CN102809430A - 基于光学锁相环的布里渊光时域反射计的装置 - Google Patents
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Abstract
基于光学锁相环的布里渊光时域反射计的装置，涉及布里渊光时域反射计的装置，它为了解决现有布里渊光纤环形激光器的输出不稳定且输出频率不能调谐，导致测量精度低；本地振荡光的频率固定，在电信号处理的时候需要中心频率可调的电滤波器来实现布里渊光谱的扫描和测量，存在电信号处理复杂的问题，它由一号激光器、二号激光器、一号光纤耦合器、二号光纤耦合器、三号光纤耦合器、四号光纤耦合器、锁相环模块、电光调制器、扰偏器、环形器、光学衰减器、一号掺铒光纤放大器、二号掺铒光纤放大器、光学滤波器、双平衡探测器、带通电滤波器、数据采集模块、探测放大模块和脉冲发生器组成。适用于布里渊光时域反射计的装置。
Description
技术领域
本发明涉及布里渊光时域反射计的装置。
背景技术
布里渊散射是一种非弹性散射效应，当一束泵浦光正向入射到光纤中时，光纤中的背向自发布里渊散射包含上频移的反斯托克斯成分和下频移的斯托克斯成分，它们对称分布在泵浦光频率的两侧，它们与泵浦光之间的频率差称之为布里渊频移。研究发现布里渊频移是温度和应变的函数，也就是说光纤所处的环境温度和所受应变发生变化会导致布里渊频移变化，因此通过测量布里渊光谱可以实现温度和应变的测量。
布里渊光时域反射计（BOTDR）可以实现光纤上任意位置的布里渊光谱的测量，从而实现分布式光纤温度/应变传感，它可以应用于土木工程行业中大型建筑物的结构健康监测、电力行业中电缆温度和受力监测、油气工业中油气管线和存储罐的温度和变形监测以及各种火灾监测等。布里渊光时域反射计的工作原理是把一个泵浦脉冲光注入到传感光纤中，通过测量背向的自发布里渊散射来获得传感光纤每个位置上的布里渊光谱，定位原理是根据泵浦脉冲光和背向散射光的飞行时间来确定的。因为自发布里渊散射强度非常微弱，所以如何检测如此微弱的信号是实现布里渊光时域反射计的难点。为了提高检测灵敏度，一般采用相干检测技术，为此需要引入一束本地振荡光与布里渊散射信号进行混频。如果采用分出一部分泵浦光作为本地振荡光的话，那么混频后的信号频率大约为十几GHz，为了对这个信号进行处理需要价格昂贵且结构复杂的频率为十几GHz左右的微波信号发生器。中国专利201010505382.5提出采用布里渊光纤环形激光器输出的激光作为本地振荡光，由于布里渊激光的频率比泵浦光低一个布里渊频移，因此混频后的信号频率可以从十几GHz左右降到几百MHz，降低了信号处理难度，然而布里渊光纤环形激光器的输出不稳定，而且输出频率不能调谐，导致测量精度低和针对不同的传感光纤适应性差的问题。
中国专利201010604834.5提出采用微波计数器锁定两台分布反馈式半导体激光器，其中一台作为泵浦光，另一台激光器的频率锁定到布里渊散光频率附近，这样就可以把信号从十几GHz左右降到几百MHz来处理，虽然微波计数器可以实现两台激光器稳定的频率锁定，然而微波频率计数器的价格仍然较高、结构复杂、体积较大。
此外，以上两个专利中本地振荡光的频率都是固定的，因此在电信号处理的时候需要中心频率可调的电滤波器来实现布里渊光谱的扫描和测量，存在电信号处理复杂的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有布里渊光纤环形激光器的输出不稳定且输出频率不能调谐，导致测量精度低；本地振荡光的频率固定，在电信号处理的时候需要中心频率可调的电滤波器来实现布里渊光谱的扫描和测量，存在电信号处理复杂的问题，提供一种基于光学锁相环的布里渊光时域反射计的装置。
基于光学锁相环的布里渊光时域反射计的装置，它由一号激光器、二号激光器、一号光纤耦合器、二号光纤耦合器、三号光纤耦合器、四号光纤耦合器、锁相环模块、电光调制器、扰偏器、环形器、光学衰减器、一号掺铒光纤放大器、二号掺铒光纤放大器、光学滤波器、双平衡探测器、带通电滤波器、数据采集模块、探测放大模块和脉冲发生器组成，一号激光器的输出端与一号光纤耦合器的光信号输入端连通，一号光纤耦合器的光信号输出端同时与电光调制器和三号光纤耦合器的光信号输入端连通，二号激光器的输出端与二号光纤耦合器的光信号输入端连通，二号光纤耦合器的光信号输出端同时与光学衰减器和三号光纤耦合器的光信号输入端连通，三号光纤耦合器的光信号输出端与探测放大模块的光信号输入端连通，探测放大模块的电信号输出端与锁相环模块的电信号输入端连通，锁相环模块的控制信号输出端与二号激光器的注入电流控制端连通，脉冲发生器的脉冲信号输出端与电光调制器的脉冲信号输入端连通，电光调制器的光信号输出端与扰偏器的光信号输入端连通，扰偏器的光信号输出端与一号掺铒光纤放大器的光信号输入端连通，环形器包括一号光信号端口、二号光信号端口和三号光信号端口，一号掺铒光纤放大器的光信号输出端与环形器的一号光信号端口连通，环形器的三号光信号端口与二号掺铒光纤放大器的光信号输入端连通，环形器的二号光信号输出\输入端口与待测光纤的输入\输出端连通；二号掺铒光纤放大器的光信号输出端与光学滤波器的光信号输入端连通，光学滤波器的光信号输出端与四号光纤耦合器的一个光信号输入端连通，光学衰减器的光信号输出端与四号光纤耦合器的另一个光信号输入端连通，四号光纤耦合器的二个输出端分别与双平衡探测器的二个光信号输入端连通，双平衡探测器的信号输出端与带通电滤波器的信号的输入端连通，带通电滤波器的信号输出端与数据采集模块的采集信号输入端连通。
本发明提出的光学锁相环提供两台激光器之间精确地、快速的、大范围的频率差锁定，为布里渊光时域反射计提供一个稳定的本地振荡光；光学锁相环中使用分频技术把混频后的信号从十几GHz降到几十到几百MHz，从而可以使用较低频的器件和参考信号源，极大地降低成本，简化系统；通过扫描本地振荡光频率的方法测量布里渊光谱，因而在电信号处理的时候不需要中心频率可调的电滤波器，解决了电信号处理复杂的问题。
附图说明
图1为本发明的组成结构示意图，图2为实施方式二的锁相环模块的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于光学锁相环的布里渊光时域反射计的装置，它由一号激光器1-1、二号激光器1-2、一号光纤耦合器2-1、二号光纤耦合器2-2、三号光纤耦合器2-3、四号光纤耦合器2-4、锁相环模块3、电光调制器4、扰偏器5、环形器6、光学衰减器7、一号掺铒光纤放大器8-1、二号掺铒光纤放大器8-2、光学滤波器9、双平衡探测器10、带通电滤波器11、数据采集模块12、探测放大模块13和脉冲发生器14组成，一号激光器1-1的输出端与一号光纤耦合器2-1的光信号输入端连通，一号光纤耦合器2-1的光信号输出端同时与电光调制器4和三号光纤耦合器2-3的光信号输入端连通，二号激光器1-2的输出端与二号光纤耦合器2-2的光信号输入端连通，二号光纤耦合器2-2的光信号输出端同时与光学衰减器7和三号光纤耦合器2-3的光信号输入端连通，三号光纤耦合器2-3的光信号输出端与探测放大模块13的光信号输入端连通，探测放大模块13的电信号输出端与锁相环模块3的电信号输入端连通，锁相环模块3的控制信号输出端与二号激光器1-2的注入电流控制端连通，脉冲发生器14的脉冲信号输出端与电光调制器4的脉冲信号输入端连通，电光调制器4的光信号输出端与扰偏器5的光信号输入端连通，扰偏器5的光信号输出端与一号掺铒光纤放大器8-1的光信号输入端连通，环形器6包括一号光信号端口6-1、二号光信号端口6-2和三号光信号端口6-3，一号掺铒光纤放大器8-1的光信号输出端与环形器6的一号光信号端口6-1连通，环形器6的三号光信号端口6-3与二号掺铒光纤放大器8-2的光信号输入端连通，环形器6的二号光信号输出\输入端口6-2与待测光纤的输入\输出端连通；二号掺铒光纤放大器8-2的光信号输出端与光学滤波器9的光信号输入端连通，光学滤波器9的光信号输出端与四号光纤耦合器2-4的一个光信号输入端连通，光学衰减器7的光信号输出端与四号光纤耦合器2-4的另一个光信号输入端连通，四号光纤耦合器2-4的二个输出端分别与双平衡探测器10的二个光信号输入端连通，双平衡探测器10的信号输出端与带通电滤波器11的信号的输入端连通，带通电滤波器11的信号输出端与数据采集模块12的采集信号输入端连通。
本发明提出的光学锁相环提供两台激光器之间精确地、快速的、大范围的频率差锁定，为布里渊光时域反射计提供一个稳定的本地振荡光；光学锁相环中使用分频技术把混频后的信号从十几GHz降到几十到几百MHz，从而可以使用较低频的器件和参考信号源，极大地降低成本，简化系统；通过扫描本地振荡光频率的方法测量布里渊光谱，因而在电信号处理的时候不需要中心频率可调的电滤波器，解决了电信号处理复杂的问题。
具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述基于光学锁相环的布里渊光时域反射计的装置进一步限定，锁相环模块3由定向耦合器3-1、分频器3-2、相位/频率鉴别器3-3、参考信号源3-4、环路滤波器3-5和频率计数单元3-6组成，定向耦合器3-1的电信号输入端为锁相环模块3的电信号输入端，定向耦合器3-1的一个信号的输出端与分频器3-2的信号的输入端连通，定向耦合器3-1的另一个信号的输出端与频率计数单元3-6的输入端连通；分频器3-2的信号的输出端与相位/频率鉴别器3-3的一个信号输入端连通，参考信号源3-4的信号输出端与相位/频率鉴别器3-3的另一个信号输入端连通，相位/频率鉴别器3-3的信号输出端与环路滤波器3-5的信号输入端连通，环路滤波器3-5的信号输出端为锁相环模块3的控制信号输出端。
定向耦合器3-1把拍频信号一部分功率耦合出来用于实时监测两台激光器的频率差，另一部分信号接分频器，分频器的功能是对拍频信号进行降频，其输出频率等于拍频信号的频率除以分频器的分频比N。相位/频率鉴别器通过比较分频器输出的信号和参考信号后给出一个误差信号，误差信号通过一个环路滤波器后加载到其中一台激光器的注入电流控制端口，当环路锁定以后分频器输出信号的频率就等于参考信号的频率fr，两台激光器之间的频率差等于N×fr。由于拍频信号的频率大约为十几GHz，对其直接处理难度较大，通过分频器后可以把信号频率降到几百MHz，这样就可以使用较低的低频的器件来处理，而且，参考信号源的频率也大为降低，从十几GHz降到几十到几百MHz使成本降低、结构简化。相位/频率鉴别器具有较快的响应和较宽的带宽，因此可以实现两台激光器之间频率差的快速锁定和大范围扫描，一般扫描范围是8~12GHz。
在频率锁定的两台激光器中，其中一台激光器提供泵浦光，通过脉冲发生器和电光调制器获得泵浦脉冲光，通过扰偏器随机改变泵浦脉冲的偏振态，通过掺铒光纤放大器把泵浦脉冲放大到所需的功率，再通过环形器与传感光纤相连，后向散射的布里渊信号通过环形器后被另一台掺铒光纤放大器放大，再通过一个窄带光学滤波器滤除ASE噪声和瑞利散射噪声。另一台激光器提供连续的本地振荡光，通过光学衰减器来获得所需的功率，本地振荡光和布里渊散射信号输入到50:50的四号光纤耦合器2-4进行混频，并由双平衡探测器探测，输出的信号经过一个带通电滤波器后由数据采集卡收集。把两台激光器的频率差锁定到布里渊频移附近，通过扫描频率差，就可以获得传感光纤上的布里渊光谱。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述基于光学锁相环的布里渊光时域反射计的装置进一步限定，一号激光器1-1和二号激光器1-2均采用单频窄线宽光纤激光器、分布反馈式半导体激光器或外腔式半导体激光器。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述基于光学锁相环的布里渊光时域反射计的装置进一步限定，一号光纤耦合器2-1、二号光纤耦合器2-2和三号光纤耦合器2-3均采用保偏光纤型的光纤耦合器。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述基于光学锁相环的布里渊光时域反射计的装置进一步限定，四号光纤耦合器2-4采用单模光纤型的光纤耦合器。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述基于光学锁相环的布里渊光时域反射计的装置进一步限定，一号光纤耦合器2-1与二号光纤耦合器2-2的耦合比的值相同，所述耦合比的值范围是95：5和80：20之间。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一所述基于光学锁相环的布里渊光时域反射计的装置进一步限定，分频器3-2的分频比N为：8≤N≤200，10GHz信号对应分频比N的混频后的信号范围是：1.25GHz至100MHz。
具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式一所述基于光学锁相环的布里渊光时域反射计的装置进一步限定，一号激光器1-1与二号激光器1-2之间频率差的锁定范围是8~12GHz。
Claims (8)
1.基于光学锁相环的布里渊光时域反射计的装置，其特征是,它由一号激光器(1-1)、二号激光器(1-2)、一号光纤耦合器(2-1)、二号光纤耦合器(2-2)、三号光纤耦合器(2-3)、四号光纤耦合器(2-4)、锁相环模块(3)、电光调制器(4)、扰偏器(5)、环形器(6)、光学衰减器(7)、一号掺铒光纤放大器(8-1)、二号掺铒光纤放大器(8-2)、光学滤波器(9)、双平衡探测器(10)、带通电滤波器(11)、数据采集模块(12)、探测放大模块(13)和脉冲发生器(14)组成，一号激光器(1-1)的输出端与一号光纤耦合器(2-1)的光信号输入端连通，一号光纤耦合器(2-1)的光信号输出端同时与电光调制器(4)和三号光纤耦合器(2-3)的光信号输入端连通，二号激光器(1-2)的输出端与二号光纤耦合器(2-2)的光信号输入端连通，二号光纤耦合器(2-2)的光信号输出端同时与光学衰减器(7)和三号光纤耦合器(2-3)的光信号输入端连通，三号光纤耦合器(2-3)的光信号输出端与探测放大模块(13)的光信号输入端连通，探测放大模块(13)的电信号输出端与锁相环模块(3)的电信号输入端连通，锁相环模块(3)的控制信号输出端与二号激光器(1-2)的注入电流控制端连通，脉冲发生器(14)的脉冲信号输出端与电光调制器(4)的脉冲信号输入端连通，电光调制器(4)的光信号输出端与扰偏器(5)的光信号输入端连通，扰偏器(5)的光信号输出端与一号掺铒光纤放大器(8-1)的光信号输入端连通，环形器(6)包括一号光信号端口(6-1)、二号光信号端口(6-2)和三号光信号端口(6-3)，一号掺铒光纤放大器(8-1)的光信号输出端与环形器(6)的一号光信号端口(6-1)连通，环形器(6)的三号光信号端口(6-3)与二号掺铒光纤放大器(8-2)的光信号输入端连通，环形器(6)的二号光信号输出\输入端口(6-2)与待测光纤的输入\输出端连通；二号掺铒光纤放大器(8-2)的光信号输出端与光学滤波器(9)的光信号输入端连通，光学滤波器(9)的光信号输出端与四号光纤耦合器(2-4)的一个光信号输入端连通，光学衰减器(7)的光信号输出端与四号光纤耦合器(2-4)的另一个光信号输入端连通，四号光纤耦合器(2-4)的二个输出端分别与双平衡探测器(10)的二个光信号输入端连通，双平衡探测器(10)的信号输出端与带通电滤波器(11)的信号的输入端连通，带通电滤波器(11)的信号输出端与数据采集模块(12)的采集信号输入端连通。
2.根据权利要求1所述基于光学锁相环的布里渊光时域反射计的装置，其特征在于,锁相环模块(3)由定向耦合器(3-1)、分频器(3-2)、相位/频率鉴别器(3-3)、参考信号源(3-4)、环路滤波器(3-5)和频率计数单元(3-6)组成，定向耦合器(3-1)的电信号输入端为锁相环模块(3)的电信号输入端，定向耦合器(3-1)的一个信号的输出端与分频器(3-2)的信号的输入端连通，定向耦合器(3-1)的另一个信号的输出端与频率计数单元(3-6)的输入端连通；分频器(3-2)的信号的输出端与相位/频率鉴别器(3-3)的一个信号输入端连通，参考信号源(3-4)的信号输出端与相位/频率鉴别器(3-3)的另一个信号输入端连通，相位/频率鉴别器(3-3)的信号输出端与环路滤波器(3-5)的信号输入端连通，环路滤波器(3-5)的信号输出端为锁相环模块(3)的控制信号输出端。
3.根据权利要求1所述基于光学锁相环的布里渊光时域反射计的装置，其特征在于,一号激光器(1-1)和二号激光器(1-2)均采用单频窄线宽光纤激光器、分布反馈式半导体激光器或外腔式半导体激光器。
4.根据权利要求1所述基于光学锁相环的布里渊光时域反射计的装置，其特征在于,一号光纤耦合器(2-1)、二号光纤耦合器(2-2)和三号光纤耦合器(2-3)均采用保偏光纤型的光纤耦合器。
5.根据权利要求1所述基于光学锁相环的布里渊光时域反射计的装置，其特征在于,四号光纤耦合器(2-4)采用单模光纤型的光纤耦合器。
6.根据权利要求1所述基于光学锁相环的布里渊光时域反射计的装置，其特征在于,一号光纤耦合器(2-1)与二号光纤耦合器(2-2)的耦合比的值相同，所述耦合比的值范围是95：5和80：20之间。
7.根据权利要求2所述基于光学锁相环的布里渊光时域反射计的装置，其特征在于,分频器(3-2)的分频比N为：8≤N≤200，10GHz信号对应分频比N的混频后的信号范围是：1.25GHz至100MHz。
8.根据权利要求2所述基于光学锁相环的布里渊光时域反射计的装置，其特征在于,一号激光器(1-1)与二号激光器(1-2)之间频率差的锁定范围是8~12GHz。
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