[发明专利]基于微结构光纤干涉微波光子传感方法的多元参量测量系统及方法

说明书

本发明给出一种基于微结构光纤干涉微波光子传感方法的多元参量测量系统及方法，系统主要包括宽谱光源(1)、光滤波器(2)、3dB光纤耦合器(3)、可调光延时线(4)、可调光衰减器(5)、微结构光纤环(6)、2×2光纤耦合器(7)、干涉传感单元(8)、光谱分析仪(9)、电光调制器(10)、色散单元(11)、光电探测器(12)以及矢量网络分析仪(13)。本发明通过将光纤干涉结构和微结构光纤环结合，实现对多元参量的传感；同时，结合微波光子滤波器，实现光谱测量到频域测量的转化，从而大幅提高传感灵敏度，还具有多元参量同时测量的能力。

技术领域

本发明涉及微波光子、光电子学、光纤光学和光纤传感技术等领域，特别涉及一种基于微结构光纤干涉微波光子传感方法的多元参量测量系统及方法。

背景技术

重大土木工程结构，如桥梁、大坝、隧道、铁路等，在长期使用过程中不可避免的会受到各种自然以及人为因素的作用而发生损伤，其安全问题关乎人民的生命财产安全，正引起人们的广泛关注。在重大工程结构健康监测中，往往需要对结构内部受力特征、温度变化乃至其所在环境参数如折射率等参数进行综合分析判断，以此对其内部损伤程度做出正确评估。因此，发展具有多参量同时测量的高精度探测系统成为重要趋势。

在现有的传感器中，光纤传感器以其独特的优势受到了极大重视并已广泛应用于工程结构健康监测领域。其中，基于光纤光栅的传感装置因其结构简单、稳定性高、抗电磁干扰等优势在桥梁、大坝、铁路等工程中均已得到应用。

目前，常规光纤光栅型传感器仅能实现温度和应力等参数的测量，无法实现多元参量的同时敏感；另一方面，其传统的波长或强度解调方式也带来了如灵敏度不高、难以克服交叉敏感等劣势。因此，急需从理论上研究新的能满足上述条件的传感装置。

微波光子技术的发展为解决目前光纤传感系统面临的瓶颈问题提供了新的可能途径。微波光子技术将电子技术和光子技术有机结合，具有大带宽、低损耗、体积小等优势。近年来，微波光子技术已广泛应用于雷达、通信、医学、军事等领域。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，在高精度、多元参量、分布式/准分布式光纤传感领域取得一系列创新性研究成果，对利用微波光子技术进行传感研究具有一定的积极作用，特别是在当前经济建设的重要阶段，本发明结构简单、制作方便、全光纤化、超高灵敏度等特点令其在生物医疗工程、环境工程、结构工程等领域中能够获得广泛应用，并为桥梁、隧道、铁路等重大工程的结构健康监测提供一种新的途径，对提升重大工程质量监控体系的精确性和可靠性具有重要的理论和现实指导意义。

本发明提供的一种基于微结构光纤干涉微波光子传感方法的多元参量测量系统，主要包括宽谱光源、光滤波器、3dB光纤耦合器、可调光延时线、可调光衰减器、微结构光纤环、2×2光纤耦合器、干涉传感单元、光谱分析仪、电光调制器、色散单元、光电探测器以及矢量网络分析仪，上述光滤波器的输出端口与3dB光纤耦合器的输入端口相连；上述3dB光纤耦合器的两个输出端口分别与可调光延时线和微结构光纤环的输入端口相连；上述3dB光纤耦合器的两个输入端口分别与可调光衰减器和微结构光纤环的输出端口相连；上述3dB光纤耦合器的两个输出端口分别与光谱分析仪和电光调制器的光输入端口相连；上述电光调制器的光输出端口与色散单元的输入端口相连；上述电光调制器的射频输入端与矢量网络分析仪的射频输出端口相连；上述色散单元的输出端口与光电探测器的光输入端口相连；上述光电探测器的电输出端口与矢量网络分析仪的输入段相连。

优选的，上述微结构光纤环包括单模光纤和微米光纤环，通过利用熔融拉锥技术拉伸得到的微米光纤在显微镜下经微加工工艺得到。

优选的，上述电光调制器是强度调制型调制器、相位调制型调制器或偏振调制型调制器中的任意一种。

优选的，上述色散单元是任意具有一定色散的器件或模块。

优选的，上述色散单元为单模光纤或色散补偿光纤。