光纤传感中光脉冲调制技术教学讨论

其次介绍光脉冲调制系统的结构，最后介绍光脉冲参数的分析和优化方法。教学过程采用理论与实际相结合的方法，开拓了学生的视野，提高学生学习过程的积极性。

关键词：光脉冲；调制技术；光纤传感中图分类号：G642.0

文献标志码：A

文章编号：1674-9324（2015）17-0100-02

一、几种典型的光脉冲调制技术θF=VBd（1）1.电光脉冲调制技术。当电压加到晶体上时，晶体上式中，V：为费尔德常数，B：为磁感应强度，d：为的折射率将发生变化，晶体的这种特性称为电光效光穿越介质的长度，V：与介质性质及光波频率有关。应。当晶体的折射率与外加电场的幅度成线性变化偏转方向取决于介质性质和磁场方向。时，此时电光效应就是线性电光效应。电光脉冲调制，磁光调制器由起偏器、磁光介质、检偏器和磁场就是基于线性电光效应的一种强度调制技术。常用的产生单元组成。起偏器的偏振方向和检偏器的偏振方电光调制器结构是基于马赫曾德干涉原理的调制器，向相互垂直，起偏器的偏振方向为垂直方向，检偏器该技术已广泛应用于通信系统中。根据其所使用的衬的偏振方向为水平方向。入射光信号经过起偏器后变底材料，又分为LN-MZ（LiNbO3-MZ）调制器、成垂直偏振的线性偏振光。此时，若磁光介质周围不GaAs-MZ调制器和聚合物-MZ调制器。在铌酸锂电光加调制信号，则光在介质中传播不受磁场作用，光传晶体衬底材料上采用钛扩散技术形成波导构成马赫播到检偏器时保持垂直的偏振方向。由于检偏器的偏曾德干涉仪。输入光束被均匀地分配到马赫曾德干涉振方向为水平方向，因此光不能通过检偏器，无光信仪的两个干涉臂上，然后在输出端重新合并形成干号输出。当在磁光介质加上一定的磁场强度时，光在涉，光在两个干涉臂上的传输距离相同。当电极上不介质中传播受到磁场作用产生磁光偏转。设计合适的加电压时，两个干涉臂上传播的光的相位不发生变磁感应强度和磁光介质长度，使得光信号的偏振方向化，则在输出端以同相位相加产生相长干涉，此时输发生90°的偏转，正好和检偏器的偏振方向一致，输出的光功率最大。当电极上加上一个合适的电压时，出光信号功率最大。利用上述磁光效应，就可以实现则波导的折射率发生变化，致使两个干涉臂上传播的脉冲光的调制。由于磁光材料透明波段的限制，磁光光之间产生180°的相位差，此时输出端产生相消干调制技术主要用于红外光波段。涉，使得输出的光功率最小。电光调制器由于存在着3.声光调制技术。声光调制技术的物理基础是声自然双折射引起的相位延迟，且随温度的漂移而改光效应，声光效应是指光波在介质中传播时被超声波变，往往使得被调制波形发生畸变，严重时会使调制场衍射或散射的现象。当超声波在介质中传播时，由器不能正常工作。于超声波的弹性效应，使得介质中产生了弹性应变。2.磁光脉冲调制技术。磁光调制技术是基于某些介质弹性应变是随时间和空间周期变化的，从而使得晶体在外加电场、磁场作用下，其偏振特性发生变化介质中各点的折射率也发生周期性的变化。介质折射的特点来实现光脉冲调制的。法拉第磁光效应：当线率的周期性变化将导致介质中形成折射率光栅，光波性偏振光在磁光介质中传播时，若在平行于光的传播在介质中传播时就会发生衍射现象。衍射光的强度、方向上加一个强磁场，则光的偏振方向将发生偏转。频率和方向等将随着超声波场强的变化而变化。声光偏转角度与磁感应强度和光穿越介质的长度的乘积调制器主要由声波吸收器、声光介质、换能器和调制成正比，即：源组成。调制源用已产生的调制信号施加于电声换能基金项目：芜湖市科技计划重点项目（2013cxy05）；安徽师范大学创新基金项目（2013cxjj04）；安徽省研究生“千人培养计划”（周瑞）作者简介：周正仙（1978-），男，工学博士，副教授，硕士生导师，

安徽庐江人。研究方向：光纤传感。-100-

.com.cn. All Rights Reserved.2015年4月教育教学论坛Apr.2015第17期EDUCATIONTEACHINGFORUMNO.17器的两端电极上，驱动电声换能器将电功率转化成超空间分辨率只受光脉冲的宽度影响，系统的空间分辨声功率。当入射射频信号引起超声波功率变化时，确率与光脉冲的宽度成正比。此外，由于同一个光脉冲定角度的衍射光的强度也会发生相应的变化，从而实持续时间内的光信号都会产生干涉效应，因此会造成现了脉冲光的调制。声光调制具有驱动功率低、光损系统对事件的定位在同一个脉冲内的不确定性。因耗小、消光比高等优点，非常适合应用于光纤传感系此，系统的定位精度将受到光脉冲的宽度的影响，光统中，实现高质量的光脉冲调制。脉冲的宽度越大，系统的定位误差就越大。二、光脉冲调制系统的结构2.脉冲峰值功率对系统性能的影响。在光纤传感由于光纤传感系统对脉冲的参数有着很高的要系统中，为了获得很好的后向散射效果，我们必须注求，因此大多数应用情况下光纤传感系统都采用声光入高峰值功率的脉冲光信号。通过提高脉冲光的峰值调试技术对光信号的脉冲调制，实现一定频率、一定功率来补偿由于光纤衰减造成的脉冲功率损耗，使得脉宽的脉冲光输出。声光脉冲调制系统由信号发生脉冲光到达光纤的末端位置时仍然保持足够的峰值器、射频驱动器、声光调制器组成。信号发生器产生一功率。这样就能提高系统末端后向散射的效果，提高定宽度、一定频率的周期性的电脉冲信号。电脉冲信系统末端的信噪比，从而也延长了系统的测量距离。号输入到射频驱动器中，驱使射频驱动器产生一定宽但是，脉冲峰值功率过高会产生一些非线性效应现度、一定频率的周期性的射频脉冲信号。通过射频驱象，如会产生受激瑞利散射现象和受激拉曼散射现动器输出的射频脉冲信号对声光调制器进行驱动，形象，这些受激散射光会对系统的测量性能产生影响。成光路的周期性的通断。连续光输入声光调制器后，因此，光脉冲的峰值功率应保持在一定的值范围内。就会被声光调制器调制成一定宽度、一定频率的周期系统的测量距离可以通过加宽光脉冲宽度来实现。性的脉冲光信号输出。（三）脉冲周期对系统性能的影响三、脉冲参数的设计和优化方法在光纤传感系统中，同一个位置点产生的信号是（一）光脉冲参数的分析随时间变化的波形，光纤传感系统就是通过连续的脉光脉冲的参数主要有：脉冲宽度、脉冲峰值功率、冲对波形进行采样实现测量。因此，脉冲周期越小对脉冲周期、脉冲上升时间、脉冲下降时间等。波形的采样率就越高，就能够更精确地还原波形。但1.脉冲宽度。脉冲宽度是指脉冲有效的持续时间，是，脉冲周期的缩短将缩短系统的测量距离。由于光一般定义为脉冲功率降低为峰值功率一半时所对应纤传感系统中，光在光纤中传播需要时间，对后向散的脉冲持续时间。射光信号的采集和传输也需要时间。脉冲的间隔时间2.脉冲峰值功率脉冲峰值功率是指脉冲最高值所就是用来留给光在光纤中传播和数据采集传输用的，对应的功率。系统的测量距离与脉冲间隔之间的关系为：3.脉冲周期。脉冲周期是指相邻两个脉冲之间的时间间隔。D＜TVg2（3）4.脉冲上升时间。脉冲上升时间是指脉冲功率从上式中：D：为系统的测量距离，T：为光脉冲间隔，10%峰值功率变化到90%峰值功率所持续的时间。Vg：为光在光纤中的传播速度，根据上式，0.5ms的光脉5.脉冲下降时间。脉冲上升时间是指脉冲功率从冲间隔最大能实现50公里的测量距离。对应的脉冲对90%峰值功率变化到10%峰值功率所持续的时间。事件的采样频率为2kHz。在实际应用中，可以根据系（二）光脉冲参数的优化方法统需要达到大最大测量距离来优化光脉冲间隔。若要脉冲的宽度、峰值功率、周期、上升时间、下降时实现45公里的测量距离则光脉冲的宽度为0.5ms。间等参数对光纤传感系统的性能会造成一定的影响。（四）脉冲上升和下降时间在光纤传感系统中，这些参数对系统性能的影响主要脉冲的上升和下降时间将影响光脉冲的宽度，进如下：而对系统的空间分辨率和系统的定位精度产生影响。1.脉冲宽度对系统性能的影响。脉冲的宽度参数因此，在实际应用中应选择较小的上升和下降时间的会影响系统的空间分辨率和定位精度，系统的空间分光脉冲调制器。辨率与脉冲宽度之间的关系如下：参考文献：

SR=BVg[1]GirtonDG，KwiatkowskiSL，LipscombGF，etal.20GHz2（2）electro‐opticpolymerMach–Zehndermodulator[J].Applied上式中：SR：为空间分辨率，B：为光脉冲的宽度，physicsletters，1991，58（16）：1730-1732.

Vg：为光在光纤中的传播速度。从上式可以得出，系统[2]DillonJrJF，VanUitertLG，WempleSH[Z].MAGNE-的空间分辨率的大小与光脉冲的宽度和光在光纤中TO-OPTICMODULATORS：U.S.Patent，1974-05-14：

传播速度的乘积成正比。对于特定的单模光纤，光在3，811，096.

光纤中的传播速度为一个确定的常数。因此，系统的[3]方伟桥，等.脉冲参数与时域测量技术[M].北京：中国计量出版社，1989.

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