[发明专利]一种混沌光纤环衰荡传感装置及方法

权利要求书

1.一种混沌光纤衰荡传感装置，其特征在于，包括混沌激光器、光纤环(8)、光电探测器(9)、数据采集处理装置(10)；混沌激光器产生的混沌光注入光纤环，产生与传播次数有关的延迟信息，混沌激光作为参考光经过光电探测器变成参考信号，经过光纤环后的测量光经过光电探测器后作为测量信号，将参考信号和测量信号输入数据采集和处理系统，进行互相关可实现不同峰值输出的类δ信号，通过对类δ信号的峰值的检测和拟合，最终实现混沌光纤环衰荡传感和检测；所述混沌激光器包括混沌激光器泵浦源(1)、混沌激光器波分复用器(2)、掺铒光纤(3)、混沌激光器输出耦合器(4)、混沌激光器腔中偏振控制器(5)、混沌激光器中可调光衰减器(6)、混沌激光器光隔离器(7)，混沌激光器泵浦源(1)发出的泵浦光通过混沌激光器波分复用器(2)耦合到激光腔内；泵浦光进入到光纤激光腔内后进入掺铒光纤(3)，光经过混沌激光器输出耦合器(4)，一部分光继续在激光腔内传播至混沌激光腔中的偏振控制器(5)，通过混沌激光腔中的偏振控制器(5)可以调节激光器的输出状态；经过混沌激光腔中的偏振控制器(5)的光，继续传播到混沌激光腔中的可调光衰减器(6)，用于调节腔内的光的强度，经过混沌激光腔中的可调光衰减器(6)的光继续往前传播到混沌激光腔中的光隔离器(7)，混沌激光腔中的光隔离器的作用是保证光的单向传播，经过混沌激光腔中的光隔离器(7)后的传输光，进入到混沌激光腔中的波分复用器(2),形成光纤环形激光器。

2.根据权利要求1所述的混沌光纤衰荡传感装置，其特征在于，从混沌激光器输出耦合器(4)输出的另一部分混沌光，再分成两部分，一部分直接进入光电探测器(9)，经光电探测器(9)转变成参考信号后进入数据采集处理装置(10)，另外一部分进入光纤环(8)，在光纤环(8)里面加载所要传感的传感元，经过光纤环(8)后的混沌激光作为测量光进入光电探测器(9)，经光电探测器(9)转变成测量信号后也进入数据采集处理装置(10)；参考信号和测量信号在数据采集和处理装置(10)中，完成信号的相关和采集，通过对采集的信号进行数据拟合，即可实现光纤传感。

3.根据权利要求1或2所述的混沌光纤衰荡传感装置，其特征在于，所述光纤环中的传感元是光纤型压力传感器或光纤型温度传感器或光纤型气体或液体传感器。

4.根据权利要求3所述的混沌光纤衰荡传感装置实现光纤环衰荡传感的方法，其特征在于，具体方法如下：

根据朗伯-比尔定律，光纤环形衰荡腔中光纤衰减规律满足如下公式：

dIdt=-IAcnL---(1)]]>

其中I为t时刻环形腔内的光强度，A为脉冲光在环形腔内循环产生的损耗，L为环形腔的总腔长，n为光纤纤芯折射率，c为真空中的光速；

数据采集处理装置(10)采集到的参考信号和测量信号的输出电压V₁和V₂可以用如下公式表示：

V1=∫-∞+∞β1P(t)dt,V2=∫-∞+∞β2P(t)dt---(2)]]>

其中β₁和β₂为常数；

参考信号和测量信号的互相关系数可以由下式给出：

Rt=X(t-τ)⊗kX(τ)=kδ(τ),k=V2rV1---(3)]]>

其中符号表示卷积运算，kX(τ)和X(t-τ)分别对应输出电压V₁和V₂在时域中的函数；K为损耗系数，r为输出耦合器的耦合比，联立公式(1)(2)以及(3)可得：

Rt=e-AcnLδ(τ)---(4)]]>

对上式取对数有：

ln(Rt0)=-AcnL---(5)]]>

同理可得外界施加压力F后，互相关系数与损耗的变化关系为：

ln(Rt)=-(A+B)cnL---(6)]]>

其中，B为由外界环境变化所引起的腔内附加损耗；

联立公式(4)、(5)以及(6)可得：

ln(Rt)-ln(Rt0)=-BcnL=-kF---(7)]]>

这里k是一个比例常数，

基于混沌光的光纤环形衰荡腔的互相关系数峰值成指数分布，并且互相关峰值的自然对数与外界环境施加的力成线性关系，只要获得衰荡前后信号的互相关的振幅变化，通过作图求出斜率k,就可计算出外界对光纤环施加的压力大小；对于气体、应变、位移其他物理量，需将压力F替换为待测物理量。