CN102506906A - 一种提高φ-otdr分布式光纤传感系统性能的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种将拉曼混合放大技术引入基于Ф-OTDR(相位敏感光时域反射计，phase-sensitive optical time-domain reflectometer)的分布式光纤传感系统以提高该系统的传感距离和传感性能的方法和系统，本发明是在现有的Ф-OTDR分布式光纤传感技术基础上，引入拉曼混合放大技术，相对于现有的基于一阶拉曼放大技术的Ф-OTDR分布式光纤系统，在同样泵浦功率条件下，本发明可获得更高的增益，提高了泵浦效率；传感信号沿光纤的分布更平坦；用于长距离扰动监测，可大幅提高监测系统的空间分辨率、测量精度及灵敏度；以很小的成本(无需增加额外的二阶泵浦光源)获得传感性能的明显改善，具备一定的实用性。
Description
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，具体涉及一种利用拉曼混合放大技术提高Ф-OTDR分布式光纤传感系统性能的方法及系统。
背景技术
在物联网风潮的推动下，伴随着人们对军事基地、发电站、变电站、储油基地、危险品仓库、高端小区等场所的安全性要求越来越高，各种智能安防技术正受到人们密切的关注，新型的安防系统有着非常重要的经济价值和社会价值。基于Ф-OTDR技术的分布式光纤传感系统，与普通传感系统相比具有无可比拟的优势，该系统以相位作为测量参数，具有极高的灵敏度，传感元件、光缆都埋藏于地下，具有极强的隐蔽性，另外其具有全程无源、抗电磁干扰、电绝缘性好、定位准确、响应及时、不受地形限制、易于安装等优势，使其有可能成为大范围分布式监测技术的最佳选择之一。
随着传感距离的增加，受光纤损耗及瑞利散射等的影响，脉冲光能量急剧下降，从而限制了整个系统的传感距离。提高传感距离最直接的方法是增大探测脉冲光的功率，传统的Ф-OTDR(相位敏感光时域反射计，phase-sensitive optical time-domain reflectometer)系统一般采用集中式放大技术，即探测光进入光纤前应用掺铒光纤光放大器(EDFA)将脉冲功率放大，由于过高的脉冲能量导致：
①前端容易出现非线性效应，这不仅会干扰传感信号，而且当信号光功率大于光纤布里渊阈值后，信号光会产生受激布里渊效应，导致信号光功率在入 射端附近急剧下降，能量急剧向布里渊散射光转换，从而使得信号光的传输距离不能得到有效增加。
②光纤中功率分布不均衡，使得前后端的传感光纤灵敏度差别很大，并且在同样的环境下，前端光纤更容易受环境噪声的影响，尤其是外界噪声变化较大时，后端的扰动信号会被噪声淹没，将会大大降低系统远端性能，增加误报率。虽然使用均衡的方法可以一定程度解决这个问题，但是后端功率太小导致入侵信号的信噪比降低，入侵信号不易识别，严重影响了系统的信噪比。受此影响，基于集总式放大技术的Ф-OTDR系统传感距离＜30km。
另一方面，由于系统分辨率与探测脉冲宽度成反比，随着系统对空间分辨率及测量距离要求的进一步提高，脉冲宽度将会越来越窄，信号的占空比也越来越小，从而导致信噪比的急剧下降。从1993年H.F.Taylor提出了Ф-OTDR技术(见H.F.Taylor and C.E.Lee，Apparatus and method for fiber optic intrusion sensing，U.S.Patent 5 194 847，Mar.16，1993.)到现在，该技术取得了极大的发展，1998年S.V.Shatalin等人提出了Ф-OTDR系统可以用于分布式温度和扰动监测(见S.V.Shatalin，V.N.Treschikov，and A.J.Rogers，Interferometric optical time-domain reflectometry for distributed optical-fiber sensing，Appl.Opt.，1998，37：5600-5604，)。K.N.Choi等人在2003年利用一个超窄线宽低频率漂移的激光器，完成了Ф-OTDR分布式光纤传感系统用于地面入侵探测，定位精度达到1km，定位范围为12km(见K N Choi and H F Taylor.Spectrally stable Er：fiber laser for application in phase-sensitive optical time-domain reflectometry.IEEE Photon.Technol.Lett.，2003，15(3)：386-389)。2009年，Y J，Rao报道了将一阶双向拉曼放大用于Ф-OTDR系统，进一步延长了该系统的传感距离(见Y J，Rao et al.Long-distance fiber-optic Ф-OTDR intrusion sensing system，20th International Conference on Optical Fibre Sensors)。但是在长距离(＞50km)Ф-OTDR传感系统中，由于拉曼泵浦的功率及拉曼增益系数沿光纤呈指数衰减，使得该方法不能彻底消除功率分布不均现象，且传感距离愈长，波动愈严重，其结果是在传感信号分布上出现了一个大范围、低信噪比的测量“盲区”。另一方面，一阶拉曼泵浦的效率较低，而在长距离传感系统中，对拉曼泵浦功率的要求很高，从而极大提高了系统成本。
2004年，J.D.Ania-Castanon报道了利用光纤布拉格光栅和拉曼混合放大技术实现的超长距离无损传输通信系统(见J.D.Ania-Castanon，Quasi-lossless transmission using second-order Raman amplification and fiber Bragg gratings，Opt.Exp.，12)。相比于其他放大技术，拉曼混合放大技术具有较宽的增益谱(可以实现C+L波段的同时放大)、增益谱平坦、低噪声、高的泵浦利用率和低成本等优点。
介于以上优点本专利首次将拉曼混合放大技术应用在现有的一阶拉曼放大的Ф-OTDR传感系统中，在有效延长了传感距离的同时控制了系统的成本，将在长距离Ф-OTDR传感系统中得到极其重要的应用。
发明内容
本发明所要解决的问题是：如何在现有一阶拉曼放大的Ф-OTDR传感系统基础上，提供一种低成本的技术，有效提高拉曼泵浦效率的同时进一步延长系统的传感距离，应用于长距离扰动传感，使传感信号的分布更加平坦，大幅提高测量的精度及空间分辨率。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种利用拉曼混合放大技术以提高长距离Ф-OTDR传感系统传感性能的系统，包括：一阶双向拉曼放大的 Ф-OTDR分布式光纤传感系统以及传感光纤，其特征在于，该系统还包括一对峰值反射率＞80％，中心波长一致的光纤光栅对；所述光纤光栅对熔接于传感光纤两侧，构成一阶和二阶拉曼混合放大的传感系统，用于同时对信号光进行拉曼混合放大。
进一步，一阶双向拉曼泵浦波长为13XX-14XX nm。
进一步，光纤光栅对的中心波长位于一阶拉曼泵浦波长的一级斯托克斯波长附近，两者间距＜100nm。
进一步，所述拉曼混合放大系统的传感系统包括：第一WDM 5(1)、第二WDM 5(2)分别接在传感光缆的两侧，用于将一阶拉曼泵浦耦合进光路，实现传感系统的一阶拉曼放大；第一FBG 7(1)、第二FBG 7(2)分别接在第一WDM 5(1)、第二WDM 5(2)的靠近传感光纤一侧，作为两个反射镜，和传感光纤构成一个超长腔激光器，产生拉曼二阶泵浦，实现系统的二阶拉曼放大。
本发明还公开了一种提高Ф-OTDR分布式光纤传感系统性能的方法，包括以下步骤：
A、基于一阶双向拉曼放大的Ф-OTDR分布式光纤传感系统，制作一对峰值反射率＞80％，中心波长一致的光纤光栅；
B、将光纤光栅对熔接于传感光纤两侧，构成一个长距离激光谐振腔，该激光谐振腔产生的激光作为二阶拉曼泵浦与一阶拉曼泵浦同时对传感信号起放大作用。
进一步，步骤A中，一阶双向拉曼泵浦波长为13XX-14XX nm。
进一步，步骤B中，光纤光栅对的中心波长位于一阶拉曼泵浦波长的一级斯托克斯波长附近，两者间距＜100nm。
本发明的有益效果：本发明中，激光谐振腔产生的激光(作为二阶拉曼泵 浦)与一阶拉曼泵浦同时对传感信号起放大作用。与基于一阶拉曼放大的Ф-OTDR传感系统相比，在同样的泵浦功率条件下，该方法可获得更高的增益，提高了泵浦效率；传感信号沿光纤的分布更加平坦；用于长距离扰动感知，可大幅提高监测系统的空间分辨率、测量精度及灵敏度；以很小的成本(无需增加额外的二阶泵浦光源)获得传感性能的明显改善，具备一定的实用性。
附图说明
图1是基于一阶拉曼放大的长距离Ф-OTDR传感系统结构框图；
其中，1、光纤激光器，2、声光调制器，3、掺铒光纤放大器(EDFA)，4、第一50/50耦合器，5(1)、第一WDM(Wavelength Division Multiplexing，波分复用器)，5(2)、第二WDM(Wavelength Division Multiplexing，波分复用器)，6、传感光缆，8、第一隔离器，9、第二50/50耦合器，10、第二隔离器，11、13XX-14XXnm一阶拉曼泵浦源，12、光环形器，13、光电探测器，14、光纤布拉格光栅(FBG)，15、数据采集卡，16、计算机。
图2是本发明利用拉曼混合放大技术提高Ф-OTDR分布式光纤传感系统结构框图；
该系统是在图1系统所述电路结构的基础上，7(1)、第一FBG，7(2)、第二FBG，6(1)、第一FBG，6(2)、第二FBG。
图3是两级泵浦光拉曼增益系数谱示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述：
如图2所示：本发明的Ф-OTDR分布式光纤传感系统，包括光纤激光器1、声光调制器2、EDFA 3、50/50耦合器4、第一WDM5(1)、第二WDM5(2)、 传感光缆6、第一FBG 7(1)、第二FBG 7(2)、第一隔离器8、50/50耦合器9、第二隔离器10、13XX-14XXnm一阶拉曼泵浦源11、光环形器12、光电探测器13、FBG、14、数据采集卡15、计算机16，其中，所述光纤激光器1用于产生连续的探测波，光源线宽＜3KHz，功率大于50mW，声光调制器2与激光器1相连，用于将激光器1产生的连续光调制为脉冲光；EDFA3与声光调制器2相连，实现对探测脉冲光的放大；第一50/50耦合器4分别与EDFA3、第一WDM5(1)和环形器12相连，用于将探测光耦合进传感光路以及将反射回来的信号光耦合进探测系统；第一、第二WDM 5(1)、5(2)分别接在传感光缆的两侧，用于将一阶拉曼泵浦耦合进光路，实现传感系统的一阶拉曼放大；第一、第二FBG 7(1)、7(2)分别接在第一、第二WDM 5的靠近传感光纤一侧，作为两个反射镜，和传感光纤构成一个超长腔激光器，产生拉曼二阶泵浦，实现系统的二阶拉曼放大，以构成一个拉曼混合放大系统；传感光缆6用于对外界扰动的感知；第一隔离器8用于将泵浦光、信号光等产生的后向瑞利散射隔离；第二50/50耦合器9将一阶拉曼泵浦平均分为两束，分别送往传感光路的两端；隔离器10连接在一阶拉曼泵浦11和第二50/50耦合器9的中间，避免反射光对一阶拉曼泵浦干扰；一阶拉曼泵浦11提供系统一阶泵浦源；光纤环形器12用于连接传感光纤、FBG脉冲压缩装置及信号探测系统；光电探测器13用于将光信号转换为电信号；FBG 14用于对信号脉冲的压缩；信号采集卡15分别连接计算机16和光电探测器13，用于对信号的采集；计算机16实现信号的计算与显示。
拉曼混合放大系统包括WDM5、13XX-14XX一阶拉曼泵浦源14及光纤光栅对7，其中，所述WDM5用来探测光及所述13XX-14XX一阶拉曼泵浦源11耦合进传感光纤，13XX-14XX一阶拉曼泵浦源用来产生一阶拉曼放大，波长13XX-14XXnm，光纤光栅对7用来构成长距离激光谐振腔，其产生的激光(作为二阶拉曼泵浦)与一阶拉曼泵浦源同时对传感信号进行放大，提高泵浦效率 及长距离传感的空间分辨率和精度。
本发明提供的利用拉曼混合放大技术提高长距离Ф-OTDR分布式光纤传感系统传感性能的方法，该方法包括以下步骤：
a搭建一个基于一阶双向拉曼放大的Ф-OTDR分布式光纤传感系统；
b制作一对峰值反射率＞80％，中心波长一致的光纤光栅；
c将光纤光栅对熔接于传感光纤两侧，构成一阶和二阶拉曼混合放大传感系统；
图3是两级泵浦光拉曼增益系数谱示意图。该图所示，双向抽运泵浦光的波长为1480nm，一对光纤布拉格光栅的中心波长被设计在抽运泵浦的1级斯托克斯光附近(1560nm)，光栅和光纤在这个波长上形成了一个谐振腔并形成激光。
从增益的角度来说，在距离抽运泵浦光1480nm的13.2～16THz频段内，抽运泵浦光形成的拉曼增益有一个较宽的峰，并且由光纤光栅对形成的谐振腔产生的1560nm激射光也能对此频段内的信号光进行拉曼增益补偿。因此本发明对信号光进行拉曼混合放大，即在利用抽运泵浦光对信号光进行一阶拉曼放大基础上，再运用光纤光栅对形成的谐振腔产生激射光(作为二阶拉曼泵浦)同时对信号光进行放大，这样将比只利用一阶拉曼泵浦对信号光进行拉曼放大能更有效的利用泵浦光，获得更高的拉曼增益，在更长的传感距离上、取得高空间分辨率及高精度温度/应变传感。
上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围的内。
Claims (7)
1.一种提高Ф-OTDR分布式光纤传感系统性能的系统，包括：一阶双向拉曼放大的Ф-OTDR分布式光纤传感系统以及传感光纤，其特征在于，该系统还包括一对峰值反射率＞80％，中心波长一致的光纤光栅对；所述光纤光栅对熔接于传感光纤两侧，构成一阶和二阶拉曼混合放大的传感系统，用于同时对信号光进行拉曼混合放大。
2.如权利要求1所述提高Ф-OTDR分布式光纤传感系统性能的系统，其特征在于，一阶双向拉曼泵浦波长为13XX-14XX nm。
3.如权利要求1或2所述提高Ф-OTDR分布式光纤传感系统性能的系统，其特征在于，光纤光栅对的中心波长位于一阶拉曼泵浦波长的一级斯托克斯波长附近，两者间距＜100nm。
4.如权利要求1至3之一所述提高Ф-OTDR分布式光纤传感系统性能的系统，其特征在于，所述拉曼混合放大系统的传感系统包括：第一WDM 5(1)、第二WDM 5(2)分别接在传感光缆的两侧，用于将一阶拉曼泵浦耦合进光路，实现传感系统的一阶拉曼放大；第一FBG 7(1)、第二FBG 7(2)分别接在第一WDM 5(1)、第二WDM 5(2)的靠近传感光纤一侧，作为两个反射镜，和传感光纤构成一个超长腔激光器，产生拉曼二阶泵浦，实现系统的二阶拉曼放大。
5.一种提高Ф-OTDR分布式光纤传感系统性能的方法，包括以下步骤：
A、基于一阶双向拉曼放大的Ф-OTDR分布式光纤传感系统，制作一对峰值反射率＞80％，中心波长一致的光纤光栅；
B、将光纤光栅对熔接于传感光纤两侧，构成一个长距离激光谐振腔，该激光谐振腔产生的激光作为二阶拉曼泵浦与一阶拉曼泵浦同时对传感信号起放大作用。
6.如权利要求5所述提高Ф-OTDR分布式光纤传感系统性能的方法，其特征在于，步骤A中，一阶双向拉曼泵浦波长为13XX-14XX nm。
7.如权利要求5或6所述提高Ф-OTDR分布式光纤传感系统性能的方法，其特征在于，步骤B中，光纤光栅对的中心波长位于一阶拉曼泵浦波长的一级斯托克斯波长附近，两者间距＜100nm。
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