_0\frac{{({\mathrm{\Γ}}_B/2)}^2}{{({\mathrm{\Ω}}_B-\mathrm{\Ω})}^2+{({\mathrm{\Γ}}_B/2)}^2}$

式中为布里渊峰值增益，Ω_B为布里渊频移，Γ_B为功率谱带宽，Ω为泵浦光和信号光的频率差。

从式中可以看出当Ω＝Ω_B，即散射光与扫频光频率相差一个布里渊频移时，增益值最大。对于某一固定频率的信号光，改变泵浦光频率可得如图2所示增益谱。图中横轴为泵浦光的频率，纵轴为增益幅度，Ω_IN为信号光频率。当泵浦光频率为Ω_IN+Ω_B时，即与信号光相差Ω_B时，增益谱具有最大值。

寻找扫频周期中光功率最大的时刻，得到此时泵浦光的频率，加上布里渊频移Ω_B受光纤性质决定，基本为固定值，从而可以计算出散射光的中心波长，也就是光栅的中心反射波长。

由于光纤光栅传感器通过波长变化反应外界环境变化，因此波长的解调精度就决定了传感的精确程度。在长距离传感和弱反射光栅复用传感中，反射光信号十分微弱。通过反向输入高功率扫频光产生受激布里渊散射，不仅能放大返回光信号，还可以通过扫频信号与测得数据的时间关系更方便地解调出波长信号。实际应用中，首先需要标定光纤光栅的中心波长变化量随外界温度、应力等传感量变化的关系，然后根据检测到的扫频光强变化即可获知反射中心波长的漂移量，最后根据标定数据解调出外界环境参量的准确变化量。

以上内容是结合具体的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代，都应当视为属于本发明的保护范围。