專利名稱：基于光纖腔衰蕩技術(shù)的分布式光纖傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于光纖腔衰蕩技術(shù)的分布式光纖傳感器，屬于光纖傳感器領(lǐng)域， 是一種分布式光纖傳感器的設(shè)計及其解調(diào)方法。
技術(shù)背景光纖傳感技術(shù)是上世紀七十年代隨著光纖和光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來 的一種以光為載體，光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界信號的新型傳感技術(shù)。與傳統(tǒng)的機 械類和電子類傳感器相比，光纖傳感器具有如下幾方面的優(yōu)勢(1)靈敏度高，動態(tài) 范圍大；(2)抗電磁干擾，電絕緣性好，抗腐蝕，能在高溫高壓和易燃易爆等惡劣環(huán) 境下工作；(3)傳感頭結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量輕，適合埋入大型結(jié)構(gòu)中；(4)傳輸 損耗小，可實現(xiàn)遠距離檢測；(5)光纖輕巧柔軟，易復用和形成傳感網(wǎng)絡(luò)，易于實現(xiàn) 分布式傳感等等。因此光纖傳感器一問世就受到了世界各國的普遍重視并開展了廣泛 的研究，目前其己在軍事、國防、航天航空、工礦企業(yè)、能源環(huán)保、工業(yè)控制、醫(yī)藥 衛(wèi)生、計量測試、建筑、家用電器等方面獲得了廣泛應用。自1989年Morey等人首次報道將光纖光柵用作傳感以來，光纖光柵傳感作為光 纖傳感的一個重要的分支，己成為光纖傳感器研究領(lǐng)域中的一大熱點，光纖光柵傳感器除了具有普通光纖傳感器的優(yōu)點外，還具有自己獨特的優(yōu)點，如測量信息是波長編碼的，避免了光源強度起伏、光纖微彎和耦合損耗等因素對測量結(jié)果造成影響；具 有很高的可靠性和穩(wěn)定性；便于構(gòu)成各種形式的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，進行大面積的多點測 量；可實現(xiàn)絕對測量等。目前光纖光柵傳感器主要用于對結(jié)構(gòu)內(nèi)部應變、壓力、溫度、 振動、載荷疲勞和結(jié)構(gòu)損傷等參數(shù)進行監(jiān)測，分布式光纖光柵傳感器主要應用于應變 傳感方面。傳統(tǒng)的測量光纖光柵波長漂移的方法是通過光譜儀進行直接觀測，但普通光譜儀
的分辨率只有0.01nm，且體積大、價格高，常用于實驗室解調(diào)，達不到工程應用化和 產(chǎn)業(yè)化的要求。經(jīng)研究人員多年努力，人們已提出了多種用于光纖光柵波長變化的解
調(diào)技術(shù)。目前較常用的解調(diào)方法分為干涉法和濾波法兩大類，主要有非平衡馬赫-
曾德(Mach-Zehnder， M-Z)光纖干涉儀解調(diào)法、非平衡邁克爾遜(Michelson)干涉 儀解調(diào)法和塞納克(Sagnac)光纖干涉儀解調(diào)法以及可調(diào)諧光纖法布里-珀羅 (Fabry-P6rot， F-P)濾波器解調(diào)法、邊沿濾波法、匹配濾波法、可調(diào)諧激光器波長匹 配解調(diào)法、光柵色散法和啁啾光柵檢測法等，這些技術(shù)各有優(yōu)缺點，適用于不同條件 的傳感系統(tǒng)。
近年來人們提出了一種新型的基于光纖腔衰蕩技術(shù)的光纖光柵解調(diào)方法，該方法 將波長的解調(diào)轉(zhuǎn)換為對光纖腔衰蕩時間的測量，提高了解調(diào)的精度和速度。2002年 Gupta M等人在i侖文《Cavity-enhanced spectroscopy in optical fibers》(Optics Letters, 2002， 27(21):1878-1880)中利用10m長的端面鍍高反膜的單模光纖光腔進行了介質(zhì)折 射率傳感研究；2004年Tarsa P B等人在論文《Cavity ringdown strain gauge》(Optics Letters, 2004， 29(12):1339-1341)中利用端面鍍高反射膜的單模光纖光腔和作為傳感元 件的雙錐形光纖進行了拉力傳感研究，但以上兩種方法要在光纖端面鍍高反射膜，加 工工藝比較困難，另外反射膜的高反射區(qū)一般只有十幾個nm，大大限制了所用激光波 長的范圍。2004年Chuji Wang等在論文《Fiber ringdown pressure sensorsKOptics Letters, 2004, 29(4):352-254)禾口《Fiber loop ringdown for physical sensor development: pressure sensor》(Applied Optics， 2004, 43(35):6458-6464)中提出利用光纖環(huán)結(jié)構(gòu)在0-9.8><106Pa 范圍內(nèi)對單模光纖的壓力傳感進行了研究，并于2007年7月10日獲得美國專利授權(quán)， 專利號為7，241，986,B2。2006年Chuji Wang等又在論文《An alternative method to developfibre grating temperature sensors using the fibre loop ringdown scheme》(Measurement Science and Technology, 2006, 17:1741-1751)中利用光纖環(huán)結(jié)構(gòu)對光纖布拉格光柵 (Fiber Bragg Grating, FBG)和長周期光纖光柵(Long-period fiber grating, LPFG)進行了溫度傳感實驗，并于2008年1月29日獲得美國專利授權(quán)，專利號為 7,323'677,B1; 2007年Ni N等人在論文《Cavity ring-down long-period fibre grating strain sensor》(Measurement Science and Technology, 2007, 18:3135-3138)中利用光纖環(huán)和 LPFG進行了應力傳感實驗。但以上幾篇文獻中所用的方法一次都只能解調(diào)一個光纖 光柵傳感器，不能滿足分布式傳感的要求。 發(fā)明內(nèi)容要解決的技術(shù)問題為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種基于光纖腔衰蕩技術(shù)的分布式光 纖傳感器，可以滿足基于光纖腔衰蕩解調(diào)方法的光纖光柵傳感器難以滿足分布式傳感 的需求。技術(shù)方案一種基于光纖腔衰蕩技術(shù)的分布式光纖傳感器，其特征在于包括脈沖激光光源 1、光纖分路器2、若干可調(diào)光衰減器3卜n、若干光纖延遲線4! w、若干光纖環(huán)n、光纖合路器6、高速光電探測器7、高速模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換和信號處理模塊8;激光光 源1與光纖分路器2相連，光纖分路器2連接若干可調(diào)光衰減器3,—n;第一個光纖環(huán) 5,直接與可調(diào)光衰減器3!連接，其他光纖環(huán)52—n均經(jīng)過相應的光纖延遲線4卜^后與相應的可調(diào)光衰減器32 n連接；若干光纖環(huán)5卜n的輸出端連接光纖合路器6，光纖合路器6再與高速光電探測器7、高速A/D轉(zhuǎn)換和信號處理模塊依次相互連接；所述的 光纖環(huán)5^是上下兩端的光纖耦合器9和11與左右兩側(cè)的單模光纖10和光纖傳感元件12順序連接，其中光纖耦合器9的低分光比的端口作為輸入端，光纖耦合器ll的 低分光比的端口作為輸出端。
所述的光纖分路器2和光纖合路器6為lxn波分復用器。
所述的光纖分路器2為與若干可調(diào)光衰減器3卜n數(shù)量相等的若干個1x2光纖耦合 器2^及折射率匹配液2n+1串聯(lián)而成；與其相適應的光纖合路器6是nxl光纖合束器。
所述的光纖延遲線的長度^=5(7"1+&+……+ zs)c/"e#，其中i為0 n-l， z]為光纖環(huán) 5i內(nèi)的脈沖激光的衰蕩時間，c為光速，"^為光纖的有效折射率。
所述的波分復用器是光柵型波分復用器、介質(zhì)薄膜濾波型波分復用器或集成光 波導型波分復用器。
所述的光纖傳感元件12是光纖布拉格光柵、長周期光纖光柵、法布里-珀羅光 纖腔、光纖微彎器或單模光纖。
所述的光纖耦合器9和11為1x2光纖耦合器，其分光比大于90%:10%。
所述的單模光纖10的長度取值范圍在tpc/10heff與3toc/neff之間，其中tp為脈沖激光器的
脈沖寬度。 有益效果
本發(fā)明的有益效果是基于光纖腔衰蕩技術(shù)的光纖傳感器將對強度或波長的測量 轉(zhuǎn)化為對光纖環(huán)衰蕩時間的測量。當外界物理量的作用使光纖環(huán)內(nèi)光纖傳感元件的插 入損耗發(fā)生變化時，由于脈沖激光在環(huán)內(nèi)不斷繞行，每繞行一次將會對插入損耗的變
化量放大一次，因此其測量精度比較高；每個脈沖激光在光纖環(huán)內(nèi)的衰蕩時間一般在
微秒量級，即使在后續(xù)的處理過程中要對每個衰蕩信號進行多次平均，實現(xiàn)一次測量
的時間也只要毫秒量級，因而測量速度非常快；探測的激光脈沖序列為強度的相對值， 因而光源所固有的激光脈沖強度的起伏對測量結(jié)果沒有影響；解調(diào)方法簡單，易于實現(xiàn)小型化、工程化和實用化；容易實現(xiàn)分布式傳感，各光纖環(huán)內(nèi)的光纖傳感元件可以 不同，可對多個物理量進行同時測量，且很容易擴展傳感頭的個數(shù)。


圖1:為本發(fā)明基于光纖腔衰蕩技術(shù)的分布式光纖傳感器第一實施方式的結(jié)構(gòu)示 意圖；圖2:為本發(fā)明基于光纖腔衰蕩技術(shù)的分布式光纖傳感器第二實施方式的結(jié)構(gòu)示 意圖；圖3:為本發(fā)明實驗測量的從光纖環(huán)5!輸出的衰蕩信號1; 圖4:為本發(fā)明從光纖環(huán)5,、 52、……、5,輸出的衰蕩信號1、 2、……、n的示 意圖；圖5:為本發(fā)明對圖3所示的衰蕩信號1的峰值進行提取并進行單指數(shù)擬合的結(jié)果；圖6:為本發(fā)明實驗所用作為光纖傳感元件的FBG的一個典型的反射譜； l一脈沖激光光源；2—光纖分路器；n—光纖耦合器；。一可調(diào)光衰減器；4卜^ 一光纖延遲線；5,—n—光纖環(huán)；6—光纖合路器；7—高速光電探測器；8—高速A/D轉(zhuǎn) 換和信號處理模塊；9一光纖耦合器；IO—單模光纖；ll一光纖耦合器；12—光纖傳感 元件。
具體實施方式
現(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述裝置實施例1，如圖l所示，本實施例取11=4，本發(fā)明的測量裝置包括脈沖激光光源l，光纖分路器2，可調(diào)光衰減器3p 32、 33、 34，光纖延遲線4！、 42、 43，光纖 環(huán)5^ 52、 53、 54,光纖合路器6，高速光電探測器7，高速A/D轉(zhuǎn)換和信號處理模塊8。其中光纖環(huán)5!包括兩個分光比為99%:1%的1x2光纖耦合器9和11，單模光纖10 和光纖傳感元件12。所述單模光纖10兩端分別與兩個光纖耦合器9和11的99%的兩 端口相熔接，光纖傳感元件12分別與兩個光纖耦合器9和11的只有一根尾纖的兩個 端口相熔接，因此兩個光纖耦合器9和11與單模光纖10及光纖傳感元件12 —起構(gòu)成 光纖環(huán)5p光纖環(huán)52、 53、 54與光纖環(huán)5J吉構(gòu)一致。另外，光纖環(huán)5,中光纖耦合器9 的P/。的端口經(jīng)可調(diào)光衰減器3i與光纖分路器2的第一個端口相連接，光纖環(huán)52、 53、 54中光纖耦合器9的1%的端口均分別依次經(jīng)由光纖延遲線4i、 42、 43和可調(diào)光衰減器 32、 33、 34與光纖分路器'2的第二、三、四個端口相耦合連接，光纖分路器2再與激 光光源1直接耦合連接。光纖環(huán)5,、 52、 53、 54分別通過各自的光纖耦合器11的1% 的端口與光纖合路器6的各端口相耦合連接，最后光纖合路器6與高速光電探測器7、 高速A/D轉(zhuǎn)換和信號處理模塊8依次順序相連接。
其中所述的脈沖激光光源1用來產(chǎn)生脈沖激光，兩個激光脈沖之間的時間間隔應 大于所有光纖環(huán)內(nèi)脈沖激光衰蕩時間和的5倍，譜線寬度能覆蓋光纖環(huán)5i、 52、 53、 54內(nèi)所用光纖傳感元件12的工作波長，脈沖寬度應小于各脈沖激光分別在光纖環(huán)5i、 52、 53、 54內(nèi)繞行一周所用時間的最大值。
所述的光纖分路器2為一 lx4波分復用器，其功能是將一脈沖激光分為四個不同
波長的脈沖激光，這些脈沖激光的強度會稍有不同。
所述的可調(diào)光衰減器3i、 32、 33、 34的功能是在光纖分路器2對各脈沖激光強度 大致調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上再進行微調(diào)，使耦合進入各光纖環(huán)中的脈沖激光的強度基本相等， 以便于和后續(xù)的高速光電探測器7的探測能力相匹配。
所述的光纖延遲線A、 42、 43由單模光纖構(gòu)成，其功能相同，但長度不同，都是 對脈沖激光起延遲作用，但延遲的時間存在差異，各光纖延遲線對脈沖激光的延遲時間為其之前各光纖環(huán)內(nèi)脈沖激光衰蕩時間和的5倍。又因為光纖的長度丄o由式子 丄0=&/^#決定，其中？為脈沖激光在長度為A)的光纖內(nèi)的傳播時間，因此第一個光纖
延遲線4,的長度丄產(chǎn)5z^/"^其中巧為光纖環(huán)5i內(nèi)脈沖激光的衰蕩時間。光纖延遲線 42的長度丄2=5(巧+巧》/",其中z"2為光纖環(huán)52內(nèi)脈沖激光的衰蕩時間。同理可得到光 纖延遲線43的長度&=5(巧+巧+&》/"6//，其中a為光纖環(huán)53內(nèi)脈沖激光的衰蕩時間。
所述的單模光纖10的長度應使各脈沖激光在相應的光纖環(huán)5i、 52、 53、 54內(nèi)繞行 一周的時間均大于脈沖激光的脈沖寬度。
所述的光纖傳感元件12為FBG、 LPFG、 F-P光纖腔、光纖微彎器或單模光纖。
所述的光纖合路器6為一 4"波分復用器，其功能是將從各光纖環(huán)5i、 52、 53、 54輸出的衰蕩信號合為一路，并傳輸至高速光電探測器7，由高速光電探測器7對各 衰蕩信號進行光電轉(zhuǎn)換。
所述的高速A/D轉(zhuǎn)換和信號處理模塊8是對各衰蕩信號的峰值進行提取并對峰值 進行單指數(shù)擬合，得出各脈沖激光在相應的光纖環(huán)內(nèi)的衰蕩時間，并做進一步的數(shù)據(jù) 處理。
本發(fā)明基于光纖腔衰蕩技術(shù)的分布式光纖傳感器第一實施方式的主要工作過程 為首先由脈沖激光光源1發(fā)出一脈沖激光，該脈沖激光經(jīng)光纖傳輸至光纖分路器2 后分成四束不同波長的脈沖激光，其中第一個脈沖激光經(jīng)可調(diào)光衰減器3,由光纖耦合 器9的1。/。的端口耦合進入光纖環(huán)5p第二、三、四個脈沖激光則分別依次經(jīng)過對應 的可調(diào)光衰減器32、 33、 34及光纖延遲線4p 42、 43再通過光纖耦合器9的1%的端口 耦合進入相應的光纖環(huán)52、 53、 54，其中由于光纖延遲線4,、 42、 43的延遲作用，使 得所延遲的脈沖激光必在5倍于上一個光纖環(huán)內(nèi)脈沖激光的衰蕩時間之后再進入相應 的光纖環(huán)。其中由光纖耦合器9耦合進光纖環(huán)內(nèi)的脈沖激光會在光纖環(huán)內(nèi)不斷繞行，由于光纖環(huán)5,內(nèi)存在各種損耗，這些損耗包括光纖耦合器9、 ll的耦合損耗和 插入損耗、單模光纖10及光纖耦合器9、 11的尾纖的傳輸損耗和光纖傳感元件12的 插入損耗及其間相互熔接的四個熔接點的插入損耗。因此光纖環(huán)5!內(nèi)脈沖激光的強度 就會不斷衰減，從光纖耦合器11的1%的端口輸出的是峰值呈單指數(shù)衰減的激光脈沖
序列，稱為衰蕩信號l，圖3給出了實驗測量的光纖環(huán)5J俞出的衰蕩信號。在5倍于 第一束脈沖激光在光纖環(huán)5!內(nèi)的衰蕩時間之后，經(jīng)延遲線4i產(chǎn)生時間延遲的第二束脈 沖激光由光纖耦合器9的1%的端口耦合進光纖環(huán)52內(nèi)，從光纖耦合器11的1%的端 口輸出的也是峰值呈單指數(shù)衰減的激光脈沖序列，稱為衰蕩信號2，基于相同的道理， 第三、四束脈沖激光經(jīng)相應的延遲線42、 43后分別由光纖環(huán)53、 54中光纖耦合器9的 1%的端口耦合進入光纖環(huán)53、 54,從光纖環(huán)53、 54分別輸出衰蕩信號3、 4，請參考示 意圖4,各光纖環(huán)所對應的衰蕩信號由于光纖延遲線4,、 42、 43的作用彼此錯開一定 時間，并且均耦合進入光纖合路器6。各衰蕩信號經(jīng)光纖合路器6合束后由高速光電 探測器7探測，并由高速光電探測器7將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺缓蠼?jīng)高速A/D轉(zhuǎn)換 和信號處理模塊8對各衰蕩信號做進一步的數(shù)據(jù)處理。
如圖5所示，本實施方式中針對探測到的每一個衰蕩信號，提取其峰值，采用單 指數(shù)衰減函數(shù)y二Aexp(-t/力+yo對峰值進行擬合得到該衰蕩信號的衰蕩時間Tb。對于每 一個光纖環(huán)，當光纖傳感元件12沒有感知到外界物理量的作用時，脈沖激光在光纖環(huán)
內(nèi)的衰蕩時間為7。=-^-，其中&="eyvc為脈沖激光在光纖環(huán)內(nèi)繞行一
周所用的時間，",為光纖的有效折射率，丄為光纖環(huán)的長度，c為真空中的光速，2% 為兩個光纖耦合器9和11的耦合損耗和插入損耗、"為單模光纖10及光纖耦合器9 和11的尾纖的傳輸損耗、4c^為四個熔接點的插入損耗，a,為光纖傳感元件12的插入 損耗。當光纖傳感元件12感知到外界物理量的作用時，光纖傳感元件12的插入損耗會發(fā)生變化，使光纖環(huán)內(nèi)的總損耗發(fā)生變化，此時脈沖激光在光纖環(huán)內(nèi)的衰蕩時間變 為<formula>formula see original document page 12</formula>-，其中A",為光纖傳感元件12感知到外界物理量的作用
后插入損耗的變化量。由以上兩式可得光纖傳感元件12插入損耗的變化量為
<formula>formula see original document page 12</formula>，由于光纖傳感元件12插入損耗的變化量與外界物理量的作用量是一 f r。
一對應的，從而由A^可得到外界物理量的作用量，達到傳感的目的?；谙嗤牡?理，每個光纖環(huán)中的光纖傳感元件12都可感知其所在位置外界物理量的作用。
本發(fā)明基于光纖腔衰蕩技術(shù)的分布式光纖傳感器針對各光纖環(huán)5,、 52、 53、 54內(nèi) 的光纖傳感元件12，通過一次測量就可從各光纖環(huán)5、52、 53、 54輸出的衰蕩信號中 解調(diào)出該光纖環(huán)中光纖傳感元件12所感知的外界物理量的作用量，且由于各光纖環(huán)之 間相互獨立，因此實現(xiàn)了分布式光纖傳感的功能。
本發(fā)明各光纖環(huán)內(nèi)的光纖傳感元件12可以為FBG、 LPFG或F-P光纖腔，也可以 為光纖微彎器或單模光纖，前者測量精度高，而后者測量范圍大。下面以光纖傳感元 件12為FBG為例進一步介紹基于光纖腔衰蕩技術(shù)的分布式光纖傳感器的詳細的解調(diào) 方法。圖6所示為實驗所用作為光纖傳感元件12的一個FBG的反射譜，所用脈沖激 光的波長處于FBG的反射譜主反射峰兩側(cè)的中間部分，如圖中的a點或b點，當光纖 環(huán)5,內(nèi)的FBG感知到外界物理量作用時，其反射譜會發(fā)生漂移，對于入射進該環(huán)內(nèi) 波長一定的脈沖激光，F(xiàn)BG的反射率會發(fā)生變化，使光纖環(huán)5,內(nèi)的總損耗發(fā)生相應的 變化，最終從光纖環(huán)5,輸出的衰蕩信號的衰蕩時間也發(fā)生相應變化。通過測量外界物 理量作用前后脈沖激光在各光纖環(huán)內(nèi)的兩次衰蕩時間，就可得知各光纖環(huán)內(nèi)總損耗的 變化量，從而得到光纖環(huán)內(nèi)FBG中心波長的漂移量，進一步可得到外界物理量的作用 量，達到利用FBG實現(xiàn)分布式光纖傳感的目的?；谙嗤牡览?，利用LPFG、 F-P光纖腔、光纖微彎器、單模光纖可實現(xiàn)不同測量精度和測量范圍的分布式光纖傳感的 目的。
本發(fā)明各光纖環(huán)內(nèi)的光纖傳感元件12可相同，也可不同，可同時測同種物理量， 也可同時測不同種物理量，只要待測物理量能引起光纖傳感元件12的插入損耗發(fā)生一 定的變化即可。因此本發(fā)明分布式光纖傳感器不但可以實現(xiàn)對同一物理量的分布測量， 也可實現(xiàn)同時對不同物理量的分布測量，因此功能強，方便實用，具有極大實際應用 價值。
裝置實施例2，如圖2所示。本實施例取n-4，本發(fā)明的測量裝置包括激光光源 1，光纖分路器2，可調(diào)光衰減器3i、 32、 33、 34，光纖延遲線4i、 42、 43，光纖環(huán)5^ 52、 53、 54，光纖合路器6，高速光電探測器7，高速A/D轉(zhuǎn)換和信號處理模塊8，其 中所述光纖分路器2由四個lx2光纖耦合器2p 22、 23、 24及折射率匹配液25組成， 所述的折射率匹配液25是為了抑制剩余脈沖激光在光纖出射端面產(chǎn)生反射，從而對測 量結(jié)果造成影響，所述的光纖合路器6為一4xl光纖合束器，其功能是將從各光纖環(huán)
輸出的衰蕩信號合為一束。
將圖2所示第二實施方式與圖1所示第一實施方式進行比較可以發(fā)現(xiàn)，第一實施
方式中是通過一波分復用器對脈沖激光的波長進行分光，而第二實施方式中是通過四 個lx2光纖耦合器2p 22、 23、 24對脈沖激光的強度進行逐次分光；第一實施方式中 是通過一波分復用器對從各光纖環(huán)輸出的衰蕩信號進行合束，而第二實施方式中是通 過一 lx4光纖合束器對從各光纖環(huán)輸出的衰蕩信號進行合束。其中光纖耦合器2i—端 與激光光源1直接相耦合連接， 一端經(jīng)由可調(diào)光衰減器3!與光纖環(huán)中的光纖耦合器 9的1%的端口相熔接，另一端與光纖耦合器22直接相熔接，其余光纖耦合器22、 23、 24均分別依次通過相應的可調(diào)光衰減器32、 33、 34和光纖延遲線4,、 42、 43與各自的光纖環(huán)52、 53、 54中的光纖耦合器9的1%的端口相連接，且光纖耦合器22、 23、 24 之間順次熔接，光纖耦合器24的一端與折射率匹配液25相連。
本發(fā)明基于光纖腔衰蕩技術(shù)的分布式光纖傳感器第二實施方式的主要工作過程 為激光光源l出射的脈沖激光經(jīng)第一個光纖耦合器2!分為兩束，其中一束B:沖激光 經(jīng)可調(diào)光衰減器3,由光纖環(huán)5!中的光纖耦合器9的1%的端口耦合進入光纖環(huán)5!內(nèi)， 進入光纖環(huán)5,的脈沖激光在光纖環(huán)5,內(nèi)不斷繞行，由于光纖環(huán)5,內(nèi)存在各種損耗， 光纖環(huán)5,內(nèi)脈沖激光的強度就會不斷衰減，從光纖環(huán)5〗中的光纖耦合器11的1%的端 口輸出的是峰值呈單指數(shù)衰減的激光脈沖序列，稱為衰蕩信號1,另一束脈沖激光經(jīng) 第二個光纖耦合器22再分為兩束，其中一束脈沖激光經(jīng)可調(diào)光衰減器32再經(jīng)光纖延遲 線A延遲后由光纖環(huán)52中的光纖耦合器9的1%的端口耦合進光纖環(huán)52內(nèi)，并經(jīng)過多 次繞行和衰減損耗后，從光纖環(huán)52中的光纖耦合器11的1%的端口輸出的也是峰值呈 單指數(shù)衰減的激光脈沖序列，稱為衰蕩信號2，另一束脈沖激光經(jīng)第三個光纖耦合器 23再分為兩束?；谙嗤牡览?，分別依次經(jīng)光纖耦合器23、 24和可調(diào)光衰減器33、 34以及光纖延遲線42、 43將脈沖激光耦合進相應的光纖環(huán)53、 54內(nèi)，從光纖環(huán)53、 54 中光纖耦合器11的1%的端口輸出的為相應的衰蕩信號3、 4。由于光纖延遲線4i、 42、 43的作用，從光纖環(huán)5i、 52、 53、 54輸出的衰蕩信號1、 2、 3、 4彼此錯開一定時間， 光纖延遲線4,、 42、 43的長度的取決原則與第一實施方式中所述的原則相似。
從光纖環(huán)5,、 52、 53、 54輸出的衰蕩信號1、 2、 3、 4都經(jīng)光纖合束器6合束，再 由高速光電探測器7探測，并由高速光電探測器7將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺缓蠼?jīng)高 速A/D轉(zhuǎn)換和信號處理模塊8對各衰蕩信號做進一步的數(shù)據(jù)處理。與第一實施方式中 的處理方法相似，通過測量外界物理量作用前后脈沖激光在每個光纖環(huán)內(nèi)的兩次衰蕩 時間，從兩次衰蕩時間中解調(diào)出該光纖環(huán)中光纖傳感元件12所感知的外界物理量的作用量。
另外本實施方式中與第一實施方式中所用的光纖傳感元件12相同，也包括:FBG、
LPFG、 F-P光纖腔、光纖微彎器、單模光纖。
本發(fā)明基于光纖腔衰蕩技術(shù)的分布式光纖傳感器不限于上述實施方式，可作進一
步改進，如本發(fā)明分布式光纖傳感器中的光纖環(huán)數(shù)目不限于四個，根據(jù)實際需要和
成本考慮，可調(diào)整數(shù)目。光纖傳感元件12不限于FBG、 LPFG、 F-P光纖腔、光纖微 彎器、單模光纖，只要能引起光纖環(huán)內(nèi)的總損耗發(fā)生一定的變化即可，可根據(jù)實際需 要選擇合適的實施方式和光^H專感元件12。
綜上所述本發(fā)明基于光纖腔衰蕩技術(shù)的分布式光纖傳感器通過多個相對獨立的光 纖環(huán)設(shè)計，不但可以實現(xiàn)對同一物理量的分布測量，也可實現(xiàn)同時對不同物理量的測 量，測量精度高，速度快，適用范圍廣，易于擴展傳感頭，且操作簡單，可實現(xiàn)實用 化和工程化，具有極大的實際應用價值。
權(quán)利要求
1. 一種基于光纖腔衰蕩技術(shù)的分布式光纖傳感器，其特征在于包括脈沖激光光源(1)、光纖分路器(2)、若干可調(diào)光衰減器(31～n)、若干光纖延遲線(41～n-1)、若干光纖環(huán)(51～n)、光纖合路器(6)、高速光電探測器(7)、高速模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換和信號處理模塊(8)；激光光源(1)與光纖分路器(2)相連，光纖分路器(2)連接若干可調(diào)光衰減器(31～n)；第一個光纖環(huán)(51)直接與可調(diào)光衰減器(31)連接，其他光纖環(huán)(52～n)均經(jīng)過相應的光纖延遲線(41～n-1)后與相應的可調(diào)光衰減器(32～n)連接；若干光纖環(huán)(51～n)的輸出端連接光纖合路器(6)，光纖合路器(6)再與高速光電探測器(7)、高速A/D轉(zhuǎn)換和信號處理模塊依次相互連接；所述的光纖環(huán)(51～n)是上下兩端的光纖耦合器(9)和(11)與左右兩側(cè)的單模光纖(10)和光纖傳感元件(12)順序連接，其中光纖耦合器(9)的低分光比的端口作為輸入端，光纖耦合器(11)的低分光比的端口作為輸出端。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖腔衰蕩技術(shù)的分布式光纖傳感器，其特征在于 所述的光纖分路器(2)和光纖合路器(6)為lxn波分復用器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖腔衰蕩技術(shù)的分布式光纖傳感器，其特征在于 所述的光纖分路器(2)為與若干可調(diào)光衰減器(3^n)數(shù)量相等的若干個1x2光 纖耦合器(2Kn)及折射率匹配液(2n+1)串聯(lián)而成；與其相適應的光纖合路器(6) 是nxl光纖合束器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖腔衰蕩技術(shù)的分布式光纖傳感器，其特征在于 所述的光纖延遲線(4^.,)的長度丄;=5(>1+&+……+T;)c/"e#，其中i為0 n-l， Z] 為光纖環(huán)(5,)內(nèi)的脈沖激光的衰蕩時間，c為光速，"^為光纖的有效折射率。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光纖腔衰蕩技術(shù)的分布式光纖傳感器，其特征在于所述的波分復用器是光柵型波分復用器、介質(zhì)薄膜濾波型波分復用器或集成光波導型波分復用器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖腔衰蕩技術(shù)的分布式光纖傳感器，其特征在于 所述的光纖傳感元件(12)是光纖布拉格光柵、長周期光纖光柵、法布里-珀羅 光纖腔、光纖微彎器或單模光纖。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖腔衰蕩技術(shù)的分布式光纖傳感器，其特征在于所述的光纖耦合器(9)和(11)為lx2光纖耦合器，其分光比大于90%:10%。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖腔衰蕩技術(shù)的分布式光纖傳感器，其特征在于所述的單模光纖(io)的長度取值范圍在4^與^之間，其中^為脈沖激光器10 / %的脈沖寬度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于光纖腔衰蕩技術(shù)的分布式光纖傳感器，其特征在于激光光源與光纖分路器相連，光纖分路器連接若干可調(diào)光衰減器；第一個光纖環(huán)直接與可調(diào)光衰減器連接，其他光纖環(huán)均經(jīng)過相應的光纖延遲線后與相應的可調(diào)光衰減器連接；若干光纖環(huán)的輸出端連接光纖合路器，光纖合路器再與高速光電探測器、高速A/D轉(zhuǎn)換和信號處理模塊依次相互連接；所述的光纖環(huán)是在一個環(huán)狀光纖的上下兩端分別連接光纖耦合器，左右兩側(cè)分別連接單模光纖和光纖傳感元件。有益效果是將對強度或波長的測量轉(zhuǎn)化為對光纖環(huán)衰蕩時間的測量，實現(xiàn)一次測量的時間也只要毫秒量級，解調(diào)方法簡單，容易實現(xiàn)分布式傳感，可對多個物理量進行同時測量。
文檔編號G01D5/353GK101298992SQ200810018389
公開日2008年11月5日 申請日期2008年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月5日
發(fā)明者姜亞軍, 張毓靈, 楊德興, 趙建林 申請人:西北工業(yè)大學