一种基于多波长掺铒光纤激光器的分布式超声传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及超声探测技术领域，特别是一种分布式超声传感器。
【背景技术】
[0002]超声探测技术是无损探测领域里的一种有力的测量和诊断工具，广泛的应用于医疗诊断、材料特性分析、结构健康诊断等领域。目前主流的超声传感器为压电陶瓷超声传感器。但因其体积大、易受电磁干扰、每个传感器至少需要两根电源线等缺点，不适合永久嵌入型的分布式的超声探测需求。
[0003]近年来，因具有体积小、质量轻、寿命长、抗电磁干扰能力强以及结构兼容性好等诸多优点，基于光纤布拉格光栅(FBG)的光纤超声探测技术引起了人们越来越多的关注，并被广泛应用于超声探测系统中来，尤其是永久型、嵌入型的超声探测。该探测技术主要依据超声信号在光纤中传播过程中，会引起光栅周期和折射率的动态变化，最终导致FBG反射光谱漂移而实现的。
[0004]根据探测系统所使用的光源的不同，光纤布拉格光栅超声探测方法主要可以分成三大类。
[0005]第一类探测方法是以宽带光源为光源信号，FBG作为超声的探测单元，并结合利用匹配光栅滤波器技术，将超声信息转化为光的强度变化。但是这种方法，所得探测信号的信噪比不高，导致探测灵敏度不高。
[0006]为解决这一问题，研宄者提出了第二类探测方法。这类方法中，采用波长可调谐激光器作为外部的输入光源。测量过程中，激光器的工作波长需要调谐到FBG反射光谱的线性工作区，并将超声信息转换为激光强度的相关调制。这种方法的灵敏度较第一类方法有所提高，但仍受限于FBG本身的反射线宽。利用窄线宽的相移FBG可进一步提高灵敏度。但需要更窄线宽的波长可调谐激光器作为光源，成本较高。此外这类方法在测量过程中，由于激光器波长的不稳定或者环境的扰动(温度的变化，被测物的形变)往往FBG或相移FBG的工作光谱的漂移，造成激光波长漂移出FBG或相移FBG的线性工作区，导致探测器失效。因此需要操作复杂且昂贵的伺服反馈系统来保证激光器的工作波长始终处于π相移 FBG 的线性工作区。(D.Gatti et al.0pt.Express 16 (3)，1954-1950，2008)。
[0007]为了解决此问题，研宄者提出了第三类基于自适应的激光腔损调制-增益放大的超声主动探测机制。与第一、二类方法不同的是，在这类方法里，激光器不再仅仅作为提供输入光束的外部的输入光源，而是本身即作为超声传感器(T.Q.Liu et al.Adaptiveultrasonic sensor using a fiber ring laser with tandem fiber Bragg gratings.0pt.Letters, 2014, 39(15):4462-4465)。激光器系统采用2只栅区长度不同、波长匹配的FBG作为超声探测单元，同时进行匹配滤波。其中栅区长、线宽窄的FBG作为匹配滤波器，决定了激光器的工作波长；栅区短、线宽稍宽的FBG作为超声探测单元。且两光栅的波长匹配，即窄线宽的FBG的工作波长处于宽线宽FBG的工作波长的线性区。一方面而由于栅区长度不同，这2只FBG光栅对超声的灵敏度不同，栅区短的光栅对超声响应的灵敏度高，用来作为超声探测单元；而栅区长的光栅对超声不敏感，用来作为匹配滤波器，并确定激光器的工作波长。另一方面由于制作材料相同，这2只FBG光栅工作波长对温度和应变引起光栅光谱移动的响应相同。因此始终能够保证在不同工作环境下(温度变化，被测物应变)的波长匹配，消除激光工作波长线性工作区的漂移问题。实现了一种操作简单、灵敏度高的超声探测技术。
[0008]随着超声探测技术的进步和其应用范围的日益加深和广泛，多点的、分布式的超声探测具有重要的现实意义。然而，上述的光纤超声探测技术均是基于单点探测实现的。如若进行多点的分布式超声探测，利用现有的方法，要么每增加一个探测点，就要求增加一个昂贵的可调激光源(第二类方法)，显然不利于成本的控制和系统的简化。要么通过叠加多个单点探测系统融合到一条光路中(第三类方法)，实现一种多点的超声探测(T.Q.Liuet al.Multiplexed fiber-ring laser sensors for ultrasonic detect1n.0pt.Express, 2013，21(25):30474-30480)。然而该方法中虽然系统共用一条光路，但是并不是严格意义上的单激光谐振腔系统，也未能解决单一谐振腔内掺铒光纤的中的模式竞争引起的激光功率不稳定的问题，仍然每个探测点都需要单独的激光谐振腔(泵浦源、增益放大介质)和匹配滤波单元。并且随着探测点个数增加，系统会更加复杂、成本更加昂贵。同时，由于存在多个激光谐振腔，该探测系统的稳定性不能得到保障。
【发明内容】
[0009]针对以上问题，本申请提出一种基于多波长掺铒光纤激光器的分布式超声探测器。能在单激光谐振腔系统中实现多点超声探测，不仅系统结构简化而且成本也大大降低。同时又能自适应的环境的扰动，消除工作点线性区漂移，保证了传感的可靠性和灵敏度。该技术的实现将更有助于分布式、嵌入式超声探测技术的发展。
[0010]本发明通过以下技术方案实现。
[0011]—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。
[0012]进一步地，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，为分布式的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。
[0013]进一步地，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)。
[0014]进一步地，所述相移光纤布拉格光栅阵列由不同谐振透射波长的相移光纤布拉格光栅构成，其中每个π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31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Π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。
[0015]进一步地，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对应，实现分布式的超声探测。
[0016]—方面所述π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。
[0017]本发明的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。
[0018]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。利用偏振烧孔效应克服掺铒光纤中的模式竞争，在单一激光谐振腔产生功率稳定的多波长激光，为多点的超声探测提供激光输出信号。超声的探测单元由多个FBG构成。每个FBG对应一个探测点，并采用π相移FBG与FBG相结合的自适应匹配滤波技术，有效地将超声信号转化为激光器的腔内损耗调制，并经过激光谐振腔的增益放大最终表现为激光信号输出功率的调制，实现高灵敏的超声探测。本发明具有以下优势:
[0019](I)实现了光纤激光器-超声探测器的一体化的设计下的单谐振腔多波长激光激发。该系统可提供了多路的激光信号，实现分布式超声传感。同时该设计实现了超声探测器就是光纤激光器本身；超声探测的入射的激光波长就是激光器本身的工作波长。由此解决了光栅超声探测中光源波长漂移造成传感灵敏度失效的问题。
[0020](2)采用相移FBG与FBG相结合自适应匹配滤波。其中，激光器的工作波长由π相移FBG的谐振波长决定，线宽仅为几个皮米，提高了超声传感的灵敏度。FBG作为超声的探测单元，并与π相移FBG波长匹配，S卩相移FBG波长匹配的工作波长处于FBG的反射光谱的线性工作区。利用π相移FBG与FBG对环境扰动(比如:气温变化，应力应变等)具有相同的波长响应的特性，从而保证在环境的扰动下π相移FBG与FBG工作波长匹配，避免了环境扰动造成的超声探测灵敏度失效。
[0021](3)同单纯的匹配滤波器方法探测超声信号相比较，本发明的激光器-探测器一体化的设计，能使超声信号经过FBG和相移FBG的匹配滤波转化为激光强度变化后，再经过激光谐振腔的增益放大，提高了信噪比。
[0022](4)波长复用的FBG光栅串与波长解复用的π相移FBG阵列相结合，实现每个单波长激光信号分别对应一个探测点。单波长信号与探测点的