[发明专利]基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法及系统

说明书

本发明公开了基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法及系统，采用单光子探测器代替传统的光电转换器件，采用时间数字转换器对反射光子进行符合计数，进一步根据对反射光子的计数值可以计算出光纤光栅传感器的中心波长的漂移大小，进而解调出测量区域的物理信息变化大小，通过时间数字转换器和信号处理系统对电信号的输出时刻在时间上恢复得到光纤光栅的空间位置，从而获得物理信息发生改变的空间位置信息，实现分布式传感定位。本方法实现传感器位置信息的精确获取及对应传感信息的高精度解调。

技术领域

本发明属于光纤光栅传感技术领域，具体涉及基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法。

背景技术

准分布式光纤传感技术通过利用光学信号对温度、压强、应变、应力等物理信息进行多点同时检测，与传统电子传感器相比，具有抗电磁干扰能力强、电绝缘性能好、耐腐蚀、灵敏度高、传输容量大等优点，已广泛应用于桥梁检测、火灾预警、输油管道检测、建筑物安全检测等领域。

光纤传感技术最大的优势之一是可以在单根光纤上串联上百个光纤光栅传感器并利用时分复用技术对接收端数据进行分析处理达到大规模准分布式探测的目的，在同一根光纤上串联全同的弱反射光栅，这使得传感系统的搭建得到极大的便利并降低成本，处于光纤不同位置的光栅，利用时域上的不同延时差对反射光脉冲进行区分并逐一分析，获得不同位置处的物理信息。在时分复用系统中，接收端高效接收并准确区分、分析不同反射光脉冲信号是影响整个系统精度的重要因素，但是已有的准分布式传感系统由于光电转换器件的限制很难达到对传感器位置信息的精确获取及对应传感信息的高精度解调。

发明内容

本发明的目的在于：解决目前准分布式光纤传感技术由于光电转换器件的限制很难达到对传感器位置信息的精确获取及对应传感信息的高精度解调的问题，提出了一种基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法及系统。

本发明采用的技术方案如下：

基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法，方法为：

量子光源输出连续光经过处理为特定波长的光脉冲后进入光纤光栅传感器阵列；

单光子探测器对光纤光栅传感器阵列中的不同位置的光纤光栅的反射光进行探测，并对应在不同时刻输出对应的光信号，单光子探测器输出的每一个光信号都输入时间数字转换器并对应产生一个电信号，令时间数字转换器的计数值改变；

对单光子探测器输出的光信号进行符合计数，通过分析符合计数值的大小得到对应的光子波长，通过分析反射光波长变化解调得到各个光纤光栅传感器测量区域物理信息变化，对电信号的输出时刻在时间上恢复得到光纤光栅的空间位置。

进一步，如前所述基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法，所述对单光子探测器输出的光信号进行符合计数，通过分析符合计数值的大小得到对应的光子波长，通过分析反射光波长变化得到各个光纤光栅传感器测量区域物理信息变化的具体过程为：

信号处理系统对符合计数值进行处理，其坐标横轴为反射光子的传输时间，纵轴为反射光子的符合计数值，反射光子在时间数字转换器的符合计数值表示为：

式中，E₀为光源注入到光纤的总能量，λ为入射光波长，α为光纤损耗，R_G(λ)为光纤光栅反射光谱函数，η为单光子探测器的探测效率，t_b为每个采样的窗口时间，f_r为入射脉冲的重复率，t_m为测量时间，h为普朗克常量，c为光在真空中的传播速度，λ_B为反射光波长，n为光纤折射率，N为平均光子数，N进一步表示为：

在注入到光纤的光波长及测量时间保持不变的情况下，反射光平均光子数N与光纤光栅传感器的中心波长λ_B唯一相关，由该公式得到：