CN101949743B

CN101949743B - 一种新型布里渊光时域分析仪

Info

Publication number: CN101949743B
Application number: CN2010102514567A
Authority: CN
Inventors: 刘航杰; 任尚今; 李浩泉; 张婕
Original assignee: NINGBO NUOTCH OPTOELECTRONICS CO Ltd
Current assignee: Zhejiang Zhongxin Power Measurement and Control Technology Co., Ltd.
Priority date: 2010-08-09
Filing date: 2010-08-09
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2030-08-09
Also published as: CN101949743A

Abstract

本发明公开了一种新型布里渊光时域分析仪，包括脉冲探测光产生模块、泵浦光源模块、第一光耦合器、第二光耦合器、频率控制模块、探测光输出及信号处理模块和泵浦光输出模块，特点是脉冲探测光产生模块包括可产生电脉冲信号的激光驱动电路、窄线宽可调谐半导体激光器、第三光耦合器和光纤放大器，激光驱动电路与频率控制模块连接，第三光耦合器的输入端与窄线宽可调谐半导体激光器连接，第三光耦合器的两个输出端分别与光纤放大器的输入端和第一光耦合器的另一个输入端连接，光纤放大器的输出端与探测光输出及信号处理模块连接，优点是成本低、空间分辨率高、测量精度高且测量距离长。

Description

一种新型布里渊光时域分析仪

技术领域

本发明涉及一种光时域分析仪，尤其是涉及一种新型布里渊光时域分析仪。

背景技术

分布式温度传感器(DTS)在对电力电缆的安全监测、重点区域防灾报警等领域中有重要应用。目前常用的DTS是利用光纤中的拉曼散射效应，通过测量光纤背向拉曼散射光强度得到光纤沿线各处的温度变化情况。这项测量技术现已比较成熟，但由于受到检测光强的限制，目前可达到的空间分辨率约为3～4米，温度测量精度均大于1度，可测量的光纤长度一般不超过10公里。除此之外，基于拉曼散射技术的DTS需使用多模光纤作为测量光纤，价格昂贵而且易出现各类对测量有害的损耗、色散和非线性效应。

近年来发展迅速的基于布里渊散射的光纤传感技术使DTS测量系统性能得以进一步提高。布里渊光时域分析仪测量温度的基本原理是从测量光纤两端同时输入脉冲探测光和连续泵浦光，两束光之间存在一约等于布里渊频移量11GHz的频率差，使脉冲探测光通过受激布里渊效应被连续泵浦光放大。通过扫描探测光和泵浦光的频率差，可以得到对应测量光纤各位置温度变化情况的布里渊频移值。由于布里渊光时域分析仪在向测量光纤输入探测光的同时亦输入泵浦光，且仪器检测的是两束光的频率差，因此测量距离可以达到几十公里甚至上百公里，空间分辨率可以控制在1～2米，温度测量精度可以控制在1度以内。更重要的是，布里渊光时域分析仪采用普通单模光纤作为测量光纤，受各类损耗、色散和非线性效应影响远小于多模光纤，而且有利于DTS在已敷设完毕的各类通信和传感系统(大部分利用单模光纤搭建)上进行拓展安装。另外，布里渊光时域分析仪在测量温度变化的同时，还可以同时测量应力变化，扩大了传统DTS的应用领域。

通过以上分析，布里渊光时域分析仪在测量性能上绝对优于基于拉曼散射的传统DTS，但目前报导的布里渊光时域分析仪成本均大大高于传统DTS，其成本很大一部分来自光源调制模块。目前的所有布里渊光时域分析仪全部采用连续光源外调制的方式产生脉冲探测光。如美国专利(专利号：US7245790B2)采用电光调制器外调制探测光源，中国专利(申请号：200810243463.5)采用电光调制器外调制探测光源，文献(何玉钧等，“一种新型的基于全光纤Mach-Zehnder干涉仪BOTDR系统”，光子学报，33(6)，2004)中采用声光调制器外调制探测光源。采用外调制方式产生探测脉冲的优点是可以利用现有光外调制器件，控制容易，可实现极短宽度(1ns量级)脉冲，脉冲强度相对稳定。但目前市场上可买到的满足性能指标的光外调制器件均依靠进口，价格昂贵，而且为保证光外调制器件正常工作，探测光源与光调制器件之间的所有光器件均要具备保偏性能，这成为制约布里渊光时域分析仪成本降低的瓶颈。

传统脉冲探测光产生模块如图1所示。包括探测光源驱动模块，探测光源，保偏耦合器，保偏光纤放大器，光外调制器，光外调制器驱动电路。其中光外调制器一般采用电光调制器，光外调制驱动电路用于调整光外调制器偏置工作点、产生电脉冲信号施加到光外调制器的射频输入端。探测光源为可调谐窄线宽半导体激光器，探测光源驱动模块1用于控制探测光源稳定工作在连续模式，并通过调整探测光源内部温控电阻和驱动电流控制光输出频率。探测光源、保偏耦合器、保偏光纤放大器、光外调制器之间的连接光纤均需要采用保偏光纤。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种成本低、空间分辨率高、测量精度高、测量距离长的新型布里渊光时域分析仪。

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仪，包括脉冲探测光产生模块、泵浦光源模块、第一光耦合器、第二光耦合器、频率控制模块、探测光输出及信号处理模块和泵浦光输出模块，所述的泵浦光源模块与所述的第二光耦合器的输入端连接，所述的第二光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第一光耦合器的一个输入端连接，所述的第一光耦合器的输出端与所述的频率控制模块连接，所述的探测光输出及信号处理模块和所述的泵浦光输出模块分别连接探测光纤模块的两端，所述的脉冲探测光产生模块包括可产生电脉冲信号的激光驱动电路、窄线宽可调谐半导体激光器、第三光耦合器和光纤放大器，所述的激光驱动电路与所述的频率控制模块连接，所述的第三光耦合器的输入端与所述的窄线宽可调谐半导体激光器连接，所述的第三光耦合器的两个输出端分别与所述的光纤放大器的输入端和所述的第一光耦合器的另一个输入端连接，所述的光纤放大器的输出端与所述的探测光输出及信号处理模块连接。

一种情况可以如下：所述的探测光输出及信号处理模块包括偏振控制器、光环形器、光电转换与信号放大模块、高速数字采集模块和PC机，所述的偏振控制器的输入端与所述的光纤放大器的输出端连接，所述的偏振控制器的输出端与所述的光环形器的输入端连接，所述的光环形器第一输出端与所述的探测光纤模块连接，所述的光环形器的第二输出端与所述的光电转换与信号放大模块连接，所述的光电转换与信号放大模块依次连接所述的高速数字采集模块和所述的PC机，所述的泵浦光输出模块包括光衰减器和光隔离器，所述的光衰减器的输入端与所述的第二光耦合器的一个输出端连接，所述的光衰减器的输出端与所述的光隔离器的输入端连接，所述的光隔离器的输出端与所述的探测光纤模块连接。

另一种情况也可以如下：所述的探测光输出及信号处理模块包括光环形器、光电转换与信号放大模块、高速数字采集模块和PC机，所述的光环形器的输入端与所述的光纤放大器的输出端连接，所述的光环形器第一输出端与所述的探测光纤模块连接，所述的光环形器的第二输出端与所述的光电转换与信号放大模块连接，所述的光电转换与信号放大模块依次连接所述的高速数字采集模块和所述的PC机，所述的泵浦光输出模块包括偏振控制器、光衰减器和光隔离器，所述的偏振控制器的输入端与所述的第二光耦合器的一个输出端连接，所述的偏振控制器的输出端与所述的光衰减器的输入端连接，所述的光衰减器的输出端与所述的光隔离器的输入端连接，所述的光隔离器的输出端与所述的探测光纤模块连接。

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，所述的泵浦光源中心频率与所述的窄线宽可调谐半导体激光器的中心频率相差8～13GHZ，所述的窄线宽可调谐激光器的频率调谐范围大于2GHZ。

所述的频率控制模块包括依次连接的宽带光电探测器、微波频率计和“比例-积分-微分”控制器，所述的宽带光电探测器的输入端与所述的第一耦合器输出端连接，所述的“比例-积分-微分”控制器的差分信号输出端与所述的泵浦光源驱动电路连接，所述的“比例-积分-微分”控制器的频率锁定输出端与所述的激光驱动电路连接。

与现有技术相比，本发明的优点在于：1、使用窄线宽可调谐半导体激光器作为探测光源，由激光驱动电路产生脉冲信号电流直接内调制半导体激光器来形成较短宽度(10ns量级)的稳定脉冲输出，在利用布里渊光时域分析仪作为DTS时，可省去昂贵的光外调制器件，同时整个布里渊光时域分析仪内不再需要保偏器件，使布里渊光时域分析仪成本降低约80％；2、现有的内调制技术可保证新型布里渊光时域分析仪空间分辨率达到米量级，完全满足分布式温度传感领域需求；3、激光驱动电路是一种成熟技术，可采用高精度、低噪声电子元器件，保证探测光源输出脉冲稳定，确保布里渊光时域分析仪的高测量精度；4、新型布里渊光时域分析仪成本与传统DTS接近，性能却绝对优于传统DTS，且测量光纤可以使用普通单模光纤，因此可在分布式测量领域完全替代传统DTS。

附图说明

图1为传统布里渊光时域分析仪的脉冲探测光产生模块的结构示意图；

图2为本发明实施例一的新型布里渊光时域分析仪的整体结构示意图；

图3为本发明新型布里渊光时域分析仪的脉冲探测光产生模块的结构示意图；

图4为本发明新型布里渊光时域分析仪的频率控制模块的结构示意图；

图5为本发明实施例二的新型布里渊光时域分析仪的整体结构示意图。

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。

实施例一：如图2～4所示，一种新型布里渊光时域分析仪，包括脉冲探测光产生模块1、泵浦光源模块2、频率控制模块3、第一光耦合器4、第二光耦合器5、泵浦光输出模块6、探测光输出及信号处理模块7和探测光纤模块8，探测光输出及信号处理模块7包括偏振控制器71，光环形器72，光电转换及信号放大模块73，高速采集模块74和PC机75，偏振控制器71的输出端与光环形器72的输入端721连接，光环形器72第一输出端722与探测光纤模块8输入端连接，光环形器72的第二输出端723与光电转换与信号放大模块73连接，光电转换与信号放大模块73依次连接高速数字采集模块74和PC机75，泵浦光输出模块6包括光衰减器61和光隔离器62，光衰减器61的输入端与第二光耦合器5的一个输出端连接，光衰减器61的输出端与光隔离器62的输入端连接，光隔离器62的输出端与探测光纤模块8输出端连接。泵浦光源模块2包括泵浦光源驱动电路(图未显示)和泵浦光源(图未显示)，泵浦光源为频率固定的半导体激光器，泵浦光源与第二光耦合器5的输入端连接，第二光耦合器5的一个输出端与第一光耦合器4的一个输入端连接，

脉冲探测光产生模块1如图3所示，包括可产生电脉冲信号的激光驱动电路11、窄线宽可调谐半导体激光器12、第三光耦合器13和光纤放大器14，第三光耦合器13的输入端与窄线宽可调谐半导体激光器12连接，第三光耦合器13的一个输出端与光纤放大器14的输入端连接，第三光耦合器13的另一个输出端与第一光耦合器4的另一个输入端连接，第一光耦合器4的输出端与宽带光电探测器31的输入端连接，偏振控制器71的输入端与光纤放大器14的输出端连接，探激光驱动电路11用于产生电脉冲信号，并通过调整窄线宽可调谐半导体激光器12的驱动电流控制窄线宽可调谐半导体激光器12输出光脉冲信号，激光驱动电路11需采用高精度、低噪声电路元器件，使输出光脉冲达到最大功率对应的光频率稳定，第三光耦合器13、光纤放大器14均不需要具有保偏性能，窄线宽可调谐半导体激光器12、第三光耦合器13、光纤放大器14之间的连接光纤15、16可采用普通单模光纤；

频率控制模块3如图4所示，包括依次连接的宽带光电探测器31、微波频率计32和“比例-积分-微分”控制器33。“比例-积分-微分”控制器33的差分信号输出端37与泵浦光源驱动电路连接，用于调整泵浦光源输出光功率，“比例-积分-微分”控制器33的频率锁定输出端38与脉冲探测光产生模块1中的激光驱动电路11输入端17连接，用于控制窄线宽可调谐半导体激光器12工作在连续输出或脉冲输出状态；微波频率计是一个成熟的现有产品，如Phase Matrix公司的EIP575B。泵浦光源为频率固定的半导体激光器，其中心频率与窄线宽可调谐半导体激光器12的中心频率相差10.5GHZ，窄线宽可调谐半导体激光器12的频率调谐范围为4GHZ。脉冲探测光产生模块1输出的脉冲探测光一部分输入到探测光输出及信号处理模块7，另一部分输入到第一光耦合器4进行光源频率控制。泵浦光源模块2的输出端与第二光耦合器5输入端连接，一部分光输入到泵浦光输出模块6，另一部分光输入到第一耦合器4进行光源频率控制。从第二光耦合器5和脉冲探测光产生模块1输出到第一光耦合器4的两路光经第一光耦合器4合并后进入频率控制模块3。测量时，频率控制模块3频率锁定输出端38首先输出电压信号，令脉冲探测光产生模块1工作在连续光模式；之后利用频率控制模块3计算窄线宽可调谐半导体激光器12与泵浦光源的频率差；若频率差在设定范围之外，则频率控制模块3差分信号输出端37输出电压控制信号调整泵浦光源的输出光频率，直到窄线宽可调谐半导体激光器12与泵浦光源的频率差在设定范围之内；之后，频率控制模块3频率锁定输出端38输出电压信号令脉冲探测光产生模块1工作在脉冲光模式，输出光脉冲进行布里渊频谱测量。布里渊光放大信号经光电转换及信号放大模块73转换为模拟电信号后，输入到高速采集模块74转换为数字信号，之后进入到PC机75，首先计算测量光纤各位置布里渊频移值，最终计算出测量光纤各位置温度、应力变化情况。

实施例二：如图5所示，其它结构与实施例相同，不同之处在于将探测光输出及信号处理模块7中的偏振控制器71移动到泵浦光输出模块6中，此时，脉冲探测光产生模块1的光纤放大器14的输出端与光环形器72的输入端口721连接，第二光耦合器5的一个输出端与泵浦光输出模块6中的偏振控制器61的输入端连接，使偏振态对布里渊放大效应的影响降到最低，偏振控制器61的输出端与光衰减器62的输入端连接，光衰减器62为可调光衰减器，经过光衰减器62后，光功率衰减到合适值，使布里渊光放大信号达到最佳。

Claims

1.一种新型布里渊光时域分析仪，包括脉冲探测光产生模块、泵浦光源模块、第一光耦合器、第二光耦合器、频率控制模块、探测光输出及信号处理模块和泵浦光输出模块，所述的泵浦光源模块与所述的第二光耦合器的输入端连接，所述的第二光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第一光耦合器的一个输入端连接，所述的第一光耦合器的输出端与所述的频率控制模块连接，所述的探测光输出及信号处理模块和所述的泵浦光输出模块分别连接探测光纤模块的两端，其特征在于所述的脉冲探测光产生模块包括可产生电脉冲信号的激光驱动电路、窄线宽可调谐半导体激光器、第三光耦合器和光纤放大器，所述的激光驱动电路与所述的频率控制模块连接，所述的第三光耦合器的输入端与所述的窄线宽可调谐半导体激光器连接，所述的第三光耦合器的两个输出端分别与所述的光纤放大器的输入端和所述的第一光耦合器的另一个输入端连接，所述的光纤放大器的输出端与所述的探测光输出及信号处理模块连接。

2.如权利要求1所述的一种新型布里渊光时域分析仪，其特征在于所述的探测光输出及信号处理模块包括偏振控制器、光环形器、光电转换与信号放大模块、高速数字采集模块和PC机，所述的偏振控制器的输入端与所述的光纤放大器的输出端连接，所述的偏振控制器的输出端与所述的光环形器的输入端连接，所述的光环形器第一输出端与所述的探测光纤模块连接，所述的光环形器的第二输出端与所述的光电转换与信号放大模块连接，所述的光电转换与信号放大模块依次连接所述的高速数字采集模块和所述的PC机，所述的泵浦光输出模块包括光衰减器和光隔离器，所述的光衰减器的输入端与所述的第二光耦合器的一个输出端连接，所述的光衰减器的输出端与所述的光隔离器的输入端连接，所述的光隔离器的输出端与所述的探测光纤模块连接。

3.如权利要求1所述的一种新型布里渊光时域分析仪，其特征在于所述的探测光输出及信号处理模块包括光环形器、光电转换与信号放大模块、高速数字采集模块和PC机，所述的光环形器的输入端与所述的光纤放大器的输出端连接，所述的光环形器第一输出端与所述的探测光纤模块连接，所述的光环形器的第二输出端与所述的光电转换与信号放大模块连接，所述的光电转换与信号放大模块依次连接所述的高速数字采集模块和所述的PC机，所述的泵浦光输出模块包括偏振控制器、光衰减器和光隔离器，所述的偏振控制器的输入端与所述的第二光耦合器的一个输出端连接，所述的偏振控制器的输出端与所述的光衰减器的输入端连接，所述的光衰减器的输出端与所述的光隔离器的输入端连接，所述的光隔离器的输出端与所述的探测光纤模块连接。

4.如权利要求1所述的一种新型布里渊光时域分析仪，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，所述的泵浦光源中心频率与所述的窄线宽可调谐半导体激光器的中心频率相差8～13GHZ，所述的窄线宽可调谐半导体激光器的频率调谐范围大于2GHZ。

5.如权利要求1所述的一种新型布里渊光时域分析仪，其特征在于所述的频率控制模块包括依次连接的宽带光电探测器、微波频率计和“比例-积分-微分”控制器，所述的宽带光电探测器的输入端与所述的第一耦合器输出端连接，所述的“比例-积分-微分”控制器的差分信号输出端与所述的泵浦光源驱动电路连接，所述的“比例-积分-微分”控制器的频率锁定输出端与所述的激光驱动电路连接。