CN103376124A - 布里渊光时域分析仪 - Google Patents

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贾新鸿
王子南
姜芸
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Abstract

该发明公开了一种激光布里渊光时域分析仪，包括单边泵浦激光布里渊光时域分析仪、双边泵浦激光布里渊光时域分析仪和单边泵浦激光与普通拉曼泵浦源混合布里渊光时域分析仪。本发明将光纤随机激光应用于分析仪传感系统，用随机激光作为分析仪的分布式拉曼放大泵浦源，使整个传感距离得到低噪声拉曼放大，从而延长传感距离。

Description

布里渊光时域分析仪
技术领域：
本方法涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种布里渊光时域分析仪。
背景技术：
基于布里渊散射的分布式光纤传感技术是一种新型传感技术，它可以感知传输路径上温度的空间分布和随时间变化的信息。它的测量精度、测量范围以及空间分辨率均高其他的传感，所以他在油井、天然气管道、桥梁、隧道、飞行器油井等设备的安全监测方面都有重要的应用前景。一般分为布里渊光时域反射计BOTDR以及布里渊光时域分析仪BOTDA两种。其中，反射计BOTDR探测信号较弱，探测距离受限；而分析仪BOTDA探测信号较强，传感距离较强。
传统的布里渊光时域分析系统采用前端集中放大方式，无法保证光纤末端的测量精度，原因在于：首先，布里渊泵浦光峰值功率不能过高，否则会导致调制不稳定性、自相位调制引起的频谱展宽以及测量精度下降；其次，光纤损耗及泵浦消耗效应也会影响光纤后端的测量分辨率；最后，随着对空间分辨率要求的提高，所用脉冲宽度会越来越窄，使得布里渊泵浦脉冲所携带的能量下降，最终导致测量精度下降。
尽管采用传统的一阶分布式拉曼放大技术可在一定程度上提高光信号的空间分布均匀性，确保测量精度的全程一致性；但拉曼泵浦源相对强度噪声RIN通常大于－100dBc/Hz，泵浦向布里渊信号的RIN转移将成为限制传感距离延伸、精度提高的重要制约因素。
发明内容：
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种布里渊光时域分析仪，其能克服现有技术中存在的噪音大，传感距离延伸和测量精度无法保证等缺点，其充分利用了随机激光所具有的稳定性好、噪声低、特别适合于长距离光传输、结构简单、低成本等诸多优势，实现真正意义上的低噪声分布式光放大，从而有效延伸传感距离。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：单边泵浦激光布里渊光时域分析仪，包括：激光器（1、17），掺铒光纤放大器（2、6），隔离器（3、7、16），耦合器（4），声光调制器（5），扰偏器（8），偏振控制器（9），电光调制器（10），长距离传感光纤（11），光纤布拉格光栅FBG（12），密集波分复用WDM（13、15），环行器（14），光电探测器（18），滤波器（19），数据采集处理系统（20），波形发生器（21），频率源（22）；其特征在于：激光器（1）通过掺铒光纤放大器（2）、隔离器（3）、连接耦合器（4），耦合器（4）将激光器（1）产生的光束分为两束，其中第一束光通过声光调制器（5）、掺铒光纤放大器（6）、隔离器（7）、扰偏器（8）、光环形器（14）、密集波分复用WDM（13）、光纤布拉格光栅FBG（12）、然后以泵浦光进入传感光纤路径，所述扰偏器（8）连接光环形器（14）1端口，密集波分复用WDM（13）连接光环形器（14）2端口，声光调制器（5）连接波形发生器（22）；第二束光通过偏振控制器（9）、电光调制器（10）、作为探测光进入传感光纤路径，所述电光调制器（10）连接频率源（21）；激光器（17）通过隔离器（16）、密集波分复用WDM（15）、连接密集波分复用WDM（13）进入传感光纤；光环行器（14）3端口通过滤波器（19）、光电探测器（18）、数据处理单元（20）、频率源（21）和波形发生器（22）分别与数据处理单元（20）连接。
所述的单边泵浦激光布里渊光时域分析仪，其特征在于：所述激光器(1)功率大于1W，从传感光纤一端耦合进入，光纤布拉格光栅FBG(12)位于布里渊泵浦脉冲输入端。
双边泵浦激光布里渊光时域分析仪，包激光器（1、17），掺铒光纤放大器（2、6），隔离器（3、7、16），耦合器（4、24），声光调制器（5），扰偏器（8），偏振控制器（9），电光调制器（10），长距离传感光纤（11），光纤布拉格光栅FBG（12），密集波分复用WDM（13、15、25），环行器（14），光电探测器（18），滤波器（19），数据采集处理系统（20），波形发生器（21），频率源（22）；其特征在于：激光器（1）通过掺铒光纤放大器（2）、隔离器（3）、连接耦合器（4），耦合器（4）将激光器（1）产生的光束分为两束，其中第一束光通过声光控制器调制器（5）、掺铒光纤放大器（6）、隔离器（7）、扰偏器（8）、光环形器（14）、密集波分复用WDM（13）、光纤布拉格光栅FBG（12）、然后以泵浦光进入传感光纤路径，所述扰偏器（8）连接光环形器（14）1端口，密集波分复用WDM（13）连接光环形器（14）2端口，声光调制器（5）连接波形发生器（22）；第二束光通过偏振控制器（9）、电光调制器（10）、作为探测光进入传感光纤路径，所述电光调制器（10）连接频率源（21）；激光器（17）通过隔离器（16）、密集波分复用WDM（15）、连接耦合器（24）分成两束光，分别经密集波分复用WDM（13）和密集波分复用WDM（25）进入传感光纤；光环行器（14）3端口通过滤波器（19）、光电探测器（18）、数据处理单元（20）；频率源（21）和波形发生器（22）都与数据处理单元（20）连接。
所述的双边泵浦激光布里渊光时域分析仪，其特征在于：所述激光器(1)作为产生随机激光的泵浦源，功率大于1W，分别从传感光纤两端耦合进入，光纤布拉格光栅FBG(12)位于布里渊泵浦脉冲输入端。
所述的双边泵浦激光布里渊光时域分析仪，其特征在于：密集波分复用WDM（13）和密集波分复用WDM（25）与传感光纤之间可分别添加光纤布拉格光栅FBG，光纤布拉格光栅FBG之间的中心波长相差1~10nm。
单边泵浦激光与普通拉曼泵浦源混合布里渊光时域分析仪，包括：激光器（1、17），掺铒光纤放大器（2、6），隔离器（3、7、16），耦合器（4），声光调制器（5），扰偏器（8），偏振控制器（9），电光调制器（10），长距离传感光纤（11），光纤布拉格光栅FBG（12），密集波分复用WDM（13、15、25），环行器（14），光电探测器（18），滤波器（19），数据采集处理系统（20），波形发生器（21），频率源（22），拉曼激光器（23）；其特征在于：激光器（1）通过掺铒光纤放大器（2）、隔离器（3）、连接耦合器（4），耦合器（4）将激光器（1）产生的光束分为两束，其中第一束光通过声光控制器调制器（5）、掺铒光纤放大器（6）、隔离器（7）、扰偏器（8）、光环形器（14）、密集波分复用WDM（13）、光纤布拉格光栅FBG（12）、然后以泵浦光进入传感光纤路径，所述扰偏器（8）连接光环形器（14）1端口，WDM（13）连接光环形器（14）2端口，声光调制器（5）连接波形发生器（22）；第二束光通过偏振控制器（9）、电光调制器（10）、密集波分复用WDM（25）作为探测光进入传感光纤路径，所述电光调制器（10）连接频率源（21）；激光器（17）通过隔离器（16）、密集波分复用WDM（15）、连接密集波分复用WDM（13）进入传感光纤；光环行器（14）3端口通过滤波器（19）、光电探测器（18）、数据处理单元（20）；频率源（21）和波形发生器（22）都与数据处理单元（20）连接，拉曼激光器（23）经密集波分复用WDM（25）耦合进传感光纤。
所述单边泵浦激光与普通拉曼泵浦源混合布里渊光时域分析仪，其特征在于：拉曼激光器(23)为功率大于300mW、低相对强度噪声的FP半导体激光器，噪声大小为RIN <－120 dBc /Hz， 光纤布拉格光栅FBG(12)位于布里渊泵浦脉冲输入端。
所述单边泵浦激光与普通拉曼泵浦源混合布里渊光时域分析仪，其特征在于：拉曼激光器(23)的波长与激光器(17)的拉曼增益峰值波长二者中心波长相差80~100nm。
所述激光布里渊光时域分析仪分析仪的传感方法，包括以下步骤：
a.激光器（1）向传感光纤注入激光；
b.对微波发生器进行扫描，用产生的不同频率的信号调制电光调制器以产生不同频率的探测光；
c.接收经放大的布里渊探测光，利用数据处理单元得出温度/应变值沿光纤的分布，所述沿光纤分布是指描绘布里渊就探测光频移—时间/空间/—功率的关系曲线，经洛伦兹拟合后，找出每一时间/空间/点的峰值布里渊频移及峰值功率，最后经计算得出温度/应变值沿光纤的分布。
本发明与现有技术相比有如下有益效果：本发明能有效的克服现有技术中存在的噪音大，传感距离延伸和测量精度无法保证等缺点，其充分利用了随机激光所具有的稳定性好、噪声低、特别适合于长距离光传输、结构简单、低成本等诸多优势，实现真正意义上的低噪声分布式光放大，从而有效延伸传感距离。
附图说明：
图1是单边泵浦激光布里渊光时域分析仪结构图；
图2是双边泵浦激光布里渊光时域分析仪结构图；
图3中是单边泵浦激光与普通拉曼泵浦源混合布里渊光时域分析仪图；
图4是单边泵浦激光与普通拉曼泵浦源混合布里渊光时域分析仪，布里渊频移—空间—功率三维图，其中传感距离为100km。
图5是单边泵浦激光与普通拉曼泵浦源混合布里渊光时域分析仪，传感系统，传感距离为100Km时布里渊频移的分布。 
图6是单边泵浦激光与普通拉曼泵浦源混合布里渊光时域分析仪，布里渊频移—空间—功率三维图，其中传感距离为122km。
图7是单边泵浦激光与普通拉曼泵浦源混合布里渊光时域分析仪，传感系统布里渊频移沿传感光纤的分布。其中传感距离为122km。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步描述：
图1中所述单边泵浦激光布里渊光时域分析仪，激光器（1）通过掺铒光纤放大器（2）、隔离器（3）、连接耦合器（4），耦合器（4）将激光器（1）产生的光束分为两束，其中第一束光通过声光控制器调制器（5）、掺铒光纤放大器（6）、隔离器（7）、扰偏器（8）、光环形器（14）、密集波分复用WDM（13）、光纤布拉格光栅FBG（12）、然后以泵浦光进入传感光纤路径，所述扰偏器（8）连接光环形器（14）1端口，密集波分复用WDM（13）连接光环形器（14）2端口，声光调制器（5）连接波形发生器（22）；第二束光通过偏振控制器（9）、电光调制器（10）、作为探测光进入传感光纤路径，所述电光调制器（10）连接频率源（21）；激光器（17）通过隔离器（16）、密集波分复用WDM（15）、连接密集波分复用WDM（13）进入传感光纤；光环行器（14）3端口通过滤波器（19）、光电探测器（18）、数据处理单元（20）；频率源（21）和波形发生器（22）都与数据处理单元（20）连接。
图2中所述双边泵浦激光布里渊光时域分析仪，激光器（1）通过掺铒光纤放大器（2）、隔离器（3）、连接耦合器（4），耦合器（4）将激光器（1）产生的光束分为两束，其中第一束光通过声光调制器（5）、掺铒光纤放大器（6）、隔离器（7）、扰偏器（8）、光环形器（14）、密集波分复用WDM（13）、光纤布拉格光栅FBG（12）、然后以泵浦光进入传感光纤路径，所述扰偏器（8）连接光环形器（14）1端口，密集波分复用WDM（13）连接光环形器（14）2端口，声光调制器（5）连接波形发生器（22）；第二束光通过偏振控制器（9）、电光调制器（10）、作为探测光进入传感光纤路径，所述电光调制器（10）连接频率源（21）；激光器（17）通过隔离器（16）、密集波分复用WDM（15）、连接耦合器（24）分成两束光，分别经密集波分复用WDM（13）和密集波分复用WDM（25）进入传感光纤；光环行器（14）3端口通过滤波器（19）、光电探测器（18）、数据处理单元（20）；频率源（21）和波形发生器（22）都与数据处理单元（20）连接。
图3中所述单边泵浦激光与普通拉曼泵浦源混合布里渊光时域分析仪，激光器（1）通过掺铒光纤放大器（2）、隔离器（3）、连接耦合器（4），耦合器（4）将激光器（1）产生的光束分为两束，其中第一束光通过声光控制器调制器（5）、掺铒光纤放大器（6）、隔离器（7）、扰偏器（8）、光环形器（14）、密集波分复用WDM（13）、光纤布拉格光栅FBG（12）、然后以泵浦光进入传感光纤路径，所述扰偏器（8）连接光环形器（14）1端口，密集波分复用WDM（13）连接光环形器（14）2端口，声光调制器（5）连接波形发生器（22）；第二束光通过偏振控制器（9）、电光调制器（10）、密集波分复用WDM（25）作为探测光进入传感光纤路径，所述电光调制器（10）连接频率源（21）；激光器（17）通过隔离器（16）、密集波分复用WDM（15）、连接WDM（13）进入传感光纤；光环行器（14）3端口通过滤波器（19）、光电探测器（18）、数据处理单元（20）；频率源（21）和波形发生器（22）都与数据处理单元（20）连接，拉曼激光器（23）经密集波分复用WDM（25）耦合进传感光纤。
    图4是单边泵浦激光与普通拉曼泵浦源混合布里渊光时域分析仪，布里渊频移—空间—功率三维图，其中传感距离为100km。
由图可知，在50km附近的测量点有明显的布里渊频移。
图5是单边泵浦激光与普通拉曼泵浦源混合布里渊光时域分析仪，传感距离为100Km时布里渊频移的分布。可以明显看到50Km处的温度变化量。
   图6是单边泵浦激光与普通拉曼泵浦源混合布里渊光时域分析仪，布里渊频移—空间—功率三维图，其中传感距离为122km。由图可知，在100km附近的测量点有明显的布里渊频移。
   图7是单边泵浦激光与普通拉曼泵浦源混合布里渊光时域分析仪，传感系统布里渊频移沿传感光纤的分布。其中传感距离为122km。可以明显看到100Km处的温度变化量。 

Claims (9)

1.单边泵浦激光布里渊光时域分析仪，包括：激光器（1、17），掺铒光纤放大器（2、6），隔离器（3、7、16），耦合器（4），声光调制器（5），扰偏器（8），偏振控制器（9），电光调制器（10），长距离传感光纤（11），光纤布拉格光栅FBG（12），密集波分复用WDM（13、15），环行器（14），光电探测器（18），滤波器（19），数据采集处理系统（20），波形发生器（21），频率源（22）；其特征在于：激光器（1）通过掺铒光纤放大器（2）、隔离器（3）、连接耦合器（4），耦合器（4）将激光器（1）产生的光束分为两束，其中第一束光通过声光调制器（5）、掺铒光纤放大器（6）、隔离器（7）、扰偏器（8）、光环形器（14）、密集波分复用WDM（13）、光纤布拉格光栅FBG（12）、然后以泵浦光进入传感光纤路径，所述扰偏器（8）连接光环形器（14）1端口，密集波分复用WDM（13）连接光环形器（14）2端口，声光调制器（5）连接波形发生器（22）；第二束光通过偏振控制器（9）、电光调制器（10）、作为探测光进入传感光纤路径，所述电光调制器（10）连接频率源（21）；激光器（17）通过隔离器（16）、密集波分复用WDM（15）、连接密集波分复用WDM（13）进入传感光纤；光环行器（14）3端口通过滤波器（19）、光电探测器（18）、数据处理单元（20）、频率源（21）和波形发生器（22）分别与数据处理单元（20）连接。
2.根据权利要求1所述的单边泵浦激光布里渊光时域分析仪，其特征在于：所述激光器(1)功率大于1W，从传感光纤一端耦合进入，光纤布拉格光栅FBG(12)位于布里渊泵浦脉冲输入端。
3.双边泵浦激光布里渊光时域分析仪，包激光器（1、17），掺铒光纤放大器（2、6），隔离器（3、7、16），耦合器（4、24），声光调制器（5），扰偏器（8），偏振控制器（9），电光调制器（10），长距离传感光纤（11），光纤布拉格光栅FBG（12），密集波分复用WDM（13、15、25），环行器（14），光电探测器（18），滤波器（19），数据采集处理系统（20），波形发生器（21），频率源（22）；其特征在于：激光器（1）通过掺铒光纤放大器（2）、隔离器（3）、连接耦合器（4），耦合器（4）将激光器（1）产生的光束分为两束，其中第一束光通过声光控制器调制器（5）、掺铒光纤放大器（6）、隔离器（7）、扰偏器（8）、光环形器（14）、密集波分复用WDM（13）、光纤布拉格光栅FBG（12）、然后以泵浦光进入传感光纤路径，所述扰偏器（8）连接光环形器（14）1端口，密集波分复用WDM（13）连接光环形器（14）2端口，声光调制器（5）连接波形发生器（22）；第二束光通过偏振控制器（9）、电光调制器（10）、作为探测光进入传感光纤路径，所述电光调制器（10）连接频率源（21）；激光器（17）通过隔离器（16）、密集波分复用WDM（15）、连接耦合器（24）分成两束光，分别经密集波分复用WDM（13）和密集波分复用WDM（25）进入传感光纤；光环行器（14）3端口通过滤波器（19）、光电探测器（18）、数据处理单元（20）；频率源（21）和波形发生器（22）都与数据处理单元（20）连接。
4.根据权利要求3所述的双边泵浦激光布里渊光时域分析仪，其特征在于：所述激光器(1)作为产生随机激光的泵浦源，功率大于1W，分别从传感光纤两端耦合进入，光纤布拉格光栅FBG(12)位于布里渊泵浦脉冲输入端。
5.根据权利要求3所述的双边泵浦激光布里渊光时域分析仪，其特征在于：密集波分复用WDM（13）和密集波分复用WDM（25）与传感光纤之间可分别添加光纤布拉格光栅FBG，光纤布拉格光栅FBG之间的中心波长相差1~10nm。
6.单边泵浦激光与普通拉曼泵浦源混合布里渊光时域分析仪，包括：激光器（1、17），掺铒光纤放大器（2、6），隔离器（3、7、16），耦合器（4），声光调制器（5），扰偏器（8），偏振控制器（9），电光调制器（10），长距离传感光纤（11），光纤布拉格光栅FBG（12），密集波分复用WDM（13、15、25），环行器（14），光电探测器（18），滤波器（19），数据采集处理系统（20），波形发生器（21），频率源（22），拉曼激光器（23）；其特征在于：激光器（1）通过掺铒光纤放大器（2）、隔离器（3）、连接耦合器（4），耦合器（4）将激光器（1）产生的光束分为两束，其中第一束光通过声光控制器调制器（5）、掺铒光纤放大器（6）、隔离器（7）、扰偏器（8）、光环形器（14）、密集波分复用WDM（13）、光纤布拉格光栅FBG（12）、然后以泵浦光进入传感光纤路径，所述扰偏器（8）连接光环形器（14）1端口，WDM（13）连接光环形器（14）2端口，声光调制器（5）连接波形发生器（22）；第二束光通过偏振控制器（9）、电光调制器（10）、密集波分复用WDM（25）作为探测光进入传感光纤路径，所述电光调制器（10）连接频率源（21）；激光器（17）通过隔离器（16）、密集波分复用WDM（15）、连接密集波分复用WDM（13）进入传感光纤；光环行器（14）3端口通过滤波器（19）、光电探测器（18）、数据处理单元（20）；频率源（21）和波形发生器（22）都与数据处理单元（20）连接，拉曼激光器（23）经密集波分复用WDM（25）耦合进传感光纤。
7.根据权利要求6所述单边泵浦激光与普通拉曼泵浦源混合布里渊光时域分析仪，其特征在于：拉曼激光器(23)为功率大于300mW、低相对强度噪声的FP半导体激光器，噪声大小为RIN <－120 dBc /Hz， 光纤布拉格光栅FBG(12)位于布里渊泵浦脉冲输入端。
8.根据权利要求6所述单边泵浦激光与普通拉曼泵浦源混合布里渊光时域分析仪，其特征在于：拉曼激光器(23)的波长与激光器(17)的拉曼增益峰值波长二者中心波长相差80~100nm。
9.根据权利要求1、3或6所述的泵浦激光布里渊光时域分析仪分析仪的传感方法，包括以下步骤：
a.激光器（1）向传感光纤注入激光；
b.对微波发生器进行扫描，用产生的不同频率的信号调制电光调制器以产生不同频率的探测光；
c.接收经放大的布里渊探测光，利用数据处理单元得出温度/应变值沿光纤的分布，所述沿光纤分布是指描绘布里渊就探测光频移—时间/空间/—功率的关系曲线，经洛伦兹拟合后，找出每一时间/空间/点的峰值布里渊频移及峰值功率，最后经计算得出温度/应变值沿光纤的分布。
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