[發明專利]一種基于自外差探測的遠距離光纖布拉格光柵傳感方法和裝置

無效

• 申請號: 201210098602.6
• 申請日: 2012-04-06
• 公開（公告）號: CN102620761A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發明（設計）人: 許國良;蔡江江;趙曉東
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353;G01D5/38
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責任公司 32112
• 代理人: 湯志武

技術領域

本發明屬于傳感技術領域，涉及了一種基于自外差探測技術來提高探測靈敏度并結合波長可調激光器和消除背向瑞利散射結構的遠距離傳感的方法，即遠距離光纖布拉格光柵傳感方法以及實現該方法的設備。

背景技術

光纖布拉格光柵（FBG）具有高靈敏度、抗電磁干擾、結構簡單和高分辨率等優點，在傳感領域的應用引起了人們極大的重視。在實際應用中，長距離的光纖光柵傳感裝置可以廣泛應用于輸油管道、變電站等各種領域。由于瑞利散射和光纖的損耗等因素的影響，用寬帶光源進行光纖光柵傳感裝置的研究時，最遠只能傳輸25km。因此，如何提高FBG的傳感距離已經成了迫切需要解決的問題。在過去的幾年中，科學家們提出了很多方法來提高傳感距離，但是這些方法普遍使用的光放大器。隨著傳感距離的進一步增加，放大器的泵浦功率就需要進一步提高，當泵浦功率超過一定閾值時，就會產生受激效應。而且輸入光功率的增加也會導致背向瑞利散射的增加，影響信噪比。為了解決這些問題，傳感裝置就需要額外增加器件，使得復雜程度進一步加大。這將會限制傳感裝置的實際應用范圍。

除了提高輸入光功率之外，提高探測效率是另一種增加傳感距離的有效方法。外差探測技術可以極大的提高探測靈敏度，從而提高探測效率。與直接探測技術相比，外差探測技術可以達到光量子探測的極限。應用外差探測技術并結合消除背向瑞利散射光的特殊結構，可以有效的降低傳感裝置復雜程度，提高信噪比，增加傳感距離。

發明內容

本發明的目的就是針對現有技術的不足，提出一種基于自外差探測技術并結合波長可調激光源和消除背向瑞利散射結構的遠距離光纖布拉格光柵傳感方法，同時提供了實現該方法的設備。

其技術解決方案是：采用一個波長可調的窄線寬激光器作為光源，將其發射的光束分成兩部分，一部分作為本地參考光，另一部分調制成脈沖探測光；使用兩段長度相同（或相似）的光纖分別作為傳輸探測光和反射傳感信號光的通道，并對返回的反射傳感信號光進行移頻；將移頻后的反射傳感信號光和本地參考光進行自外差探測，就可以得出相干信號的峰值功率；改變可調激光器的輸出光波長，就可獲得各個波長所對應的信號功率，從而繪制出傳感光纖光柵陣列的反射譜；由于傳感光纖光柵陣列的布拉格波長隨溫度、應力等傳感量變化而變化，因此通過布拉格波長的變化以及傳感量隨波長變化的關系就可以得出傳感量的變化。

實現上述方案的裝置包括波長可調的窄線寬激光器、三端口3dB光耦合器、擾偏器、光脈沖調制模塊、光隔離器、兩段長度相同（或相似）的長距離光纖、光環形器、傳感光纖布拉格光柵陣列、移頻模塊、四端口3dB光耦合器、平衡光電探測器、信號采集分析和控制模塊。可調激光器的光輸出端與三端口3dB耦合器的單端口端的端口連接；三端口3dB耦合器的雙端口端的一個端口和擾偏器的輸入端口連接，另一個端口和光脈沖調制模塊的輸入端口連接；光脈沖調制模塊的輸出端口和光隔離器的輸入端口連接；光隔離器的輸出端口經過一段長距離傳輸光纖和光環形器的入射端口1連接；環形器的透射端口2和傳感光纖光柵陣列連接，反射端口3經過另一段長距離光纖和移頻模塊的輸入端口連接；四端口3dB光耦合器的兩個輸入端口同側，分別和移頻模塊的輸出端口、擾偏器的輸出端口連接；四端口3dB光耦合器的兩個輸出端口同側，和平衡光電探測器的輸入端口連接，探測器的輸出端口和信號采集分析和控制模塊的輸入端口連接；信號采集分析和控制模塊的控制端口和波長可調激光器的GPIO口連接。

本發明利用自外差探測技術實現了微弱傳感信號的檢測，提高了檢測效率，增加的傳感距離，并結合波長可調激光源，通過掃描輸出光波長的方法，繪制出傳感光纖光柵的反射譜，準確的獲得了光纖光柵的布拉格波長變化，進而得到傳感量的變化。另外，本發明采用特殊結構，消除了背向瑞利散射對傳感信號的影響。本發明方法在相同的輸入光功率下可以實現更長距離的光纖光柵傳感，具有抗干擾能力強，結構簡單，控制方便等優點，并且可以同時實現多個光纖光柵和不同傳感量的檢測，非常適用于檢測地震、海嘯、變電站和輸油管道等惡劣環境。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖。

具體實施方式