CN102544998B - 用于布里渊分布式光纤传感器的高稳定可调谐光源系统 - Google Patents

Abstract

一种用于布里渊分布式光纤传感器的高稳定可调谐光源系统，其结构包括探测激光器、本地激光器、光纤耦合器、光电探测器、放大器、可编程计数器、参考晶体振荡器、相频检测器、电荷泵、低通滤波器和PID控制器。本发明在相位锁定时，本地激光器的相位和频率会跟随探测激光器的变化且探测激光器是高性能窄线宽的光纤激光器，实现了线宽压窄，在不损失精度和稳定性的情况下，大大降低了成本；且在不需改变硬件的环境下，通过可编程计数器实现了对跟踪频率的调节。

Description

用于布里渊分布式光纤传感器的高稳定可调谐光源系统

技术领域

本发明涉及高稳定可调谐光源系统，特别是一种用于布里渊分布式光纤传感器光源频率跟踪的高稳定可调谐光源系统。

背景技术

分布式光纤传感器是目前国内传感领域研究的热点，具有灵敏度高，抗电磁干扰能力强，电绝缘性能好，化学稳定性好，长距离分布式探测等优点，能够用于各种大型建筑、工业领域温度、应变的监测，具有广泛的应用前景。基于布里渊分布式光纤传感器具有重量轻，结构紧凑，可以在各种危险环境中应用，可以分布式传感，可以免疫电磁干扰，并且抗化学腐蚀，在大多数情况下具有低生产成本的潜力并且可以连续的分布式监控沿着传感光纤监控传感光纤的温度和应力等优势，被用于石油管道，电力电缆等的压力和温度监测，在最近十年引起了人们的广泛兴趣。

布里渊散射信号的探测分为直接探测和相干探测。与直接探测相比，相干探测具有更高的灵敏度和动态范围。但布里渊散射信号的频率降低了11GHz，如果将相干探测中的探测光作为本地振荡器，布里渊散射信号和本地振荡器的拍频信号的频率约为11GHz，位于最常用的传统外差接收器的带宽之外。这种相干探测需要一个带宽为11GHz的微波探测器，价格昂贵而且会带来很高的噪声。若将本地光频移布里渊频率量级(9-12GHz)，就可以使用低射频带宽的探测器来探测。与传统方法相比，这种方法有更高的灵敏度，更低的噪声，并节省了相当大的成本。为了解决这个问题，Jihong Geng，Mike Blake等人提出将探测光一部分通过电光调制后进入传感光纤来产生布里渊散射信号，另一部分用来泵浦一个光纤布里渊环形激光器用来作为本地光，本地光的频率相对于探测光频移非常接近布里渊频率，因此用本地光来跟布里渊散射信号进行相干探测，拍频信号从微波范围(11GHz)变为射频范围(＜500MHz)(参见在先技术[1]：“Distributed fiber temperature and strain sensor usingcoherent radio-frequency detection of spontaneous Brillouin scattering”，Appl.Opt.46，5928～5932，2007)。由于本地光和探测光之间的频率差不可调，Vladimir Kupershmidt，Frank Adams等人提出了用光学锁相的方法使用OPLL将本地光频移布里渊频率量级(9-12GHz)，就可以使用低的射频带宽的探测器来探测(参见在先技术[2]：“OpticalPhase lock loop with tunable frequency offset for distributed optical sensingApplications”，SPIE.7677，76770O-1～76770O-5，2010)。由于这种技术要用到两个比较昂贵的窄线宽单频激光器，Chris D.Rouse，Anthony W.Brown等人提出了采用两个便宜的商用半导体DFB激光器进行光学锁相的方法，但是这种方法的稳定性和精度不如前者(参见在先技术[3]：“Phase-locking of commercial DFB lasers for distributedoptical fiber sensing applications”，SPIE.7753，77532L-1～77532L-4，2011)。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述在先技术的不足，提供一种用于布里渊分布式光纤传感器的高稳定可调谐光源系统，该光源系统在相位锁定时，本地激光器的相位和频率会跟随探测激光器的变化，且探测激光器是高性能窄线宽的光纤激光器，因此本地激光器光学性能会接近探测激光器，实现了线宽压窄，在不损失精度和稳定性的情况下，大大降低了成本；且在不需改变硬件的环境下，通过可编程计数器实现了对跟踪频率的调节。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于布里渊分布式光纤传感器的高稳定可调谐光源系统，特点在于其构成包括探测激光器、本地激光器、第三光纤耦合器、第四光纤耦合器、第五光纤耦合器、第二光电探测器、放大器、参考晶振第一可编程计数器、第二可编程计数器、相频检测器、电荷泵、低通滤波器和PID控制器，上述元部件的位置关系如下：

由探测激光器发出的探测光束经过第三光纤耦合器分束，其中一束探测由本系统的第一输出端口输出，由本地激光器发出的本地光束经过第四光纤耦合器分束，其中一束本地光由本系统的第二输出端口输出，由第三光纤耦合器分束后的另一束探测光和由第四光纤耦合器分束后的另一束本地光一起进入第五光纤耦合器进行拍频，并由第二光电探测器探测并转换为拍频电信号，第二光电探测器的输出端经放大器和第一可编程计数器与相频检测器第一输入端相连，参考晶振经第二可编程计数器与所述的相频检测器的第二输入端相连，该相频检测器的两个输出端经电荷泵、低通滤波器和PID控制器与所述的本地激光器的输入端相连；

所述的第二光电探测器将接收到的频率为f_b的拍频信号转换成拍频电信号S_b，该拍频电信号S_b经过放大器放大后进入第一可编程计数器分频后产生频率为f_b/N的拍频分频信号U_b，由参考晶振产生的频率为f_r的参考信号S_r经过第二可编程计数器分频后产生频率为f_r/R的参考分频信号U_r，所述的拍频分频信号U_b和参考分频信号U_r通过相频检测器和电荷泵后产生误差信号，该误差信号经过低通滤波器、PID控制器产生反馈控制信号输入本地激光器，用以控制本地激光器的光频。

所述的探测激光器为窄线宽光纤激光器，所述的本地激光器为宽线宽半导体DFB激光器。

所述的第一可编程计数器的分频数为N和第二可编程计数器分频数为R，应满足下列关系式：

$\frac{f_r}{R}=\frac{f_b}{N}$

其中：f_r为所述的参考分频信号，f_b为所述的拍频分频信号。

所述的相频检测器由第一D触发器、第二D触发器、与门和延迟器组成，所述的相频检测器的第一输入端口与第一可编程计数器相连，用于接收所述的拍频分频信号U_b；第二输入端口与第二可编程计数器相连，用于接收所述的参考分频信号U_r；所述的参考分频信号U_r的翻转和所述的拍频分频信号U_b的翻转分别加在第一D触发器和第二D触发器的时钟端，第一D触发器的输出端和第二D触发器的输出端和电荷泵相连，所述的第一D触发器的输出端和第二D触发器的输出端接所述的与门的输入端，该与门的输出端经所述的延迟器分别与所述的第一D触发器的第二输入端和第二D触发器的第二输入端相连。

所述的电荷泵在第一D触发器打开时，会向低通滤波器提供泵电流I_P，第二D触发器打开时，会从低通滤波器吸收泵电流I_P，从而产生正比于两者频率差的误差信号。

所述的探测激光器为窄线宽光纤激光器，所述的本地激光器为宽线宽半导体DFB激光器。当光学锁相成功后，本地激光器的相位和频率跟随探测激光器的相位和频率变化，压窄了本地激光器的线宽，实现了窄线宽双光源的等效，提高了光纤布里渊传感的精度。

所述的电荷泵在第一D触发器打开时，会向低通滤波器提供泵电流I_P，第二D触发器打开时，会从低通滤波器吸收泵电流I_P，从而产生正比于拍频分频信号U_b和参考分频信号U_r的频率差的误差信号。该误差信号的电压范围是0～5V。所述的PID控制器将0～5V的误差信号加一个2.5V的偏置，通过PID控制器的调制使所述的误差信号变成0V的控制信号，使环路锁定。

本发明与在先技术相比，具有以下优点和积极效果：

1、与在先技术[1]相比，本发明两个激光器之间的频率可以以11GHz为中心左右调节，更方便测量由于温度或应力导致的布里渊频移的变化。

2、与在先技术[2]相比，本发明的本地激光器采用的是一般商用半导体DFB激光器，但没有降低测量精度，因此降低了由于使用两个高性能窄线宽激光器的成本。

3、与在先技术[3]相比，本发明采用同等价格的本地激光器，利用光学锁相后本地激光器线宽性能会跟探测激光器一致这一特点，大大提高了锁相的质量，降低了环路相位噪声，为后续光纤布里渊传感的高精度提供了前提。

4、与在先技术[2][3]相比，本发明采用可编程分频计数器，可以在不改变任何硬件的条件下改变本地激光器和探测激光器的频率差，使得整个系统更加方便。

附图说明

图1是本发明高稳定可调谐光源系统结构框图。

图2是本发明相频检测器结构示意图。

图3是锁相环路相位噪声传递模型。

图4是本发明高稳定可调谐光源系用于布里渊分布式光纤传感器的结构框图。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明进行进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明高稳定可调谐光源系统结构框图。由图可见，本发明用于布里渊分布式光纤传感器的高稳定可调谐光源系统的构成包括探测激光器101、本地激光器102、第三光纤耦合器103、第四光纤耦合器104、第五光纤耦合器105、第二光电探测器106、放大器107、参考晶振108第一可编程计数器109、第二可编程计数器110、相频检测器111、电荷泵112、低通滤波器113和PID控制器114，上述元部件的位置关系如下：

由探测激光器101发出的探测光束经过第三光纤耦合器103分束，其中一束探测由本系统的第一输出端口1a输出，由本地激光器102发出的本地光束经过第四光纤耦合器104分束，其中一束本地光由本系统的第二输出端口1b输出，由第三光纤耦合器103分束后的另一束探测光和由第四光纤耦合器104分束后的另一束本地光一起进入第五光纤耦合器105进行拍频，并由第二光电探测器106探测，第二光电探测器106的输出端经放大器107和第一可编程计数器109与相频检测器111第一输入端111a相连，参考晶振108经第二可编程计数器110与所述的相频检测器111的第二输入端111b相连，该相频检测器111的两个输出端经电荷泵112、低通滤波器113和PID控制器114与所述的本地激光器102的输入端相连；

所述的第二光电探测器106将接收到的频率为f_b的拍频信号转换成拍频电信号S_beat，经过放大器107放大后进入第一可编程计数器109分频后产生频率为f_b/N的拍频分频信号U_b，由参考晶振108产生的频率为f_r的参考信号S_r经过第二可编程计数器110分频后产生频率为f_r/R的参考分频信号U_r，所述的拍频分频信号U_b和参考分频信号U_r通过相频检测器111和电荷泵112后产生误差信号，该误差信号经过低通滤波器113、PID控制器114产生反馈控制信号输入本地激光器102，用以控制本地激光器(102)的光频。

所述的探测激光器101为窄线宽光纤激光器，所述的本地激光器102为宽线宽半导体DFB激光器。当光学锁相成功后，本地激光器102的相位和频率跟随所述的探测激光器101的相位和频率变化，压窄了本地激光器102的线宽，实现了窄线宽双光源的等效，提高了光纤布里渊传感的精度。

所述的第一可编程计数器109的分频数为N和第二可编程计数器110分频数为R，应满足下列关系式：

其中：f_r为所述的参考信号，f_b为所述的拍频信号。

所述的相频检测器111由第一D触发器1111、第二D触发器1112、与门1113和延迟器1114组成，所述的相频检测器111的第一输入端口111a与第一可编程计数器109相连，用于接收所述的拍频分频信号U_b；第二输入端口111b与第二可编程计数器1010相连，用于接收所述的参考分频信号U_r；所述的参考分频信号U_r和所述的拍频分频信号U_b分别加在第一D触发器1111和第二D触发器1112的时钟端，第一D触发器1111的输出端111c和第二D触发器1112的输出端111d和电荷泵112相连，所述的第一D触发器1111的输出端111c和第二D触发器1112的输出端111d接所述的与门1113的输入端，该与门1113的输出端经所述的延迟器1114分别与所述的第一D触发器1111的第二输入端和第二D触发器1112的第二输入端相连。

所述的电荷泵112在第一D触发器1111打开时，会向低通滤波器113提供泵电流I_P，第二D触发器1112打开时，会从低通滤波器吸收泵电流I_P，从而产生正比于两者频率差的误差信号。

图4是本发明高稳定可调谐光源系用于布里渊分布式光纤传感器的结构框图。由图可见，布里渊分布式光纤传感器的结构为：由可调谐光源系统1第一输出端口1a发出的探测光束经过电光调制器2生成脉冲光，并通过隔离器3进入第一光纤耦合器4，出射后进入传感光纤5，由传感光纤反射的探测光和由可调谐光源系统1第二输出端口1b发出的本地光束一起进入第二光纤耦合器6进行拍频，并由第一光电探测器7探测。

可调谐光源系统1中发出的探测光在进入传感光纤7后，会产生布里渊后向散射，产生布里渊散射光，散射光频率跟探测激光器101的频率相差约11GHz。本地激光器102的一部分光跟探测激光器101的光在第五光纤耦合器105中进行拍频并通过锁相系统进行频率跟踪，使得本地激光器102频率比所述的探测激光器101低11GHz并且保持锁定。

高稳定可调谐光源系统1有一个稳定晶体参考模块108。它被第二可编程计数器110分频到较低频率，并与经过第一可编程计数器109分频后的拍频信号一起输入到相频检测器111。如图3所示，参考分频信号和拍频分频信号被分别加在第一D触发器1111和第二D触发器1112的时钟端。第一D触发器1111和第二D触发器1112的清零端连在一起。相频检测器111通过比较参考分频信号U_r与拍频分频信号U_b的频率控制第一D触发器1111和第二D触发器1112的工作状态：如果U_r超前U_b，那么第一D触发器1111就会被打开，过一会U_b脉冲把第二D触发器1112打开，这时候两个触发器又立即被关闭。如果一开始U_b超前U_r，则情况相反。

在第一D触发器1111打开时，会向低通滤波器提供泵电流I_P，第二D触发器1112打开时，会从低通滤波器113吸收泵电流I_P，从而产生正比于两者频率差的误差信号。

相频检测器111作为鉴相器的最主要的优势是它有相当大的线性工作范围和非周期的传输特性。因此，采用相频检测器111的锁相环具有相当优秀的捕获范围并且不需要额外的硬件辅助。

当环路锁定时，经过第二可编程计数器110分频数R后的参考信号f_r和第一可编程计数器109分频数N后的拍频信号f_b频率相等，即：

$\frac{f_b}{N}=\frac{f_r}{R}---\left(1\right)$

$f_b=\frac{N}{R}{f}_r---\left(2\right)$

对于第一可编程计数器109和第二可编程计数器110，若想改变锁定的拍频信号的范围，只需要编程改变计数器的数值即可，而不需要做任何硬件上的变化。分布式光纤布里渊传感的精度在很大程度上取决于锁相环路的相位误差，本发明的探测激光器101是一个窄线宽的光纤激光器，本地激光器102是一个宽线宽的商用半导体DFB激光器。

光学锁相环路的相位噪声传输模型如图4所示。探测激光器101和本地激光器102预定的频率差为：

$\frac{N}{R}{f}_r={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{RF}}={\mathrm{\ω}}_m-{\mathrm{\ω}}_s---\left(3\right)$

探测激光器和本地激光器的预设的频率差为ω_RF，当环路未锁定时，自由运转的本地激光器和探测激光器之间的频率差为Δω，环路的稳态误差为：

${\mathrm{\Φ}}_{e0}={\sin }^{-1}\frac{\mathrm{\Δ\ω}}{K_{\mathrm{dc}}}---\left(4\right)$

由上图可以得到环路的开环增益：

$G_L\left(s\right)=\frac{K_{\mathrm{dc}}\cos {\mathrm{\Φ}}_{e0}{F}_f\left(s\right)F_{\mathrm{FM}}\left(s\right)e^{-{\mathrm{s\τ}}_L}}{s}---\left(5\right)$

锁定后的本地激光器102的相位为：

${\mathrm{\Φ}}_s\left(s\right)=\frac{G_L\left(s\right)}{1+G_L\left(s\right)}({\mathrm{\Φ}}_m\left(s\right)-{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{RF}}\left(s\right))+\frac{1}{1+G_L\left(s\right)}{\mathrm{\Φ}}_s^{\mathrm{fr}}\left(s\right)---\left(6\right)$

因此探测激光器101和本地激光器102的相位差为：

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{\&Phi;}}^2=<{({\mathrm{\&Phi;}}_m-{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{RF}}-{\mathrm{\&Phi;}}_{e0}-{\mathrm{\&Phi;}}_s)}^2>---\left(7\right)$

假设环路为理想环路没有延迟，并且环路闭环带宽为B，即G_L(s)＝B/s由(6)(7)式可得，残余相位噪声的方差为：

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{\&Phi;}}^2=\frac{\mathrm{\&pi;}(\mathrm{\&Delta;}{v}_m+\mathrm{\&Delta;}{v}_s)}{B}---\left(8\right)$

其中Δv_m，Δv_s分别为探测激光器101和本地激光器102的半高全宽度。

要提高BOTDR的精度，就必须降低锁相环路的相位噪声，因此在选取锁相环路的参数时，必须选择环路带宽：

B＞Δv_m+Δv_s              (9)

另外，光学锁相环实质上是用本地激光器102来代替电学锁相环中的压控振荡器VCO。使用激光器作为一个光学压控振荡器最大的问题是激光器的频率响应特性在直接调制下并不是很理想，存在一个相位反转频率，这是因为激光器的频率调制在低频时，改变驱动电流影响激光器频率是因为复合区温度的变化。在较高的调制频率时，激光器频率改变是由于载流子密度调制进而引起增益介质的折射率变化，这两种机制是彼此对立的，这就导致了相位反转频率f_reversal的出现。为了解决这一问题，锁相环的环路带宽必须满足下列条件：

B＜f_reversal           (10)

由(9)(10)式得，锁相环路带宽需满足：

Δv_m+Δv_s＜B＜f_reversal(11)

由于本发明选用作为锁相的探测激光器101是一个线宽为KHz量级的光纤激光器，本地激光器102是线宽为1MHz量级的半导体DFB激光器，并且相位反转频率f_reversal大约为5MHz左右，因此选择锁相环路为2.5MHz就能满足要求。对于频率合成器锁相环而言，如(1)式，鉴相频率

而环路带宽B＝1/10f_comp，本发明选取50MHz的晶振作为参考频率，则可编程计数器R＝2即可满足要求。由(2)式，若想改变两个激光器频率差，只需要编程改变N的值即可。当环路锁定时，半导体DFB激光器的相位和频率完全跟随光纤激光器的相位和频率变化，两者光束性能完全一样，半导体DFB激光器的线宽得到压窄，因此可以用便宜的商用半导体激光器来代替昂贵的窄线宽激光器作为本地激光器。

用来做探测光的探测激光器采用线宽非常窄的光纤激光器，用来做本地光的本地激光器采用便宜的商用半导体DFB激光器，线宽较宽。当光学锁相成功后，商用半导体DFB激光器的相位和频率跟随光纤激光器的相位和频率变化，从而能达到两者都有很窄的线宽的目的。

Claims (5)

1.一种用于布里渊分布式光纤传感器的高稳定可调谐光源系统，特征在于其构成包括探测激光器（101）、本地激光器（102）、第三光纤耦合器（103）、第四光纤耦合器（104）、第五光纤耦合器（105）、第二光电探测器（106）、放大器（107）、参考晶振（108）、第一可编程计数器（109）、第二可编程计数器（110）、相频检测器（111）、电荷泵（112）、低通滤波器（113）和PID控制器（114），上述元部件的位置关系如下：

由探测激光器（101）发出的探测光束经过第三光纤耦合器（103）分束，其中一束探测由本系统的第一输出端口（1a）输出，由本地激光器（102）发出的本地光束经过第四光纤耦合器（104）分束，其中一束本地光由本系统的第二输出端口（1b）输出，由第三光纤耦合器（103）分束后的另一束探测光和由第四光纤耦合器（104）分束后的另一束本地光一起进入第五光纤耦合器（105）进行拍频，并由第二光电探测器（106）探测，第二光电探测器（106）的输出端经放大器（107）和第一可编程计数器（109）与相频检测器（111）第一输入端（111a）相连，参考晶振（108）经第二可编程计数器（110）与所述的相频检测器（111）的第二输入端（111b）相连，该相频检测器（111）的两个输出端经电荷泵（112）、低通滤波器（113）和PID控制器（114）与所述的本地激光器（102）的输入端相连；

所述的第二光电探测器（106）将接收到的频率为f_b的拍频信号转换成电信号S_beat，经过放大器（107）放大后进入第一可编程计数器（109）分频后产生频率为f_b/N的拍频分频信号U_b，由参考晶振（108）产生的频率为f_r的参考信号S_r经过第二可编程计数器（110）分频后产生频率为f_r/R的参考分频信号U_r，所述的拍频分频信号U_b和参考分频信号U_r通过相频检测器（111）和电荷泵（112）后产生误差信号，该误差信号经过低通滤波器（113）、PID控制器（114）产生反馈控制信号输入本地激光器（102），用以控制本地激光器（102）的光频。

2.根据权利要求1所述的高稳定可调谐光源系统，其特征在于所述的探测激光器（101）为窄线宽光纤激光器，所述的本地激光器（102）为宽线宽半导体DFB激光器。

3.根据权利要求1所述的高稳定可调谐光源系统，其特征在于所述的第一可编程计数器（109）的分频数为R和第二可编程计数器（110）分频数为N，应满足下列关系式：

$\frac{f_r}{R}=\frac{f_b}{N}$

其中：f_r为所述的参考信号，f_b为所述的拍频信号。

4.根据权利要求1所述的高稳定可调谐光源系统，其特征在于所述的相频检测器（111）由第一D触发器（1111）、第二D触发器（1112）、与门（1113）和延迟器（1114）组成，所述的相频检测器（111）的第一输入端口（111a）与第一可编程计数器（109）相连，用于接收所述的拍频分频信号U_b；第二输入端口（111b）与第二可编程计数器（1010）相连，用于接收所述的参考分频信号U_r；所述的参考分频信号U_r和所述的拍频分频信号U_b分别加在第一D触发器（1111）和第二D触发器（1112）的时钟端，第一D触发器（1111）的输出端（111c）和第二D触发器（1112）的输出端（111d）和电荷泵（112）相连，所述的第一D触发器（1111）的输出端（111c）和第二D触发器（1112）的输出端（111d）接所述的与门（1113）的输入端，该与门（1113）的输出端经所述的延迟器（1114）分别与所述的第一D触发器（1111）的第二输入端和第二D触发器（1112）的第二输入端相连。

5.根据权利要求1所述的高稳定可调谐光源系统，其特征在于所述的电荷泵（112）在第一D触发器（1111）打开时，会向低通滤波器（113）提供泵电流I_P，第二D触发器（1112）打开时，会从低通滤波器吸收泵电流I_P，从而产生正比于两者频率差的误差信号。

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