[发明专利]一种光纤光栅冲击压力传感器及处理方法

权利要求书

1.一种光纤光栅冲击压力传感器，其特征在于包括

激光器，用于产生重频飞秒激光信号；

三端口环形器，用于通过三端口环形器第一端口接收激光器产生的飞秒激光脉冲信号，并通过三端口环形器第二端口输出；从三端口环形器第二端口输出的光脉冲被边孔光纤光栅反射后，光谱将分裂为两个窄“高斯”脉冲；当边孔光纤光栅受到冲击作用时，两个窄“高斯”状脉冲的波长间隔Δλ将发生改变；被边孔光纤光栅反射后的光脉冲从三端口环形器第二端口输入，从三端口环形器第三端口输出至放大及色散单元；

放大及色散单元，用于将三端口环形器第三端口输出的光脉冲进行放大，然后进行色散傅里叶变换将光脉冲变换为时域信号后进行二级放大，最后将放大后的时域信号输出至信号处理装置；

信号处理装置，用于接收放大及色散单元输出的时域信号，并通过信号处理装置的光电转换器将时域信号转换为电信号，然后通过信号处理装置的示波器记录电信号后，再进行数据处理，根据公式(1)计算冲击波压力：

Δλ＝K_P·P (1)

其中两个分离的“高斯状”光谱之间的波长间隔Δλ仅与冲击波压力P有关，K_P为波长-压力常数；

所述信号处理装置的示波器记录电信号后，再进行数据处理，根据公式(1)计算冲击波压力的具体过程是：

步骤21：示波器记录的时域信号I(t)为周期信号，其周期T为飞秒激光器的重复频率的倒数；第i个周期内的时域信号I_i(t)与其对应的频域信号是I_i(λ)，并且时域信号的时间t与频域信号的波长λ有式(2)的关系：

其中c为真空光速；λ₀为激光器的中心波长，λ为激光器的非中心波长，其介于中心波长附近；Z为光纤长度；β₁、β₂分别为光纤在中心波长下的群速度的倒数和群速度色散；

步骤22：设I_i(t)、I_i(λ)的两个分离“高斯”脉冲的间隔分别为Δt_i、Δλ_i，则它们有式(3)的关系；

式中，D为色散参量，其与群速度色散β₂的关系：

步骤23：根据公式(1)，将I_i(λ)的波长间隔Δλ_i除以波长-压力常数K_P，就可获得该周期内的压力P_i。

2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅冲击压力传感器，其特征在于所述放大及色散单元包括用于进行信号放大的掺铒光纤放大器、用于信号放大的前置拉曼放大器、进行色散傅里叶变换的光纤以及用于信号放大的后置拉曼放大器。

3.根据权利要求2所述的一种光纤光栅冲击压力传感器，其特征在于所述步骤22包括：

步骤221：将I_i(t)的两个分离“高斯”脉冲峰值对应的时刻t_i1、t_i2带入式(2)的右边，并将I_i(λ)与之对应的两个峰值波长λ_i1、λ_i2带入式(2)的左边可得：

步骤222：将式(5)、式(4)的两边进行相减，可得

将式(6)左边进行变形，可得

步骤223：将式(7)带入式(6)的左边可得：

令则公式(8)变换为公式(3)，得到Δλ_i：

4.根据权利要求1至3之一所述的一种光纤光栅冲击压力传感器，其特征在于所述激光器重复频率为50MHZ～200MHz；线宽为50nm～100nm；平均功率为50mW～200mW；脉冲的上升时间为1ps～100fs；中心波长为1550nm。