CN102589592A - 基于多波长光源的布里渊光时域反射仪 - Google Patents
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Abstract
基于多波长光源的布里渊光时域反射仪，包括多波长激光器、耦合器、电光调制器、掺铒光纤放大器、光滤波器、环形器、双平衡探测器和信号采集与处理系统。多波长激光器的连续光经耦合器分为两路，一路经电光调制器调制成脉冲光，另一路经电光调制器边带调制获得本振连续光。多波长探测脉冲光经过掺铒光纤放大器放大，经光滤波器滤除自发辐射噪声，经环形器注入传感光纤。传感光纤中的stokes布里渊背向散射光经环形器与本振光相干，经双平衡探测器光电转换后，送入信号采集与处理系统，获得整个光纤上的布里渊散射谱，进而获得光纤上的温度和应变分布。
Description
技术领域：
本发明涉及一种用于光纤传感、光缆健康监测领域的布里渊光时域反射仪。
背景技术：
目前，基于相干外差检测的布里渊光时域反射仪(BOTDR)都使用单频窄线宽光源，探测光、本振光都只是单频率的光信号，得到的电信号为单频探测光的散射光谱与单频本振光的相干中频宽带信号，改变本振光的中心频率，每次采集相干中频电信号频谱的不同频段，就可以获得被测光纤的布里渊散射谱，通过洛伦兹拟合得到布里渊频移。通过对比光纤中不同位置的布里渊频移，依据布里渊频移与应变或温度的线性关系，可获得光纤线路的应变、温度状况，实现光纤传感和健康监测。
动态范围和空间分辨率是BOTDR的两个重要性能参数。动态范围的提升主要通过提升探测光功率和增加累加平均的测量次数来实现。但是由于光纤中非线性效应的限制，入射到被测光纤中的探测光功率应低于受激布里渊阈值，另外增加测量次数会带来测量时间的增加，故系统动态范围的提升受到制约。测量的空间分辨率主要受探测光脉冲宽度的限制，缩短探测光脉冲宽度以提升空间分辨率，但会降低测量的动态范围。通过脉冲编码的方式，可以使测量同时具有大的动态范围和高的空间分辨率，但这会极大的增加系统的信号处理时间。
为了解决上述间题，本发明提出一种新型的基于多波长光源的布里渊光时域反射仪。通过增加探测光信号的波长数，增强进入光纤的光功率，可以提高传感光纤的利用效率，在一次传统方法的测量时间内，可获得多次测量的累加效果。对一定的传感距离，缩短了测量时间；对一定的测量时间，提高了传感范围。
发明内容：
本发明目的是提出基于多波长光源的布里渊光时域反射仪，该布里渊光时域反射仪使用多个波长的光进行探测，它们的布里渊散射光与其对应的本振光相干，使得系统采集到的布里渊信号信噪比高于单波长系统的信噪比。
本发明技术方案如下所述：
基于多波长光源的布里渊光时域反射仪的设置方法：包括如下特征：
●采用多波长激光光源，注入到被测光纤中的光脉冲为多波长探测光脉冲，其波长与多波长光源相同；
●多波长光源有一定的波长间隔，使得探测光脉冲在被测光纤中的背向布里渊散射信号相互独立，不发生额外的耦合或非线性效应；
●利用本振光与多个波长探测光的布里渊散射信号进行相干，且本振光为多波长光，其波长为对多波长光源的频率进行调制后得到；
●多波长光源之间的频率差大于本振光的扫频范围；
多波长本振光与多波长探测光的布里渊散射光相干，探测器直接得到频谱重叠的差频信号。如图1所示，多波长激光光源发出频率为υ1，υ2，…，υn的激光，被分为两路，一路被调制成多波长探测光脉冲，其波频率也为υ1，υ2，…，υn，注入被测光纤后，每个频率的光都产生一个自发的stokes布里渊散射信号，频率下移υB，所以背向散射光的中心频率为υ1-υB，υ2-υB，…，υn-υB；另一路被调制成多波长本振光，每个波长的光都得到υS的频率下移，所以多波长本振光频率为υ1-υS，υ2-υS，…，υn-υS；多个背向布里渊散射信号和与其对应的本振光相干，产生中心频率为υB-υS、带宽30MHz以上的拍频信号，检测该信号，等同于使用单波长进行n次探测的累加信号。
基于多波长光源的布里渊光时域反射仪，包括多波长激光器、耦合器、电光调制器、掺铒光纤放大器、环形器、扰偏器、双平衡探测器和信号采集与处理系统。根据这段的描述，画出这些器件的框图，多波长激光器的连续光经耦合器分为两路，一路为探测光路，另一路为本振参考光路。在探测光路上连续光经电光调制器调制成脉冲光，在参考光路上经电光调制器边带调制获得本振连续光。本振光会经过一个扰偏器，以降低偏振噪声的影响。多波长探测脉冲光经过掺铒光纤放大器放大，经环形器注入传感光纤。传感光纤中的stokes布里渊背向散射光经环形器与扰偏后的本振光相干，经双平衡探测器光电转换后，送入信号采集与处理系统，获得整个光纤上的布里渊散射谱，进而获得光纤上的温度和应变分布。
本发明的有益效果是：与传统的单波长光源的基于布里渊光时域反射仪相比，系统的信噪比与动态范围得到提高。通过增加探测光信号的波长数，增强进入光纤的光功率，可以提高传感光纤的利用效率，在一次传统方法的测量时间内，可获得多次测量的累加效果。对一定的传感距离，缩短了测量时间；对一定的测量时间，提高了传感范围。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的基于多波长光源的布里渊光时域反射仪的方法示意图。
图2是本发明的基于多波长光源的布里渊光时域反射仪的装置原理图。
图3是本发明具体实施例的工作原理图。
图4是本发明具体实施例的归一化布里渊功率测量结果。
图5是本发明具体实施例的布里渊频移的测量结果。
具体实施方式
下面结合具体测量方式和附图说明本发明的测量方法。本实施例采用三个波长，但本发明不限于三个波长。
如图3所示，单波长激光器发出1550nm的单波长激光，被第一电光调制器(电光调制器1)和第一微波源(微波源1)调制，产生三个波长的激光光源，频率间隔Δv为2GHz。之后经耦合器分为两路，一路被第二电光调制器(电光调制器2)和脉冲发生器调制成100ns的光脉冲，再经掺铒光纤放大器放大后，作为探测脉冲光进入环形器1端口，从环形器2端口注入24km长的被测光纤，被测光纤末端有100m左右放置在加温装置中；另一路被第三电光调制器(电光调制器3)和第二微波源(微波源2)调制，调制获得的边带信号作为本振光，之后经过一个扰偏器，以防止偏振噪声的影响，然后与环形器3端口输出的散射信号一同进入一个2×2耦合器，由双平衡探测器进行外差相干检测。根据本振光频率的不同，相干信号的中心频率从260MHz到360MHz，信号的谱宽为50MHz。光电转换后的信号由ESA(频谱分析仪)或计算机进行滤波与累加平均的数据处理，获得整个光纤上的布里渊散射谱，进而获得光纤上的温度和应变分布。
图4、图5给出了三波长探测脉冲光和三波长本振光的BOTDR系统与普通单波长系统的测量结果对比。图4给出了归一化的布里渊峰值功率的对比，三波长测得结果的信噪比比普通BOTDR测得的高2.2dB。图5给出了整段光纤以及加温段的布里渊频移测量结果，三波长系统测量结果的波动是普通系统测量值波动的一半，对应的温度精确度达到1℃。
Claims (5)
1.基于多波长光源的布里渊光时域反射仪的设置方法，其特征是包括：
●采用多波长激光光源，注入到被测光纤中的光脉冲为多波长探测光脉冲，其波长与多波长光源相同；
●利用本振光与多个波长探测光的布里渊散射信号进行相干，且本振光为多波长光，其波长为对多波长光源的频率进行调制后得到；
●多波长光源之间的频率差大于本振光的扫频范围；
●多波长本振光与多波长探测光的布里渊散射光相干，探测器直接得到频谱重叠的差频信号。多波长激光光源发出频率为υ1，υ2，…，υn的激光，多波长激光光源被分为两路，一路被调制成多波长探测光脉冲，其波频率也为υ1，υ2，…，υn，注入被测光纤后，每个频率的光都产生一个自发的stokes布里渊散射信号，频率下移υB，所以背向散射光的中心频率为υ1-υB，υ2-υB，…，υn-υB；另一路被调制成多波长本振光，每个波长的光都得到υS的频率下移，多波长本振光频率为υ1-υS，υ2-υS，…，υn-υS；多个背向布里渊散射信号和与其对应的本振光相干，产生中心频率为υB-υS、带宽30MHz以上的拍频信号，检测该信号，等同于使用单波长进行n次探测的累加信号。
2.根据权利要求1所述的基于多波长光源的布里渊光时域反射仪的设置方法，其特征是多波长光源有一定的波长间隔，使得探测光脉冲在被测光纤中的背向布里渊散射信号相互独立，不发生额外的耦合或非线性效应。
3.基于多波长光源的布里渊光时域反射仪，其特征是包括多波长激光器、耦合器、电光调制器、掺铒光纤放大器、光滤波器、环形器、双平衡探测器和信号采集与处理系统；多波长激光器的连续光经耦合器分为两路，一路经电光调制器调制成脉冲光，另一路经电光调制器边带调制获得本振连续光；多波长探测脉冲光经过掺铒光纤放大器放大，经光滤波器滤除自发辐射噪声，经环形器注入传感光纤；传感光纤中的stokes布里渊背向散射光经环形器与本振光相干，经双平衡探测器光电转换后，送入信号采集与处理系统，获得整个光纤上的布里渊散射谱。
4.根据权利要求3所述的基于多波长光源的布里渊光时域反射仪，其特征是注入到被测光纤中的光脉冲为多波长探测光脉冲，其波长与多波长光源波长相同。
5.根据权利要求3所述的基于多波长光源的布里渊光时域反射仪，其特征是多波长激光光源的波长数目不小于2个。
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