[发明专利]基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法及系统

权利要求书

1.一种基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法，其特征在于：方法为：

量子光源输出连续光经过处理为特定波长的光脉冲后进入光纤光栅传感器阵列；

单光子探测器对光纤光栅传感器阵列中的不同位置的光纤光栅的反射光进行探测，并对应在不同时刻输出对应的光信号，单光子探测器输出的每一个光信号都输入时间数字转换器并对应产生一个电信号，令时间数字转换器的计数值改变；

对单光子探测器输出的光信号进行符合计数，通过分析符合计数值的大小得到对应的光子波长，通过分析反射光波长变化解调得到各个光纤光栅传感器测量区域物理信息变化，对电信号的输出时刻在时间上恢复得到光纤光栅的空间位置。

2.根据权利要求1所述的基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法，其特征在于：所述对单光子探测器输出的光信号进行符合计数，通过分析符合计数值的大小得到对应的光子波长，通过分析反射光波长变化得到各个光纤光栅传感器测量区域物理信息变化的具体过程为：

信号处理系统对符合计数值进行处理，其坐标横轴为反射光子的传输时间，纵轴为反射光子的符合计数值，反射光子在时间数字转换器的符合计数值表示为：

式中，E₀为光源注入到光纤的总能量，λ为入射光波长，α为光纤损耗，R_G(λ)为光纤光栅反射光谱函数，η为单光子探测器的探测效率，t_b为每个采样的窗口时间，f_r为入射脉冲的重复率，t_m为测量时间，h为普朗克常量，c为光在真空中的传播速度，λ_B为反射光波长，n为光纤折射率，N为平均光子数，N进一步表示为：

在注入到光纤的光波长及测量时间保持不变的情况下，反射光平均光子数N与光纤光栅传感器的中心波长λ_B唯一相关，由该公式得到：

式中R_max是光纤光栅的峰值反射率，通过上述公式，根据对反射光子的计数值计算出光纤光栅传感器的中心波长λ_B的漂移大小，进而解调出测量区域的物理信息变化大小。

3.根据权利要求1所述的基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法，其特征在于：所述通过时间数字转换器和信号处理系统对电信号的输出时刻在时间上恢复得到光纤光栅的空间位置的具体过程为：

令光纤光栅的间距为d，光纤光栅传感器阵列的反射光输出端与第一个光纤光栅的间隔为s，光纤光栅传感器阵列的反射光输出端与单光子探测器的距离为1，光脉冲经各个光纤光栅进行反射，第i个光纤光栅的反射光到达单光子探测器的时间为：

计算得到第i个光纤光栅传感器距环形器的距离为：

4.根据权利要求1所述的基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法，其特征在于：所述光纤光栅传感阵列由高斯函数型光纤光栅等间距排列构成。

5.根据权利要求1所述的基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法，其特征在于：所述量子光源为单波长窄带光源，所述光纤光栅传感阵列具有相同的中心波长，且中心波长与量子光源的中心波长相匹配，采用时分复用技术进行信号解调。

6.根据权利要求1所述的基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法，其特征在于：所述量子光源为宽带光源，所述的光纤光栅传感阵列中心波长与量子光源的输出波长范围相匹配，采用波分复用与时分复用相结合的技术进行信号解调。

7.根据权利要求1所述的基于光量子技术的高灵敏度光纤光栅传感方法，其特征在于：所述单光子探测器采用基于雪崩光电二极管或者超导波导器件。