[发明专利]多模光纤激光声传感器中频率变化的复用高分辨测量系统

说明书

本申请是1997年7月31日提出的名为“多模光纤激光声传感器中的频率变化的复用高分辨率测量系统”的第60/054,347临时申请的继续。

一般说来，本发明涉及光纤激光声传感器，更为具体地，涉及在光纤激光声传感器中复用的高分辨率测量频率变化的系统。

由于光信号放大器的发展，已经改善了光放大纤维传播要被放大的光信号和泵浦激光的效率，使光信号得到放大。这种光放大纤维通常被称作“有源”光纤。有源光纤是掺杂一种或多种稀土族元素-例如铒的光纤，通过把受激信号引入掺杂光纤来生成光源，掺杂光纤又使光纤发射掺杂剂的光特性。为了方便讨论，这里将讨论掺铒的纤维，需要说明的是本发明覆盖了掺杂具有本文所述的相同特性的任何元素的光纤。当铒被适当波长的激光泵激时，发射1525至1560毫微米(nm)波长的光。当掺铒光纤由泵入该光维的能源馈送能量时，例如由泵浦激光二极管产生1480nm的波长时，铒中的电子吸收能量并跃迁到较高能态。然后该能量可作为当测量信号被编码的相干激光被释放。

通过把掺铒光纤放置在一对波长匹配布拉格(Bragg)光栅之间来形成有源传感器。布拉格光栅反射某些波长，同时使其它波长通过。从而在布拉格光栅之间的掺杂纤维中形成共振腔。掺杂纤维存贮的能量作为传播给纤维的1525至1560nm之间的波长被最终释放。由于这些元素影响有源传感器的光学特性，因此有源传感器可以用于应变和温度测量。掺杂纤维的长度随作用于纤维的温度和压力的变化而变化，掺杂纤维长度的变化又改变了谐振腔的长度。由于改变了谐振腔的长度，因此有源传感器的激射波长作相似的变化。测量有源传感器发射的波长，以确定谐振腔的长度，而它又代表来自声压和温度作用于有源传感器的应力。

可以形成具有单轴向模或者多轴向模的有源传感器，其中谐振腔的长度和使用的掺杂材料确定产生有源传感器的模的数量。由于较大的增益可以在较长谐振腔中得到并且腔长度的技术要求不是很严格，因此多模有源传感器具有容易构成和容易工作的较长谐振腔。然而，多模有源传感器的输出频谱宽度为数千兆赫，从而降低了分析有源传感器频移的读出装置的信噪比。对有源传感器的频移的高分辨率分析来说，一般期望抑制除主要轴向模之外的其它模。因而，最好的情况是以发射单频的单激射模的方式工作。铒通常在大多数有源传感器中使用，这是因为铒具有非常宽的增益带宽并且将放大大量的频率。有源光纤传感器必须做得尽可能地小，以便工作在尽可能少的波长。为了产生单谐振频率，谐振腔必须很短，从而使腔中存在少量的铒或其它掺杂材料。这势必产生不能长距离传输的相当弱的信号。由于谐振腔极短，因此大量的泵浦功率必须传送给有源传感器，以致从有源传感器产生发射距离足以超过一分钟距离(a minute distance)的信号。

因此，需要一种不降低与现有的有源传感器高输出频谱相关的信噪比的多模有源传感器。此外，还需要一种便于获得与单模有源传感器相似的对有源传感器中出现的频移进行高分辨率分析的多模有源传感器，而且该多模有源传感器不需要单模有源传感器的精确操作和制作要求。

本发明的主要目的是克服上述的与现有技术有关的缺点。

本发明的另一个目的是提供一种光纤激光传感器系统，它对多模有源光纤传感器提供频率变化的高分辨率测量。

本发明的再一个目的是提供一种对多模有源光纤传感器中的频率变化进行高分辨率测量的系统，其输出信号具有与单模有源传感器相似的信噪比特性。

本发明的再一个目的是提供一种对多模有源光纤传感器中的频率变化进行高分辨率测量的系统，其中，多模有源光纤传感器不需要大量的要传送到有源光纤传感器上的泵浦功率。

本发明的再一个目的是提供一种对多模有源光纤传感器中的频率变化进行高分辨率测量的系统，其中，当形成有源光纤传感器的长度时，多模有源光纤传感器不需要严格的结构要求。

本发明的附加目的和优点是通过提供一个系统来实现的：该系统执行对多模有源光纤传感器中频率变化的高分辨率测量，它具有发射若干个激射模的端-泵浦有源光纤传感器，其中，发射激射模的精确频率由作用于所述声传感器上的应变确定。光纤与有源光纤传感器连接，用于发射激射模。光纤向放大激射模信号的光放大纤维发射多个激射模。被放大的激射模信号由连接到光纤的调相器对其载波调相。调相的载波被馈送到具有预定路径失衡的接收干涉仪，用于对每个激射模信号生成相移，其中预定路径失衡与分布在有源光纤传感器的各个激射模之间的轴向模匹配。解调单元与接收干涉仪连接，用于解调接收干涉仪的输出信号，以确定干涉仪强度图形的相移。解调的相移体现作用于声传感器上的应变。