CN102538985B - 基于光纤布里渊环形激光器的传感信号检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤布里渊环形激光器的传感信号检测装置及方法。装置包括窄线宽DFB激光器、三个光纤耦合器、脉冲调制器、两个掺饵光纤放大器、两个光纤环形器、两个单模光纤、光隔离器、偏振控制器和光电探测器。其中第二光纤环形器、第二单模光纤、光隔离器、第二光纤耦合器和偏振控制器构成光纤布里渊环形激光器。从激光器出射的光经光纤耦合器分成两束光，其中探测光调制为脉冲光，经掺饵光纤放大器后进入传感光纤，产生背向自发布里渊散射信号；参考光经光纤布里渊环形激光器中心频率发生一个布里渊频移。两路散射回来的布里渊散射信号进行相干检测，便于利用低成本器件实现快速高精度检测，结构简单。

Description

基于光纤布里渊环形激光器的传感信号检测装置及方法

技术领域

本发明属于测试计量技术领域，具体是一种基于光纤布里渊环形激光器的布里渊传感信号检测装置及方法。

背景技术

分布式光纤传感技术在当今传感领域内占有重要地位，其最大优势在于可以现分布式测量，再加上光纤独有的特点，比如质轻柔软、抗电磁干扰、可将传输传感集于一身等，分布式光纤传感技术己成为人们研究的焦点。布里渊光时域反射仪(BOTDR)能够实现分布式测量,并且能够同时测量温度和应变两大参数，在高压输电线、煤矿、油气生产、输运管道、隧道等领域的安全监测上都具有广泛应用。

自发布里渊散射极其微弱，相对于瑞利散射来说要低大约2～3个数量级，而且相对于拉曼散射光信号的强度检测来说，布里渊散射信号则采用频率检测，检测起来较为困难。通常采用的检测方法有直接检测和相干检测两种。直接检测是利用F-P干涉仪或Math-Zehnder干涉仪将微弱的布里渊散射光从瑞利后向散射光中分离出来，但由于F-P干涉仪工作不稳定，插入损耗较大，且布里渊散射较弱，测得的布里渊频移往往不够准确。相干检测的方法则需要采用光学移频装置将光波在进入传感光纤前移频约11GHz，以使得布里渊散射光与本征参考光的差频位于窄带宽的外差接收机的频带范围内。相干检测相对于直接检测而言，其系统构成复杂，但信噪比高且不受光源频率漂移的影响，因此对相干检测的研究较多。目前主要有三种相干检测系统，分别是声光移频、电光移频及微波外差相干检测系统，但这三种系统构成都比较复杂，成本高昂。最近报道有一种基于参考光纤的布里渊信号相干检测方法，使用参考光纤产生频移11GHz的参考光，但是这种方法产生的参考光非常不稳定，而且瑞利散射光的成分居多，影响了布里渊传感信号的检测效果。

发明内容

本发明的目的在于在解决现有技术中相干光信号频率太高，检测技术复杂、稳定性差、成本高的问题。

基于光纤布里渊环形激光器的传感信号检测装置，包括窄线宽DFB激光器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、脉冲调制器、第一掺饵光纤放大器、第二掺饵光纤放大器、第一光纤环形器、第二光纤环形器、第一单模光纤、第二单模光纤、光隔离器、偏振控制器和光电探测器。

DFB激光器与第一光纤耦合器的输入端相连，第一光纤耦合器一个输出端与光纤布里渊环形激光器中的第二光纤环行器的第一端口相连，另一个输出端与脉冲调制器的输入端相连，脉冲调制器的输出端与第一掺饵光纤放大器的输入端相连，第一掺饵光纤放大器的输出端与第一光环形器的第一端口相连，第一光环形器的第二端口与第一单模光纤的一端相连，第一光环形器的第三端口与第二掺饵光纤放大器的输入端相连，第二掺饵光纤放大器的输出端与第三光纤耦合器的一个输入端相连，第三光纤耦合器的另一个输入端与光纤布里渊环形激光器的输出端相连，第三光纤耦合器的输出端与光电探测器的输入端相连，光电探测器输出端与信号处理模块相连。

所述的光纤布里渊环形激光器由第二光纤环形器、第二单模光纤、光隔离器、第二光纤耦合器和偏振控制器构成；第二光纤环形器的第二端口与第二单模光纤的一端相连，第二光环形器的第三端口与偏振控制器的输入端相连，第二单模光纤的另一端与光隔离器的一端相连，光隔离器的另一端与第二光纤耦合器的一个输出端相连，第二光纤耦合器的输入端与偏振控制器的输出端相连，第二光纤耦合器的另一个输出端为光纤布里渊环形激光器的输出端。

利用上述装置进行布里渊传感信号检测的方法：

从窄线宽DFB激光器出射的光经第一光纤耦合器分成两路，探测光经脉冲调制器调制为脉冲光，经第一掺饵光纤放大器放大，通过第一光纤环形器进入第一单模光纤，产生的背向自发布里渊散射光频率为ν ₀-ν _B，其中ν ₀为DFB激光器出射光的中心频率，ν _B为第一单模光纤产生的布里渊频移，布里渊散射光由第一光纤环形器的第二端口返回第一光纤环形器，经第一光纤环形器第三端口输出后进入第二掺铒光纤放大器再次放大；本地参考光经过第二光纤环形器进入单频光纤布里渊环形激光器，光的传输路径为：光进入第二单模光纤产生背向布里渊散射，布里渊散射通过第二光纤环形器的第二端口返回第二光纤环形器，由第二光纤环形器的第三端口进入偏振控制器，光经过偏振控制器之后由第二光纤耦合器分成两部分，一部分光通过第二光纤耦合器的一个输出端直接输出，另一部分光通过光隔离器逆时针进入第二单模光纤进行光循环，使得输出的本地参考光的频率变为ν ₀-ν’ _B，其中ν’ _B为第二单模光纤产生的布里渊频移；两信号光通过第三光纤耦合器合并为一路进入光电探测器进行外差接收，转变为电信号，该电信号频率为△ν _B=ν’ _B-ν _B，最后进行信号处理。

所述的第一单模光纤和第二单模光纤的型号相同，两者布里渊频移相差小于100MHz。

所述的第一光纤耦合器的耦合比为50:50。

所述的第二光纤耦合器的耦合比为20:80。

所述的第三光纤耦合器的耦合比为5:95。

所述的光电探测器为InGaAs探测器，探测带宽200MHz。

以上所述所有的连接介质均为单模光纤。

本发明的优点是：第一单模光纤产生的布里渊传感光信号与光纤布里渊环形激光器产生的参考光信号相干后频率差小于200MHz，可以方便的进行低成本信号处理；参考光信号来源于布里渊环形激光器，具有信噪比高、稳定性好的特点，方便进行布里渊信号的相干检测。

附图说明

图1是本发明中检测装置结构示意图。

图中，1：DFB激光器；2、第一光纤耦合器；3、脉冲调制器；4、第一掺饵光纤放大器；5、第一光纤环形器；6、第一单模光纤；7、光纤布里渊环形激光器；8、第二光纤环形器；9、第二单模光纤；10、光隔离器；11、第二光纤耦合器；12、偏振控制器；13、第二掺饵光纤放大器；14、第三光纤耦合器；15、光电探测器；16、信号处理模块。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

如图1所示，本发明是这样实现的：从光源DFB激光器1发出的连续光经过第一光纤耦合器2分为两路，分别作为探测光和参考光，探测光由脉冲调制器3调制为脉冲光，经过第一掺饵光纤放大器4放大后通过第一光纤环形器5进入第一单模光纤6，产生背向自发布里渊散射，布里渊散射信号经第一光纤环形器的第二端口返回到环形器中，由环形器的第三端口输出后经过第二掺饵光纤放大器13再次进行放大；参考光通过第二光纤环形器8进入单频光纤布里渊环形激光器7中，使得参考光中心频率发生一个布里渊频移，通过第二光纤耦合器输出，同第一单模光纤中散射回来的布里渊传感信号光相干，产生小于200MHz的拍频信号，经第三光纤耦合器14由光电探测器15进行相干检测，通过信号处理模块16处理相干信号，可以得到沿第一单模光纤分布的温度、应变以及线路损耗等。

拍频信号频率与应变和温度的对应关系为：

其中，

和

分别为由应变和温度引起的布里渊频移变化量。对于T=300K，光波长工作在1550nm的普通单模光纤，布里渊散射频移的应变系数

和温度系数

分别为：

。

表1 拍频信号频率与应变和温度的计算示例

布里渊环形激光器7为单频光纤激光器，其实现步骤为：光经第二光纤环形器8的第一端口8-1进入，从输出端8-2出来的光进入第二单模光纤9产生背向布里渊散射，布里渊散射光通过环形器的第二端口8-2返回到环形器中，由环形器的第三端口8-3输出，偏振控制器12控制散射光的偏振态，光通过第二光纤耦合器11分为两部分，一部分经耦合器的一个输出端直接输出，另一部分通过隔离器10逆时针进入第二单模光纤构成环形激光器，由于在环路中有隔离器10，光不能沿顺时针方向传播。该光纤布里渊环形激光器的输出光频率比输入光频率低11GHz，作为相干检测的参考光。

Claims (5)

1.基于光纤布里渊环形激光器的传感信号检测装置，包括窄线宽DFB激光器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、脉冲调制器、第一掺饵光纤放大器、第二掺饵光纤放大器、第一光纤环形器、第二光纤环形器、第一单模光纤、第二单模光纤、光隔离器、偏振控制器和光电探测器，其特征在于：

DFB激光器与第一光纤耦合器的输入端相连，第一光纤耦合器一个输出端与光纤布里渊环形激光器中的第二光纤环行器的第一端口相连，另一个输出端与脉冲调制器的输入端相连，脉冲调制器的输出端与第一掺饵光纤放大器的输入端相连，第一掺饵光纤放大器的输出端与第一光环形器的第一端口相连，第一光环形器的第二端口与第一单模光纤的一端相连，第一光环形器的第三端口与第二掺饵光纤放大器的输入端相连，第二掺饵光纤放大器的输出端与第三光纤耦合器的一个输入端相连，第三光纤耦合器的另一个输入端与光纤布里渊环形激光器的输出端相连，第三光纤耦合器的输出端与光电探测器的输入端相连，光电探测器输出端与信号处理模块相连；

所述的光纤布里渊环形激光器由第二光纤环形器、第二单模光纤、光隔离器、第二光纤耦合器和偏振控制器构成；第二光纤环形器的第二端口与第二单模光纤的一端相连，第二光环形器的第三端口与偏振控制器的输入端相连，第二单模光纤的另一端与光隔离器的一端相连，光隔离器的另一端与第二光纤耦合器的一个输出端相连，第二光纤耦合器的输入端与偏振控制器的输出端相连，第二光纤耦合器的另一个输出端为光纤布里渊环形激光器的输出端。 

2.根据权利要求1所述的基于光纤布里渊环形激光器的传感信号检测装置，其特征在于：所述的第一单模光纤和第二单模光纤的型号相同，两者布里渊频移差小于100MHz。

3.根据权利要求1所述的基于光纤布里渊环形激光器的传感信号检测装置，其特征在于：所述的第一光纤耦合器的耦合比为50:50，第二光纤耦合器的耦合比为20:80，第三光纤耦合器的耦合比为5:95。

4.根据权利要求1所述的基于光纤布里渊环形激光器的传感信号检测装置，其特征在于：所述的光电探测器为InGaAs探测器，探测带宽200MHz。

5.利用权利要求1所述的布里渊传感信号检测装置进行布里渊传感信号检测的方法，其特征在于：

从窄线宽DFB激光器出射的光经第一光纤耦合器分成两路，探测光经脉冲调制器调制为脉冲光，经第一掺饵光纤放大器放大，通过第一光纤环形器进入第一单模光纤，产生的背向自发布里渊散射光频率为ν ₀-ν _B，其中ν ₀为DFB激光器出射光的中心频率，ν _B为第一单模光纤产生的布里渊频移，布里渊散射光由第一光纤环形器的第二端口返回第一光纤环形器，经第一光纤环形器第三端口输出后进入第二掺铒光纤放大器再次放大；本地参考光经过第二光纤环形器进入单频光纤布里渊环形激光器，光的传输路径为：光进入第二单模光纤产生背向布里渊散射，布里渊散射通过第二光纤环形器的第二端口返回第二光纤环形器，由第二光纤环形器的第三端口进入偏振控制器，光经过偏振控制器之后由第二光纤耦合器分成两部分，一部分光通过第二光纤耦合器的一个输出端直接输出，另一部分光通过光隔离器逆时针进入第二单模光纤进行光循环，使得输出的本地参考光的频率变为ν ₀-ν’ _B，其中ν’ _B为第二单模光纤产生的布里渊频移；两信号光通过第三光纤耦合器合并为一路进入光电探测器进行外差接收，转变为电信号，该电信号频率为△ν _B=ν’ _B-ν _B，最后进行信号处理。

Images