CN110726468B - 一种基于直波导相位调制器的分布式光纤声波传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于直波导相位调制器的分布式光纤声波传感系统，包括窄线宽激光器、光纤隔离器、半导体光放大器、掺铒光纤放大器、光纤环形器、传感光纤、光纤耦合器、直波导相位调制器、第一法拉第旋转镜、第二法拉第旋转镜、光电探测器、数据采集单元和数据处理单元。本发明中所使用的直波导相位调制器可达MHz以上的高调制频率，可以解决现有技术中采用传统压电陶瓷(PZT)相位调制器调制频率低的问题，可以实现分布式光纤声波传感系统对整个光纤链路上高频响应的实时监测和定位。

Description

一种基于直波导相位调制器的分布式光纤声波传感系统

技术领域

本发明属于光纤声波传感器领域，尤其涉及一种基于直波导相位调制器的分布式光纤声波传感系统。

背景技术

分布式光纤声波传感器不仅具有抗电磁干扰、隐蔽性好、耐腐蚀、绝缘等普通光纤传感器的特性，还具有结构简单，探测距离长，能实现动态应变的分布式、实时定量检测，对各种复杂地形的适应程度高和无需外场供电等诸多突出的优点而被广泛应用于周界安防，资源勘探，石油天然气管道检测，通信线路检测，高铁、舰船及机场监测，水听器和地震火灾预警等许多工业和军事领域。

基于相位敏感光时域反射计和相位载波调制方法的分布式光纤声波传感系统，是利用光纤传输中的后向瑞利散射光的相位变化来实现对声波信号的分布式测量和还原的。为了实现对声波信号的定量测量，探测到的后向瑞利散射光信号必须经过相位调制器施加载波调制后再进行解调得到待测声波信号的幅值和频率，因此相位调制器是该分布式光纤声波传感系统的重要组成器件。

相位调制器是在检测系统中能由电路对光波相位实现改变的媒介，它的工作原理是：对相位调制器施加调制电压，电压引起调制器内部材料折射率变化，引起通过的光的传播速度变化，从而引起光的相位变化。一般情况下，光的相位与所施加的调制电压成线性关系，因此不同时刻通过的光所受到的调制作用不同。在分布式光纤声波传感系统中，为了实现对传感光纤链路上的高频探测，要求相位调制器具有高的频率响应特性。

目前，分布式声波传感系统利用相位生成载波调制解调的方案中均采用的是PZT相位调制器构成的迈克尔逊干涉仪结构，PZT相位调制器虽然制作简单，只需将光纤直接绕在PZT上即可，但PZT的工作频率一般只在几十kHz上，调制频率低，无法实现高频调制，在现有技术中，系统所能够探测的频率小于5kHz，因此基于PZT相位调制器的分布式光纤声波传感系统难以实现对高频声波信号的探测。

发明内容

为了解决现有技术中所用的相位调制器的调制频率低，无法实现高频探测的问题，本发明提出了一种基于直波导相位调制器的分布式光纤声波传感系统，采用LiNbO₃集成光学直波导相位调制器替换传统方案中的PZT相位调制器，可以达到MHz以上的调制频率，进而实现系统对整个光纤链路上高频响应的探测。

本发明提供了一种基于直波导相位调制器的分布式光纤声波传感系统，包括窄线宽激光器、光纤隔离器、半导体光放大器、掺铒光纤放大器、光纤环形器、传感光纤、光纤耦合器、直波导相位调制器、第一法拉第旋转镜、第二法拉第旋转镜、光电探测器、数据采集单元和数据处理单元；

其中，所述窄线宽激光器的尾纤输出端与所述光纤隔离器的输入端相连；所述光纤隔离器的输出端与所述半导体光放大器的输入端相连；所述半导体光放大器的输出端与所述掺铒光纤放大器的输入端相连；所述掺铒光纤放大器的输出端与所述光纤环形器的第一端口相连；所述光纤环形器的第二端口与所述传感光纤相连；所述光纤环形器的第三端口与所述光纤耦合器的第一端口相连；所述光纤耦合器的第二端口与所述直波导相位调制器的输入端相连；所述直波导相位调制器的输出端与所述第一法拉第旋转镜相连；所述光纤耦合器的第三端口与所述第二法拉第旋转镜相连；所述光纤耦合器的第四端口依次与所述光电探测器、所述数据采集单元和所述数据采集单元相连。

进一步，所述第一法拉第旋转镜和所述第二法拉第旋转镜性能参数一致，均由旋转角45°的法拉第旋转器与反射镜组成。

进一步，由所述光纤耦合器、所述直波导相位调制器、所述第一法拉第旋转镜和所述第二法拉第旋转镜所构成的非平衡的迈克尔逊干涉仪均为保偏结构。

进一步，还包括光纤光栅，其与包括四端口的所述光纤环形器的第四端口相连。

进一步，所述光纤光栅为光纤布拉格光栅。

进一步，所述光纤耦合器为2×2保偏光纤耦合器。

进一步，所述传感光纤为单模光纤，纤芯直径8～10μm，包层直径125μm。

进一步，所述窄线宽激光器的线宽小于10kHz，功率达10mW以上。

本发明的有益效果：

1)本发明提供的基于直波导相位调制器的分布式光纤声波传感系统结构简单，易于实现，能够使系统达到MHz以上的高频响应；

2)本发明提供的基于直波导相位调制器的分布式光纤声波传感系统只需将现有技术中的基于PZT相位调制器的迈克尔逊干涉仪结构替换成基于直波导相位调制器的保偏迈克尔逊干涉仪结构，就可实现直波导的高调制频率和系统的高频率响应；

3)本发明提供的基于直波导相位调制器的分布式光纤声波传感系统的传感光纤采用普通单模光纤作为传感光纤，成本低廉；可以将脉冲光发生模块和调制解调模块集成在机箱内部，减少了外界干扰的影响，适合于实际应用和大批量生产。

附图说明

图1是本发明实施例的基于直波导相位调制器的分布式光纤声波传感系统的示意图；

图2是本发明实施例的直波导相位调制器的结构示意图。

附图中：

1-窄线宽激光器(NLL)2-光纤隔离器(ISO)，3-半导体光放大器(SOA)，4-掺铒光纤放大器(EDFA)，5-光纤环形器，6-光纤光栅，7-传感光纤，8-光纤耦合器，9-直波导相位调制器，10-第一法拉第旋转镜，11-第二法拉第旋转镜，12-光电探测器(PD)，13-数据采集单元(DAQ)，14-数据处理单元(DP)，15-LiNbO₃基底，16-电极。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明实施例提供的一种基于直波导相位调制器的分布式光纤声波传感系统，如图1所示，主要包括脉冲光发生模块、传感光纤模块和调制解调模块。具体地，脉冲光发生模块包括窄线宽激光器1、光纤隔离器2、半导体光放大器3、掺铒光纤放大器4、四端口光纤环形器5以及光纤光栅6，其中，窄线宽激光器1的尾纤输出端与光纤隔离器2的输入端相连；光纤隔离器2的输出端与半导体光放大器3的输入端相连；半导体光放大器3的输出端与掺铒光纤放大器4的输入端相连；四端口光纤环形器5的端口5-1与掺铒光纤放大器4的输出端与相连以及端口5-4与光纤光栅6相连。

传感光纤模块包括传感光纤7，其与四端口光纤环形器5的端口5-2相连。

调制解调模块包括光纤耦合器8、直波导相位调制器9、第一法拉第旋转镜10、第二法拉第旋转镜11、光电探测器12、数据采集单元13和数据处理单元14，其中，光纤耦合器8的端口8-1与四端口光纤环形器5的端口5-3相连，端口8-2与直波导相位调制器9的输入端相连；直波导相位调制器9的输出端与第一法拉第旋转镜10相连；光纤耦合器8的端口8-3与第二法拉第旋转镜11相连，端口8-4依次与光电探测器12、数据采集单元13和数据采集单元14相连。

特别地，由光纤耦合器8、直波导相位调制器9、第一法拉第旋转镜10和第二法拉第旋转镜11所构成的非平衡的迈克尔逊干涉仪是本发明的重要组成部分，主要用于实现对携带待测声波信息的信号光的相位载波调制和解调。而其中的关键器件直波导相位调制器9，其结构如图2所示，是以LiNbO₃材料做LiNbO₃基底15，通过钛扩散工艺制成的光波导，波导两侧的基底表面上制作两个电极16构成相位调制器，其调制带宽一般能够达到几百MHz到几GHz，具有低损耗、低驱动电压、低背向反射、高调制带宽和易与保偏光纤兼容等优点。该直波导相位调制器9相位调制的机理是Pockels效应，如果两电极间距为d，长度为l，当电压施加于两电极上时，所产生的光相移为：

其中，λ为工作波长；n是光波导的折射率；r为波导材料的电光系数；定义

K_fp称为调制系数。

因此通过对直波导相位调制器9施加不同电压和频率的电信号，可以改变光学相位，利用相位载波调制方法，使本发明的分布式光纤声波传感系统实现对MHz以上的高频响应。

下面通过本发明的具体传感过程对本发明作进一步说明。在本实施例中，窄线宽激光器1的中心波长在1550nm波段，线宽小于5kHz，激光功率达10mW以上。在其他实施例中也可以采用其它类型的窄线宽激光器1，但要求满足线宽小于10kHz，功率达10mW以上。光纤隔离器2采用工作波段为1550nm的普通单模光纤，以防止后向散射光影响激光光源的稳定性。光纤环形器5为四端口光纤环形器并且单向导通。光纤光栅6采用工作波段为1550nm的光纤布拉格光栅，以抑制掺铒光纤放大器4的自发辐射噪声。传感光纤7采用普通的单模光纤，纤芯直径8～10μm，包层直径125μm。光纤耦合器8为2×2的保偏光纤耦合器，分光比50：50，应该注意，可以根据具体实施时的光功率设定实际分光比。直波导相位调制器9的工作波段为1550nm。第一法拉第旋转镜10和第二法拉第旋转镜11的工作波段为1550nm，两者性能参数一致，均由旋转角45°的法拉第旋转器与反射镜组成，用来实现光偏振态的旋转和光的反射。光电探测器12选用可探测到nW量级光功率的探测器。数据采集单元13与数据采集单元14用于整个系统的数据信号采集和处理，用来实现分布式实时声波监测和还原。

本发明的基于直波导相位调制器的分布式光纤声波传感过程如下：

窄线宽激光器1发射的连续激光经光纤隔离器2后注入半导体光放大器3，半导体光放大器3将激光器发出的连续光调制成一定脉冲间隔和脉冲宽度的脉冲光，掺铒光纤放大器4将脉冲光放大后注入四端口光纤环形器5并通过其端口5-1注入传感光纤7中，在传感光纤7传播返回的发生自干涉并携带有待测声波信号的后向瑞利散射光通过四端口光纤环形器5的端口5-3注入到光纤耦合器8的端口8-1进入调制解调模块，四端口光纤环形器5的端口5-4连接光纤光栅6，以抑制掺铒光纤放大器4的自发辐射噪声；

携带有待测声波信息的瑞利散射光信号经光纤耦合器8分成两路，分别经过端口8-2和8-3注入非平衡迈克尔逊干涉仪的两臂，非平衡的迈克尔逊干涉仪存在固定大小的臂差5～10m，与经半导体光放大器3后所生成的脉冲光宽度共同决定系统的空间分辨率。后向瑞利散射光信号一路由直波导相位调制器9载波调制后经第一法拉第旋转镜10反射回来，另一路经第二法拉第旋转镜11反射回来，返回的两束光在光纤耦合器8处发生干涉，干涉光由光纤耦合器8的端口8-4注入光电探测器12，经光电转换后进入数据采集单元13，最终由数据处理单元14处理后即可得到待测声波信号的频率和幅值。

特别地，调制解调模块中光电探测器12所探测到的光强信号I可以表示为：

式中，A为信号中所含的直流信号成分的幅值；B为交流信号成分的幅值，Ccosw₀t为载波调制信号；

为待测信号与环境漂移共同引起的相位变化。

可分为频率为w_s的待测声波信号和由环境漂移等外界干扰引起的相位变化，其表达式如下：

式中，D为待测声波信号的幅值，w_s为待测声波信号的频率；t为时间；

为环境噪声引起的相位变化。由于载波信号的频率远远高于待测信号，故可认为该载波信号载着待测信号，即，体现了相位载波的含义。本发明通过引入直波导相位调制器9，使得载波调制频率w₀可达MHz以上，由奈奎斯特采样定理可知，理论上可探测到的声波频率为载波调制频率的一半，因此本发明提供的分布式光纤声波传感系统可实现MHz以上的高频响应。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于直波导相位调制器的分布式光纤声波传感系统，其特征在于，包括窄线宽激光器(1)、光纤隔离器(2)、半导体光放大器(3)、掺铒光纤放大器(4)、四端口光纤环形器(5)、传感光纤(7)、光纤耦合器(8)、直波导相位调制器(9)、第一法拉第旋转镜(10)、第二法拉第旋转镜(11)、光电探测器(12)、数据采集单元(13)和数据处理单元(14)；

其中，所述窄线宽激光器(1)的尾纤输出端与所述光纤隔离器(2)的输入端相连；所述光纤隔离器(2)的输出端与所述半导体光放大器(3)的输入端相连；所述半导体光放大器(3)的输出端与所述掺铒光纤放大器(4)的输入端相连；所述掺铒光纤放大器(4)的输出端与所述四端口光纤环形器(5)的第一端口(5-1)相连；所述四端口光纤环形器(5)的第二端口(5-2)与所述传感光纤(7)相连；所述四端口光纤环形器(5)的第三端口(5-3)与所述光纤耦合器(8)的第一端口(8-1)相连；所述光纤耦合器(8)的第二端口(8-2)与所述直波导相位调制器(9)的输入端相连；所述直波导相位调制器(9)的输出端与所述第一法拉第旋转镜(10)相连；所述光纤耦合器(8)的第三端口(8-3)与所述第二法拉第旋转镜(11)相连；所述光纤耦合器(8)的第四端口(8-4)依次与所述光电探测器(12)、所述数据采集单元(13)和所述数据采集单元(14)相连；

所述第一法拉第旋转镜(10)和所述第二法拉第旋转镜(11)性能参数一致，均由旋转角45°的法拉第旋转器与反射镜组成；

由所述光纤耦合器(8)、所述直波导相位调制器(9)、所述第一法拉第旋转镜(10)和所述第二法拉第旋转镜(11)所构成的非平衡的迈克尔逊干涉仪为保偏结构；所述非平衡的迈克尔逊干涉仪存在固定大小的臂差。

2.根据权利要求1所述的分布式光纤声波传感系统，其特征在于，还包括光纤光栅(6)，其与所述四端口光纤环形器(5)的第四端口(5-4)相连。

3.根据权利要求2所述的分布式光纤声波传感系统，其特征在于，所述光纤光栅(6)为光纤布拉格光栅。

4.根据权利要求1所述的分布式光纤声波传感系统，其特征在于，所述光纤耦合器(8)为2×2保偏光纤耦合器。

5.根据权利要求1所述的分布式光纤声波传感系统，其特征在于，所述传感光纤(7)为单模光纤，纤芯直径8～10μm，包层直径125μm。

6.根据权利要求1所述的分布式光纤声波传感系统，其特征在于，所述窄线宽激光器(1)的线宽小于10KHz，功率达10mW以上。

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