一种脉冲强磁场光学测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种脉冲强磁场光学测量系统及方法，属于光纤传感技术领域，包括：磁致伸缩装置以及设置于传感光纤的第一弱反射布拉格光栅、第二弱反射布拉格光栅和第三弱反射布拉格光栅，磁致伸缩装置在磁场作用下产生与磁场强度相对应伸缩变化；双波长光脉冲发射模块发射两束不同波长的激光经调制后形成双波长探测光脉冲信号，并将双波长探测光脉冲信号输出至传感光纤；光接收模块接收由双波长探测光脉冲信号经反射布拉格光栅反射的拍频信号，通过处理拍频信号得到磁致伸缩装置的长度变化，实现对磁场强度的测量。本发明专利技术通过将磁制伸缩材料的应变转化为光纤的相位变化，通过双波长光源补偿环境的振动，提高了采样的速率和测量的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种脉冲强磁场光学测量系统及方法
本专利技术属于光纤传感
，更具体地，涉及一种脉冲强磁场光学测量系统及方法。
技术介绍
强磁场是半导体、超导、特殊功能材料和器件研究不可或缺的条件，同时强磁场下的核磁共振，又是生命科学、医学、脑科学研究的必要工具。但是，由于强磁场多为脉冲形式，加上低温、强电磁和强振动的环境，这使得强磁场的测量十分困难。常规的磁场测量方法有电磁感应法，如专利201110189655.4公开了一种基于电磁感应法的脉冲磁场测量方法，但是由于测量环境具有强电磁效应，这种方法对脉冲强磁场的测量具有较差的稳定性。由于光纤具有耐低温，抗电磁干扰的优势，适用于磁场环境的应变测量，如专利201811603254.7公开了一种基于光纤光栅的磁场测量方法。但是由于光纤光栅法是通过光谱漂移对脉冲强磁场进行测量，这种方法不能兼顾采样速率和测量精度，而采样速率和测量精度对于脉冲强磁场是需要同时满足的。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种脉冲强磁场光学测量系统及方法，其目的在于将磁制伸缩材料的应变转化为光纤的相位变化，通过双波长光源补偿环境的振动，由此解决脉冲强磁场测量过程中采样率低和测量精度低的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种脉冲强磁场光学测量系统，包括：光纤磁场探头，包括磁致伸缩装置以及设置于传感光纤的第一弱反射布拉格光栅、第二弱反射布拉格光栅和第三弱反射布拉格光栅，所述磁致伸缩装置设置于所述第二弱反射布拉格光栅和第三弱反射布拉格光栅之间；所述磁致伸缩装置在磁场作用下产生与磁场强度相对应伸缩变化；双波长光脉冲发射模块，用于发射两束不同波长的激光经调制后形成双波长探测光脉冲信号，并将所述双波长探测光脉冲信号输出至所述传感光纤；光接收模块，用于接收由双波长探测光脉冲信号经所述第一弱反射布拉格光栅、所述第二弱反射布拉格光栅和所述第三弱反射布拉格光栅反射的拍频信号，通过处理拍频信号得到所述第二弱反射布拉格光栅和所述第三弱反射布拉格光栅之间的长度，从而得到所述磁致伸缩装置的长度变化，实现对磁场强度的测量。优选地，所述双波长脉冲发射模块包括第一激光器、第二激光器、第一光耦合器、第二光耦合器、波分复用器、声光调制器和环形器；所述第一激光器的输出端连接所述第一光耦合器的输入端，所述第一光耦合器的第一输出端连接于所述波分复用器的第一输入端，所述第一光耦合器的第二输出端连接于所述光接收模块；所述第二激光器的输出端连接所述第二光耦合器的输入端，所述第二光耦合器的第一输出端连接于所述波分复用器的第二输入端，所述第二光耦合器的第二输出端连接于所述光接收模块；所述波分复用器的输出端连接于所述声光调制器的输入端，所述声光调制器的输出端连接于所述环形器的输入端，所述环形器的第一输出端连接于所述光纤磁场探头，所述环形器的第二输出端连接于所述光接收模块。优选地，所述光接收模块包括波分解复用器、第三光耦合器、第四光耦合器、第一光电探测器和第二光电探测器；所述波分解复用器的输入端连接于所述环形器的第二输出端，所述波分解复用器的第一输出端连接于所述第三光耦合器的第二输入端，所述波分解复用器的第二输出端连接于所述第四光耦合器的第二输入端；所述波分解复用器用于将反射光解复用为第一反射光和第二反射光，所述第一反射光与所述第一激光器的输出激光波长相同，所述第二反射光与所述第二激光器的输出激光波长相同；所述第三光耦合器的第一输入端连接于所述第一光耦合器的第二输出端，所述第四光耦合器的第一输入端连接于所述第二光耦合器的第二输出端；所述第一光电探测器的输入端连接于所述第三光耦合器的输出端，所述第二光电探测器的输入端连接于所述第四光耦合器的输出端。优选地，所述第二弱反射布拉格光栅和第三弱反射布拉格光栅之间的距离等于所述磁致伸缩装置的长度。优选地，所述第一弱反射布拉格光栅可同时反射波长为λ1和λ2的光脉冲，所述第二弱反射布拉格光栅只能反射光波长为λ1的光脉冲，所述第三弱反射布拉格光栅只能反射光波长为λ2的光脉冲，其中λ1和λ2分别为所述双波长光脉冲发射模块发射的两束激光的波长，且λ1≠λ2。优选地，所述第一弱反射布拉格光栅使用包含波长为λ1和λ2啁啾相位掩膜板曝光制备，所述第二弱反射布拉格光栅使用包含波长为λ1且不包含波长为λ2的等间距相位掩膜板曝光制备，所述第三弱反射布拉格光栅使用包含波长为λ2且不包含波长为λ1的等间距相位掩膜板曝光制备。优选地，所述第一弱反射布拉格光栅对波长为λ1和λ2的光脉冲的反射率均为0.01％-0.1％；第二弱反射布拉格光栅对波长为λ1的光脉冲的反射率为0.01％-0.1％；所述第三弱反射布拉格光栅对波长为λ2的光脉冲的反射率为0.01％-0.1％。优选地，所述第一弱反射布拉格光栅和所述第二弱反射布拉格光栅之间的距离其中τ为双波长探测光脉冲的脉冲宽度，c为光在真空中的光速，n为所述传感光纤的折射率。一种脉冲强磁场光学测量方法，磁致伸缩装置产生与脉冲强磁场同步的伸缩效应，所述方法包括以下步骤：S1，将光纤磁场探头放置于待测强磁场中，同时触发脉冲强磁场信号；S2，驱动双波长脉冲发射模块发射波长为λ1和λ2的双波长探测光脉冲信号至传感光纤，其中所述传感光纤的第一弱反射布拉格光栅同时反射波长为λ1和λ2的光脉冲信号，所述传感光纤的第二弱反射布拉格光栅只能反射光波长为λ1的光脉冲信号，所述传感光纤的第三弱反射布拉格光栅只能反射光波长为λ2的光脉冲信号；S3，所述光接收模块接收第一弱反射布拉格光栅、第二弱反射布拉格光栅和第三弱反射布拉格光栅反射的光脉冲信号并将所述光脉冲信号转换为拍频信号；S4，使用双波长链路噪声自适应补偿算法处理所述拍频信号，得到第二弱反射布拉格光栅与第三弱反射布拉格光栅之间的长度l2，3，即为磁致伸缩装置的长度；S5，重复步骤S2-S4，测得第二弱反射布拉格光栅与第三弱反射布拉格光栅之间的长度的时间变化l2，3(t)，根据磁致伸装置的伸缩特性得到脉冲强磁场随时间的变化情况B(t)。优选地，所述双波长链路噪声自适应补偿算法，包括以下步骤：从拍频信号中分离出波长为λ1的光信号和波长为λ2的光信号，波长为λ1的光信号包括第一弱反射布拉格光栅反射的拍频信号和第二弱反射布拉格光栅反射的拍频信号波长为λ2的光信号包括第一弱反射布拉格光栅反射的拍频信号和第三弱反射布拉格光栅反射的拍频信号将四个拍频信号和进行相位调解，得到所述四个拍频信号的相位信息和对相位信息和进行差分，得到第一弱反射布拉格光栅和第二弱反射布拉格光栅在波长为λ1下的相位差对相位信息和进行差分，得到第一弱反射布拉格光栅和第三弱反射布拉格光栅在波长为λ2下的相位差将所述相位差转化为光纤长度λ1，2；将所述相位差转化为光纤长度λ1，3；将所述长度λ1，3与所述长度λ1，2进行差分运算，得到第二弱反射布拉格光栅和第三弱本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种脉冲强磁场光学测量系统，其特征在于，包括：/n光纤磁场探头，包括磁致伸缩装置(6)以及设置于传感光纤(3)的第一弱反射布拉格光栅(4)、第二弱反射布拉格光栅(5)和第三弱反射布拉格光栅(7)，所述磁致伸缩装置(6)设置于所述第二弱反射布拉格光栅(5)和第三弱反射布拉格光栅(7)之间；所述磁致伸缩装置在磁场作用下产生与磁场强度相对应伸缩变化；/n双波长光脉冲发射模块，用于发射两束不同波长的激光经调制后形成双波长探测光脉冲信号，并将所述双波长探测光脉冲信号输出至所述传感光纤；/n光接收模块，用于接收由双波长探测光脉冲信号经所述第一弱反射布拉格光栅(4)、所述第二弱反射布拉格光栅(5)和所述第三弱反射布拉格光栅(7)反射的拍频信号，通过处理拍频信号得到所述第二弱反射布拉格光栅(5)和所述第三弱反射布拉格光栅(7)之间的长度，从而得到所述磁致伸缩装置的长度变化，实现对磁场强度的测量。/n

【技术特征摘要】
1.一种脉冲强磁场光学测量系统，其特征在于，包括：
光纤磁场探头，包括磁致伸缩装置(6)以及设置于传感光纤(3)的第一弱反射布拉格光栅(4)、第二弱反射布拉格光栅(5)和第三弱反射布拉格光栅(7)，所述磁致伸缩装置(6)设置于所述第二弱反射布拉格光栅(5)和第三弱反射布拉格光栅(7)之间；所述磁致伸缩装置在磁场作用下产生与磁场强度相对应伸缩变化；
双波长光脉冲发射模块，用于发射两束不同波长的激光经调制后形成双波长探测光脉冲信号，并将所述双波长探测光脉冲信号输出至所述传感光纤；
光接收模块，用于接收由双波长探测光脉冲信号经所述第一弱反射布拉格光栅(4)、所述第二弱反射布拉格光栅(5)和所述第三弱反射布拉格光栅(7)反射的拍频信号，通过处理拍频信号得到所述第二弱反射布拉格光栅(5)和所述第三弱反射布拉格光栅(7)之间的长度，从而得到所述磁致伸缩装置的长度变化，实现对磁场强度的测量。


2.根据权利要求1所述的一种脉冲强磁场光学测量系统，其特征在于：所述双波长脉冲发射模块包括第一激光器(8)、第二激光器(9)、第一光耦合器(10)、第二光耦合器(11)、波分复用器(12)、声光调制器(13)和环形器(14)；
所述第一激光器(8)的输出端连接所述第一光耦合器(10)的输入端，所述第一光耦合器(10)的第一输出端连接于所述波分复用器(12)的第一输入端，所述第一光耦合器(10)的第二输出端连接于所述光接收模块；
所述第二激光器(9)的输出端连接所述第二光耦合器(11)的输入端，所述第二光耦合器(11)的第一输出端连接于所述波分复用器(12)的第二输入端，所述第二光耦合器(11)的第二输出端连接于所述光接收模块；
所述波分复用器(12)的输出端连接于所述声光调制器(13)的输入端，所述声光调制器(13)的输出端连接于所述环形器(14)的输入端，所述环形器(14)的第一输出端连接于所述光纤磁场探头，所述环形器(14)的第二输出端连接于所述光接收模块。


3.根据权利要求2所述的一种脉冲强磁场光学测量系统，其特征在于：所述光接收模块包括波分解复用器(15)、第三光耦合器(16)、第四光耦合器(17)、第一光电探测器(18)和第二光电探测器(19)；
所述波分解复用器(15)的输入端连接于所述环形器(14)的第二输出端，所述波分解复用器(15)的第一输出端连接于所述第三光耦合器(16)的第二输入端，所述波分解复用器(15)的第二输出端连接于所述第四光耦合器(17)的第二输入端；所述波分解复用器(15)用于将反射光解复用为第一反射光和第二反射光，所述第一反射光与所述第一激光器(8)的输出激光波长相同，所述第二反射光与所述第二激光器(9)的输出激光波长相同；
所述第三光耦合器(16)的第一输入端连接于所述第一光耦合器(10)的第二输出端，所述第四光耦合器(17)的第一输入端连接于所述第二光耦合器(11)的第二输出端；
所述第一光电探测器(18)的输入端连接于所述第三光耦合器(16)的输出端，所述第二光电探测器(19)的输入端连接于所述第四光耦合器(17)的输出端。


4.根据权利要求1所述的一种脉冲强磁场光学测量系统，其特征在于：所述第二弱反射布拉格光栅(5)和第三弱反射布拉格光栅(7)之间的距离等于所述磁致伸缩装置(6)的长度。


5.根据权利要求1所述的一种脉冲强磁场光学测量系统，其特征在于：所述第一弱反射布拉格光栅(4)可同时反射波长为λ1和λ2的光脉冲，...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙琪真，范存政，刘涛，李豪，闫志君，刘德明，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42