CN101929880A - 一种新型布里渊光时域分析器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型布里渊光时域分析器，包括探测光源模块、泵浦光源模块、探测光输出模块和泵浦光输出模块，特点是还包括一个光频率差锁定模块，探测光源与探测光输出模块之间设置有第一保偏光纤耦合器，泵浦光源与泵浦光输出模块之间设置有第二保偏光纤耦合器，第一保偏光纤耦合器的输入端与探测光源连接，第一保偏光纤耦合器的两个输出端分别与探测光输出模块和光频率差锁定模块连接，第二保偏光纤耦合器的输入端与泵浦光源连接，第二保偏光纤耦合器的两个输出端分别与泵浦光输出模块和光频率差锁定模块连接，光频率差锁定模块与探测光源模块电连接，优点是用光频率差锁定模块锁定探测光与泵浦光的频率差，保证测量精度又缩短测量时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种光时域分析器，尤其是涉及一种新型布里渊光时域分析器。
背景技术
分布式光纤传感器在电力设备、土木工程、水利设施和通信光缆等领域的安全监控中有着广泛的应用。根据技术原理不同，分布式光纤传感器主要分基于瑞利散射、拉曼散射和布利渊散射三种，其中一种利用光纤中受激布里渊散射效应而制成的布里渊光时域分析器由于其所能达到的测量精度、测量范围以及空间分辨率均高于其它传感器而得到广泛的研究，且该传感器能够实现温度、应力等多参数同时测量的特性也使其极具发展潜力。
目前已有多种方式实现布里渊光时域分析器，如中国专利号为200810063711.8<新型光纤布里渊光时域分析器>，中国专利号为200820122233.9<一种新型光纤布里渊光时域分析器>，提出一种采用单频光纤激光器和光纤拉曼泵浦激光器做为光源的传感器，提高了系统的信噪比，增加了测量长度，改善了应变和温度同时测量的精度，但采用光纤激光器与光纤拉曼泵浦激光器不仅增加成本，而且稳定性也受到一定的影响。中国专利号为200480043385.4<分布式光纤传感器>，提出一种采用阶梯式脉冲光源作为探测光，实现高精度、高空间分辨率的形变或温度测量，但其阶梯式脉冲光源产生复杂，实现困难。美国专利US 7,499,151B2提出一种利用两个半导体激光器(DFB)做布里渊光时域分析仪光源，通过增加延时线方式调整两光源的频率差，是一种低成本的实现方法，但其采用延时线的方式来调整频差增加了测量时间。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种成本低、测量精度高、测量速度快的新型布里渊光时域分析器。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种新型布里渊光时域分析器，包括探测光源模块、泵浦光源模块、探测光输出模块和泵浦光输出模块，其特征在于还包括一个光频率差锁定模块，所述的探测光源模块与所述的探测光输出模块之间设置有第一保偏光纤耦合器，所述的泵浦光源模块与所述的泵浦光输出模块之间设置有第二保偏光纤耦合器，所述的第一保偏光纤耦合器的输入端与所述的探测光源模块连接，所述的第一保偏光纤耦合器的两个输出端分别与所述的探测光输出模块和所述的光频率差锁定模块连接，所述的第二保偏光纤耦合器的输入端与所述的泵浦光源模块连接，所述的第二保偏光纤耦合器的两个输出端分别与所述的泵浦光输出模块和所述的光频率差锁定模块连接，所述的光频率差锁定模块与所述的探测光源模块电连接。
所述的探测光源模块包括探测光源和探测光源驱动电路，所述的光频率差锁定模块包括依次连接的用于将所述的第一保偏光纤耦合器分束的探测光与所述的第二保偏光纤耦合器分束的泵浦光混频得到光差频信号的第三保偏光纤耦合器、用于完成光差频信号的光电转换的宽带光电探测器、用于测量已转换成电信号的光差频信号的功率与频率值的微波频率计和用于将测量频率与设定频率进行比较并输出用于调整所述的探测光源模块频率的控制信号的“比例-积分-微分”控制器，所述的第三保偏光纤耦合器的两个输入端分别与所述的第一保偏光纤耦合器的一个输出端和所述的第二保偏光纤耦合器的一个输出端连接，所述的“比例-积分-微分”控制器的输出端与所述的探测光源驱动电路连接。
所述的泵浦光源模块包括泵浦光源驱动电路和泵浦光源，所述的泵浦光源为频率固定的半导体激光器，所述的探测光源为窄线宽可调谐半导体激光器，所述的泵浦光源中心频率与所述的探测光源的中心频率相差8～13GHZ，所述的探测光源的频率调谐范围大于2GHZ。
与现有技术相比，本发明的优点在于采用带“比例-积分-微分”PID调节功能的光频率差锁定模块锁定探测光与泵光的频率差，频率锁定结构简单，测量精度高、测量速度快，即保证了测量精度又缩短了测量时间。
探测光源经保偏耦合器输出的另一束激光与泵浦光源经保偏耦合器输出的另一束光源同时进入光频率锁定模块中。光频率差锁定模块实时测量两束光频率差，并将所测量的频率差与预先设定的频率差比较，输出误差信号用于调整探测光源的频率，频率差调整采用PID控制方式，直到误差满足要求。光频率差PID调整结束后即可测量该布里渊频点处的信号强度，通过设定不同的频率差可以实现整个布里渊增益谱范围的测量。
附图说明
图1为本发明布里渊光时域分析器的结构示意图；
图2为本发明光频率差锁定模块的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，一种新型布里渊光时域分析器，包括探测光源11、泵浦光源12、探测光源驱动电路13、泵浦光源驱动电路14、第一保偏光纤耦合器4、第二保偏光纤耦合器模块5、光频率差锁定模块9、第一探测光纤21、第二探测光纤22、探测光输出模块和泵浦光输出模块，探测光输出模块包括保偏光纤放大器15、电光调制模块16、第一偏振控制器17、光环形器6和第一光开关模块7，泵浦光输出模块包括第二偏振控制器23、第二光开关模块8、可调光纤衰减器24、光隔离器25、光电转换及信号放大模块18、高速数据采集模块19和PC模块20。
探测光源11为频率可调窄线宽半导体激光器，泵浦光源12为频率固定窄线宽半导体激光器；泵浦光源12中心频率与探测光源11的中心频率相差10.5GHZ，探测光源11的频率调谐范围为2.5GHZ。光环形器模块6设有输入端口61、公共端口62、输出端63口三个端口，光信号从输入端口61到公共端口62为通路，输入端口61到输出端口63为阻塞，公共端口62到输出端口63为通路，公共端口62到输入端口61为阻塞；第一光开关模块7设有一个光信号输入端口71和两个光信号输出端口72、73，第二光开关模块8设有两个光信号输入端口81和两个光信号输出端口82、83；第一保偏光纤耦合器4设有1个输入端口41和两个输出端口42、43，第二保偏耦合器模块5有一个输入端口51和两个输出端口52、53；PC模块20为工控机。
探测光源驱动电路13与探测光源11相连，泵浦光源驱动电路14与泵浦光源12相连，探测光源11的输出端与第一保偏耦合器4的输入端口41相连，泵浦光源12的输出端与第二保偏耦合器5的输入端口51相连，第一保偏耦合器4的一个输出端口42与保偏光纤放大器15的输入端口相连，第二保偏耦合器5的一个输出端口53与第二偏振控制器23的输入端口相连，保偏光纤放大器15的输出端口与电光调制模块16的输入端口相连，电光调制器16的输出端口与第一偏振控制器17的输入端口相连，第一偏振控制器17的输出端口与光环形器6的输入端口61相连，光环形器6的公共端口与第一光开关模块7的输入端口71相连，光环形器6的输出端口63与光电转换及信号放大模块18的输入端相连，光电转换及信号放大模块18的输出端口与高速数据采集模块19的输入端口相连，高速数据采集模块19的输出端口与工控机20的输入相连。第一光开关模块7的输出端口72与第二探测光纤22输入相连，第一光开关模块7的输出端口73与第一探测光纤21输入相连。第二偏振控制器23的输出与可调光纤衰减器模块24的输入端相连，可调光纤衰减器模块24与光隔离器25输入相连，光隔离器25输出与第二光开关模块8的输入端口81相连，第二光开关模块输出端口82与第二探测光纤22的输出相连，第二光开关模块输出端口83与第一探测光纤21的输出相连。
光频率差锁定模块9如图2所示，包括第三保偏光纤耦合器26，宽带光电探测器27、微波频率计28、PID控制器29。第三保偏光纤耦合器26设有两个输入端口91、92与一个输出端口93，输入端口91与第一保偏光纤耦合器4的输出端口43连接，输入端口92与第二保偏光纤耦合器5的输出端口52连接，第三保偏光纤耦合器26的输出端口93与宽带光电探测器27的输入端口相连，宽带光电探测器27输出端与微波频率计28的输入端相连，微波频率计28的输出端与“比例-积分-微分”(PID)控制器29的输入端相连，“比例-积分-微分”(PID)控制器29的输出端口94与探测光源驱动电路13连接。
上述实施例中，所采用的光学模块和光电器件均为本领域的公知技术，而微波频率计也是一个成熟的现有产品，如Phase Matrix公司的EIP575B。
本发明的工作原理如下：探测光源11输出的连续光经第一保偏光纤耦合器4分成两束，其中一束激光经保偏光纤放大器15放大后进入电光调制模块16调制成脉冲光，脉冲光随后通过第一偏振控制器17做扰偏后经光环形器6与第一光开关模块7进入探测光纤中；泵浦光源12输出的连续光经第二保偏光纤耦合器5也分成两束，其中一束激光经第二偏振控制器23扰偏后进入到可调光纤衰减器24中，可调光纤衰减器24将泵浦光调整到合适的大小后输入光隔离器25中，再由第二光开关模块8输入到相应的探测光纤中，两个光开关模块用于切换相应的探测光纤，将探测光与泵浦光同时注入同一根探测光纤中，当两者光频率差处于布里渊增益带宽内时，两束光在探测光纤中相遇的位置发生布里渊放大效应，由于光纤上温度和应力的变化都将对布里渊频移产生影响，因此，只需测定探测光纤不同位置上的布里渊增益谱即可得出探测光纤所处的温度与应力，当选用具有不同温度与应力系数的两根探测光纤时，可使布里渊光时域分析器具备同时测量温度与应力的能力。
探测光源11经第一保偏光纤耦合器4输出的另一束探测光与泵浦光源12经第二保偏光纤耦合器5输出的另一束泵浦光同时进入光频率锁定模块9中。光频率差锁定模块9包括第三保偏光纤耦合器26，宽带光电探测器27、微波频率计28、PID控制器29。探测光ω1与泵浦光ω2分别进入第三保偏光纤耦合器26中混频，得到差频信号Ω＝ω1-ω2，宽带光电探测器27完成差频光信号转换为电信号功能，微波频率计28测量已转换成电信号的差频信号Ω＝ω1-ω2的功率与频率值，PID控制器29完成将测量频率Ω与设定频率比较，并输出用于调整探测光源频率的PID控制信号。光频率差PID调整结束后即可测量该布里渊频点处的信号强度，通过设定不同的频率差可以实现整个布里渊增益谱范围的测量。
Claims (3)
1.一种新型布里渊光时域分析器，包括探测光源模块、泵浦光源模块、探测光输出模块和泵浦光输出模块，其特征在于还包括一个光频率差锁定模块，所述的探测光源模块与所述的探测光输出模块之间设置有第一保偏光纤耦合器，所述的泵浦光源模块与所述的泵浦光输出模块之间设置有第二保偏光纤耦合器，所述的第一保偏光纤耦合器的输入端与所述的探测光源模块连接，所述的第一保偏光纤耦合器的两个输出端分别与所述的探测光输出模块和所述的光频率差锁定模块连接，所述的第二保偏光纤耦合器的输入端与所述的泵浦光源模块连接，所述的第二保偏光纤耦合器的两个输出端分别与所述的泵浦光输出模块和所述的光频率差锁定模块连接，所述的光频率差锁定模块与所述的探测光源模块电连接。
2.如权利要求1所述的一种新型布里渊光时域分析器，其特征在于所述的探测光源模块包括探测光源和探测光源驱动电路，所述的光频率差锁定模块包括依次连接的用于将所述的第一保偏光纤耦合器分束的探测光与所述的第二保偏光纤耦合器分束的泵浦光混频得到光差频信号的第三保偏光纤耦合器、用于完成光差频信号的光电转换的宽带光电探测器、用于测量已转换成电信号的光差频信号的功率与频率值的微波频率计和用于将测量频率与设定频率进行比较，并输出用于调整所述的探测光源模块频率的控制信号的“比例-积分-微分”控制器，所述的第三保偏光纤耦合器的两个输入端分别与所述的第一保偏光纤耦合器的一个输出端和所述的第二保偏光纤耦合器的一个输出端连接，所述的“比例-积分-微分”控制器的输出端与所述的探测光源驱动电路连接。
3.如权利要求2所述的一种新型布里渊光时域分析器，其特征在于所述的泵浦光源模块包括泵浦光源驱动电路和泵浦光源，所述的泵浦光源为频率固定的半导体激光器，所述的探测光源为窄线宽可调谐半导体激光器，所述的泵浦光源中心频率与所述的探测光源的中心频率相差8～13GHZ，所述的探测光源的频率调谐范围大于2GHZ。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: ZHEJIANG ZHONGXIN POWER MEASURING + CONTROLING TEC Free format text: FORMER OWNER: NINGBO NUOTCH PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY DEVELOPMENT CO., LTD. Effective date: 20140529 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20140529 Address after: 315010 Yongfeng North Road, Haishu, Zhejiang, No. 63, No. Patentee after: ZHEJIANG ZHONGXIN POWER MEASUREMENT AND CONTROL TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: Haishu District of Zhejiang province 315010 Bu Zheng Xiang, Ningbo City No. 16 Chong Building Room 1201 Patentee before: NINGBO NUOTCH OPTOELECTRONICS Co.,Ltd. |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A novel Brillouin optical time-domain analyzer Effective date of registration: 20231225 Granted publication date: 20120530 Pledgee: Haishu Sub branch of Bank of Ningbo Co.,Ltd. Pledgor: ZHEJIANG ZHONGXIN POWER MEASUREMENT AND CONTROL TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2023980072971 |