CN103557877B - 基于多个edfa在线放大的长距离botdr系统 - Google Patents

基于多个edfa在线放大的长距离botdr系统 Download PDF

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Abstract

一种基于多个EDFA（掺铒光纤放大器）在线放大的长距离BOTDR系统，它包括窄线宽激光器、电光调制器、光环形器、传感光纤、掺铒光纤放大器、光滤波器、光电探测器和信号处理电路，窄线宽激光器和光环形器之间连有电光调制器，光电探测器和光环形器之间连有光滤波器，光电探测器还连接信号处理电路，传感光纤的一端连接光环形器，传感光纤等距分割成N段，相邻的两段传感光纤之间连接有一个掺铒光纤放大器，其中N为正整数，所述每个掺铒光纤放大器的增益系数相同。其增益系数等于光在每段光纤中的损耗，它具有补偿信号衰减、提高分布式光纤传感的距离的优点。

Description

基于多个EDFA在线放大的长距离BOTDR系统
技术领域
本发明涉及一种基于自发布里渊散射的长距离分布式光纤传感技术。
背景技术
基于布里渊散射的分布式光纤传感技术引起了广泛重视。在管道、铁路、电缆、隧道等领域，需要监测的距离越来越长。但是，在分布式光纤传感中，传感距离受限于泵浦的消耗。随着泵浦的消耗，布里渊效应越来越弱，信号的信噪比也越来越弱。因此，如何提高分布式光纤传感的距离成为该技术领域的一个研究热点。
为了提高布里渊光时域反射计（BOTDR）系统的传感距离，编码技术、系踪平均技术、拉曼放大技术、及外差检测技术等被提出。编码技术、系踪平均技术及拉曼放大技术可以提高BOTDR系统的信噪比，进而提高传感距离；外差检测技术可以提高BOTDR系统的检测灵敏度，从而提高传感距离。但是，编码技术对BOTDR系统信噪比的改善必须在一定的码长范围之内，当码长超过一定长度后，编码不能继续提高系统的信噪比。系踪平均技术则需要大大增大系统的测量时间。目前的拉曼放大技术是分布式放大，需要较大功率的拉曼泵浦光，同时增益也受限于拉曼泵浦光的损耗。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种基于多个EDFA在线放大的长距离BOTDR系统，它具有补偿信号衰减、提高分布式光纤传感的距离的优点。
本发明是这样来实现的，它包括窄线宽激光器、电光调制器、光环形器、传感光纤、EDFA、光滤波器、光电探测器和信号处理电路，其特征在于，窄线宽激光器和光环形器之间连有电光调制器，光电探测器和光环形器之间连有光滤波器，光电探测器还连接信号处理电路，传感光纤的一端连接光环形器，传感光纤等距分割成N段，N为正整数，相邻的两段传感光纤之间连接有一个EDFA；所述每个EDFA的增益系数相同；每个EDFA的增益系数与每段光纤的损耗系数相等；所述EDFA的个数与BOTDR系统的传感距离正相关。本发明通过在传感光纤上增加EDFA，补偿泵浦光和自发布里渊散射光信号的衰减，使每段传感光纤上的布里渊信号分布近似相同，从而大大提高分布式光纤传感的距离；将传感光纤均分为N段，在相邻的两段传感光纤之间放入1个EDFA，以补偿光在每段传感光纤中的来回损耗；
在BOTDR系统中，自发布里渊信号功率可写成：
Pspbs(z)∝PP(0)exp(-2αz)Δτp（公式1）
在上式中，PP(0)是入射的泵浦光功率，Δτp是光脉冲的宽度，α是光纤的衰减系数，损耗主要是由exp(-2αz)引起的。因此，如图1所示，如果EDFA的增益等于exp(αz0)，则泵浦光经过EDFA后放大exp(αz0)，自发布里渊信号反向经过EDFA后再放大exp(αz0)，因此，自发布里渊信号将放大exp(2αz0)倍。所以对于图1所示的系统，自发布里渊信号功率可写成
Pspbs(z)∝PP(0)exp[-2α(z-iz0)]Δτp（公式2）
其中[]表示向下取整。所以，只要在第一段光纤中可以实现全程测量，所有光纤便可实现全程测量。
本发明的技术效果是：本发明将传感光纤分成N段；在相邻两段传感光纤之间加入1个EDFA；合理设置EDFA的增益，使其增益正好补偿光在每段光纤中的来回损耗。本发明不仅可以有效补偿信号衰减，提高BODTR系统的传感距离，同时测量也非常方便。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2为60km情况下，常规BOTDR系统重复测量512次所获得的归一化布里渊信号变化量随传感距离的变化仿真结果图。
图3是60km情况下，采用本发明，前20km采用一个线路EDFA所得到的归一化布里渊信号变化量仿真结果图。
图4是60km情况下，采用本发明，20～40km区间采用一个线路EDFA所得到的归一化布里渊信号变化量仿真结果图。
图5是60km情况下，采用本发明，40～60km区间采用一个线路EDFA所得到的归一化布里渊信号变化量仿真结果图。
在图中，1、窄线宽激光器2、电光调制器3、光环形器4、第1段传感光纤5、第1个EDFA6、第2段传感光纤7、第N-1个EDFA8、第N段传感光纤9、光滤波器10、光电探测器11、信号处理电路。
具体实施方式
如图1所示，将传感光纤均分成N段。窄线宽激光器1输出的连续光经电光调制器2调制后变为脉冲光，脉冲光由光环形器3进入第1段传感光纤4，然后进入第1个EDFA5进行放大。从第1个EDFA出来的光再输入第2段传感光纤6。从第2段传感光纤6出来的光经第3个EDFA放大后再进入第3段长度为20km的传感光纤。依次类推，最后，第N-1个EDFA7出来的光进入第N小段传感光纤8。合理设置EDFA的增益系数，使每个EDFA的增益正好补偿光在每段传感光纤中的来回损耗；从传感光纤返回的信号经过光滤波器9和光电探测器10初步处理后，最后进入信号处理电路，进行分析处理。由于各段传感光纤的信噪比近似相等，只要第1段传感光纤能够实现全程测量，所有传感光纤便能实现全程测量，从而大大提高了传感距离。
基于此，对没有采用EDFA在线放大的光纤传感系统和本发明提出的在线放大光纤传感系统进行了仿真。在仿真中，受限于计算量，只对长度为60km的传感光纤进行了仿真，假设在5～5.05km、19～19.05km、25～25.05km、39～39.05km、45～45.05km及59～59.05km区间的温度比光纤其它位置处的温度高10度。图2是没有采用EDFA在线放大的系统仿真结果，图3是本发明所提出系统的仿真结果，其中，图2、图3、图4和图5中横坐标均为传感距离，纵坐标为归一化布里渊信号变化量。在图2中可以看到，随着传感距离的增加，信号越来越弱，信号完成淹没在噪声中，在传感光纤的远端，归一化布里渊信号变化量无法反映沿光纤的环境温度变化。在图3、图4和图5中可以看到，在每段20km的传感光纤中，归一化布里渊信号变化量基本相同，即使在接近光纤尾端位置，归一化布里渊信号变化量仍然能够清晰地反映沿光纤的环境温度变化。这说明本发明可以有效提高BODTR系统的传感距离。

Claims (4)

1.一种基于多个EDFA在线放大的长距离BOTDR系统，它包括窄线宽激光器、电光调制器、光环形器、传感光纤、EDFA、光滤波器、光电探测器和信号处理电路，其特征在于，窄线宽激光器和光环形器之间连有电光调制器，光电探测器和光环形器之间连有光滤波器，光电探测器还连接信号处理电路，传感光纤的一端连接光环形器，传感光纤等距分割成N段，相邻的两段传感光纤之间连接有一个EDFA，N为正整数。
2.如权利要求1所述的一种基于EDFA在线放大的长距离BOTDR系统，其特征在于，所述每个EDFA的增益系数相同。
3.如权利要求1或2所述的一种基于EDFA在线放大的长距离BOTDR系统，其特征在于，每个EDFA的增益系数与每段光纤的损耗系数相等。
4.如权利要求1所述的基于多个EDFA在线放大的长距离BOTDR系统，其特征在于，所述EDFA的个数与BOTDR系统的传感距离有关。
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