CN102322810A - 混沌激光相关集成光纤拉曼放大器的布里渊光时域分析器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混沌激光相关集成光纤拉曼放大器的布里渊光时域分析器，它是利用混沌激光相关原理、光纤受激拉曼散射光放大效应和相干放大的布里渊散射光的应变、温度效应和光时域反射原理制成的；本发明通过传感光纤的背向探测光与本地参考光的相关处理，提高了传感器系统的空间分辨率；采用连续运行的高功率光纤拉曼激光器作为布里渊光时域分析器的泵浦光源，克服了光纤布里渊光时域分析器要求严格地锁定探测激光器和泵浦激光器频率的困难，利用宽带光纤拉曼放大器取代窄带光纤布里渊放大器，增加了背向相于放大的受激布里渊散射光的增益，提高了传感器系统的信噪比，相应地提高了传感器的测量长度与测量精度。

Description

混沌激光相关集成光纤拉曼放大器的布里渊光时域分析器

技术领域

本发明属于分布式光纤传感器技术领域，尤其涉及一种混沌激光相关集成光纤拉曼放大器的布里渊光时域分析器。

背景技术

在光纤布里渊光时域分析器领域，为了提高传感器的空间分辨率，采用窄脉冲光源，但由于光纤的非线性效应，限制了光纤的入射功率，因此，要实现长距离，高空间分辨率的光纤布里渊光时域分析器很困难，传统的压缩激光器脉宽的方法，双脉冲对的方法，难以实现长距离空间分辨率小于1米的效果，而且空间分辨率与测量长度有关，系统的信噪比也低。近年来，国内外将混沌激光相关原理应用于激光雷达，激光光时域反射仪取得了显著的效果，实现了不受距离限制的厘米级的空间分辨率，为将混沌激光相关原理应用于分布式光纤传感器创造了条件。另一方面，为了改善系统的信噪比，1989年，T.Horiguchi等发明了布里渊光时域分析器，在光纤的另一端加一个相干泵浦激光器，实现布里渊放大，采用相干放大的受激布里渊散射，增强了信号，改善了系统的信噪比。 但是，在光纤布里渊光时域分析器里要求严格地锁定窄带探测激光器和窄带泵浦激光器的频率，在技术上很困难，张在宣等提出了《光纤布里渊光时域分析器》（中国发明专利， 专利号： ZL200810063711.8，2010年6月9日授权）用宽带的分布式光纤拉曼放大器取代窄带的光纤布里渊放大器解决了锁定窄带探测激光器和窄带泵浦激光器的困难；融合混沌激光相关技术与光纤拉曼放大技术可有效地提高传感器系统的空间分辨率，测量距离和测量精度，满足近年来石油管道、传输电力电缆的安全健康监测，对超远程全分布式光纤应变和温度传感网的需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种混沌激光相关集成光纤拉曼放大器的布里渊光时域分析器，本发明具有超远程、高空间分辨率、高测量精度等特点。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：本发明混沌激光相关光纤布里渊光时域分析器是利用混沌激光相关原理、光纤受激拉曼放大效应、相干放大的布里渊散射光的应变、温度效应和光时域反射原理制成的光纤布里渊光时域分析器，包括半导体LD激光器，第一偏振控制器，第一光纤环行器，第一光纤分路器，可调光衰减器，第二偏振控制器，单向器，掺饵光纤放大器EDFA，第二光纤分路器，光调制器，第二光纤环行器，光外差接收器模块，数字信号处理器，第三光纤环行器，窄带反射滤光片，泵浦-信号耦合器，光纤拉曼泵浦激光器，传感光纤，第四光纤环行器，光纤光栅反射滤波器和计算机。半导体LD激光器经第一偏振控制器与第一光纤环行器的一个输入端口相接，第一光纤环行器的另一个输出端与第一光纤分路器输入端相连，第一光纤分路器的一个输出端与可调光衰减器的输入端相连，可调光衰减器的输出端通过第二偏振控制器与光纤环行器一个输入端相连，再经第一偏振控制器反馈给半导体LD激光器；第一光纤分路器的另一个输出端经单向器与掺饵光纤放大器EDFA相连，掺饵光纤放大器EDFA的输出端与第二光纤分路器输入端相连，第二光纤分路器的一个输出端与光调制器相连，光调制器的一个输出端与第二光纤环行器的输入端相连，第二光纤分路器的另一个输出端与第三光纤环行器的输入端相连，第三光纤环行器的一个输出端与光纤窄带反射滤光片相连，光纤窄带反射滤光片的另一端通过泵浦信号耦合器与传感光纤相连，泵浦信号耦合器的另一端与光纤拉曼泵浦激光器相连，第三光纤环行器的另一个输出端与第四光纤环行器的一端相连，第四光纤环行器与光纤光栅反射滤波器相连，第四光纤环行器的输出端与第二光纤环行器的另一端相连，第二光纤环行器输出端与光外差接收器模块相连，光外差接收器模块与数字信号处理器和计算机相连，通过光外差接收模块、数字信号处理器和计算机将传感光纤的混沌激光信号与本地参考光外差，并进行自相关处理和快速傅里叶变换解调，获得100km传感光纤所在现场的高空间分辨率达厘米量级的应变、温度信息并通过无线网或互联网传送给远程监控网；光调制器19的另一个输出端与计算机30 相连。

进一步地，所述的混沌激光相关集成光纤拉曼放大器的布里渊光时域分析器，混沌激光器由半导体LD激光器，第一偏振控制器，第一光纤环行器，第一光纤分路器，可调光衰减器第二偏振控制器组成，半导体LD激光器是DFB激光器，工作波长为1550.0nm，输出功率为10dBm。第一光纤分路器的分支比为20:80。

进一步地，所述的混沌激光相关集成光纤拉曼放大器的布里渊光时域分析器，光调制器是鈮酸锂马赫-泽德尔调制器（Mach–Zehnder modulator（MZM））。经计算机控制的光调制器，将激光器的频率降低11GHz。

进一步地，所述的混沌激光相关集成光纤拉曼放大器的布里渊光时域分析器，光外差接收器模块是由频率响应为2Ghz以上的光电探测器，低噪音宽带前置放大器集成芯片和主放大器组成。

进一步地，所述的混沌激光相关集成光纤拉曼放大器的布里渊光时域分析器，传感光纤为100km单模通讯G652光纤或100km LEAF光纤。

进一步地，所述的混沌激光相关集成光纤拉曼放大器的布里渊光时域分析器，光纤拉曼激光器是功率在100mw-1200mw范围可调的，波长为1450nm连续运行的光纤拉曼激光器，与传感光纤构成背向泵浦光纤拉曼放大器（如图1）由于光纤拉曼放大器具有双向放大特性与光纤布里渊放大器单向放大特性不同，可采用背向泵浦或前向泵浦工作方式。

进一步地，所述的混沌激光相关集成光纤拉曼放大器的布里渊光时域分析器，窄带反射滤光片的中心波長为1450nm，光谱带宽为0.3nm，隔离大于35dB。抑制光纤拉曼激光器1450nm背向散射光。

进一步地，所述的混沌激光相关集成光纤拉曼放大器的布里渊光时域分析器，光纤光栅反射滤光器的中心波长为1550.08nm，光谱带宽为0.1nm。滤除其它光，允许传感光纤的斯托克斯布里渊散射信号光通过第四光纤环行器与本地光外差接收。 

进一步地，所述的混沌激光相关集成光纤拉曼放大器的布里渊光时域分析器，所说的数字信号处理器釆用有自相关处理和快速傅里叶变换软件的高速5G采样率和500MHz频宽的数字信号处理器。

混沌激光相关原理：

半导体激光器在受到光反馈时持续地产生随机起伏的混沌激光，其相关曲线具有δ函数形状，半导体激光器的非线性混沌振荡的带寬可大于15GHz，实现与测量长度无关的高分辨率、高精度的测量。 

设参考光为f（t），探测光为g（t）=Kf（t-τ）； 

互相关函数：

                                                       

       （1）

当τ=τ₀时，互相关函数存在峰值，互相关峰值与探测光的强度相关。通过数字信号处理器和计算机对探测光与参考光进行采集、累加和相关处理，获得传感光纤上应变和温度的信息。系统的信噪比决定了测量长度。

布里渊时域分析器的工作原理：

在光纤中，入射光纤的探测激光与光纤中声波的非线性相互作用，光波通过电致伸缩产生声波，引起光纤折射率的周期性调制（折射率光栅），产生频率下移的布里渊散射光，在光纤中产生的背向布里渊散射的频移ν _B 为：

                       ν _B =2nv/λ                    （2）

其中n为入射光波长λ处的折射率，v为光纤中声速， 对石英光纤，在λ=1550nm附近，ν _B 约为11GHz。

在光纤中的布里渊散射光频移ν_B具有应变和温度效应：

                                                      （3）

布里渊散射光的频移：

        

                        （4）

其中频移的应变系数C_νε和温度系数C_νΤ为：

；

光纤受激拉曼放大原理

当入射激光ν₀与光纤分子产生非线性相互作用散射，放出一个声子称为斯托克斯拉曼散射光子，吸收一个声子称为反斯托克斯拉曼散射光子Δν，光纤分子的声子频率为13.2THz。

        ν=ν₀±Δν                                  （5）

放大器的开关增益为：

              

                      （6）

其中

是放大器的泵浦光输入功率，

是拉曼增益系数

是光纤的有效截面，

 为光纤的有效作用长度 （考虑了光纤对泵浦的吸收损耗），其表达式如下：

               

                     （7）

对于光纤拉曼放大器，泵浦功率只有超过某一阈值时，才有可能会对信号产生受激拉曼放大，在光纤里的斯托克斯波ν=ν₀-Δν在光纤介质内快速增加，大部分泵浦光的功率都可以转换成斯托克斯光，并有拉曼放大作用，增益可以抑制光纤的传输损耗并在传感光纤中产生相干放大的布里渊散射，用宽带的分布式光纤拉曼放大器取代窄带的光纤布里渊放大器解决了锁定窄带探测激光器和窄带泵浦激光器的频率问题。

本发明的有益效果为：本发明提出的混沌激光相关集成光纤拉曼放大器的布里渊光时域分析器，采用混沌激光相关原理，混沌激光具有宽阔频宽，通过对信号光与本地光的相关处理获得高空间分辨率，有效地提高了传感器的可靠性和空间分辨率，增加了进入传感光纤的泵浦光子数，提高了传感器系统的信噪比，增加了传感器的测量长度； 采用连续运行的高功率光纤拉曼激光器作为新型布里渊光时域分析器的泵浦光源，取代了相干泵浦窄带激光器，克服了光纤布里渊光时域分析器中要求严格地锁定探测激光器和泵浦激光器频率的困难，连续运行的高功率光纤拉曼激光器产生的强激光在单模光纤中实现了受激拉曼散射光放大取代了窄带布里渊放大，增加了背向相干放大的受激布里渊散射光的增益， 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。

附图说明

    图1为本发明的结构示意框图。

具体实施方式

参照图1，本发明混沌激光相关集成光纤拉曼放大器的布里渊光时域分析器，包括半导体LD激光器10、第一偏振控制器11、第一光纤环行器12、第一光纤分路器13、可调光衰减器14、第二偏振控制器15、单向器16、掺饵光纤放大器EDFA 17、第二光纤分路器18、光调制器19、第二光纤环行器20、光外差接收器模块21、数字信号处理器22、第三光纤环行器23、窄带反射滤光片24、泵浦-信号耦合器25、光纤拉曼泵浦激光器26、传感光纤27、第四光纤环行器28、光纤光栅反射滤光器29和计算机30。半导体LD激光器10经第一偏振控制器11与第一光纤环行器12的一个输入端口相接，第一光纤环行器12的输出端与第一光纤分路器13输入端相连，第一光纤分路器13的一个输出端与可调光衰减器14的输入端相连，可调光衰减器14的输出端通过第二偏振控制器15与第一光纤环行器12的另一个输入端相连，再经第一偏振控制器11反馈给半导体LD激光器10；第一光纤分路器13的另一个输出端经单向器16与掺饵光纤放大器EDFA17相连，掺饵光纤放大器EDFA17的输出端与第二光纤分路器18输入端相连，第二光纤分路器18的一个输出端与光调制器19 相连，光调制器19的输出端和第二光纤环行器20的一个输入端相连；第二光纤分路器18另一个输出端与第三光纤环行器23相连，第三光纤环行器23的一个输出端与窄带反射滤光片24相连，窄带反射滤光片24的另一端与泵浦-信号耦合器25的输入端相连，泵浦-信号耦合器25的输出端与传感光纤27相连； 泵浦-信号耦合器25的另一个输入端与光纤拉曼泵浦激光器26相连， 第三光纤环行器23的另一个输出端与第四光纤环行器28的一端相连，第四光纤环行器28 与光纤光栅反射滤波器29相连，第四光纤环行器28 的输出端与第二光纤环行器20另一端相连，第二光纤环行器20输出端与光外差接收器模块21相连，光外差接收器模块21通过数字信号处理器22和计算机30 相连，光调制器19的另一个输出端与计算机30 相连。

工作时，混沌激光器经光纤放大器EDFA 17放大后分成两朿，其中一朿混沌激光经光调制器19，将激光器的频率下降11GHz作为本地参考光，另一朿混沌激光经泵浦-信号耦合器25后进入传感光纤27，背向的带有应变和温度信息的布里渊光，在光纤拉曼泵浦激光器泵浦的光纤放大器中得到相干放大，被放大的受激布里渊散射光ν₀±ν_B经光纤光栅反射滤波器，滤除ν₀，ν₀+ν_B，获得ν₀-ν_B信号光，与本地参考光通过光外差接收模块，数字信号处理器22和计算机30解调并作自相关处理和快速傅里叶变换，由光时域反射原理定位，获得传感光纤上各段上高空间分辨率的应变和温度信息。

本发明利用混沌激光相关原理、光纤受激拉曼散射光放大效应和相干放大的布里渊散射光的应变、温度效应和光时域反射原理制成的；本发明采用混沌激光相关原理在时域上随机起伏的光脉冲序列，通过传感光纤的背向探测光与本地参考光的相关处理，提高了传感器系统的空间分辨率；采用连续运行的高功率光纤拉曼激光器作为布里渊光时域分析器的泵浦光源，克服了光纤布里渊光时域分析器要求严格地锁定探测激光器和泵浦激光器频率的困难，利用宽带光纤拉曼放大器取代窄带光纤布里渊放大器，增加了背向相于放大的受激布里渊散射光的增益，提高了传感器系统的信噪比，相应地提高了传感器的测量长度与测量精度。

Claims (9)

1.一种混沌激光相关集成光纤拉曼放大器的布里渊光时域分析器，其特征是，它包括半导体LD激光器（10）、第一偏振控制器（11）、第一光纤环行器（12）、第一光纤分路器（13）、可调光衰减器（14）、第二偏振控制器（15）、单向器（16）、掺饵光纤放大器EDFA（17）、第二光纤分路器（18）、光调制器（19）、第二光纤环行器（20）、光外差接收器模块（21）、数字信号处理器（22）、第三光纤环行器（23）、窄带反射滤光片（24）、泵浦-信号耦合器（25）、光纤拉曼泵浦激光器（26）、传感光纤（27）、第四光纤环行器（28）、光纤光栅反射滤光器（29）和计算机（30）等；其中，所述半导体LD激光器（10）经第一偏振控制器（11）与第一光纤环行器（12）的一个输入端口相接，第一光纤环行器（12）的输出端与第一光纤分路器（13）输入端相连，第一光纤分路器（13）的一个输出端与可调光衰减器（14）的输入端相连，可调光衰减器（14）的输出端通过第二偏振控制器（15）与第一光纤环行器（12）的另一个输入端相连，再经第一偏振控制器（11）反馈给半导体LD激光器（10）；第一光纤分路器（13）的另一个输出端经单向器（16）与掺饵光纤放大器EDFA（17）相连，掺饵光纤放大器EDFA（17）的输出端与第二光纤分路器（18）输入端相连，第二光纤分路器（18）一个输出端与光调制器（19） 相连，光调制器（19） 的输出端和第二光纤环行器（20）的一个输入端相连；第二光纤分路器（18）另一个输出端与第三光纤环行器（23）相连，第三光纤环行器（23）的一个输出端与窄带反射滤光片（24）相连，窄带反射滤光片（24）的另一端与泵浦-信号耦合器（25）的输入端相连，泵浦-信号耦合器（25）的输出端与传感光纤（27）相连； 泵浦-信号耦合器（25）的另一个输入端与光纤拉曼泵浦激光器（26）相连， 第三光纤环行器（23）的另一个输出端与第四光纤环行器（28） 的一端相连，第四光纤环行器（28） 与光纤光栅反射滤波器（29）相连，第四光纤环行器（28） 的输出端与第二光纤环行器（20）另一端相连，第二光纤环行器（20）输出端与光外差接收器模块（21）相连，光外差接收器模块（21）与数字信号处理器（22）和计算机（30）相连；光调制器（19）与计算机（30） 相连。

2.根据权利要求1所述的混沌激光相关集成光纤拉曼放大器的布里渊光时域分析器，其特征是，所述半导体LD激光器（10）、第一偏振控制器（11）、第一光纤环行器（12）、第一光纤分路器（13）、可调光衰减器（14）和第二偏振控制器（15）组成混沌激光器；所述半导体LD激光器（10）是DFB激光器，工作波长为1550.0nm，输出功率为10dBm；第一光纤分路器（13）的分支比为20:80。

3.根据权利要求1所述的混沌激光相关集成光纤拉曼放大器的布里渊光时域分析器，其特征是，所述光调制器（19）是鈮酸锂马赫-泽德尔调制器（Mach–Zehnder modulator（MZM））。

4.根据权利要求1所述的混沌激光相关集成光纤拉曼放大器的布里渊光时域分析器，其特征是，所述光外差接收器模块（21）是由频率响应为2Ghz以上的光电探测器，前放和主放大器组成。

5.根据权利要求1所述的混沌激光相关集成光纤拉曼放大器的布里渊光时域分析器，其特征是，所述传感光纤（27）为100km单模通讯G652光纤或100km LEAF光纤。

6.根据权利要求1所述的混沌激光相关集成光纤拉曼放大器的布里渊光时域分析器，其特征是，所述光纤拉曼激光器（26）是功率在100mw-1200mw范围可调的，波长为1450nm连续运行的光纤拉曼激光器。

7.根据权利要求1所述的混沌激光相关集成光纤拉曼放大器的布里渊光时域分析器，其特征是，所述窄带反射滤光片（24）的中心波長为1450nm，光谱带宽为0.3nm，隔离度大于35dB。

8.根据权利要求1所述的混沌激光相关集成光纤拉曼放大器的布里渊光时域分析器，其特征是，所述光纤光栅反射滤光器（29）的中心波长为1550.08nm，光谱带宽为0.1nm。

9.根据权利要求1所述的混沌激光相关集成光纤拉曼放大器的布里渊光时域分析器，其特征是，所述数字信号处理器（22）釆用有自相关处理和快速傅里叶变换软件的高速5G采样率和500MHz频宽的数字信号处理器。

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