一种高灵敏度的光纤传感器阵列制造技术

本发明专利技术涉及一种高灵敏度的光纤传感器阵列

【技术实现步骤摘要】
一种高灵敏度的光纤传感器阵列


：
[0001]本专利技术属于光纤声传感
，具体涉及一种高灵敏度的光纤传感器阵列
。

技术介绍

：
[0002]光纤传感器阵列为实现目标探测
、
环境噪声测量
、
周界围栏入侵监测等应用的有效设备，其可通过固定铺设在海底
、
垂直悬挂在浮标
/
潜标
、
拖挂在水面
/
水下平台
、
以及线状或网状编织陆地近岸布设，实现对大型水下平台
、
无人小平台
、
蛙人等目标的信号获取
、
跟踪和定位
。
随着我国对深远海探索与开发不断推进和对海洋领土防卫的要求不断提高，光纤传感器阵列的应用环境和要求也在持续拓宽
。
[0003]光纤传感器阵列应用于深海环境时，由于海面的风
、
流等海洋天气以及航船
、
海上作业等人类活动对深海海底的影响很小，同时深海海底少有大型水生生物活动，因而具有很低的环境噪声
(
＜
45dB@1kHz)。
要充分利用深海低环境噪声的特点，则要求光纤传感器阵列自噪声稳定的低于环境噪声
。
[0004]光纤传感器阵列系统的自噪声一般由
N
＝
N
解调噪声
‑
M
基元灵敏度
获得
。
信号解调噪声降低主要通过相位噪声和强度噪声的抑制实现
。
相位噪声为激光有限的空间
、
时间相干性与干涉信号的延时差引起，要实现相位噪声的抑制，一则为采用窄线宽的激光器，二则采用高精度的延时补偿；强度噪声主要根源为光放大和光电探测引入的暗电流等噪声，但在信号解调过程中，更多为低采样引起的强度噪声低频混叠，而抗混叠滤波将会引起探测信号的畸变，因而传感阵列的高访问率
(
采样
)
将有有助于该部分噪声的抑制，抑制效果约为
D
＝
20lg(f/f0)。
但两者对于噪声抑制的代价分别为：前者，激光光源的成本增加，工艺控制的复杂度和难度提高；后者，高采样率必定降低传感阵列的时分复用度，提高传输和解调成本，或者缩短延时光纤长度，降低传感灵敏度，从而对系统等效自噪声抑制无实质性作用
。
因而通过信号解调端改进实现光纤传感阵列噪声抑制在成本
、
技术以及整体效果存在较大的困难
。
[0005]提高传感器灵敏度为抑制等效自噪声的有效方法，据公开文献和专利报道，对于空气背衬式结构，通过增加增敏壳体的直径，减薄增敏壳体厚度将提高传感器灵敏度；推挽式传感器结构设计，灵敏度将提高
6dB
等
。
但由于高静水压
、
细径化阵列等条件的限制，通过增敏结构降低材料模量
、
减薄壁厚
、
增大直径等方法或将无法采用，或将难于大幅度的提高灵敏度性能；对于特殊的传感光纤结构，如光子晶体光纤，尚无在振动
、
声传感领域工程化应用
。
[0006]而通过光纤长度增加，理论上可以无限提高传感器灵敏度，但现阶段的光纤传感器阵列为实现少量传输光纤下大规模的光纤传感器复用，常采用以时分复用方式为基础架构的混合复用方式，具体结构如图2所示，采用反射式时分光路结构，包括分光耦合器
1、
传感
/
延时纤圈
2、
传输光纤
3、
参考臂光纤4和法拉第旋转镜5，多个分光耦合器1通过传输光纤3依次连接，相邻的两个分光耦合器1的传输光纤3上连接有传感
/
延时纤圈2，上述5类光纤功能件按规律依次熔接；每个分光耦合器1还连接有法拉第旋转镜5，即分光耦合器1的小分
光比端由法拉第旋转镜5直接反射，大分光端安装传感
/
延时纤圈2并由下一路分光耦合器1小分光比端的法拉第旋转镜5反射；入射的激光脉冲7通过时分延时光路返回一组脉冲序列，并在各分光耦合器1位置形成光脉冲交错干涉8，并形成带传感信号的调制干涉脉冲序列
9。
当光纤传感器应用于时分光路拓扑结构中时，增加传感光纤的长度或者会大幅度降低传感光路的复用规模
、
增加传输链路资源要求
、
或者增加匹配光纤光路的规模和传感器的工艺复杂度等，对阵列的大规模传感器复用和工程可用性造成极大的限制和不良影响，见以下关系：
[0007][0008]其中
f
为访问重复率，
N
为单纤平均复用规模
。

技术实现思路

：
[0009]本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种高灵敏度的光纤传感器阵列，基于时分复用光路结构，通过传感结构设计，控制传感信号的相位，实现在传感光纤长度不变的情况下，实现传感信号灵敏度增加3倍以上，此外可自由增加传感光纤长度，极大提高阵列传感单元灵敏度，实现传感链路灵敏度的有效提高和系统自噪声降低；且该设计可保证现有典型时分复用光路和工艺实现的简易性，对光纤传感阵列在深海远距离探测的工程实现具有重要意义
。
[0010]本专利技术的技术解决方案是，提供一种高灵敏度的光纤传感器阵列
,
采用反射式时分光路结构，包括分光耦合器
、
传感
/
延时纤圈
、
传输光纤
、
法拉第旋转镜和参考臂光纤，上述5类光纤功能件按规律依次熔接；分光耦合器根据不同的时分规模以及其在传输链路中的相应位置，采用特定的分光比，以保证各路反射光脉冲强度平衡，其中小分光臂端由法拉第旋转镜直接反射，大分光端安装传感
/
延时纤圈并由下一路分光耦合器小分光臂端的法拉第旋转镜反射；入射的激光脉冲通过时分延时光路返回一组脉冲序列，并在各分光耦合器位置形成光脉冲交错干涉，并形成带传感信号的调制干涉脉冲序列；为充分发挥参考臂光纤的传感作用而不影响光路时延，连接分光耦合器和法拉第旋转镜的参考臂光纤上安装有信号敏感的参考臂敏感纤圈，为保证信号获取的有效增强，相邻参考臂敏感纤圈拾取的信号相位实现
180
°
差，传感
/
延时纤圈获取的信号相位与光路靠后的参考臂敏感纤圈相同，实现总灵敏度
M
总
＝
M
RN
灵敏度
+M
SN
灵敏度
+M
RN
‑1灵敏度
的效果
。
本专利技术基于反射式时分复用光路拓扑结构，由光发射输入一定脉宽
、
重复率和延时的激光单脉冲或双脉冲，经过时分光路的延时
/
传感结构获取传感信号，返回后形成对准干涉，最后实现目标信号本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种高灵敏度的光纤传感器阵列
,
采用反射式时分光路结构，包括分光耦合器
(1)、
传感
/
延时纤圈
(2)、
传输光纤
(3)、
参考臂光纤
(4)
和法拉第旋转镜
(5)
；其特征在于：分光耦合器
(1)
根据不同的时分规模以及其在传输链路中的相应位置，采用特定的分光比，以保证各路反射光脉冲强度平衡，其中小分光臂端由法拉第旋转镜
(5)
直接反射，大分光端安装传感
/
延时纤圈
(2)
并由下一路分光耦合器
(1)
小分光臂端的法拉第旋转镜
(5)
反射；入射的激光脉冲
(7)
通过时分延时光路返回一组脉冲序列，并在各分光耦合器
(1)
位置形成光脉冲交错干涉
(8)
，并形成带传感信号的调制干涉脉冲序列
(9)
；连接分光耦合器
(1)
和法拉第旋转镜
(5)
的参考臂光纤上安装有参考臂敏感纤圈，相邻参考臂敏感纤圈拾取的信号相位实现
180
°
差，传感
/
延时纤圈
(2)
获取的信号相位与光路靠后的参考臂敏感纤圈相同，从而实现总灵敏度
M
总
＝
M
RN
灵敏度
+M
SN
灵敏度
+M
RN
‑1灵敏度
的效果
。2.
根据权利要求1所述的高灵敏度的光纤传感器阵列，其特征在于：参考臂敏感纤圈包括内腔式传感器
(10)
和外腔式传感器
(11)
，两种参考臂敏感纤圈采用相同的增敏结构
(13)
，其中，内腔式传感器
(10)
的增敏空气内腔
(14)
由增敏结构
(13)
和传感芯轴骨架
I(12)
密封安装形成，传感光纤纤圈
(15)
密排绕制在增敏结构上，通过输入
/
输出光纤
(16)
接入阵列复用光路中，作用流体和传感信号
(17)
作用到增敏结构
(13)
外表面上，引起...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈小军，张达，潘雪，徐宗贤，倪程辉，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七一五研究所，
类型：发明
国别省市：