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：
本實(shí)用新型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(jì)及其解調(diào)方法。
背景技術(shù)：
光纖傳感技術(shù)是上世紀(jì)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(jī) 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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離檢測；(5)光纖輕巧柔軟，易復(fù)用和形成傳感網(wǎng)絡(luò)，易于實(shí)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(jì)量測試、建筑、家用電器等方面獲得了廣泛應(yīng)用。
自1989年Morey等人首次報(bào)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(gè)重要的分支，已成為光纖傳感器研究領(lǐng)域中的一大熱點(diǎn)，光纖光柵傳感 器除了具有普通光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)外，還具有自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如測量信息是波長 編碼的，避免了光源強(qiáng)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(jìn)行大面積的多點(diǎn)測 量；可實(shí)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(yīng)變、壓力、溫度、 振動、載荷疲勞和結(jié)構(gòu)損傷等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，分布式光纖光柵傳感器主要應(yīng)用于應(yīng)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(jìn)行直接觀測，但普通光譜儀
的分辨率只有0.01nm，且體積大、價(jià)格高，常用于實(shí)驗(yàn)室解調(diào)，達(dá)不到工程應(yīng)用化和 產(chǎn)業(yè)化的要求。經(jīng)研究人員多年努力，人們己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(diǎn)，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(shí)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(jìn)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(jìn)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(gè)nm，大大限制了所用激光波 長白勺范圍。2004年Chuji Wang等在i侖文《Fiber ringdown pressure sensors》(Optics Letters, 2004, 29(4):352-254)禾卩《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(jìn)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(jìn)行了溫度傳感實(shí)驗(yàn)，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(jìn)行了應(yīng)力傳感實(shí)驗(yàn)。但以上幾篇文獻(xiàn)中所用的方法一次都只能解調(diào)一個(gè)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，本實(shí)用新型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4i,！、若干光纖環(huán)5bn、
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卜n;第一個(gè)光纖環(huán)
5j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(yīng)的光纖延遲線4卜^后與 相應(yīng)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(fù)用器。
所述的光纖延遲線的長度丄產(chǎn)5(巧+巧+……+ 7;)c/"e#，其中i為0 n-l， ri為光纖環(huán) 5j內(nèi)的脈沖激光的衰蕩時(shí)間，c為光速， #為光纖的有效折射率。
所述的波分復(fù)用器是光柵型波分復(fù)用器、介質(zhì)薄膜濾波型波分復(fù)用器或集成光
波導(dǎo)型波分復(fù)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2與^之間，其中^為脈沖激光器的
脈沖寬度。 有益效果
本實(shí)用新型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(qiáng)度或波長的 測量轉(zhuǎn)化為對光纖環(huán)衰蕩時(shí)間的測量。當(dāng)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(shí)，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(gè)脈沖激光在光纖環(huán)內(nèi)的衰蕩時(shí)間一
般在微秒量級，即使在后續(xù)的處理過程中要對每個(gè)衰蕩信號進(jìn)行多次平均，實(shí)現(xiàn)一次
測量的時(shí)間也只要毫秒量級，因而測量速度非?？?；探測的激光脈沖序列為強(qiáng)度的相 對值，因而光源所固有的激光脈沖強(qiáng)度的起伏對測量結(jié)果沒有影響；解調(diào)方法簡單， 易于實(shí)現(xiàn)小型化、工程化和實(shí)用化；容易實(shí)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(gè)物理量進(jìn)行同時(shí)測量，且很容易擴(kuò)展傳感頭的個(gè)數(shù)。

圖1:為本實(shí)用新型基于光纖腔衰蕩技術(shù)的分布式光纖傳感器實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示 意圖2:為本實(shí)用新型實(shí)驗(yàn)測量的脈沖激光從光纖環(huán)5!輸出的衰蕩信號1;
圖3:為本實(shí)用新型從光纖環(huán)5!、 52、……、5n輸出的衰蕩信號1、 2、……、n 的示意圖4:為本實(shí)用新型對圖2所示的衰蕩信號1的峰值進(jìn)行提取并進(jìn)行單指數(shù)擬合
的結(jié)果；
圖5:為本實(shí)用新型實(shí)驗(yàn)所用作為光纖傳感元件的FBG的一個(gè)典型的反射譜； l一激光光源；2—光纖分路器；3"—可調(diào)光衰減器；4h—光纖延遲線；5卜。一光 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；10—單模光纖；ll一光纖耦合器；12—光纖傳感元件。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述
裝置實(shí)施例1，如圖1所示，本實(shí)施例取n-4，本實(shí)用新型的測量裝置包括激光 光源l，光纖分路器2，可調(diào)光衰減器3！、 32、 33、 34，光纖延遲線4p 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(gè)分光比為99。/。:l。/。的lx2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(gè)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(gè)光纖耦合器9和11的只有一根尾纖的兩個(gè) 端口相熔接，因此兩個(gè)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)5!結(jié)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(gè)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4p 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(gè)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。
其中所述的激光光源1用來產(chǎn)生脈沖激光，兩個(gè)激光脈沖之間的時(shí)間間隔應(yīng)大于 所有光纖環(huán)內(nèi)脈沖激光衰蕩時(shí)間和的5倍，譜線寬度能覆蓋光纖環(huán)52、 53、 54內(nèi) 所用光纖傳感元件12的工作波長，脈沖寬度應(yīng)小于各脈沖激光分別在光纖環(huán)5p 52、 53、 54內(nèi)繞行一周所用時(shí)間的最大值。
所述的光纖分路器2為一 1x4波分復(fù)用器，其功能是將一脈沖激光分為四個(gè)不同 波長的脈沖激光，這些脈沖激光的強(qiáng)度會稍有不同。
所述的可調(diào)光衰減器3p 32、 33、 34的功能是在光纖分路器2對各脈沖激光強(qiáng)度 大致調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上再進(jìn)行微調(diào)，使耦合進(jìn)入各光纖環(huán)中的脈沖激光的強(qiáng)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4" 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(shí)間存在差異，各光纖延遲線對脈沖激光的延遲時(shí) 間為其之前各光纖環(huán)內(nèi)脈沖激光衰蕩時(shí)間和的5倍。又因?yàn)楣饫w的長度丄0由式子
丄0=化/ #決定，其中f為脈沖激光在長度為丄Q的光纖內(nèi)的傳播時(shí)間，因此第一個(gè)光纖 延遲線^的長度丄產(chǎn)5r,cAz,其中q為光纖環(huán)5!內(nèi)脈沖激光的衰蕩時(shí)間。光纖延遲線 42的長度丄2-5(n+t"2)c/",其中72為光纖環(huán)52內(nèi)脈沖激光的衰蕩時(shí)間。同理可得到光 纖延遲線43的長度L^5(A+r2+T"2)c/"f其中r3為光纖環(huán)53內(nèi)脈沖激光的衰蕩時(shí)間。所述的單模光纖10的長度應(yīng)使各脈沖激光在相應(yīng)的光纖環(huán)5^ 52、 53、 54內(nèi)繞行
一周的時(shí)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為一4xl波分復(fù)用器，其功能是將從各光纖環(huán)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(jìn)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(jìn)行提取并對峰值
進(jìn)行單指數(shù)擬合，得出各脈沖激光在相應(yīng)的光纖環(huán)內(nèi)的衰蕩時(shí)間，并做進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。
本實(shí)用新型基于光纖腔衰蕩技術(shù)的分布式光纖傳感器實(shí)施方式的主要工作過程 為首先由激光光源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(gè)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(jìn)入光纖環(huán)51;第二、三、四個(gè)脈沖激光則分別依次經(jīng)過對應(yīng)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(jìn)入相應(yīng)的光纖環(huán)52、 53、 54，其中由于光纖延遲線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(gè)光纖環(huán)內(nèi)脈沖激光的衰蕩時(shí)間之后再進(jìn)入相應(yīng)的光 纖環(huán)。其中由光纖耦合器9耦合進(jìn)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(gè)熔接點(diǎn)的插入損耗。因此光纖環(huán)5,內(nèi)脈沖激光的強(qiáng)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1，圖2給出了實(shí)驗(yàn)測量的光纖環(huán)5,輸出的衰蕩信號。在5倍于第一束脈沖激光在光纖環(huán)5!內(nèi)的衰蕩時(shí)間之后，經(jīng)延遲線4!產(chǎn)生時(shí)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(jìn)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(yīng)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(jìn)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(yīng)的衰蕩信號由于光纖延遲線4i、 42、 43的作用彼此錯(cuò)開一定時(shí)間， 并且均耦合進(jìn)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(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。
如圖4所示，本實(shí)施方式中針對探測到.的每一個(gè)衰蕩信號，利用軟件提取其峰值， 采用單指數(shù)衰減函數(shù)y=AeXp(-t/T)+yQ對峰值進(jìn)行擬合得到該衰蕩信號的衰蕩時(shí)間r0。 對于每一個(gè)光纖環(huán)，當(dāng)光纖傳感元件12沒有感知到外界物理量的作用時(shí)，脈沖激光在
光纖環(huán)內(nèi)的衰蕩時(shí)間為^=^-^——~，其中&^v//c為脈沖激光在光纖環(huán)內(nèi)
2 +a +4 +"v
繞行一周所用的時(shí)間，M^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(gè)光纖耦合器9和11的耦合損耗和插入損耗、c^為單模光纖IO及光纖耦 合器9和11的尾纖的傳輸損耗、4c^為四個(gè)熔接點(diǎn)的插入損耗，a,為光纖傳感元件12 的插入損耗。當(dāng)光纖傳感元件12感知到外界物理量的作用時(shí)，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(shí)脈沖激光在光纖環(huán)內(nèi)的衰蕩
時(shí)間變?yōu)閊-^-^——，其中Aa,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 Aa =^(丄-丄)，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一一對應(yīng)的，從而由A",可得到外界物理量的作用量，達(dá)到傳感的目的?；谙嗤牡?理，每個(gè)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。
本實(shí)用新型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)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(dú)立，因此實(shí)現(xiàn)了分布式光纖傳感的功能。
本實(shí)用新型各光纖環(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(jìn)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(xì)的 解調(diào)方法。圖5所示為實(shí)驗(yàn)所用作為光纖傳感元件12的一個(gè)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(diǎn)或b點(diǎn)，當(dāng) 光纖環(huán)5i內(nèi)的FBG感知到外界物理量作用時(shí)，其反射譜會發(fā)生漂移，對于入射進(jìn)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(yīng)的變化，最終從光纖環(huán)5i輸出的衰蕩信號的衰蕩時(shí)間也發(fā)生相應(yīng)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(shí)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(jìn)一步可得到外界物理量的 作用量，達(dá)到利用FBG實(shí)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(shí)現(xiàn)不同測量精度和測量范圍的分布式光纖傳 感的目的。
本實(shí)用新型各光纖環(huán)內(nèi)的光纖傳感元件12可相同，也可不同，可同時(shí)測同種物理 量，也可同時(shí)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。因此本實(shí)用新型分布式光纖傳感器不但可以實(shí)現(xiàn)對同一物理量的分布測量，也可實(shí)現(xiàn)同時(shí)對不同物理量的分布測量，因此功能強(qiáng)，方便實(shí)用，具有極 大實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
本實(shí)用新型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(shí)施方式，可作 進(jìn)一步改進(jìn)，如本實(shí)用新型分布式光纖傳感器中的光纖環(huán)數(shù)目不限于四個(gè)，根據(jù)實(shí)
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(shí)際需要選擇合適的實(shí)施方式和光纖傳感元件12。
綜上所述本實(shí)用新型基于光纖腔衰蕩技術(shù)的分布式光纖傳感器通過多個(gè)相對獨(dú)立 的光纖環(huán)設(shè)計(jì)，不但可以實(shí)現(xiàn)對同一物理量的分布測量，也可實(shí)現(xiàn)同時(shí)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(kuò)展傳感頭，且操作簡單，可實(shí)現(xiàn) 實(shí)用化和工程化，具有極大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)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(gè)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(yīng)的光纖延遲線(41～n-1)后與相應(yīng)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；所述的光纖分路器(2)為1×n波分復(fù)用器。
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 所述的光纖合路器(6)為lxn波分復(fù)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 所述的光纖延遲線(4,,!)的長度丄「5(71+&+……+ri)c/"e#，其中i為0 n-l， zj 為光纖環(huán)(5i)內(nèi)的脈沖激光的衰蕩時(shí)間，c為光速，"^為光纖的有效折射率。
4. 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(fù)用器是光柵型波分復(fù)用器、介質(zhì)薄膜濾波型波分復(fù)用器或集成光波導(dǎo)型波分復(fù)用器。
5. 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。
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耦合器(9)和(11)為lx2光纖耦合器，其分光比大于卯％:10%。
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，其特征在于所述的單模光纖(10)的長度取值范圍在^~與^之間，其中tp為脈沖激光器的10", ,脈沖寬度。
專利摘要本實(shí)用新型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(gè)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(yīng)的光纖延遲線后與相應(yīng)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(gè)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(qiáng)度或波長的測量轉(zhuǎn)化為對光纖環(huán)衰蕩時(shí)間的測量，實(shí)現(xiàn)一次測量的時(shí)間也只要毫秒量級，解調(diào)方法簡單，容易實(shí)現(xiàn)分布式傳感，可對多個(gè)物理量進(jìn)行同時(shí)測量。
文檔編號G01D5/353GK201247073SQ20082002928
公開日2009年5月27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(xué)