CN101666688A - 基于超结构光纤光栅滤波器的自发布里渊散射测量方法 - Google Patents

Abstract

基于超结构光纤光栅滤波器的自发布里渊散射测量方法用窄线宽分布反馈光纤激光器和宽带激光器的方法抑制相干瑞利噪声，并得到布里渊信号与瑞利信号强度之比；第一步根据光纤的长度将产生的窄线宽脉冲光经极化控制后馈入被测光纤，背向反射信号通过和环形器端口(4)进入滤波器组，分别调节可调超结构光栅滤波器，最大程度的滤除瑞利信号，提取自发布里渊散射信号，送入高灵敏度的光电转换模块和信号处理模块，通过数据累加和小波消噪处理检测出自发布里渊信号的强度，第二步将宽带激光器产生的脉冲光经过和第一步同样的后端模块测得瑞利散射信号；最后对两次测量数据在计算机上处理显示光纤所受温度和应力的情况，解决了光纤自发布里渊信号的测量方法问题。

Description

基于超结构光纤光栅滤波器的自发布里渊散射测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于超结构光纤光栅滤波器(又称双峰滤波器)的光纤自发布里渊散射信号测量方法，主要用于光纤自发布里渊散射信号的测量，属于传感技术领域。

背景技术

滤波器设计与制作是光纤自发布里渊散射信号测量的关键。由于布里渊信号的特点(光纤中的散射频谱如图1所示)，市场上很难得到相匹配的滤波器，目前现有的方案中主要采用干涉仪来实现，但是常用的光纤型M-Z干涉仪存在稳定性差，不易调节等问题，只能在一些实验室环境下使用，而F-P干涉仪由于其插入损耗大也不适合做长距离的测量。因此提高滤波器的性能，加强稳定性成为基于布里渊散射的分布式光纤传感系统实用化的首要问题。光纤光栅被广泛用于制作各种传感和通信所需的全光滤波器，但是传统光纤光栅滤波器无法满足BOTDR的需求，因为瑞利与布里渊散射波长间隔近(11G)，自发布里渊效应会在瑞利峰两侧产生两个间隔约0.17nm的Stokes和anti-Stokes峰，它们比瑞利低近30dB。要将间隔0.17nm的两个布里渊反射峰同时滤出，并且对中央的瑞利峰抑制30dB以上，这对光栅滤波器设计与制作的波长精准、消光比和带宽控制都提出很高的要求。近年来由南安普顿大学光学中心首先提出的超结构光纤光栅技术可以实现各种复杂全光滤波器，所谓超结构是指通过精确控制光栅制作中的变迹和相移函数控制滤波器的幅度谱和相位谱，进而实现任意滤波器的一项新技术。

因此，必须依托现有设备，对滤波器设计与制作技术进行创新，利用较低精度的工艺制作出性能符合要求的滤波器。从而有效的提取布里渊信号。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于超结构光纤光栅滤波器的光纤自发布里渊散射信号测量方法，在设计制作超结构光纤光栅滤波器基础上对测量方案进行改进，在时域上分析背向布里渊散射信号的功率和频移，研究单端同时测量温度和应力的BOTDR系统方案。系统构成简单，成本低，稳定性高，具有较强的实用价值。

技术方案：本发明的基于超结构光纤光栅滤波器的自发布里渊散射测量方法，用窄线宽分布反馈光纤激光器和宽带脉冲激光器组成的双光源方式抑制相干瑞利噪声，根据光纤的长度产生相应脉宽的脉冲光经极化控制后馈入被测光纤，背向反射信号通过环形器端口进入滤波器组，分别调节可调超结构光栅滤波器，以实现最大程度的提取待测信号，滤波信号送入高灵敏度的光电转换模块和信号处理模块，通过数据累加和小波消噪处理在计算机显示光纤分布曲线。

光纤光栅滤波器选用易于设计制作、性能稳定可靠的超结构光纤光栅滤波器。

通过设计和制作可以得到与自发布里渊信号谱线一致的双峰结构，更适合于布里渊信号的提取。

所述的采用双光源方式抑制相干瑞利噪声，分别测得布里渊信号和瑞利信号的强度，通过二者的强度之比消除由于接头损耗等带来的影响。

有益效果：为了有效解决布里渊信号的提取，我们设计制作了波长可调超结构光纤光栅滤波器，并提出了将“波长可调超结构光纤光栅滤波器技术”应用于布里渊信号的分离，进而实现布里渊信号的检测。超结构光纤光栅滤波器作为瑞利和布里渊信号分离的主要部件，具有抑制比高、滚降特性好、线宽窄、中心波长可调、插损低、稳定性高等特点。可以将峰值波长间隔为0.17nm左右的布里渊信号提取出来，而对瑞利信号则起到滤除的作用。基于该滤波器构成的自发布里渊测量装置结构简单，稳定性高，可以实现温度与应力的同时检测。

附图说明

图1光纤散射频谱，

图2超结构光纤光栅滤波器谱线，

图3自发布里渊散射测量系统框图，其中的1、2、3、4分别代表环行器的4个端口，即第一端口1、第二端口2、第三端口3、第四端口4。

图4超结构光纤光栅滤波器组，其中的1、2、3、4分别代表环行器的4个端口，即第一端口1、第二端口2、第三端口3、第四端口4。

具体实施方式

首先采用可重构-等效啁啾(REC)技术，并根据布里渊信号的特点，确定超结构光纤光栅滤波器的指标：滤波器的中心波长λ＝1543.8nm，双峰间距d＝0.176nm。制作出图2所示的超结构光纤光栅滤波器，该曲线是利用宽谱光源测得其反射谱线。

在成功制作双峰滤波器的基础上，基于双光源、光栅滤波的BOTDR方案如图3

所示。由于窄线宽光源会导致相干瑞利噪声，因此为了获得瑞利散射基准和布里渊散射信号我们采用了双光源方案。

用于产生布里渊散射的窄线宽激光器经外调制器AOM消除啁啾后注入掺铒光纤放大器，放大后进入环形器Y1的1端口，经2端口输出后被光栅G1全反射而从3端口输出。用于产生瑞利散射信号的宽带ASE光源经光栅G1的透射后从3端口输出。环型器3端口的输出光经极化控制后产生探测光脉冲注入被测光纤，其背向散射信号从环形器的4端口输出。由于此时的背向散射信号中既有温度、应力不敏感的瑞利散射信号又有对温度应力变化敏感的布里渊散射信号，因此本方案中利用两个超结构光线光栅组成的光栅滤波器组(如图4所示)，通过调节滤波器中的两个滤波器，把自发布里渊信号提取出来。输出的信号送入高灵敏度的光电转换模块和信号处理模块。之后在计算机上对光纤分布曲线进行显示

在此方案下，如果精心设计光栅G1和G2、G3的滤波特性，则可以光栅G1，G2、G3保证自发布里渊散射的测试：当光源采用窄线宽测量布里渊信号时，光栅G1反射窄线宽信号，光栅G2滤除瑞利信号，后端光电转换和信号处理得到的是布里渊信号的强度；当光源采用宽谱光源测量瑞利信号时，光栅G1透射了大部分ASE光源的频谱，光栅G2虽然滤除了窄线宽范围部分瑞利散射信号，但其它光谱范围的大部分瑞利信号仍然可以经光栅G2透射后送入同一后端模块，从而使该方案更接近实用。

采用上面的系统，对长约29km的光纤进行了测试，在19km和23km处分别对光纤采取加温以及应力的作用，作用长度分别为60m、130m。在对两段光纤分别施加50℃和2000με时可以通过后端数据处理实现对被测光纤的测量，从而测得光纤所受温度及应力变化。

本申请所提出的基于超结构光纤光栅滤波器的自发布里渊散射信号测量方法不仅更有利于抑制瑞利信号、提取布里渊信号，而且也使系统稳定性较M-Z干涉仪滤波方法得到了有效提高，滤波器制作简单，系统构成简单实用。

系统搭建分为两个阶段：第一阶段是设计与制作波长可调的超结构光纤光栅滤波器，第二阶段是利用制作的滤波器测量自发布里渊信号。

与常用的光纤型M-Z干涉仪及F-P干涉仪方案比较，超结构光纤光栅滤波器方案不但稳定性高、制作简单，而且插入损耗低，大大降低了成本和制作周期。

Claims (4)

1、一种基于超结构光纤光栅滤波器的自发布里渊散射测量方法，其特征在于：用窄线宽分布反馈光纤激光器和宽带激光器的方法抑制相干瑞利噪声；第一步根据光纤的长度将产生的窄线宽脉冲光经极化控制后馈入被测光纤，背向反射信号通过和环形器第四端口(4)进入滤波器组，分别调节可调超结构光栅滤波器，最大程度的滤除瑞利信号，提取自发布里渊散射信号，送入高灵敏度的光电转换模块和信号处理模块，通过数据累加和小波消噪处理检测出自发布里渊信号的强度，第二步将宽带激光器产生的脉冲光经过和第一步同样的后端模块测得瑞利散射信号；最后对两次测量数据在计算机上处理显示光纤所受温度和应力的情况。

2、如权利要求1所述的基于超结构光纤光栅滤波器的自发布里渊散射测量方法，其特征在于光纤光栅滤波器选用易于设计制作、性能稳定可靠的超结构光纤光栅滤波器。

3、如权利要求1所述的基于超结构光纤光栅滤波器的自发布里渊散射测量方法，其特征在于超结构光纤光栅滤波器通过设计和制作可以与自发布里渊信号谱线双峰结构相吻合，更适合于布里渊信号的提取。

4、如权利要求1所述的基于超结构光纤光栅滤波器的自发布里渊散射测量方法，其特征在于所述的采用双光源方式抑制相干瑞利噪声，分别测得布里渊信号和瑞利信号的强度，通过二者的强度之比消除由于接头损耗带来的影响。

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