專利名稱：一種基于光纖Bragg光柵的雙邊緣濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種濾波器，更特別地說，涉及一種基于光纖Bragg光柵的雙邊緣濾波器。
背景技術(shù)：
激光多普勒雷達利用光的多普勒效應(yīng)，測量激光光束在大氣中傳輸時，后向散射信號的 多普勒頻移來反演空間的風(fēng)速分布。激光多普勒雷達的信號探測技術(shù)主要有兩種相干探測 技術(shù)和直接探測技術(shù)。相干探測技術(shù)測量的是回波信號和發(fā)射的激光信號之間的差頻信號， 直接探測技術(shù)測量的是接收信號和發(fā)射的激光信號的相對能量變化。
激光多普勒雷達的直接探測技術(shù)主要實現(xiàn)方式有單邊緣探測和雙邊緣探測。單邊緣探測 技術(shù)一般采用單一的F-P標準具探測多普勒頻移，雙邊緣探測技術(shù)一般采用雙F-P標準具探
測多普勒頻移，因而它的靈敏度和探測精度更高，在激光多普勒雷達中被廣泛應(yīng)用。
圖1所示的是基于F-P標準具的雙邊緣濾波器，由分立的光學(xué)元件組成。其反射面被分 割成兩部分，腔長上存在微小的差別，以形成頻率上的差異。在出射端，輸出光信號經(jīng)過三 角棱鏡3和凸透鏡4后，分別照射在兩個探測器上，形成了兩個信號探測通道，其透射光譜 的中心頻率分別為v,和^ 。兩個F-P標準具被固定在第一基板1和第二基板2之間，用于消
除因振動或熱效應(yīng)引起的兩個通道中心頻率的漂移。被探測的信號進入雙邊緣濾波器后，不 同部分同時經(jīng)過兩個F-P標準具濾波輸出。當被測信號無頻移時，落入兩個通道的信號強度 相同；當被測信號發(fā)生頻移時，落入兩個通道的信號強度發(fā)生變化，其中一個變小，另一個 變大。通過比較兩個輸出信號的大小就可以獲得多普勒頻移。
基于F-P標準具的雙邊緣濾波器為精密的光學(xué)器件，具有精度高、靈敏度高、性能穩(wěn)定 的優(yōu)點，但是其價格較為昂貴，且體積較大，不利于整體系統(tǒng)的集成化。
光纖光柵是近幾年發(fā)展最為迅速的光纖無源器件之一。它利用光纖材料的光敏性(如外 界入射光子和纖芯內(nèi)鍺離子相互作用引起折射率的永久性變化)，在光纖纖芯內(nèi)形成空間相 位光柵，其作用實質(zhì)是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的濾波器或反射鏡。利用這一特性可構(gòu)成許多 性能獨特的光纖無源器件。由于光纖本身具有低損耗傳輸、抗電磁干擾、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定及電 絕緣等優(yōu)點，因此，光纖光柵在光纖通信和光纖傳感領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景在光纖通信 領(lǐng)域中，可利用光纖光柵構(gòu)成光纖濾波器、色散補償器、光纖激光器、波分復(fù)用系統(tǒng)等；在光纖傳感領(lǐng)域，由于外界參量的變化會引起光纖光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，進而導(dǎo)致光纖光柵光 譜特性發(fā)生變化，因而可以實現(xiàn)外界參量的傳感。
根據(jù)光纖光柵周期的長短，可以將光纖光柵分為長周期光纖光柵和短周期光纖光柵。長 周期光纖光柵的周期通常為幾十至幾百微米，為透射光柵；短周期光纖光柵的周期小于l//m， 為反射光柵，又稱之為光纖Bragg光柵。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2(a)所示，圖中A為光柵周期， Z為光柵的長度。光纖Bmgg光柵的折射率為固定的周期性調(diào)制分布，調(diào)制深度與光柵周期 均為常數(shù)，光柵波矢量方向與光纖軸線方向一致。當光經(jīng)過光纖Bragg光柵時，滿足相位匹 配條件的光被強烈反射，不滿足相位匹配條件的光被微弱反射，其反射光譜示意圖如圖2(b) 所示，圖中^為光纖Bragg光柵的峰值波長，A^為光纖Bragg光柵的反射帶寬。光纖Bragg
光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有光柵周期、光柵長度、折射率擾動量和纖芯有效平均折射率等；反射
光譜參數(shù)主要有反射率、峰值波長、反射帶寬等。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服上述由分立光學(xué)元件組成的雙邊緣濾波器的不足，提
供一種新型的基于光纖Bragg光柵的雙邊緣濾波器。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 一種基于光纖Bragg光柵的雙邊緣濾波器， 其特征在于包含第一光纖耦合器、第一光纖環(huán)行器、第一光纖Bragg光柵、第一雪崩光電 探測器、第二光纖環(huán)行器、第二光纖Bragg光柵、第二雪崩光電探測器；入射光經(jīng)光纖進入 第一光纖耦合器中被分為兩等份，分別由第一光纖耦合器的C端和D端輸出；第一光纖耦合 器的C端輸出的光信號從第一光纖環(huán)行器的1端口進入第一光纖環(huán)行器并從2端口進入第一 光纖Bragg光柵，被第一光纖Bragg光柵反射回來的光信號從第一光纖環(huán)行器的3端口輸出， 被第一雪崩光電探測器接收并轉(zhuǎn)化為電信號；第一光纖耦合器的D端輸出的光信號從第二光 纖環(huán)行器的1端口進入第二光纖環(huán)行器并從2端口進入第二光纖Bragg光柵，被第二光纖 Bragg光柵反射回來的光信號從第二光纖環(huán)行器的3端口輸出，被第二雪崩光電探測器接收 并轉(zhuǎn)化為電信號。
所述第一光纖耦合器、第一光纖環(huán)行器、第一雪崩光電探測器以及與第二光纖環(huán)行器、 第二雪崩光電探測器之間為全光纖光路結(jié)構(gòu)。
上述基于光纖Bragg光柵的雙邊緣濾波器利用光纖Bragg光柵的窄帶濾波特性來實現(xiàn)雙 邊緣濾波。
一種基于全光纖雙邊緣濾波器的布里淵散射分布式光纖傳感裝置，以上述的基于光纖 Bragg光柵的雙邊緣濾波器為核心器件；包括有DFB激光器；其特征在于包含兩個上述的基于光纖Bragg光柵的雙邊緣濾波器，分別為第一雙邊緣濾被器和第二雙邊緣濾波器；第一 雙邊緣濾波器用于提供反饋，穩(wěn)定激光器的工作波長；第二雙邊緣濾波器用于探測布里淵散 射光頻移，實現(xiàn)被測量的分布式傳感。
上述裝置利用基于光纖Bragg光柵的雙邊緣濾波器的鑒頻特性來實現(xiàn)DFB激光器的頻率 穩(wěn)定技術(shù)。
設(shè)定第一雙邊緣濾波器的中心頻率為DFB激光器正常工作狀態(tài)下輸出激光的中心頻率； 第一雙邊緣濾波器中兩個光纖Bragg光柵的峰值頻率位于DFB激光器輸出激光中心頻率的兩 側(cè)，二者的濾波譜線有相互重疊的區(qū)域；設(shè)定第二雙邊緣濾波器的中心頻率與第一雙邊緣濾 波器的中心頻率相差llGHz;，位于布里淵散射光頻移的平均位置；第二雙邊緣濾波器中兩個 光纖Bragg光柵的峰值頻率位于第二雙邊緣濾波器中心頻率的兩側(cè)，二者的濾波譜線有相互 重疊的區(qū)域。
所述第一全光纖雙邊緣濾波器和第二全光纖雙邊緣濾波器放置于第二恒溫箱中，保持其 工作環(huán)境溫度穩(wěn)定。
所述基于全光纖雙邊緣濾波器的布里淵散射分布式光纖傳感裝置還包含有用于在線校準 的參考光纖，所述參考光纖被無應(yīng)力地放置于第一恒溫箱中。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點是
1. 本發(fā)明的基于光纖Bragg光柵的雙邊緣濾波器為全光纖光路結(jié)構(gòu)，體積小，成本低， 穩(wěn)定性高；
2. 本發(fā)明的基于光纖Bragg光柵的雙邊緣濾波器通過測量兩個信號通道輸出信號的比值 來探測光信號的頻率，能夠消除光功率波動對探測精度的影響。
圖1為由分立光學(xué)元件組成的F-P雙邊緣濾波器；
圖2為光纖Bragg光柵的結(jié)構(gòu)及反tf光譜示意圖3為本發(fā)明的基于光纖Bragg光柵的雙邊緣濾波器示意圖4為本發(fā)明的基于光纖Bragg光柵的雙邊緣濾波器的工作原理；
圖5為基于全光纖雙邊緣濾波器的布里淵散射分布式光纖傳感裝置示意圖;
圖6為本發(fā)明的雙邊緣濾波器輸出信號比值同布里淵散射光頻率的關(guān)系曲線。
圖中l(wèi).第一基板，2.第二基板，3.三角棱鏡，4.凸透鏡，5.第一光纖，6.第一光纖耦合 器，7.第二光纖，8.第一光纖環(huán)行器，9.第一光纖Bragg光柵，IO.第三光纖，ll.第一雪崩光 電探測器，12.第一電纜，13.第四光纖，14.第二光纖環(huán)行器，15.第二光纖Bmgg光柵，16.
第五光纖，17.第二雪崩光電探測器，18.第二電纜，19.DFB激光器，20.第六光纖，21.第三光纖耦合器，22.第七光纖，23.電脈沖發(fā)生器，24.第三電纜，25.脈沖調(diào)制器，26.第八光纖， 27.摻鉺光纖放大器，28.第九光纖，29.第三光纖環(huán)行器，30.第十光纖，31.參考光纖，32.第一 恒溫箱，33.第十一光纖，34.第二傳感光纖，35.第十二光纖，36.第十三光纖，37.第一雙邊緣 濾波器，38.第二雙邊緣濾波器，39.第二恒溫箱，40.第一除法器，41.第二除法器，42.第四電 纜，43.光源驅(qū)動控制電路，44.第五電纜，45.第六電纜，46信號采集與處理單元。
具體實施例方式
下面將結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。
參見圖3,本發(fā)明的基于光纖Bmgg光柵的雙邊緣濾波器。各部件之間的連接關(guān)系為 第一光纖5與第一光纖耦合器6的A端連接，第一光纖耦合器6的C端通過第二光纖7與第 一光纖環(huán)行器8的1端口連接，第一光纖Bragg光柵9與第一光纖環(huán)行器8的2端口連接， 第一光纖環(huán)行器8的3端口通過第三光纖10與第一雪崩光電探測器11的輸入端A連接，第 一雪崩光電探測器11的輸出端B與第一電纜12連接。第一光纖耦合器6的D端通過第四光 纖13與第二光纖環(huán)行器14的1端口連接，第二光纖Bragg光柵15與第二光纖環(huán)行器14的 2端口連接，第二光纖環(huán)行器14的3端口通過第五光纖16與第二雪崩光電探測器17的輸入 端A連接，第二雪崩光電探測器17的輸出端B與第二電纜18連接。
入射光經(jīng)第一光纖5進入第一光纖耦合器6中被分為兩等份，分別由第一光纖耦合器6 的C端和D端輸出。C端輸出的光信號經(jīng)第二光纖7從第一光纖環(huán)行器8的1端口進入第一 光纖環(huán)行器8并從2端口進入第一光纖Bragg光柵9,被第一光纖Bragg光柵9反射回來的光 信號從第一光纖環(huán)行器8的3端口輸出，經(jīng)第三光纖10被第一雪崩光電探測器11接收并轉(zhuǎn) 化為電信號，由第一電纜12輸出；D端輸出的光信號經(jīng)第四光纖13從第二光纖環(huán)行器14的 1端口進入第二光纖環(huán)行器14并從2端口進入第二光纖Bragg光柵15，被第二光纖Bragg光 柵15反射回來的光信號從第二光纖環(huán)行器9的3端口輸出，經(jīng)第五光纖16被第二雪崩光電 探測器17接收并轉(zhuǎn)化為電信號，由第二電纜18輸出。
參見圖4，本發(fā)明的基于光纖Bmgg光柵的雙邊緣濾波器的工作原理；圖4中，7;("為 第一光纖Bragg光柵9的反射光譜，其中心頻率為vv r2(i/)為第二光纖Bragg光柵15的反 射光譜，其中心頻率為^， 7;(。和7^0/)可以作為雙邊緣濾波器兩個信號通道的透過率函數(shù)。 A(^)為待測光信號，無頻移時，其中心頻率為v。； v,和^之間略有差異，形成雙邊緣濾波
器的兩個信號通道，雙邊緣濾波器的中心頻率設(shè)定為^，即與無頻移時的待測光信號/s(Vs)
的中心頻率相等。當待測光信號/s(^)不發(fā)生頻移時，進入全光纖雙邊緣濾波器的兩個信號 通道的待測光信號的強度相等；當待測光信號/s(^)發(fā)生頻移時，進入兩個信號通道的待測光信號的強度發(fā)生變化，分別為/,(Vs)和/2(V^),可由(1)和(2)確定，
<formula>formula see original document page 8</formula>(1)
<formula>formula see original document page 8</formula>(2) 其中，②為巻積符號，^為待測光信號的頻率。
取兩個信號銜比值，有
<formula>formula see original document page 8</formula>
及(^)僅與待測光信號/s(Vs)的頻率^有關(guān)，可以通過i (v^)來獲得待測光信號的頻率
參見圖5，基于全光纖雙邊緣濾波器的布里淵散射分布式光纖傳感裝置，以基于光纖 Bmgg光柵的雙邊緣濾波器為核心器件；包含兩個基于光纖Bragg光柵的雙邊緣濾波器，分別 為第一雙邊緣濾波器37和第二雙邊緣濾波器38;第一雙邊緣濾波器37用于提供反饋，穩(wěn)定 激光器的工作波長；第二雙邊緣濾波器38用于探測布里淵散射光頻移，實現(xiàn)被測量的分布式 傳感。裝置中各部件之間的連接關(guān)系為DFB激光器19通過第六光纖20與第三光纖耦合器 21的A端連接，第三光纖耦合器21的C端通過第七光纖22與脈沖調(diào)制器25連接，電脈沖 發(fā)生器23通過第三電纜24與脈沖調(diào)制器25連接；脈沖調(diào)制器25通過第八光纖26與摻鉺光 纖放大器27連接，摻鉺光纖放大器27通過第九光纖28與第三光纖環(huán)行器29的1端口連接， 第三光纖環(huán)行器29的2端口通過第十光纖30與放置于第一恒溫箱32的參考光纖31連接， 參考光纖31通過第十一光纖33與第二傳感光纖34連接；第三光纖環(huán)行器29的3端口通過 第十二光纖35與第二雙邊緣濾波器38連接，第二雙邊緣濾波器38的輸出端與第二除法器 41連接，第二除法器41通過第六電纜45與第二信號采集與處理單元46連接；第三光纖耦 合器21的D端通過第十三光纖36與第一雙邊緣濾波器37連接；第一雙邊緣濾波器37的輸 出端與第一除法器40連接；第一除法器37通過第四電纜42與光源驅(qū)動控制電路43連接； 光源驅(qū)動電路43通過第五電纜44與DFB激光器19連接；第一雙邊緣濾波器37和第二雙邊 緣濾波器38都放置于第二恒溫箱39中。
DFB激光器19發(fā)出的窄線寬連續(xù)激光經(jīng)第六光纖20進入第三光纖耦合器21按分光比 99:1被分為兩部分，其中99%的光由第三光纖耦合器21的C端口輸出，用于探測布里淵散 射光信號，實現(xiàn)被測量的分布式傳感；1%的光由第三光纖耦合器21的D端口輸出，用于提 供反饋，穩(wěn)定DFB激光器19的工作波長；第三光纖耦合器21的C端輸出的光信號經(jīng)第七光 纖22進入脈沖調(diào)制器25，電脈沖發(fā)生器23發(fā)出的具有一定脈沖寬度和重復(fù)頻率的電脈沖信號經(jīng)第三電纜24作用于脈沖調(diào)制器25，將窄線寬連續(xù)激光調(diào)制成脈沖光；脈沖光通過第八 光纖26進入摻鉺光纖放大器27，光功率被放大的光脈沖信號經(jīng)第九光纖28從第三光纖環(huán)行 器29的1端口輸入，2端口輸出，經(jīng)第十光纖30進入?yún)⒖脊饫w31再經(jīng)第十一光纖33進入 第二傳感光纖34;參考光纖31被無應(yīng)力地放置于第一恒溫箱32中，用于在線校準；光脈沖 信號在參考光纖31和傳感光纖34中發(fā)生布里淵散射；后向布里淵散射光信號從第三光纖環(huán) 行器29的2端口輸入，3端口輸出，經(jīng)第十二光纖35進入放置于第二恒溫箱39的第二雙邊 緣濾波器38被鑒頻，從第二雙邊緣濾波器38的兩個信號通道輸出的電信號進入第二除法器 41，輸出只與布里淵散射光頻率相關(guān)的電信號，經(jīng)第六電纜45送入信號采集與處理單元46， 可解調(diào)出被測量的分布信息。
從第三光纖耦合器21的D端口輸出的1%的光信號經(jīng)第十三光纖36進入放置于第二恒 溫箱39的第一雙邊緣濾波器37被鑒頻，從第一雙邊緣濾波器37的兩個信號通道輸出的電信 號進入第一除法器40，輸出只與DFB激光器19輸出激光頻率相關(guān)的電信號，經(jīng)第四電纜42 送入光源驅(qū)動控制電路43，其輸出的控制信號經(jīng)第五電纜44作用于DFB激光器19，穩(wěn)定其 工作波長。
參見圖3，本發(fā)明的核心器件，基于光纖Bragg光柵的全光纖雙邊緣濾波器。本實施例 中，該器件采用全保偏光路結(jié)構(gòu)。第一光纖5、第二光纖7、第三光纖IO、第四光纖13、第 五光纖16采用保偏光纖；第一光纖耦合器6采用保偏光纖耦合器，分光比為l:l， 1.55戶波 段；第一光纖環(huán)行器8和第二光纖環(huán)行器14釆用保偏光纖環(huán)行器，1.55，波段；第一雪崩 光電探測器11和第二雪崩光電探測器17采用InGaAs雪崩光電二極管，波長響應(yīng)范圍為 l.l~1.6//w。
參見圖5,以本發(fā)明的基于光纖Bragg光柵的雙邊緣濾波器為核心器件構(gòu)成的布里淵散 射分布式光纖傳感裝置。本實施例中，該裝置采用全保偏光路結(jié)構(gòu)。第六光纖20、第七光纖 21、第八光纖26、第九光纖28、第十光纖30、第十一光纖33、第十二光纖35、第十三光纖 36、參考光纖31、第二傳感光纖34采用保偏光纖；第三光纖耦合器21采用保偏光纖耦合器， 分光比為99:1， 1.55//w波段；第三光纖環(huán)行器29采用保偏光纖環(huán)行器，1.55//m波段；DFB 激光器19工作波長1550nm，線寬小于lMHz;第一除法器40和第二除法器41由專用芯片 及其外圍電路組成；光源驅(qū)動控制電路43由專用控制芯片及其外圍電路組成；信號采集與處 理單元46由數(shù)據(jù)采集卡及信號處理、顯示軟件組成。
以本發(fā)明的基于光纖Bragg光柵的雙邊緣濾波器為核心器件構(gòu)成的布里淵散射分布式光 纖傳感裝置能夠?qū)崿F(xiàn)如下功能一、激光器工作波長的穩(wěn)定
光源工作波長的漂移會引入誤差，降低被測量的測量精度。本發(fā)明公開了一種穩(wěn)定光源 工作波長的方法，利用全光纖雙邊緣濾波器的鑒頻特性提供反饋，使光源工作波長穩(wěn)定，有 利于提高測量精度。其結(jié)構(gòu)如圖5虛線部分所示。DFB激光器19發(fā)出的中心波長為1550nm、 線寬小于lMHz助激光經(jīng)第六光纖20進入第三光纖耦合器21,被分成功率比為99:1的兩部 分，1%的光進入第一雙邊緣濾波器37被鑒頻，第一除法器40輸出的與DFB激光器19輸出 頻率相關(guān)的電信號作為反饋，經(jīng)第四電纜42送入光源驅(qū)動控制電路43，光源驅(qū)動控制電路 43對接收到的與DFB激光器19輸出頻率相關(guān)的反饋信號進行分析和處理，并通過第五電纜 44傳輸相應(yīng)的控制信號來穩(wěn)定DFB激光器19的工作波長。
第一雙邊緣濾波器37的中心頻率設(shè)定為DFB激光器19輸出激光的中心頻率。第一雙邊 緣濾波器37中兩個光纖Bmgg光柵的選取原則是二者的峰值頻率位于DFB激光器19輸出激 光中心頻率的兩側(cè)，二者的濾波譜線有相互重疊區(qū)域，重疊區(qū)域即為第一雙邊緣濾波器37的 有效工作區(qū)域。所構(gòu)成的第一雙邊緣濾波器37的濾波譜線陡峭，工作帶寬較窄，目的是提高 第一雙邊緣濾波器37的靈敏度，使其能夠探測到DFB激光器19輸出激光頻率的微小變化，
并及時施加反饋控制，穩(wěn)i其工作波長。
設(shè)DFB激光器19輸出的激光信號為/^^(v，)，第一雙邊緣濾波器37的兩個通道的透 過率分別為r"v)和S(。，中心頻率為v^，即DFB激光器19正常工作狀態(tài)下的輸出激光頻 率。第一雙邊緣濾波器37的兩個通道的輸出信號分別由(4)、 (5)確定。
(5)
其中，0為巻積符號。取兩個信號的比值，有
當^^-v^時，DFB激光器19的工作波長沒有漂移，進入第一雙邊緣濾波器37的兩個 通道的信號強度相同，可將此時的及卿OV"作為標準信號；當"胸-^時，DFB激光器19 的工作波長發(fā)生漂移，進入第一雙邊緣濾波器37的兩個通道的信號強度不再相同，其中一個 變大,另一個變小，此時兩個輸出信號的比值為/ ;(^^)，將該信號與標準信號進行比較， 確定反饋量并形成控制信號去調(diào)節(jié)DFB激光器19的中心頻率i/。^ ，當^^穩(wěn)定在 時，DFB 激光器19的工作波長可穩(wěn)定在1550nm。
二、傳感裝置的在線校準該傳感裝置的在線校準通過放置于第一恒溫箱32中的參考光纖31來實現(xiàn)。參考光纖31 的長度為幾十米或幾百米，要求將其無應(yīng)力地放置于第一恒溫箱32中，目的是克服參考光纖 31所受應(yīng)力對在線校準精度的影響。
光纖中的布里淵散射頻移同被測量(溫度、應(yīng)變)在一定條件下呈線性關(guān)系，并由(7) 確定。
<formula>formula see original document page 11</formula> (7)
其中，r。為參考溫度，s。為參考應(yīng)變,r為待測溫度，s為待測應(yīng)變，c^為布里淵頻 移溫度系數(shù)，c^為布里淵頻移應(yīng)變系數(shù)，^(r,s)為在待測溫度和待測應(yīng)變下的布里淵頻移， v^(r。^。)為在參考溫度和參考應(yīng)變下的布里淵頻移。
本實施例中，參考光纖31無應(yīng)力地放置于第一恒溫箱32中，因此參考應(yīng)變s。 =o，參 考溫度為第一恒溫箱32所設(shè)定的溫度r。。此時，(7)式可簡化為
<formula>formula see original document page 11</formula> (8)
光纖中的布里淵散射具有很好的重復(fù)性，利用這一特性，可以實現(xiàn)在線校準。第一恒溫 箱的溫度恒定在r。時，v,(r,o)為恒定值，作為整個傳感裝置的穩(wěn)定的參考基準。當?shù)诙鞲?br>
光纖34中各點的被測量(溫度、應(yīng)力)發(fā)生變化時，可通過(8)反演出被測量沿第二傳感光
纖34的分布信息。
三、被測量的分布式傳感
參見圖5，以本發(fā)明的基于光纖Bragg光柵的雙邊緣濾波器為核心器件構(gòu)成的布里淵散 射分布式光纖傳感裝置。該裝置實現(xiàn)被測量分布式傳感的工作過程可描述為DFB激光器19 發(fā)出的窄線寬連續(xù)激光經(jīng)第六光纖20進入第三光纖耦合器21按分光比99:1被分為兩部分， 其中99n/。的光由第三光纖耦合器21的C端口輸出，經(jīng)第七光纖22進入脈沖調(diào)制器25，電脈 沖發(fā)生器23發(fā)出的具有一定脈沖寬度和重復(fù)頻率的電脈沖信號經(jīng)第三電纜24作用于脈沖調(diào) 制器25，將窄線寬連續(xù)激光調(diào)制成脈沖光。脈沖光通過第八光纖26進入摻鉺光纖放大器27 放大光功率后，經(jīng)第九光纖28從第三光纖環(huán)行器29的1端口輸入，2端口輸出，經(jīng)第十光 纖30進入?yún)⒖脊饫w31再經(jīng)第十一光纖33進入第二傳感光纖34。光脈沖信號在參考光纖32 和傳感光纖34中發(fā)生布里淵散射。后向布里淵散射光信號從第三光纖環(huán)行器29的2端口輸 入，3端口輸出，經(jīng)第十二光纖35進入放置于第二恒溫箱39的第二雙邊緣濾波器38被鑒頻， 從第二雙邊緣濾波器38的兩個信號通道輸出的電信號進入第二除法器41，輸出只與布里淵 散射光頻率相關(guān)的電信號，經(jīng)第六電纜45送入信號采集與處理單元46，可解調(diào)出被測量的分布信息o
在該傳感裝置中，電脈沖發(fā)生器23輸出脈沖的寬度和重復(fù)頻率決定了經(jīng)脈沖調(diào)制器25 調(diào)制后輸出光脈沖的寬度和重復(fù)頻率，它們同傳感裝置的空間分辨率和傳感距離直接相關(guān)。
傳感裝置的空間分辨率可定義為傳感裝置對沿光纖長度分布的被測量進行測量時所能分 辨的最小空間單元。設(shè)傳感裝置的空間分辨率為必，光脈沖寬度(即電脈沖發(fā)生器23輸出的 電脈沖寬度)為V。則二者的關(guān)系可由(9)確定。
<formula>formula see original document page 12</formula>(9)
為了避免后向散射信號發(fā)生混疊，要求一個光脈沖走完整個傳感光纖，其散射信號返回 入射端后，才發(fā)出下一個光脈沖。因此，入射光脈沖的重復(fù)頻率/滿足
<formula>formula see original document page 12</formula>(10)
在(9)和(10)中，c是真空中的光速，"是光纖的折射率，Z是傳感距離。 在確定傳感裝置的空間分辨率必和傳感距離丄之后，可通過(9)和(10)調(diào)節(jié)電脈沖
發(fā)生器23輸出的電脈沖寬度和重復(fù)頻率。
攜帶有被測量信息的布里淵散射光的頻率由第二雙邊緣濾波器38來鑒別。本實施例中，
設(shè)定第二雙邊緣濾波器38的中心頻率v^同第一雙邊緣濾波器37的中心頻率v。,相差llGHz，
使v。2位于布里淵散射光的平均位置。第二雙邊緣濾波器38中的兩個光纖Bragg光柵的選取 原則是二者的峰值頻率位于^2的兩側(cè)，二者的濾波譜線有相互重疊的區(qū)域，重疊區(qū)域即為第
二雙邊緣濾波器38的有效工作區(qū)域。
設(shè)進入第二雙邊緣濾波器38的布里淵散射信號為"(v^)，第二雙邊緣濾波器38的兩個 通道的透過率分別為7;(v/)和r2(vO，中心頻率為、2，第二雙邊緣濾波器38的兩個通道的輸 出信號分別由(11)、 (12)確定。
<formula>formula see original document page 12</formula> (11)
<formula>formula see original document page 12</formula> (12)
其中，②為巻積符號。取兩個信號的比值，有
<formula>formula see original document page 12</formula>(13)
當^=^2時，進入第二雙邊緣濾波器38的兩個通道的信號強度相同；當被測量使布里 淵散射光頻率變化時，vs*v。2，進入第二雙邊緣濾波器38的兩個通道的信號強度不再相同，其中一個變大，另一個變小，此時兩個輸出信號的比值為/^(^),該比值同布里淵頻移v^之 間的關(guān)系曲線如圖6所示，圖6中陰影所示區(qū)域為工作區(qū)域，工作區(qū)域內(nèi)曲線呈單調(diào)變化， 適合于分布式測量。第二除法器41輸出的電信號與^(v,)相關(guān)，該信號經(jīng)第六電纜45進入 信號采集與處理單元46。信號采集與處理單元46對該電信號進行數(shù)字化處理，根據(jù)圖6所 示的曲線獲得布里淵散射頻移v^。根據(jù)(8)所確定的布里淵散射頻移與被測量(溫度、應(yīng)力) 的關(guān)系，可獲得被測量(溫度、應(yīng)力)的分布信息，實現(xiàn)分布式傳感。
權(quán)利要求
1、一種基于光纖Bragg光柵的雙邊緣濾波器，其特征在于包含第一光纖耦合器(6)、第一光纖環(huán)行器(8)、第一光纖Bragg光柵(9)、第一雪崩光電探測器(11)、第二光纖環(huán)行器(14)、第二光纖Bragg光柵(15)、第二雪崩光電探測器(17)；入射光經(jīng)第一光纖(5)進入第一光纖耦合器(6)中被分為兩等份，分別由第一光纖耦合器(6)的C端和D端輸出；第一光纖耦合器(6)的C端輸出的光信號從第一光纖環(huán)行器(8)的1端口進入第一光纖環(huán)行器(8)并從2端口進入第一光纖Bragg光柵(9)，被第一光纖Bragg光柵(9)反射回來的光信號從第一光纖環(huán)行器(8)的3端口輸出，被第一雪崩光電探測器(11)接收并轉(zhuǎn)化為電信號；第一光纖耦合器(6)的D端輸出的光信號從第二光纖環(huán)行器(14)的1端口進入第二光纖環(huán)行器(14)并從2端口進入第二光纖Bragg光柵(15)，被第二光纖Bragg光柵(15)反射回來的光信號從第二光纖環(huán)行器(9)的3端口輸出，被第二雪崩光電探測器(17)接收并轉(zhuǎn)化為電信號。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種基于光纖Bragg光柵的雙邊緣濾波器，其特征在于所述 第一光纖耦合器、第一光纖環(huán)行器、第一雪崩光電探測器以及與第二光纖環(huán)行器、第二雪崩 光電探測器之間為全光纖光路結(jié)構(gòu)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種基于光纖Bragg光柵的雙邊緣濾波器，其特征在于利用 光纖Bragg光柵的窄帶濾波特性來實現(xiàn)雙邊緣濾波。
4、 一種基于全光纖雙邊緣濾波器的布里淵散射分布式光纖傳感裝置，以權(quán)利要求l所述 的基于光纖Bragg光柵的雙邊緣濾波器為核心器件；包括有DFB激光器(19);其特征在于 包含兩個權(quán)利要求l中所述的基于光纖Bragg光柵的雙邊緣濾波器，分別為第一雙邊緣濾波 器(37)和第二雙邊緣濾波器(38);第一雙邊緣濾波器(37)用于提供反饋，穩(wěn)定激光器的 工作波長；第二雙邊緣濾波器(38)用于探測布里淵散射光頻移，實現(xiàn)被測量的分布式傳感。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于全光纖雙邊緣濾波器的布里淵散射分布式光纖傳感裝 置，其特征在于利用權(quán)利要求1中所述的一種基于光纖Bragg光柵的雙邊緣濾波器的鑒頻 特性來實現(xiàn)DFB激光器(19)的頻率穩(wěn)定技術(shù)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于全光纖雙邊緣濾波器的布里淵散射分布式光纖傳感裝 置，其特征在于設(shè)定第一雙邊緣濾波器(37)的中心頻率為DFB激光器(19)正常工作狀 態(tài)下輸出激光的中心頻率；第一雙邊緣濾波器(37)中兩個光纖Bragg光柵的峰值頻率位于 DFB激光器(19)輸出激光中心頻率的兩側(cè)，二者的濾波譜線有相互重疊的區(qū)域；設(shè)定第二雙邊緣濾波器(38、)的中心頻率與第一'雙邊緣濾波器(37)的中心頻率相差llGHz，位于布 里淵散射光頻移的平均位置；第二雙邊緣濾波器(38)中兩個光纖Bmgg光柵的峰值頻率位 于第二雙邊緣濾波器(38)中心頻率的兩側(cè)，二者的濾波譜線有相互重疊的區(qū)域。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于全光纖雙邊緣濾波器的布里淵散射分布式光纖傳感裝 置，其特征在于第一全光纖雙邊緣濾波器(37)和第二全光纖雙邊緣濾波器(38)放置于 第二恒溫箱(39)中，保持其工作環(huán)境溫度穩(wěn)定。
8、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于全光纖雙邊緣濾波器的布里淵散射分布式光纖傳感裝 置，其特征在于所述裝置還包含有用于在線校準的參考光纖(31)，所述參考光纖(31)被 無應(yīng)力地放置于第一恒溫箱(32)中。
全文摘要
一種基于光纖Bragg光柵的雙邊緣濾波器，入射光經(jīng)光纖進入第一光纖耦合器中被分為兩等份，分別由第一光纖耦合器的C端和D端輸出；輸出的兩路光信號分別進入第一光纖環(huán)行器和第二光纖環(huán)行器；并分別經(jīng)第一光纖Bragg光柵和第二光纖Bragg光柵反射后被第一雪崩光電探測器和第二雪崩光電探測器接收并轉(zhuǎn)化為電信號；上述為全光纖光路結(jié)構(gòu)，體積小，成本低，穩(wěn)定性高；本發(fā)明還公開了一種布里淵散射分布式光纖傳感裝置，包括兩個上述雙邊緣濾波器；第一雙邊緣濾波器用于提供反饋，穩(wěn)定激光器的工作波長；第二雙邊緣濾波器用于探測布里淵散射光頻移，實現(xiàn)被測量的分布式傳感。
文檔編號G02B6/34GK101419317SQ200810227168
公開日2009年4月29日 申請日期2008年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月24日
發(fā)明者張萍萍, 巍 楊, 楊遠洪, 郭錦錦, 陳明飛, 馬游春 申請人:北京航空航天大學(xué)