[发明专利]一种基于单光子技术的大容量弱反射光栅传感装置与方法

说明书

技术领域

本发明涉及传感技术领域，特别是一种基于单光子技术的大容量弱反射光栅传感装置与方法。

背景技术

从20世纪60年代光纤发明以来，各种光纤有源无源器件一直是研究与应用的热点。随着物联网概念的提出与发展，光纤光栅传感器以其优异的抗电磁干扰、小尺寸、耐腐蚀、易嵌入、高灵敏度等特点，受到了广泛的关注与研究。由于光纤光栅传感器可以实现对温度、应力等多个参量的传感，被广泛应用于电力通信、建筑桥梁、石油化工、航天航空、生物医疗等多个领域。但光纤光栅传感器是点式传感器，而很多应用场景需要使用很多个光纤光栅传感器进行多点大范围的测量，所以就需要使用一定的拓扑结构进行光纤光栅的复用，实现准分布式的测量，目前应用的较多的是波分复用和时分复用这两种。波分复用的复用数量会受到光源的带宽及传感器的测量范围所限制；时分复用技术不受光源光谱带宽的限制，具有很强的复用能力，但实际中随着光栅数量的增加，接收脉冲的占空比也会随之增加，这将导致信号清晰度的降低，系统信噪比的恶化，所以两种方法的复用数量都不超过几十个。因此，如何提高光纤光栅传感系统的复用容量，从而实现大范围超长距离的传感成了光纤光栅传感解调系统实用化的关键技术。

目前，提高光纤光栅传感系统的复用容量主要的解决方法有两种：一种是增加系统中的入射光功率或采用光放大器，但随着入射光功率的升高，会导致背向瑞利散射的增加，影响系统的信噪比。同时，根据研究表明，由于瑞利散射和光纤的损耗等因素的影响，基于宽带光源的传统光纤光栅解调系统，最远只能传输25km。另外一种即是使用新的器件及结构，在大容量的光栅光纤系统中，如果使用普通光栅复用，由于普通布拉格光栅的反射率为90％，所以无法复用太多的光栅。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于单光子技术的大容量弱反射光栅传感装置与方法，本发明合了时分复用光纤光栅解调技术以及单光子探测技术，利用边沿滤波器将波长解调转换成强度解调降低系统的复杂度；同时采用对弱反射光纤光栅整列进行编组的方式充分利用单光子探测的动态范围，实现高灵敏度大动态范围的传感测量。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种基于单光子技术的大容量弱反射光栅传感装置，包括宽带光源、光隔离器、声光调制器、光衰减器、光环形器、N个依次连接的弱反射光纤光栅阵列、边沿滤波器、单光子探测器、数据处理模块和控制模块；所述弱反射光纤光栅阵列包括若干个间距不同的光栅；其中，N为整数且N≥1；

控制模块，用于输出同步信号至声光调制器、光衰减器、单光子探测器模块；

宽带光源，用于输出信号光至光隔离器；

光隔离器，用于将接收的信号光进行单向传输，输出单向信号光至声光调制器；

声光调制器，用于根据接收的同步信号对单向信号光进行调制，输出固定周期的探测脉冲光至光衰减器；

光衰减器，用于根据接收的同步信号对探测脉冲光进行衰减，衰减后的探测脉冲光输出至光环形器的第一端口；

光环形器，用于将接收的衰减后的探测脉冲光由其第二端口输出至N个依次连接的弱反射光纤光栅阵列；

弱反射光纤光栅阵列，用于当接收到衰减后的探测脉冲光时，输出满足布拉格反射条件的弱反射光栅的反射光至光环形器的第二端口，并由光环形器的第三端口输出至边沿滤波器；

边沿滤波器，用于对接收的反射光进行强度解调，输出线性滤波后的探测光至单光子探测器；

单光子探测器，用于根据接收的同步信号对探测光进行探测，输出电信号至数据处理模块；

数据处理模块，用于对接收的电信号进行拼合处理得到时域与光强变化的曲线，根据该曲线计算得到弱反射光纤光栅的位置信息和该位置传感量的变化。

作为本发明所述的一种基于单光子技术的大容量弱反射光栅传感装置进一步优化方案，所述单光子探测器的探测范围为-60dBm～-100dBm。

作为本发明所述的一种基于单光子技术的大容量弱反射光栅传感装置进一步优化方案，所述光栅的反射率为-60dB～-40dB。

作为本发明所述的一种基于单光子技术的大容量弱反射光栅传感装置进一步优化方案，所述宽带光源的功率大于30dBm。

作为本发明所述的一种基于单光子技术的大容量弱反射光栅传感装置进一步优化方案，所述边沿滤波器为长周期光纤光栅边沿滤波器。

基于一种基于单光子技术的大容量弱反射光栅传感装置的测量方法，包括以下步骤：