一種光纖聲波傳感器及光纖聲波探測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光纖聲波傳感器及光纖聲波探測方法，光纖聲波傳感器包括第一光纖光柵、傳感單元、耦合器、第二光纖光柵、可調(diào)諧衰減器、泵浦源、波分復(fù)用器、增益光纖、和反射鏡；耦合器包括四個端口，第一端口通過傳感單元與第一光纖光柵連接，第二端口通過可調(diào)諧衰減器與第二光纖光柵連接，第三端口依次通過波分復(fù)用器和增益光纖與反射鏡連接；所述泵浦源與所述波分復(fù)用器連接；第四端口用于與外部的信號解調(diào)裝置連接。本發(fā)明利用了雙波長激光器增益競爭效應(yīng)和信號處理采用雙通道作差的方法，來減小噪音，提高靈敏度。本發(fā)明具有：靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單，堅(jiān)固，成本低，產(chǎn)品成功率高，工作穩(wěn)定，對環(huán)境溫度不敏感等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種光纖聲波傳感器及光纖聲波探測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖聲波傳感器領(lǐng)域，更具體地，涉及一種光纖聲波傳感器及光纖聲波探測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖傳感器的基本工作原理是將光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)(如光的強(qiáng)度、波長、頻率、相位、偏正態(tài)等)發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號光，在經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。光纖傳感器可以用來測量多種物理量，比如聲場、電場、壓力、溫度、角速度、加速度等，還可以完成現(xiàn)有測量技術(shù)難以完成的測量任務(wù)。在狹小的空間里，在強(qiáng)電磁干擾和高電壓的環(huán)境里，光纖傳感器都顯示出了獨(dú)特的能力。
[0003]聲波(Sound Wave或Acoustic Wave)是聲音的傳播形式。聲波是一種機(jī)械波，由物體(聲源)振動產(chǎn)生，聲波傳播的空間就稱為聲場。在氣體和液體介質(zhì)中傳播時是一種縱波，但在固體介質(zhì)中傳播時可能混有橫波。
[0004]目前，實(shí)用化的光纖聲波傳感器的方法用上了一個換能器而且靈敏度不高。(I)單縱模偏振拍頻聲壓傳感器:在傳感部分有一層薄膜，將聲壓轉(zhuǎn)換成薄膜的壓力。(2)單模-多模-單模光纖聲壓傳感器:也是用薄膜傳導(dǎo)聲壓，引起光纖彎曲，使能量泄露。(3)光纖光柵聲壓傳感器:在光纖光柵的涂覆層做成聲波靈敏的薄膜。這些聲波光纖傳感器存在換能器件，降低了聲壓的利用，靈敏度低。
[0005]還有的光纖聲波傳感器做成微結(jié)構(gòu)，比如(I)超陡錐聲壓傳感器:傳感部分是將光纖拉成超細(xì)，陡的錐形的區(qū)域。(2)微結(jié)構(gòu)質(zhì)量塊光纖傳感器:是將光纖其中的一小段涂覆層保留，放入氫氟酸中腐蝕一段時間后把留下的涂覆層去掉，再腐蝕。這樣就留下了一個質(zhì)量塊的微結(jié)構(gòu)光纖作為傳感部位。這些聲波光纖傳感器制作復(fù)雜，易碎。
[0006]還有的光纖聲波傳感器是干涉型的，比如(I)馬赫曾德干涉聲波傳感器，體積龐大，一般都幾十米。(2)石墨烯薄膜成法布里珀羅干涉結(jié)構(gòu):成本極高，成功率極低。
[0007]綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)存在著靈敏度低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高技術(shù)問題

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種光纖聲波傳感器及光纖聲波探測方法，其目的在于提高聲波信號探測的靈敏度，由此解決靈敏度低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高的技術(shù)問題。
[0009]本發(fā)明提供了一種光纖聲波傳感器，包括第一光纖光柵、傳感單兀、稱合器、第二光纖光柵、可調(diào)諧衰減器、泵浦源、波分復(fù)用器、增益光纖和反射鏡；所述耦合器包括四個端口，第一端口通過傳感單元與第一光纖光柵連接，第二端口通過可調(diào)諧衰減器與第二光纖光柵連接，第三端口依次通過波分復(fù)用器和增益光纖與反射鏡連接；所述泵浦源與所述波分復(fù)用器連接；第四端口用于與外部的信號解調(diào)裝置連接。[0010]進(jìn)一步優(yōu)選地，所述光纖聲波傳感器工作時，泵浦源輸出泵浦光，泵浦光通過波分復(fù)用器耦合至增益光纖中，增益光纖輸出自發(fā)輻射光，自發(fā)輻射光經(jīng)過反射鏡反射后分別通過增益光纖和波分復(fù)用器輸入至耦合器中；耦合器將光均分為兩束，一束通過傳感單元傳輸至第一光纖光柵中，與第一光纖光柵中心波長一致的光被所述第一光纖光柵反射后通過所述傳感單元輸入至所述耦合器，再依次通過所述波分復(fù)用器和增益光纖后輸出能量增大的輻射光，該輻射光被反射鏡反射，并在第一光纖光柵和反射鏡形成的腔中來回振蕩，當(dāng)與第一光纖光柵中心波長一致的光的增益大于損耗時從所述耦合器的第四端口輸出第一激光；另一束光通過可調(diào)諧衰減器傳輸至第二光纖光柵中，與第二光纖光柵中心波長一致的光被第二光纖光柵反射后通過可調(diào)諧衰減器輸入至耦合器，再依次通過波分復(fù)用器和增益光纖后輸出能量增大的輻射光，該輻射光被反射鏡反射，并在第二光纖光柵和反射鏡形成的腔中來回振蕩，當(dāng)與第二光纖光柵中心波長一致的光的增益大于損耗時從所述耦合器的第四端口輸出第二激光。
[0011]進(jìn)一步優(yōu)選地，所述耦合器為功率分光比為1:1的耦合器。
[0012]進(jìn)一步優(yōu)選地，所述傳感單元包括依次連接的第一單模光纖、多模光纖和第二單模光纖。
[0013]進(jìn)一步優(yōu)選地，所述多模光纖的纖芯直徑為105微米，包層直徑為125微米。
[0014]進(jìn)一步優(yōu)選地，所述多模光纖為無芯光纖，所述無芯光纖的直徑為125微米。
[0015]本發(fā)明還提供了一種基于上述的光纖聲波傳感器的光纖聲波探測方法，包括下述步驟:
[0016]S1:通過調(diào)節(jié)可調(diào)諧衰減器的衰減值使得第一激光和第二激光的光功率相等；
[0017]S2:當(dāng)傳感單元置于聲波場中時，第一激光的凈增益受到聲波信號的調(diào)制；所述第二激光的凈增益的變化量與所述第一激光的凈增益的變化量相反；
[0018]S3:第一激光的光功率變化的頻率即為被探測的聲波信號的頻率；被探測的聲波信號的強(qiáng)度越大，所述第一激光的光功率變化的幅度就越大。
[0019]進(jìn)一步優(yōu)選地，在步驟S2中，所述第一激光的凈增益受到聲波信號的調(diào)制過程為:第一激光的凈增益隨著聲波信號的增大而減?。坏谝患す獾膬粼鲆骐S著聲波信號的減小而增大。
[0020]本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)有:
[0021](I)靈敏度高:本發(fā)明的光纖聲波傳感器中是處在小信號增益的工作狀態(tài)，當(dāng)其中一個波長獲得增益，光強(qiáng)的大小按指數(shù)增加，同時另一個波長無法獲得增益，此時的增益介質(zhì)成為吸收介質(zhì)，能量急劇減小。那么兩束光的能量差是隨著增益按指數(shù)變化的。同時我們采用雙通道作差法，靈敏度也可以提高兩倍。
[0022](2)結(jié)構(gòu)簡單，堅(jiān)固，成本低，成功率高:在上述的技術(shù)背景里介紹過，現(xiàn)存的聲波傳感器都采用了復(fù)雜的換能器，使其成本高，成功率低。我們采用單模-多模-單模光纖作為傳感元件，都是基本器件，采用成熟的熔接機(jī)就可以做好傳感單元。
[0023](3)工作穩(wěn)定，有對環(huán)境溫度的補(bǔ)償作用:首先，作為選擇波長的光纖光柵對溫度的靈敏度是10皮米/攝氏度，而我們的濾波器帶寬是80皮米而且可調(diào)，可調(diào)諧范圍覆蓋整個C波段，所以可以覆蓋溫度的變化，有反饋?zhàn)饔谩Ｆ浯?，我們信號解調(diào)采用雙通道作差，溫度引起功率的微小變化可以通過作差而消除?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的光纖聲波傳感器的整體原理結(jié)構(gòu)框圖；
[0025]圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的光纖聲波傳感器中傳感元件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的光纖聲波傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖
[0027]圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的光纖聲波探測方法的實(shí)現(xiàn)流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0029]本發(fā)明提出了一種單模-多模-單模光纖作為傳感元件的光纖聲波傳感方法，基于雙波長激光器益競爭效應(yīng)，能夠減小傳感裝置體積，提高靈敏度，同時結(jié)構(gòu)簡單，堅(jiān)固，成本低，成功率高。整個系統(tǒng)可以分兩大部分，一部分是形成雙波長激光器，傳感單元在其中一個波長的腔中；另一部分是信號解調(diào)裝置。
[0030]圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的光纖聲波傳感器的整體原理結(jié)構(gòu)框圖，為了便于說明，僅示出了與本發(fā)明實(shí)施例相關(guān)的部分，詳述如下:
[0031]光纖聲波傳感器包括第一光纖光柵1、傳感單兀2、稱合器3、第二光纖光柵4、可調(diào)諧衰減器5、泵浦源6、波分復(fù)用器7、增益光纖8和反射鏡9 ;耦合器3包括四個端口，第一端口通過傳感單元2與第一光纖光柵I連接，第二端口通過可調(diào)諧衰減器5與第二光纖光柵4連接，第三端口依次通過波分復(fù)用器7和增益光纖8與反射鏡9連接；泵浦源6與所述波分復(fù)用器7連接；第四端口用于與外部的信號解調(diào)裝置連接。
[0032]光纖聲波傳感器工作時，泵浦源6輸出泵浦光，泵浦光通過波分復(fù)用器7耦合至增益光纖8中，增益光纖8輸出自發(fā)輻射光，自發(fā)輻射光經(jīng)過反射鏡9反射后分別通過增益光纖8和波分復(fù)用器7輸入至耦合器3中；耦合器3將光均分為兩束，一束通過傳感單元2傳輸至第一光纖光柵I中，與第一光纖光柵I中心波長一致的光被所述第一光纖光柵I反射后通過所述傳感單元2輸入至所述耦合器3，再依次通過所述波分復(fù)用器7和增益光纖8后輸出能量增大的福射光，該福射光被反射鏡9反射,并在第一光纖光柵I和反射鏡9形成的腔中來回振蕩，當(dāng)與第一光纖光柵I中心波長一致的光的增益大于損耗時從所述耦合器3的第四端口輸出第一激光；另一束光通過可調(diào)諧衰減器5傳輸至第二光纖光柵4中，與第二光纖光柵4中心波長一致的光被第二光纖光柵4反射后通過可調(diào)諧衰減器5輸入至耦合器3，再依次通過波分復(fù)用器7和增益光纖8后輸出能量增大的輻射光，該輻射光被反射鏡9反射，并在第二光纖光柵4和反射鏡9形成的腔中來回振蕩，當(dāng)與第二光纖光柵4中心波長一致的光的增益大于損耗時從所述耦合器3的第四端口輸出第二激光。
[0033]在本發(fā)明實(shí)施例中，耦合器3為功率分光比為1:1的耦合器。
[0034]如圖2所示，在本發(fā)明實(shí)施例中，傳感單元2包括依次連接的第一單模光纖21、多模光纖22和第二單模光纖23。其中，多模光纖22可以為纖芯直徑為105微米，包層直徑為125微米的多模光纖。多模光纖22還可以為無芯光纖,無芯光纖的直徑為125微米。[0035]本發(fā)明實(shí)施例提供的光纖傳感器，在激光產(chǎn)生中，只要腔內(nèi)的縱模獲得的增益超過損耗時，最大的凈增益(增益減去損耗)的縱模首先起振，根據(jù)均勻加寬增益介質(zhì)的特性其他縱模的增益就要減小。但是如果腔內(nèi)存在兩個或兩個以上的縱模，即他們的凈增益相當(dāng)時，就會存在著強(qiáng)烈的增益競爭。多波長激光器的增益競爭，導(dǎo)致光在激光器腔內(nèi)振蕩的不穩(wěn)定。輸出光譜會變得很不穩(wěn)，一會兒輸出其中一個，一會輸出另一個。這種不利因素應(yīng)該避免。本發(fā)明巧妙的利用了雙波長激光器增益競爭效應(yīng)，并結(jié)合了單模-多模-單模光纖傳輸特性。單模-多模-單模光纖能形成對不同波長產(chǎn)生不同透射率的調(diào)制，當(dāng)有微小信號作用在多模光纖處，對其折射率微小調(diào)制或形狀形變都能改變透射譜，對不同波長調(diào)制程度不一樣。即對單一波長的光來說，外界信號改變光通過單模-多模-單模光纖的透射率，也就是改變它的損耗。
[0036]本發(fā)明的光纖聲波傳感器中是處在小信號增益的工作狀態(tài)，當(dāng)其中一個波長獲得增益，光強(qiáng)的大小按指數(shù)增加，同時另一個波長無法獲得增益，此時的增益介質(zhì)成為吸收介質(zhì)，能量急劇減小。那么兩束光的能量差是隨著增益按指數(shù)變化的。前面提到了，凈增益最大的對應(yīng)的波長最先獲得增益。凈增益可以通過單模-多模-單模光纖傳輸特性來調(diào)節(jié)。當(dāng)微擾作用在單模-多模-單模傳感單元時，這一路的光損耗受到微擾信號的調(diào)制，隨后雙波長凈增益也相應(yīng)被調(diào)制，這是通過損耗來調(diào)節(jié)雙波長增益的競爭，最后導(dǎo)致兩束光的能量差是隨著微擾信號的調(diào)制而變化的。從而有效的提高了靈敏度。上述的傳感器輸出信號時，其方法是:用可調(diào)諧濾波器，將兩波長的光分開，雙端口輸出，然后用光探測器接收，最后輸入示波器，能量作差，消除噪音。
[0037]如圖3所示，信號解調(diào)裝置包括:光纖聲波傳感器包括可調(diào)諧光濾波器10、第一光探頭11和第二光探頭12、示波器13?？烧{(diào)諧光濾波器10的兩個端口分別和第一光探頭11和第二光探頭12連接，然后第一光探頭11和第二光探頭12連接同時連接到示波器13上。
[0038]當(dāng)?shù)谝缓偷诙す鈴牡谒亩溯敵觯M(jìn)入可調(diào)諧光濾波器10分開，并分別進(jìn)入第一光探頭11和第二光探頭12,最后第一和第二激光輸入不波器13,雙通道作差處理,就可以解調(diào)出聲波信號。
[0039]本發(fā)明提出的光纖聲波傳感器利用雙波長激光器增益競爭效應(yīng)的來提高靈敏度，同時結(jié)構(gòu)簡單，堅(jiān)固，成本低，成功率可以說達(dá)到100%。
[0040]本發(fā)明還提供了一種基于上述的光纖聲波傳感器的光纖聲波探測方法，如圖4所示，包括下述步驟:
[0041]S1:通過調(diào)節(jié)可調(diào)諧衰減器的衰減值使得第一激光和第二激光的光功率相等；
[0042]S2:當(dāng)傳感單元置于聲波場中時，第一激光的凈增益受到聲波信號的調(diào)制；所述第二激光的凈增益的變化量與所述第一激光的凈增益的變化量相反；
[0043]S3:第一激光的光功率變化的頻率即為被探測的聲波信號的頻率；被探測的聲波信號的強(qiáng)度越大，所述第一激光的光功率變化的幅度就越大。
[0044]其中，在步驟S2中，所述第一激光的凈增益受到聲波信號的調(diào)制過程為:第一激光的凈增益隨著聲波信號的增大而減?。坏谝患す獾膬粼鲆骐S著聲波信號的減小而增大。
[0045]綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例提供的光纖聲波傳感器及光纖聲波探測方法主要具有如下優(yōu)點(diǎn):(1)靈敏度高:光纖聲波傳感器中是處在小信號增益的工作狀態(tài)，當(dāng)其中一個波長獲得增益，光強(qiáng)的大小按指數(shù)增加，同時另一個波長無法獲得增益，此時的增益介質(zhì)成為吸收介質(zhì)，能量急劇減小。那么兩束光的能量差是隨著增益按指數(shù)變化的。同時我們采用雙通道作差法，靈敏度也可以提高兩倍。(2)結(jié)構(gòu)簡單，堅(jiān)固，成本低，成功率高。采用單模-多模-單模光纖作為傳感元件，都是基本器件，采用成熟的熔接機(jī)就可以做好傳感單元。(3)工作穩(wěn)定，有對環(huán)境溫度的補(bǔ)償作用。首先，作為選擇波長的光纖光柵對溫度的靈敏度是10皮米/攝氏度，而我們的濾波器帶寬是80皮米而且可調(diào)，可調(diào)諧范圍覆蓋整個C波段，所以可以覆蓋溫度的變化，有反饋?zhàn)饔?。其次，我們信號解調(diào)采用雙通道作差，溫度引起功率的微小變化可以通過作差而消除。
[0046]為了更進(jìn)一步的說明本發(fā)明實(shí)施例提供的光纖聲波傳感器及光纖聲波探測方法，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0047]實(shí)施例1:
[0048]如圖3所示，本實(shí)施例的光纖聲波傳感器包括第一光纖光柵1，用于波長選擇；傳感單元2，用于捕捉聲波微弱信號；功率分光比為1:1的耦合器3，是一種傳送和分配信號的無源器件，有4個端口 ；反射波長不同于第一光纖光柵I的第二光纖光柵4，用于波長選擇；可調(diào)諧衰減器5，可對信號產(chǎn)生一定的能量衰減，平衡兩個通道的損耗；泵浦源6，為激光器提供激勵源；波分復(fù)用器7，將泵浦光能量耦合到增益光纖中；增益光纖8，為激光器提供增益；反射鏡9,與第一光纖光柵1，第二光纖光柵4構(gòu)成激光器的諧振腔；可調(diào)諧光濾波器10,用于濾除激光波長；第一光探頭11和第二光探頭12,將光信號接收轉(zhuǎn)換成電信號；示波器13，接收和解調(diào)電信號，通過顯示器顯示出來；上述器件用單模光纖連接。
[0049]當(dāng)泵浦源6輸出的泵浦光通過波分復(fù)用器7耦合到增益光纖8中，產(chǎn)生自發(fā)輻射光，通過單模光纖傳輸，來到反射鏡9，自發(fā)輻射光會反射回去，通過增益光纖8，波分復(fù)用器7，耦合到耦合器3中，能量均勻分成兩束。其中一束光通過傳感單元2，聲波信息就加載在光束中，接著傳輸?shù)降谝还饫w光柵1，然后在光纖光柵反射區(qū)的中心波長反射回去，其他的光通過。位于第一光纖光柵I的中心波長的光返回傳感單元2，通過耦合器3耦合到波分復(fù)用器7，接著通過增益光纖8，在反射鏡9反射，如此往復(fù)，發(fā)生受激輻射，形成激光輸出。另一束光在耦合器3后通過可調(diào)諧衰減器5，產(chǎn)生固定的衰減。隨后傳輸?shù)降诙饫w光柵4時,在光纖光柵反射區(qū)的中心波長反射回去,其他的光通過。第二光纖光柵4的布拉格反射波長的光返回5，通過耦合器3耦合到波分復(fù)用器7，接著通過增益光纖8，在反射鏡9反射，如此往復(fù)，發(fā)生受激輻射，形成激光輸出。耦合器3第四端口和可調(diào)諧濾波器10連接，目的是將產(chǎn)生的信號光引出來，通過可調(diào)諧濾波器10分成第一和第二激光，分別輸入到功率探測器11，12中轉(zhuǎn)換成電信號，在示波器13示波器中處理，便可以得到信號的信息。
[0050]圖2所示，是圖3中傳感單元2的結(jié)構(gòu)示意圖。包括第一單模光纖21和第二單模光纖23，多模光纖22，纖芯直徑105微米，包層直徑125微米，材料主要是二氧化硅，但是摻雜不同.1至9形成了雙波長激光器，雙波長是由第一光纖光柵I和第二光纖光柵4來選擇決定。10至13是信號解調(diào)系統(tǒng)。
[0051]實(shí)施例2:
[0052]如圖3所示，本實(shí)施例的光纖聲波傳感器包括第一光纖光柵1，用于波長選擇；傳感單元2，用于捕捉聲波微弱信號；功率分光比為1:1的耦合器3，是一種傳送和分配信號的無源器件，有4個端口 ；反射波長不同于第一光纖光柵I的第二光纖光柵4，用于波長選擇；可調(diào)諧衰減器5，可對信號產(chǎn)生一定的能量衰減，平衡兩個通道的損耗；泵浦源6，為激光器提供激勵源；波分復(fù)用器7，將泵浦光能量耦合到增益光纖中；增益光纖8，為激光器提供增益；反射鏡9,與第一光纖光柵1，第二光纖光柵4構(gòu)成激光器的諧振腔；可調(diào)諧光濾波器10,用于濾除激光波長；第一光探頭11和第二光探頭12,將光信號接收轉(zhuǎn)換成電信號；示波器13，接收和解調(diào)電信號，通過顯示器顯示出來；上述器件用單模光纖連接。
[0053]當(dāng)泵浦源6輸出的泵浦光通過波分復(fù)用器7耦合到增益光纖8中，產(chǎn)生自發(fā)輻射光，通過單模光纖傳輸，來到反射鏡9，自發(fā)輻射光會反射回去，通過增益光纖8，波分復(fù)用器7，耦合到耦合器3中，能量均勻分成兩束。其中一束光通過傳感單元2，聲波信息就加載在光束中，接著傳輸?shù)降谝还饫w光柵1，然后在光纖光柵反射區(qū)的中心波長反射回去，其他的光通過。位于第一光纖光柵I的中心波長的光返回傳感單元2，通過耦合器3耦合到波分復(fù)用器7，接著通過增益光纖8，在反射鏡9反射，如此往復(fù)，發(fā)生受激輻射，形成激光輸出。另一束光在耦合器3后通過可調(diào)諧衰減器5，產(chǎn)生固定的衰減。隨后傳輸?shù)降诙饫w光柵4時,在光纖光柵反射區(qū)的中心波長反射回去,其他的光通過。第二光纖光柵4的布拉格反射波長的光返回5，通過耦合器3耦合到波分復(fù)用器7，接著通過增益光纖8，在反射鏡9反射，如此往復(fù)，發(fā)生受激輻射，形成激光輸出。耦合器3第四端口和可調(diào)諧濾波器10連接，目的是將產(chǎn)生的信號光引出來，通過可調(diào)諧濾波器10分成第一和第二激光，分別輸入到功率探測器11，12中轉(zhuǎn)換成電信號，在示波器13示波器中處理，便可以得到信號的信息。
[0054]圖2所示，是圖3中傳感單元2的結(jié)構(gòu)示意圖。包括第一單模光纖21和第二單模光纖23，無芯光纖22，特殊的多模光纖，直徑125微米且為同種材料。I至9形成了雙波長激光器，雙波長是由第一光纖光柵I和第二光纖光柵4來選擇決定。10至13是信號解調(diào)系統(tǒng)。
[0055]實(shí)驗(yàn)的具體的步驟是:(I)按圖1連接好器件，打開泵浦源6，增大功率，直到激光穩(wěn)定輸出，略大于閾值功率。(2)調(diào)節(jié)可調(diào)諧衰減器10，使雙波長激光穩(wěn)定輸出，同時保證功率基本相等。(3)聲波信號作用在傳感單元2上。(4)通過信號解調(diào)系統(tǒng)，得出聲波信號的信息。
[0056]本發(fā)明實(shí)施例中，米用雙波長光纖聲波傳感器測量聲波。一個波長用作參考，另一個波長用來傳感。傳感臂加入傳感元件。采用結(jié)構(gòu)簡單，堅(jiān)固，成本低，成功率高的單模-多模-單模光纖作為傳感元件。同時，信號處理采用雙通道作差的方法，來減小噪音，提高靈敏度。
[0057]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種光纖聲波傳感器，其特征在于，包括第一光纖光柵(I)、傳感單元(2)、耦合器(3)、第二光纖光柵(4)、可調(diào)諧衰減器(5)、泵浦源(6)、波分復(fù)用器(7)、增益光纖(8)和反射鏡(9)；所述耦合器(3 )包括四個端口，第一端口通過傳感單元(2 )與第一光纖光柵(I)連接，第二端口通過可調(diào)諧衰減器(5)與第二光纖光柵(4)連接，第三端口依次通過波分復(fù)用器(7)和增益光纖(8)與反射鏡(9)連接；所述泵浦源(6)與所述波分復(fù)用器(7)連接；第四端口用于與外部的信號解調(diào)裝置連接。
2.如權(quán)利要求1所述的光纖聲波傳感器，其特征在于，所述光纖聲波傳感器工作時，泵浦源(6)輸出泵浦光，泵浦光通過波分復(fù)用器(7)耦合至增益光纖(8)中，增益光纖(8)輸出自發(fā)輻射光，自發(fā)輻射光經(jīng)過反射鏡(9)反射后分別通過增益光纖(8)和波分復(fù)用器(7)輸入至稱合器(3)中；稱合器(3)將光均分為兩束,一束通過傳感單兀(2)傳輸至第一光纖光柵(I)中，與第一光纖光柵(I)中心波長一致的光被所述第一光纖光柵(I)反射后通過所述傳感單元(2 )輸入至所述耦合器(3 )，再依次通過所述波分復(fù)用器(7 )和增益光纖(8 )后輸出能量增大的福射光，該福射光被反射鏡(9 )反射,并在第一光纖光柵(I)和反射鏡(9 )形成的腔中來回振蕩，當(dāng)與第一光纖光柵(I)中心波長一致的光的增益大于損耗時從所述率禹合器(3)的第四端口輸出第一激光； 另一束光通過可調(diào)諧衰減器(5)傳輸至第二光纖光柵(4)中，與第二光纖光柵(4)中心波長一致的光被第二光纖光柵(4 )反射后通過可調(diào)諧衰減器(5 )輸入至耦合器(3 )，再依次通過波分復(fù)用器(7)和增益光纖(8)后輸出能量增大的輻射光，該輻射光被反射鏡(9)反射，并在第二光纖光柵(4)和反射鏡(9)形成的腔中來回振蕩，當(dāng)與第二光纖光柵(4)中心波長一致的光的增益大于損耗時從所述耦合器(3)的第四端口輸出第二激光。
3.如權(quán)利要求1所述.的光纖聲波傳感器，其特征在于，所述耦合器(3)為功率分光比為I: I的稱合器。
4.如權(quán)利要求1或2所述的光纖聲波傳感器，其特征在于，所述傳感單元(2)包括依次連接的第一單模光纖(21)、多模光纖(22)和第二單模光纖(23)。
5.如權(quán)利要求4所述的光纖聲波傳感器，其特征在于，所述多模光纖(22)的纖芯直徑為105微米，包層直徑為125微米。
6.如權(quán)利要求4所述的光纖聲波傳感器，其特征在于，所述多模光纖(22)為無芯光纖，所述無芯光纖的直徑為125微米。
7.一種基于權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的光纖聲波傳感器的光纖聲波探測方法,包括下述步驟: S1:通過調(diào)節(jié)可調(diào)諧衰減器的衰減值使得第一激光和第二激光的光功率相等； 52:當(dāng)傳感單元置于聲波場中時，第一激光的凈增益受到聲波信號的調(diào)制；所述第二激光的凈增益的變化量與所述第一激光的凈增益的變化量相反； 53:第一激光的光功率變化的頻率即為被探測的聲波信號的頻率；被探測的聲波信號的強(qiáng)度越大，所述第一激光的光功率變化的幅度就越大。
8.如權(quán)利要求7所述的光纖聲波探測方法，在步驟S2中，所述第一激光的凈增益受到聲波信號的調(diào)制過程為: 第一激光的凈增益隨著聲波信號的增大而減?。坏谝患す獾膬粼鲆骐S著聲波信號的減小而增大。.
【文檔編號】G01H9/00GK103471701SQ201310397250
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月4日
【發(fā)明者】魯平, 田銘, 張亮, 劉德明 申請人:華中科技大學(xué)