CN102706437A

CN102706437A - 一种超长距离相敏光时域反射系统

Info

Publication number: CN102706437A
Application number: CN201210193337XA
Authority: CN
Inventors: 饶云江; 吴慧娟; 王杰; 贾新鸿
Original assignee: YANGZHOU SENSING OPTO-ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Sichuan Light Technology Co., Ltd.
Priority date: 2012-06-13
Filing date: 2012-06-13
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2032-06-13
Also published as: CN102706437B

Abstract

本发明公开了一种超长距离相敏光时域反射系统，包括Φ-OTDR解调系统及探测光纤，所述探测光纤前端和后端分别具有前向放大单元和后向放大单元。利用双向二阶或双向多阶拉曼放大方法对Φ-OTDR系统探测信号光进行分布式放大，进一步提高全程光纤上瑞利散射信号强度及分布的均匀性，有效克服目前Φ-OTDR系统放大方法存在的问题，进一步延长系统单段探测光纤的传感距离，同时利用双向拉曼放大多段级联，能够实现低成本高性能的超长距离相敏光时域反射系统。该发明方法有助于提高相敏光时域反射系统在油气输送管道、大范围周界、大型土木结构等长距离安全监测应用时的整体性能及性价比。

Description

一种超长距离相敏光时域反射系统

技术领域

本发明涉及一种全分布式光纤传感系统，具体涉及一种超长距离相敏光时域反射系统。

背景技术

基于瑞利散射机理的相位敏感光时域反射（Φ-OTDR）系统，是目前最重要的一种全分布式振动测量技术。通过在光纤一端注入相干窄脉冲，检测后向瑞利散射光干涉条纹变化，判断外界扰动引入的相位变化及其沿光纤的空间分布位置。Φ-OTDR系统基于相敏检测机理灵敏度极高，同时在长距离探测、多点检测定位等方面优于其他光纤分布式振动测量系统，因此在油气输送管道、长距离周界、大型土木结构等安全监测领域具有广泛的应用前景。

传感距离是Φ-OTDR系统相对于其他振动测量系统的最大优势，与其他分布式光纤传感系统类似，传感距离也是衡量该系统整体性能的关键指标。为延长传感距离而提高激光器功率，容易产生近端信号饱和。目前主要放大技术有基于掺铒光纤放大器(EDFA)集中放大方法和拉曼分布式放大方法。基于掺铒光纤放大器(EDFA)和一阶拉曼混合放大方法，可以实现单段探测光纤长度达到62km的Φ-OTDR系统（见Yun-Jiang Rao, and et al. Long-distance fiber-optic Φ-OTDR intrusion sensing system, Proc. of SPIE, 2009, 7503.）；上海华魏杨斌等人提出利用集成光中继传感光模块进行分段中继放大方法（见杨斌,等.定位型超远程全光纤周界安防系统, 激光与光电子学进展, 2011, 48: 050603.），实现单段探测光纤25km，总长为100km的长距离Φ-OTDR系统。但针对超长距离传输的实际应用，采用集成光中继传感光模块进行分段中继放大方法，仍会产生前端信号强、后端信号弱的全程传感信号增益分布不均匀的情况，而且每段探测光纤距离较短，虽能实现超长距离传感但系统整体成本较高；采用EDFA与一阶拉曼混合放大尽管能避免上述问题，实现单段传感距离的延长，但全程光路信号的增益不平坦，其分布式放大的效果仍不理想。

因此如何进一步延长Φ-OTDR系统单段探测光纤的传感距离，进一步改善整段光纤传感信号增益分布的均匀性，实现低成本高性能的超长距离相敏光时域反射系统，仍然是需要解决的一个重要问题。

发明内容

本发明所要解决的问题是：如何克服现有技术的不足，解决Φ-OTDR系统长距离探测中信噪比低的问题，进一步延长Φ-OTDR系统单段探测光纤的传感距离，同时提高整段光纤传感信号增益分布的均匀性，实现低成本高性能的超长距离相敏光时域反射系统。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种基于双向二阶或多阶拉曼分布式放大的Φ-OTDR系统单段光路长距离光放大方案，并通过双向拉曼放大多段级联提高整个系统的传感距离。

具体技术方案如下：

一种超长距离相敏光时域反射系统，包括Φ-OTDR解调系统及探测光纤，所述探测光纤前端和后端分别具有前向放大单元和后向放大单元。

进一步地，所述前向放大单元和后向放大单元均由拉曼泵浦、光隔离器、波分复用器依次连接构成。

进一步地，所述探测光纤的前端和后端均设置有布拉格光纤光栅，构成布拉格光纤光栅对，形成激光调谐腔。

进一步地，所述布拉格光纤光栅对具有一组或多组。

进一步地，具有多段探测光纤形成级联结构。

进一步地，相邻两段探测光纤的相邻端通过一个50/50耦合器共用拉曼泵浦和光隔离器。

进一步地，所述Φ-OTDR解调系统由超窄线宽激光器、强度调制器、波形发生卡、掺铒光纤放大器；环形器、光学滤波器、光电探测器、数据采集卡、上位机构成。

本发明的有益技术效果是，利用双向二阶或多阶拉曼放大方法对Φ-OTDR系统后向瑞利散射信号光进行分布式放大，能够进一步提高全程光纤上瑞利散射信号强度及分布的均匀性，有效克服已有Φ-OTDR系统放大方法存在的问题，进一步延长其单段探测光纤的传感距离，同时利用双向拉曼泵浦级联能够实现低成本高性能的超长距离相敏光时域反射系统。该发明方法有助于提高相敏光时域反射系统在油气输送管道、大范围周界、大型土木结构等长距离安全监测应用时的整体性能及性价比。

附图说明

图1为本发明实施例一单段光路采用双向二阶拉曼放大的Φ-OTDR系统图；

1．超窄线宽激光器；2. 强度调制器；3. 波形发生卡；4. 掺铒光纤放大器(EDFA)；5. 环形器； 6.探测光纤; 7.拉曼放大系统; 8. 1550nm光学滤波器; 9光电探测器; 10. 数据采集卡; 11.上位机; 其中拉曼放大系统7具体包括：①1366nm拉曼泵浦、②布拉格光纤光栅(FBG)对、③1366nm/1550nm波分复用器(WDM)、④光隔离器；

图2为本发明实施例二基于双向二阶拉曼放大多段级联的低成本高性能超长距离Φ-OTDR系统图；

1．超窄线宽激光器；2. 强度调制器；3. 波形发生卡；4. 掺铒光纤放大器(EDFA)；5. 环形器；6.探测光纤; 7.拉曼放大系统; 8. 1550nm光学滤波器; 9光电探测器; 10. 数据采集卡; 11.上位机; 其中拉曼放大系统7具体包括：①1366nm拉曼泵浦、②布拉格光纤光栅(FBG)对、③1366nm/1550nm波分复用器(WDM)、④光隔离器、⑤50/50耦合器；

图3为本发明实施例三基于双向三阶拉曼放大多段级联的低成本高性能超长距离Φ-OTDR系统图；

1．超窄线宽激光器；2. 强度调制器；3. 波形发生卡；4. 掺铒光纤放大器(EDFA)；5. 环形器； 6.探测光纤; 7.拉曼放大系统; 8. 1550nm光学滤波器; 9光电探测器; 10. 数据采集卡; 11.上位机; 其中拉曼放大系统7具体包括：①1288nm拉曼泵浦;②、③两对布拉格光纤光栅(FBG)对，④1288nm/1550nm波分复用器(WDM); ⑤光隔离器;⑥50/50耦合器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

作为本发明的实施例一，首先搭建单段光路基于双向二阶拉曼放大的长距离Φ-OTDR传感系统，如图1所示，系统包括：超窄线宽激光器1、强度调制器2、波形发生卡3、掺铒光纤放大器(EDFA)4；环形器5、探测光纤6、拉曼放大系统7、1550nm光学滤波器8、光电探测器9、数据采集卡10、上位机11等主要部分。

所述超窄线宽激光器1用于输出具有强相干性的连续光，工作波长1550nm；所述上位机11控制波形发生卡2产生脉冲调制信号，驱动强度调制器3对强相干的连续光进行脉冲调制，输出光脉冲；波形发生卡2输出的脉冲信号同时作为数据采集卡10的采集触发信号；脉冲光经掺铒光纤放大器(EDFA)4放大，由环形器5端口1-2耦合进入探测光纤6作为探测信号源；1550nm探测信号在探测光纤6中传输时被拉曼放大系统7进行双向拉曼分布式放大，被全程均匀增强后的后向瑞利散射光经环形器5端口2-3返回至接收端，在接收端经过1550nm光学滤波器8滤波，在光电探测器9处进行光电转换后，得到不同时刻返回的脉冲干涉结果相叠加形成的最终脉冲探测轨迹；经数据采集卡10采集，最后传输给上位机11进行处理，根据脉冲探测轨迹随时间的变化，对外界扰动进行检测与定位。

所述的拉曼放大系统7，以双向二阶拉曼放大系统包括：1366nm拉曼泵浦①、布拉格光纤光栅(FBG)对②、1366nm/1550nm波分复用器(WDM) ③、光隔离器④等主要器件。

1366nm拉曼泵浦①用于产生拉曼泵浦源，当泵浦功率大于一定阈值，会产生一阶斯托克斯光，波长在1455nm附近；布拉格光纤光栅(FBG)对②，中心反射波长为1455nm，反射率>80%，熔接在探测光纤6两端构成一个长距离激光谐振腔，用于激射1455nm二阶拉曼泵浦光；1366nm/1550nm波分复用器(WDM) ③用于将探测光纤6中的1550nm探测信号光和1366nm拉曼泵浦①的信号分开或汇合；光隔离器④用于隔离光路中由于器件反射、光纤散射等因素返回到1366nm拉曼泵浦①的泵浦光，避免对1366nm拉曼泵浦①的损坏。

所述的拉曼放大系统7，以二阶拉曼放大系统对探测信号光的放大过程为：大于一定阈值的泵浦光进入由布拉格光纤光栅(FBG)对②构成的谐振腔后，输出1366nm拉曼泵浦①的一阶斯托克斯光波长（~1455nm）附近的光，作为二阶拉曼泵浦光；1550nm的探测信号脉冲光在探测光纤6中传输时，被布拉格光纤光栅(FBG)对②之间的二阶拉曼泵浦光近似均匀地放大，其后向瑞利散射信号也相应被均匀增强，经长距离传输，在接收端仍能得到高质量探测信号。

所述的超窄线宽激光器1线宽2-5KHz，频率稳定性≤4MHz/min；所述的强度调制器2可以用声光调制器（AOM）或电光调制器（EOM），调制器消光比≥35dB；所述的掺铒光纤放大器（EDFA）4为脉冲放大型；所述的环形器5为能承受~200w脉冲峰值功率的三端口大功率环形器；所述的探测光纤6为普通单模光纤；所述的拉曼放大系统7中使用的布拉格光纤光栅对②参数一致，中心反射波长均为1455nm，反射率>80%；所述的数据采集卡10单通道采样率≥50MHz。

作为本发明的实施例二，采用双向二阶拉曼放大多段级联结构，对整个系统探测光路进行分段放大，实现低成本高性能的超长距离Φ-OTDR系统。系统结构如图2所示：第1段探测光路前向放大用掺铒光纤放大器（EDFA）4，后向放大用1366nm拉曼泵浦①，由于后向二阶拉曼放大长距离范围内增益不平坦，因此，这里第1段探测光纤长度一般比其他段要短，为20-30km比较合适；其他各段探测光路均通过拉曼泵浦进行前向和后向双向放大，每段光纤距离均≥70km；每段探测光纤连接处，使用一个1366nm拉曼泵浦通过一个50/50耦合器和一对波分复用器分别构成前段光路后向放大与后段光路前向放大的泵浦源；这样用N个拉曼泵浦源即可实现N段探测光路的双向二阶拉曼放大和级联。

所述双向二阶拉曼放大级联结构的系统包括：1366nm拉曼泵浦①、布拉格光纤光栅(FBG)对②、1366nm/1550nm波分复用器(WDM) ③、光隔离器④、50/50耦合器⑤等主要器件。1366nm拉曼泵浦①用于产生拉曼泵浦源，当泵浦功率大于一定阈值，会产生一阶斯托克斯光，波长在1455nm附近；布拉格光纤光栅(FBG)对②，中心反射波长为1455nm，反射率>80%，熔接在探测光纤6两端构成一个长距离激光谐振腔，用于激射1455nm的二阶拉曼泵浦光，直接放大1550nm探测信号光；1366nm/1550nm波分复用器(WDM) ③用于将探测光纤6中的1550nm探测信号光和1366nm拉曼泵浦①的信号分开或汇合；光隔离器④用于隔离光路中由于器件反射、光纤散射等因素返回到1366nm拉曼泵浦①的泵浦光，避免对1366nm拉曼泵浦①的损坏；50/50耦合器⑤用于将1366nm拉曼泵浦①输出的光分成等功率的两束泵浦光，分别作为探测光纤6的前向和后向放大的泵浦源。采用多段级联实现相敏光时域反射系统超长距离传感，每一段光路如L₁,L₂, …,L_N等双向二阶拉曼放大所采用的1366nm拉曼泵浦、隔离器、耦合器、波分复用器(WDM)、布拉格光纤光栅(FBG)对、探测光纤等都具有相同的参数。

该系统基本结构不变，仅通过增加布拉格光纤光栅(FBG)对，改变拉曼泵浦源的工作波长即可实现双向三阶或高阶拉曼分布式放大方法，实现更长距离、全程瑞利散射信号增益分布更均匀的高性能相敏光时域反射系统。作为本发明的实施例三，在双向二阶拉曼放大多段级联基础上，构建双向三阶拉曼放大多段级联的系统。每段探测光纤中1455nm的布拉格光纤光栅(FBG)外侧再熔接一对1365nm的布拉格光纤光栅(FBG)对，分别熔接在探测光纤两端作为二阶拉曼泵浦的谐振腔，原来1455nm布拉格光纤光栅(FBG)对之间则构成三阶拉曼泵浦的谐振腔；此外拉曼泵浦源的工作波长也由1366nm改为1288nm或1288nm附近，波分复用器的工作波长相应改为1550nm/1288nm，波分复用器的一路工作波长始终与使用的拉曼泵浦源工作波长一致。

所述的双向三阶拉曼放大系统包括：1288nm拉曼泵浦①、中心波长为1365nm的布拉格光纤光栅(FBG)对②、中心波长为1455nm的布拉格光纤光栅(FBG)对③、1366nm/1550nm波分复用器(WDM) ④、光隔离器⑤、50/50耦合器⑥等主要器件。1288nm拉曼泵浦①用于产生拉曼泵浦源，当泵浦功率大于一定阈值，会产生一阶斯托克斯光，波长在1365nm附近；中心反射波长为1365nm，反射率>80%的布拉格光纤光栅(FBG)对②，熔接在探测光纤两端构成第一个长距离激光谐振腔，用于激射1365nm的二阶拉曼泵浦光，作为三阶拉曼放大的泵浦源；在1365nm的布拉格光纤光栅(FBG)对内侧熔接分别熔接1455nm的布拉格光纤光栅(FBG)对③，构成第二个长距离激光谐振腔，用于激射1455nm三阶拉曼泵浦光，直接放大1550nm的探测信号光；1288nm/1550nm波分复用器(WDM) ④用于将探测光纤中的1550nm探测信号光和1288nm拉曼泵浦①的信号分开或汇合；光隔离器⑤用于隔离光路中由于器件反射、光纤散射等因素返回到1288nm拉曼泵浦①的泵浦光，避免对1288nm拉曼泵浦①的损坏；50/50耦合器⑥用于将1288nm拉曼泵浦①输出的光分成等功率的两束泵浦光，分别作为探测光纤的前向和后向放大的泵浦源。采用多段级联实现相敏光时域反射系统超长距离传感，每一段光路如L₁,L₂, …,L_N等，双向N阶拉曼放大所采用的拉曼泵浦、隔离器、耦合器、波分复用器(WDM)、布拉格光纤光栅(FBG)对、探测光纤等都具有相同的参数。

针对双向N阶拉曼放大，依次类推，继续通过增加布拉格光纤光栅(FBG)对来增加N阶拉曼泵浦的谐振腔，此外拉曼泵浦源的工作波长也相应调整，但整个系统单段双向拉曼放大或级联结构基本不变。

本发明实施例中列举的是基于双向二阶和三阶拉曼放大多段级联的相敏光时域反射系统，但基于双向高阶拉曼放大单段和多段级联的相敏光时域反射系统，以及基于该结构的各种长距离分布式振动测量应用系统也属于该发明内容的保护范围。

Claims

1. 一种超长距离相敏光时域反射系统，包括Φ-OTDR解调系统及探测光纤，其特征在于：所述探测光纤前端和后端分别具有前向放大单元和后向放大单元。

2. 根据权利要求1所述的一种超长距离相敏光时域反射系统，其特征在于：所述前向放大单元和后向放大单元均由拉曼泵浦、光隔离器、波分复用器依次连接构成。

3. 根据权利要求2所述的一种超长距离相敏光时域反射系统，其特征在于：所述探测光纤的前端和后端均设置有布拉格光纤光栅，构成布拉格光纤光栅对，形成激光调谐腔。

4. 根据权利要求3所述的一种超长距离相敏光时域反射系统，其特征在于：所述布拉格光纤光栅对具有一组或多组。

5. 根据权利要求4所述的一种超长距离相敏光时域反射系统，其特征在于：具有多段探测光纤形成级联结构。

6. 根据权利要求5所述的一种超长距离相敏光时域反射系统，其特征在于：相邻两段探测光纤的相邻端通过一个50/50耦合器共用拉曼泵浦和光隔离器。

7. 根据权利要求1～6任一项所述的一种超长距离相敏光时域反射系统，其特征在于：所述Φ-OTDR解调系统由超窄线宽激光器、强度调制器、波形发生卡、掺铒光纤放大器；环形器、光学滤波器、光电探测器、数据采集卡、上位机构成。