一种利用保偏光纤光栅实现单点及区域温度同时测量的装置

摘要

本发明属于光纤温度传感技术领域，具体涉及一种利用保偏光纤光栅实现单点及区域温度同时测量的装置。包括第一宽谱光源装置1、第二宽谱光源装置2、第一波分复用器3、第二波分复用器5、写入光栅的保偏光纤4、第一光程相关装置6、第二光程相关装置7、第一信号探测与处理装置8、第二信号探测与处理装置9、测量计算机10。本发明避免了在保偏光纤的所有位置都写入光栅，即可测量得到所有位置所需测量精度的温度信息，有效缓解了宽谱光源谱宽对测量系统的限制，显著扩大了测量区域空间范围。

说明书

技术领域

本发明属于光纤温度传感技术领域，具体涉及一种利用保偏光纤光栅实现单点及区域温度同时测量的装置。

背景技术

光学相干域偏振测量技术(OCDP)是一种具有极高精度的分布式偏振耦合测量技术，基于白光干涉的原理，利用扫描式光学干涉仪进行光程补偿，实现不同偏振模式间的干涉，可对偏振耦合的产生位置、偏振耦合信号强度进行高精度的测量与分析，从而获得光学偏振器件的消光比、拍长等重要参数。由于它最为直接和真实地描述了信号光在光纤光路中的传输行为，所以特别适合于对光纤器件、组件，以及高精度干涉型光纤传感光路进行测试。

在保偏光纤外部施加侧向压力和两段保偏光纤特征轴以一定角度连接或熔接是人为产生偏振耦合的常用方法，陈信伟、张红霞等人在“分布式保偏光纤偏振耦合应力传感系统的实现”一文中，采用侧向压力的方式产生了多个偏振耦合点，利用OCDP系统测试了耦合强度与应力大小的关系，同时指出温度对耦合点的强度有一定影响，耦合点的位置不发生变化；ZhenyangDing和ZhuoMeng等人在“Accuratemethodformeasuringthethermalcoefficientofgroupbirefringenceofpolarization-maintainingfibers”一文中，利用OCDP系统对长度为350.3m的保偏光纤进行了偏振串扰测量，并将保偏光纤置于不同的温度场内，以保偏光纤两端的连接器所引入的偏振耦合峰为参考峰，通过测量两偏振耦合峰之间的相对位置变化，完成了保偏光纤双折射随温度变化的测试。

N.Belhadj和S.LaRochelle在FormbirefringenceinUV-exposedphotosensitivefiberscomputedusingahigherorderfiniteelementmethod一文中指出，当对光敏光纤进行侧面曝光时，光敏光纤的横截面将产生非对称的折射率改变，折射率的改变量满足其中Δn_p为紫外光曝光时光纤最大的折射率改变量，2α为非对称系数，η为纤芯的光敏区域半径，这种折射率非对称的折射率改变导致光敏光纤双折射的产生。

1978年，K.O.Hill等人首次报道了利用氩离子激光器在锗硅光纤上成功写入光纤布拉格光栅，从此，光纤光栅被广泛应用到了光纤传感领域。波分复用方法可以将光纤光栅排列到一根光纤上而不会引起各光波长信号的重叠，光纤光栅具有不同反的射波长，当外界的温度或应力发生变化时，光栅的反射波长随之变化，由于各光栅的反射波长不同，解调相应位置光栅波长的漂移即可测量相应物理量的改变。波分复用方法要求每个光纤光栅反射波长不同且具有一定的波长间隔，避免测量时光栅之间的反射波长重叠，因此，宽谱光源的谱宽成为限制一根光纤上光栅数量的重要因素。

发明内容

本发明的目的在于利用保偏光纤光栅产生偏振耦合，提供一种利用保偏光纤光栅实现单点及区域温度同时测量的装置。

本发明的目的是这样实现的：

一种利用保偏光纤光栅实现单点及区域温度同时测量的装置，包括第一宽谱光源装置1、第二宽谱光源装置2、第一波分复用器3、第二波分复用器5、写入光栅的保偏光纤4、第一光程相关装置6、第二光程相关装置7、第一信号探测与处理装置8、第二信号探测与处理装置9、测量计算机10。

第一宽谱光源装置1和第二宽谱光源装置2通过第一波分复用器3与写入光栅的保偏光纤4连接，再通过第二波分复用器5与第一光程相关装置6和第二光程相关装置7连接，第一光程相关装置6和第二光程相关装置7分别与第一信号探测与处理装置8和第二信号探测与处理装置9再连接，第一信号探测与处理装置8和第二信号探测与处理装置9分别连接测量计算机10；

所述的第一宽谱光源装置1由宽谱光源11、起偏器12组成，宽谱光源11与起偏器12连接，将宽谱光源产生的光转换为线偏振光，第二宽谱光源装置2的组成与第一宽谱光源装置1相同，工作波长范围不同；

所述的第一光程相关装置6由第一旋转器61、第一检偏器62、第一耦合器63、第二耦合器64、三端口环形器65、自准直透镜66、可移动反射镜67组成，旋转器61与检偏器62连接，第一耦合器63的一臂与第二耦合器64的一臂连接组成光程相关参考臂，第一耦合器63另外一臂和第二耦合器64另外一臂分别与第一三端口环形器65的两个端口连接，第一三端口环形器65的第三端连接自准直透镜66和可移动反射镜67，组成光纤长度可变的光程相关扫描臂，光程相关装置7的组成与光程相关装置6相同，工作波长范围不同。

所述的第一旋转器61连接波分复用器5和第一检偏器62，使波分复用器5和第一检偏器62的光纤保持特征轴对准状态，第二旋转器71连接波分复用器5和第二检偏器72，使波分复用器5和第二检偏器72的光纤保持特征轴夹角45°状态。

所述的第一宽谱光源11与第二宽谱光源21的发射光谱波长范围不重叠；第一起偏器12、第一旋转器61、第一检偏器62、第一耦合器63、第二耦合器64、第一三端口环形器65、第一自准直透镜66、第一光电探测器81的波长工作范围覆盖第一宽谱光源11的发射光谱；第二起偏器22、第二旋转器71、第二检偏器72、第三耦合器73、第四耦合器74、第二三端口环形器75、第二自准直透镜76、第二光电探测器91的波长工作范围覆盖第二宽谱光源21的发射光谱；第一波分复用器和第二波分复用器的波长工作范围覆盖第一宽谱光源和第二宽谱光源的发射光谱；除第一起偏器和第二起偏器输入光纤外，其余器件均保持偏振保持工作状态。

所述的光栅反射波长位于宽谱光源光波长范围内时，测量传输光干涉信号强度随可移动反射镜位置的变化，并对其进行傅里叶变换，获得传输光的光谱，得到每个光栅的反射波长，当光栅所在位置的温度发生变化时，光栅的反射波长随之发生变化，实现单点温度测量；光栅反射波长位于另外一个宽谱光源光波长范围之外时，测量传输光和耦合光干涉信号强度随可移动反射镜位置的变化，确定由光栅所引入的偏振耦合峰的位置，由于保偏光纤的双折射具有温度相关性，而光栅引入的偏振耦合峰的位置是由保偏光纤的双折射决定的，因此当两光栅之间的区域温度发生变化时，由这两个光栅引入的偏振耦合峰的相对位置将随之发生变化，从而获得两光栅之间的保偏光纤的双折射变化，实现任意两个光栅之间区域的温度测量，最终实现单点和区域温度的同时测量。

所述的光栅采用单侧紫外光曝光方法写入，写入光栅位置的保偏光纤横截面折射率改变是非对称的。

所有光栅的反射波长位于第一宽谱光源发射光谱波长范围之内，且同时位于第宽谱光源发射光谱波长范围之外，每个光栅的反射波长各不相同，同时具有波长间。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：对不同的温度精度测量需求使用不同的测量方法，对于需要精确测量温度的位置，利用光栅的反射波长变化实现单点温度精确测量；对于不需要精确测量温度的位置，利用光栅产生的偏振串扰信号相对位置变化实现区域温度平均测量，这样就避免了在保偏光纤的所有位置都写入光栅，即可测量得到所有位置所需测量精度的温度信息，有效缓解了宽谱光源谱宽对测量系统的限制，显著扩大了测量区域空间范围。

附图说明

图1是利用保偏光纤光栅实现单点及区域温度测量的原理图。

图2是保偏光纤紫外光曝光及保偏光纤特征轴变化示意图。

图3是1550nm波长范围光路干涉信号强度随扫描光程的变化关系图。

图4是1550nm波长范围光路经过傅里叶变换得到产生干涉信号的光谱图。

图5是1310nm波长范围光路干涉信号强度随扫描光程的变化关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明公开了一种利用保偏光纤光栅同时实现单点温度测量和区域温度测量的装置，包括宽谱光源装置1、宽谱光源装置2、波分复用器3、5、写入多个光栅的保偏光纤4、光程相关装置6、光程相关装置7、信号探测与处理装置8、信号探测与处理装置9、测量计算机10，宽谱光源装置1和宽谱光源装置2通过第1波分复用器3与写入多个光栅的保偏光纤4连接，再通过第2波分复用器5与光程相关装置6和光程相关装置7连接，具有Mach-Zehnder结构的光程相关装置6和光程相关装置7分别与信号探测与处理装置8和信号探测与处理装置9再连接，最后连接测量计算机10。该发明的优点在于，对于不同的温度测量精度需求使用不同的测量方法，避免在所有测量位置的保偏光纤上都写入光栅，即可测量得到所有位置所需测量精度的温度信息，有效缓解了宽谱光源谱宽对测量系统的限制，扩大测量区域空间范围。

本发明的利用保偏光纤实现单点及区域温度测量装置包括宽谱光源装置1、宽谱光源装置2、波分复用器3、5、写入多个光栅的保偏光纤4、光程相关装置6、光程相关装置7、信号探测与处理装置8，宽谱光源装置1和宽谱光源装置2通过第1波分复用器3与写入多个光栅的保偏光纤4连接，再通过第2波分复用器5与光程相关装置6和光程相关装置7连接，光程相关装置6和光程相关装置7分别与信号探测与处理装置8和信号探测与处理装置9再连接，最后连接测量计算机10；

所述的宽谱光源装置1由宽谱光源11、起偏器12组成，宽谱光源11与起偏器12连接将宽谱光源产生的光转换为线偏振光，宽谱光源装置2的组成与宽谱光源装置1类似，仅工作波长范围不同；

所述的光程相关装置6由旋转器61、检偏器62、耦合器63、64、三端口环形器65、自准直透镜66、可移动反射镜67组成，旋转器61与检偏器62连接，耦合器63的一臂与耦合器64的一臂连接组成光程相关参考臂，耦合器63另外一臂和耦合器64另外一臂分别与三端口环形器65的两个端口连接，三端口环形器65的另外一端连接自准直透镜66和可移动反射镜67，组成光纤长度可变的光程相关扫描臂，光程相关装置7的组成与光程相关装置6相似，仅工作波长范围不同。

本发明所述的利用保偏光纤光栅实现单点及区域温度测量的装置，其特征在于，旋转连接器61连接波分复用器5和检偏器62，使两者的光纤保持特征轴对准状态，仅有传输光可通过检偏器；旋转连接器71连接波分复用器5和检偏器72，使两者的光纤保持特征轴夹角45°状态，传输光和耦合光均可用过检偏器。

本发明所述的利用保偏光纤光栅实现单点及区域温度测量的装置，其特征在于，宽谱光源11与宽谱光源21的发射光谱波长范围不重叠；起偏器12、旋转器61、检偏器62、耦合器63、64、三端口环形器65、自准直透镜66、光电探测器81的波长工作范围覆盖宽谱光源11的发射光谱；起偏器22、旋转器71、检偏器72、耦合器73、74、三端口环形器75、自准直透镜76、光电探测器91的波长工作范围覆盖宽谱光源21的发射光谱；波分复用器3、5的波长工作范围覆盖宽谱光源11、21的发射光谱；除起偏器12、22输入光纤外，其余器件均保持偏振保持工作状态。

本发明所述的利用保偏光纤光栅实现单点及区域温度测量的装置，其测量方法在于，光栅反射波长位于其中一个宽谱光源光波长范围内时，测量传输光干涉信号强度随可移动反射镜位置的变化，并对其进行傅里叶变换，获得传输光的光谱，得到每个光栅的反射波长，当光栅所在位置的温度发生变化时，光栅的反射波长随之发生变化，实现单点温度测量；光栅反射波长位于另外一个宽谱光源光波长范围之外时，测量传输光和耦合光干涉信号强度随可移动反射镜位置的变化，确定由光栅所引入的偏振耦合峰的位置，由于保偏光纤的双折射具有温度相关性，而光栅引入的偏振耦合峰的位置是由保偏光纤的双折射决定的，因此当两光栅之间的区域温度发生变化时，由这两个光栅引入的偏振耦合峰的相对位置将随之发生变化，从而获得两光栅之间的保偏光纤的双折射变化，实现任意两个光栅之间区域的温度测量，最终实现单点和区域温度的同时测量。

本发明所述的利用保偏光纤光栅实现单点及区域温度测量的装置，其特征在于，光栅采用单侧紫外光曝光方法写入，写入光栅位置的保偏光纤横截面折射率改变是非对称的。以熊猫型保偏光纤为例不限于熊猫型保偏光纤，对高双折射保偏光纤均适用，如附图2所示，在保偏光纤中写入光栅时，紫外光在光纤的一侧以入射角θ对光纤进行曝光照射，保偏光纤纤芯的折射率将被调制，折射率的改变量为其中同时保偏光纤的模场将被调制。当曝光方向与保偏光纤的固有特征轴不重合即θ不等于0°时，保偏光纤的特征轴方向将发生改变，与保偏光纤固有特征轴产生角度为Θ的旋转。当传输在保偏光纤某一特征轴的偏振光通过被调制的保偏光纤时，该偏振光的部分能量将耦合到另外一个特征轴上，经过光程相关装置后两个特征轴上的偏振光发生干涉，产生偏振耦合。调整紫外光曝光时的光纤最大的折射率改变量Δn_p、非对称系数α，获得具有不同偏振耦合强度的光栅。

本发明所述的利用保偏光纤光栅实现单点及区域温度测量的装置，其特征在于，所有光栅的反射波长位于宽谱光源11发射光谱波长范围之内，且同时位于宽谱光源21发射光谱波长范围之外，每个光栅的反射波长各不相同，同时具有一定的波长间距，使得单点温度的变化范围不会导致任意两光栅的反射波长重合，保证任意两个光栅所携带的单点温度信息不会相互干扰。

如附图1所示，利用保偏光纤光栅实现单点和区域温度同时测量的装置，其测量原理是：

对于覆盖光栅反射波长的光路，其组成部分依次为宽谱光源装置1、波分复用器3、写入多个光栅的保偏光纤4、波分复用器5、光程相关装置6、信号探测与处理装置8、测量计算机10。宽谱光源11经过起偏器12极化为线偏振光，该偏振光仅在起偏器后端保偏光纤的慢轴中快轴中原理相同传输并由波分复用器3耦合到写入多个光栅的保偏光纤4中。当传输光通过光栅时，折射率调制的不对称性，使得保偏光纤的慢轴和快轴将不再互相垂直，慢轴的传输光将有一部分能量耦合到快轴中形成耦合光。由于保偏光纤存在双折射Δn，光纤慢轴的折射率大于快轴的折射率，当两束光传输到连接器61传输长度为L₁时将产Δn*L₁的光程差。忽略耦合光的二次及多次耦合，假设有N个光栅，传输光经过每一个光栅41、42、……、4N时，都将产生一束耦合光，传输光和每一束耦合光的光程差为Δn*L₁、Δn*L₂、……、Δn*L_N。同时传输光和耦合光中光纤光栅反射波长范围内的光将被反射，形成带阻效果，因此传输光和耦合光的光谱携带了光栅的反射波长信息。传输光和耦合光通过波分复用器5进入到连接器61中，旋转连接器61使得波分复用器5和检偏器62的光纤保持特征轴对准状态，只有传输光能够通过检偏器62，传输光由耦合器63均分到参考臂和扫描臂中，参考臂中的光经过耦合器64进入光电探测器中，扫描臂中的光经过三端口环形器65、自准直透镜66后被可移动反射镜67反射后进入到自准直透镜66、三端口环形器65中，由耦合器64进入光电探测器中，参考臂和扫描臂中的光干涉后由光电探测器81接收并转换为电信号，信号由信号处理单元82处理后送入测量计算机10，测量计算机10控制可移动反射镜67实现光程扫描。在测量计算机10中对干涉信号强度随扫描光程的变化关系进行傅里叶变换得到产生干涉信号的光谱，获得光栅的反射波长。当光栅所在位置的温度发生变化时，光栅的反射波长也随之变化，通过测量传输光光谱的变化获得光栅反射波长的变化，从而实现温度的单点测量；

对于未覆盖光栅反射波长的光路，其组成部分依次为宽谱光源装置2、波分复用器3、写入多个光栅的保偏光纤4、波分复用器5、光程相关装置7、信号探测与处理装置9、测量计算机10。与覆盖光栅反射波长的光路相似，不同之处在于，宽谱光源21经过起偏器22产生的线偏振光在写入多个光栅的保偏光纤4中传播时，由于光栅的反射波长不在光谱范围内，只发生偏振耦合效应，而不会被光栅反射。旋转连接器71使得波分复用器5和检偏器72的特征轴成45°夹角状态，传输光和耦合光通过连接器71后，两者能量均分到慢轴和快轴上，仅有慢轴上的传输光和耦合光能通过检偏器62并发生干涉，在测量计算机10中获得干涉信号强度随扫描光程的变化关系，确定由光栅引入的偏振耦合峰所在位置，当任意两个光栅的温度发生变化时，测量这两个光栅引起的偏振耦合峰的相对位置变化，获得两光栅之间的保偏光纤双折射的变化，从而实现温度的区域测量。

系统采用的器件的参数为：宽谱光源11中心波长1550nm，半谱宽度50nm，起偏器12、旋转器61、检偏器62、耦合器63、64、环形器65、自准直透镜66的工作波长为1310nm，宽谱光源21中心波长1550nm，半谱宽度40nm，起偏器22、旋转器71、检偏器72、耦合器73、74、环形器75、自准直透镜76的工作波长为1310nm，保偏光纤写有两个光栅，FBG1反射波长为1551.35nm，FBG2反射波长为1550.28nm，波分复用器3、5的工作波长1310/1550nm，光电探测器81、91探测范围为1100nm-1700nm，所有器件中使用的保偏光纤均为熊猫型保偏光纤。

测量装置的工作过程如下：

对于1550nm波长范围的光路，其组成部分依次为宽谱光源装置1、波分复用器3、写入多个光栅的保偏光纤4、波分复用器5、光程相关装置6、信号探测与处理装置8、测量计算机10。中心波长为1550nm宽谱光源11经过起偏器12极化为线偏振光，该偏振光仅在起偏器后端保偏光纤的慢轴中传输并由波分复用器3耦合到写入多个光栅的保偏光纤4中。当传输光通过光栅时，折射率调制的不对称性，使得保偏光纤的慢轴和快轴将不再互相垂直，慢轴的传输光将有一部分能量耦合到快轴中形成耦合光。传输光和耦合光通过波分复用器5进入到连接器61中，旋转连接器61使得波分复用器5和检偏器62的光纤保持特征轴对准状态，只有传输光能够通过检偏器62，传输光由耦合器63均分到参考臂和扫描臂中，参考臂中的光经过耦合器64进入光电探测器中，扫描臂中的光经过三端口环形器65、自准直透镜66后被可移动反射镜67反射后进入到自准直透镜66、三端口环形器65中，由耦合器64进入光电探测器中，参考臂和扫描臂中的光干涉后由光电探测器81接收并转换为电信号，信号由信号处理单元82处理后送入测量计算机10，测量计算机10控制可移动反射镜67实现光程扫描。在测量计算机10中对干涉信号强度随扫描光程的变化关系如图3所示，出现类似“拍”的现象，进行傅里叶变换得到产生干涉信号的光谱如图4所示，凹陷401为FBG1的反射波长位置，凹陷402为FBG2反射波长位置，当温度发生变化时凹陷401和凹陷402将发生波长漂移，实现温度的单点测量；

对于1310nm波长范围的光路，其组成部分依次为宽谱光源装置2、波分复用器3、写入多个光栅的保偏光纤4、波分复用器5、光程相关装置7、信号探测与处理装置9、测量计算机10。与1550nm波长的光路相似，不同之处在于，中心波长为1310nm的宽谱光源21经过起偏器22产生的线偏振光在写入多个光栅的保偏光纤4中传播时，由于光栅的反射波长不在光谱范围内，只发生偏振耦合效应，而不会被光栅反射。旋转连接器71使得波分复用器5和检偏器72的特征轴成45°夹角状态，传输光和耦合光通过连接器71后，两者能量均分到慢轴和快轴上，仅有慢轴上的传输光和耦合光能通过检偏器62并发生干涉。在测量计算机10中获得干涉信号强度随扫描光程的变化关系如图5所示，偏振耦合峰503、504由写入光栅的保偏光纤两端熔接点引入，偏振耦合峰501、502分别为FBG1、FBG2引入，FBG1、FBG2之间的区域温度产生变化时，偏振耦合峰501、502之间的扫描距离随之发生变化，实现温度的区域测量。

上述实施方式对两个光栅所在的位置点和两光栅之间的区域实现了温度测量，当对多个点或者多个区域进行测量时，增加保偏光纤上光栅的数量即可由该装置实现。