[发明专利]一种基于自外差探测的远距离光纤布拉格光栅传感方法和装置

说明书

技术领域

本发明属于传感技术领域，涉及了一种基于自外差探测技术来提高探测灵敏度并结合波长可调激光器和消除背向瑞利散射结构的远距离传感的方法，即远距离光纤布拉格光栅传感方法以及实现该方法的设备。

背景技术

光纤布拉格光栅（FBG）具有高灵敏度、抗电磁干扰、结构简单和高分辨率等优点，在传感领域的应用引起了人们极大的重视。在实际应用中，长距离的光纤光栅传感装置可以广泛应用于输油管道、变电站等各种领域。由于瑞利散射和光纤的损耗等因素的影响，用宽带光源进行光纤光栅传感装置的研究时，最远只能传输25km。因此，如何提高FBG的传感距离已经成了迫切需要解决的问题。在过去的几年中，科学家们提出了很多方法来提高传感距离，但是这些方法普遍使用的光放大器。随着传感距离的进一步增加，放大器的泵浦功率就需要进一步提高，当泵浦功率超过一定阈值时，就会产生受激效应。而且输入光功率的增加也会导致背向瑞利散射的增加，影响信噪比。为了解决这些问题，传感装置就需要额外增加器件，使得复杂程度进一步加大。这将会限制传感装置的实际应用范围。

除了提高输入光功率之外，提高探测效率是另一种增加传感距离的有效方法。外差探测技术可以极大的提高探测灵敏度，从而提高探测效率。与直接探测技术相比，外差探测技术可以达到光量子探测的极限。应用外差探测技术并结合消除背向瑞利散射光的特殊结构，可以有效的降低传感装置复杂程度，提高信噪比，增加传感距离。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提出一种基于自外差探测技术并结合波长可调激光源和消除背向瑞利散射结构的远距离光纤布拉格光栅传感方法，同时提供了实现该方法的设备。

其技术解决方案是：采用一个波长可调的窄线宽激光器作为光源，将其发射的光束分成两部分，一部分作为本地参考光，另一部分调制成脉冲探测光；使用两段长度相同（或相似）的光纤分别作为传输探测光和反射传感信号光的通道，并对返回的反射传感信号光进行移频；将移频后的反射传感信号光和本地参考光进行自外差探测，就可以得出相干信号的峰值功率；改变可调激光器的输出光波长，就可获得各个波长所对应的信号功率，从而绘制出传感光纤光栅阵列的反射谱；由于传感光纤光栅阵列的布拉格波长随温度、应力等传感量变化而变化，因此通过布拉格波长的变化以及传感量随波长变化的关系就可以得出传感量的变化。

实现上述方案的装置包括波长可调的窄线宽激光器、三端口3dB光耦合器、扰偏器、光脉冲调制模块、光隔离器、两段长度相同（或相似）的长距离光纤、光环形器、传感光纤布拉格光栅阵列、移频模块、四端口3dB光耦合器、平衡光电探测器、信号采集分析和控制模块。可调激光器的光输出端与三端口3dB耦合器的单端口端的端口连接；三端口3dB耦合器的双端口端的一个端口和扰偏器的输入端口连接，另一个端口和光脉冲调制模块的输入端口连接；光脉冲调制模块的输出端口和光隔离器的输入端口连接；光隔离器的输出端口经过一段长距离传输光纤和光环形器的入射端口1连接；环形器的透射端口2和传感光纤光栅阵列连接，反射端口3经过另一段长距离光纤和移频模块的输入端口连接；四端口3dB光耦合器的两个输入端口同侧，分别和移频模块的输出端口、扰偏器的输出端口连接；四端口3dB光耦合器的两个输出端口同侧，和平衡光电探测器的输入端口连接，探测器的输出端口和信号采集分析和控制模块的输入端口连接；信号采集分析和控制模块的控制端口和波长可调激光器的GPIO口连接。

本发明利用自外差探测技术实现了微弱传感信号的检测，提高了检测效率，增加的传感距离，并结合波长可调激光源，通过扫描输出光波长的方法，绘制出传感光纤光栅的反射谱，准确的获得了光纤光栅的布拉格波长变化，进而得到传感量的变化。另外，本发明采用特殊结构，消除了背向瑞利散射对传感信号的影响。本发明方法在相同的输入光功率下可以实现更长距离的光纤光栅传感，具有抗干扰能力强，结构简单，控制方便等优点，并且可以同时实现多个光纤光栅和不同传感量的检测，非常适用于检测地震、海啸、变电站和输油管道等恶劣环境。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式