CN103604450A - 种子注入botdr分布式光纤传感系统 - Google Patents

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高玮
朱智涵
李宏伟
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Abstract

种子注入BOTDR分布式光纤传感系统，涉及种子注入布里渊光时域反射技术，属于非扫描式实时测量分布式光纤传感技术领域。它为了解决现有BOTDR系统信噪比低、传感距离短，BOTDA系统结构复杂、无法实时测量、故障检测困难的问题。本发明用覆盖脉冲泵浦光在传感光纤中形成的布里渊增益谱或损耗谱范围的宽带种子光取代了传统BOTDA系统中扫频型探测光，从而规避了扫频过程，能够实现实时传感，且可以在不增加系统复杂度的情况下完成故障检测；结构简洁，与单端法BOTDR系统相比，传感信号输出更加稳定，传感精度高，在50-80km内信噪比提高10dB以上。本发明适用于布里渊光纤传感的工程化应用。

Description

种子注入BOTDR分布式光纤传感系统
技术领域
本发明涉及种子注入布里渊光时域反射技术，属于非扫描式实时测量分布式光纤传感技术领域。
背景技术
近几十年来，国民工业及能源供应的安全稳定性越发受到重视，基础设施的健康监控成为关键一环。针对这一需求，具备一维空间连续性的分布式光纤传感系统逐步发展起来。基于布里渊散射技术的分布式光纤传感系统，由于具备同时监控光纤沿线温度与应变的能力受到广泛关注。目前工程化较为成熟的技术是布里渊光时域技术：布里渊光时域反射技术（BOTDR）、布里渊光时域分析技术（BOTDA）。
BOTDR系统基于自发布里渊散射原理，利用背向散射光与脉冲光的时间间隔提取事件的位置信息（与用于光纤检测的光时域反射计OTDR相似），利用布里渊散射信号的频移与强度提取温度和应变信息。BOTDR系统机构简单、成本较低，能够实时测量光纤沿线的温度、应力信息，同时具备故障检测功能。由于BOTDR系统中作为传感信道的自发布里渊散射强度极其微弱，信噪比低下导致传感精度较低，同时传感距离受限（通常几十公里）。
BOTDA系统基于受激布里渊散射（SBS）原理。在光纤两端分别注入脉冲泵浦光和连续探测光，当两者的频差与光纤中某处布里渊频移相等时，产生受激布里渊效应，二者之间发生能量转移。连续调制两激光器之间的频差，同时检测从光纤一段耦合出的探测光强度并辅以OTDR技术，就可得到光纤各小段区域在能量转移最大时所对应频差，进而提取出温度和应力信息。BOTDA系统信噪比高，易于实现高精度、远距离传感。
BOTDA系统采用双端测量且需要泵浦-探测间的偏振匹配或进行扰偏处理，结构复杂、成本较高；为测定布里渊增益谱所必要的扫频时间导致BOTDA系统无法进行实时测量；不借助附加系统无法完成故障检测。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有基于布里渊的分布式光纤传感系统的典型缺点：BOTDR系统信噪比低、传感距离短；BOTDA系统结构复杂、无法实时测量、故障检测困难。提供一种种子注入BOTDR分布式光纤传感系统。
本发明所述的种子注入BOTDR分布式光纤传感系统包括窄带光纤激光器1、第一光纤耦合器2、泵浦光模块3、光纤环形器4、传感光纤5、光纤隔离器6、种子光模块7、偏振控制器8、第二光纤耦合器9、光电探测器10和微波下变频模块11，所述窄带光纤激光器1的输出端连接第一光纤耦合器2的输入端，第一光纤耦合器2的第一输出端口2-1连接泵浦光模块3的输入端，所述泵浦光模块3的输出端连接光纤环形器4的第一端口4-1，光纤环形器4的第二端口4-2连接传感光纤5的一端，种子光模块7输出的激光经光纤隔离器6后进入传感光纤5的另一端，光纤环形器4的第三端口4-3连接第二光纤耦合器9的第一输入端口9-1，第一光纤耦合器2的第二输出端口2-2连接偏振控制器8的光纤输入端，所述偏振控制器8的光纤输出端连接第二光纤耦合器9的第二输入端口9-2，第二光纤耦合器9的输出端输出的激光入射到光电探测器10的输入端，光电探测器10的输出端连接微波下变频模块11的输入端，微波下变频模块11的信号输出端为所述种子注入BOTDR分布式光纤传感系统的探测信号输出端。
所述的泵浦光模块3包括偏振控制器3-1、强度调制器3-2、直流稳压电源3-3、任意波形信号发生器3-4和掺铒光纤放大器3-5，所述偏振控制器3-1的光纤输入端连接第一光纤耦合器2的第一输出端口2-1，偏振控制器3-1的输出端连接强度调制器3-2的光输入端，所述强度调制器3-2的光输出端连接掺铒光纤放大器3-5的种子光输入端，所述掺铒光纤放大器3-5的输出端为泵浦光模块3的输出端，直流稳压电源3-3的电信号输出端连接强度调制器3-2的电源输入端，任意波形信号发生器3-4的波形信号输出端连接强度调制器3-2的波形信号输入端。
所述的种子光模块7包括光纤滤波器7-1和宽带光源7-2，所述宽带光源7-2输出的激光经光纤滤波器7-1后进入光纤隔离器6。
所述的宽带光源7-2为0%～5%偏振度、C波段且带宽为1nm～40nm的光源；光纤滤波器7-1的透射或反射光谱为平顶，其透射波段为C波段，带宽为0.2GHz～3GHz。
所述的传感光纤5为标准单模光纤。
所述的窄带光纤激光器1为C波段DFB激光器（分布式反馈激光器），所述C波段DFB激光器发出的激光的带宽范围为1KHz～10MHz。
上述种子注入BOTDR分布式光纤传感系统还包括数据采集与上位处理模块12，所述数据采集与上位处理模块12的探测信号输入端连接所述种子注入BOTDR分布式光纤传感系统的探测信号输出端。
本发明所述的种子注入BOTDR分布式光纤传感系统基于SBS原理，用覆盖脉冲泵浦光在传感光纤5中形成的布里渊增益谱或损耗谱范围的宽带种子光取代了传统BOTDA系统中扫频型探测光，从而规避了扫频过程，能够实现实时传感；本实施方式结构简洁，与单端法BOTDR系统相比，可以在不增加系统复杂度的情况下完成故障检测，且传感信号输出更加稳定，能够在50-80km内提供高信噪比的传感信号，信噪比提高10dB以上。本实施方式结合了BOTDA与BOTDR的优点，在布里渊光纤传感的工程化应用中具有重要意义。
附图说明
图1为本发明所述的种子注入BOTDR分布式光纤传感系统的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的种子注入BOTDR分布式光纤传感系统包括窄带光纤激光器1、第一光纤耦合器2、泵浦光模块3、光纤环形器4、传感光纤5、光纤隔离器6、种子光模块7、偏振控制器8、第二光纤耦合器9、光电探测器10和微波下变频模块11，所述窄带光纤激光器1的输出端连接第一光纤耦合器2的输入端，第一光纤耦合器2的第一输出端口2-1连接泵浦光模块3的输入端，所述泵浦光模块3的输出端连接光纤环形器4的第一端口4-1，光纤环形器4的第二端口4-2连接传感光纤5的一端，种子光模块7输出的激光经光纤隔离器6后进入传感光纤5的另一端，光纤环形器4的第三端口4-3连接第二光纤耦合器9的第一输入端口9-1，第一光纤耦合器2的第二输出端口2-2连接偏振控制器8的光纤输入端，所述偏振控制器8的光纤输出端连接第二光纤耦合器9的第二输入端口9-2，第二光纤耦合器9的输出端输出的激光入射到光电探测器10的输入端，光电探测器10的输出端连接微波下变频模块11的输入端，微波下变频模块11的信号输出端为所述种子注入BOTDR分布式光纤传感系统的探测信号输出端。
本实施方式所述的种子注入BOTDR分布式光纤传感系统中，窄带光纤激光器1输出的激光经第一光纤耦合器2分成两路，一路经过泵浦光模块3后形成脉冲泵浦光；所述脉冲泵浦光经光纤环形器4进入传感光纤5的一端，其功率控制在受激布里渊散射阈值以下；另一路激光经偏振控制器8后，作为本振光进入第二光纤耦合器9的第二输入端口。种子光模块7产生宽带激光，所述宽带激光作为种子光，经光纤隔离器6进入传感光纤的另一端，其光谱带宽覆盖脉冲泵浦光在传感光纤中形成的布里渊增益谱或损耗谱范围。当种子光模块7产生的种子光中的光谱分量频率低于脉冲泵浦光的中心频率，频差为传感光纤的布里渊频移，且偏振状态相同时，该种子光中的这部分光谱分量将获得能量发生受激布里渊放大，产生增强型传感信号；当种子光中的光谱分量频率高于脉冲泵浦光的中心频率，频差为传感光纤的布里渊频移，且偏振状态相同时，种子光中的这部分光谱分量将损失能量，产生损耗型传感信号；所述增强型或损耗型传感信号经光纤环形器的第三端口输出，进入第二光纤耦合器的第一输入端口；Stokes布里渊散射信号和本振光经第二光纤耦合器9合束，由第二光纤耦合器9输出端输出，进入光电探测器10；光电探测器10输出的高频电信号经微波下变频模块11变频后输出给数据采集与处理设备，以获得传感光纤某一位置处的温度与应变信息。
本实施方式所述的种子注入BOTDR分布式光纤传感系统基于SBS原理，用覆盖脉冲泵浦光在传感光纤5中形成的布里渊增益谱或损耗谱范围的宽带种子光取代了传统BOTDA系统中扫频型探测光，从而规避了扫频过程，能够实现实时传感；本实施方式结构简洁，与单端法BOTDR系统相比，可以在不增加系统复杂度的情况下完成故障检测，且传感信号输出更加稳定，能够在50-80km内提供高信噪比的传感信号，信噪比提高10dB以上。本实施方式结合了BOTDA与BOTDR的优点，在布里渊光纤传感的工程化应用中具有重要意义。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的种子注入BOTDR分布式光纤传感系统的进一步限定：所述的泵浦光模块3包括偏振控制器3-1、强度调制器3-2、直流稳压电源3-3、任意波形信号发生器3-4和掺铒光纤放大器3-5，所述偏振控制器3-1的光纤输入端连接第一光纤耦合器2的第一输出端口2-1，偏振控制器3-1的输出端连接强度调制器3-2的光输入端，所述强度调制器3-2的光输出端连接掺铒光纤放大器3-5的种子光输入端，所述掺铒光纤放大器3-5的输出端为泵浦光模块3的输出端，直流稳压电源3-3的电信号输出端连接强度调制器3-2的电源输入端，任意波形信号发生器3-4的波形信号输出端连接强度调制器3-2的波形信号输入端。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的种子注入BOTDR分布式光纤传感系统的进一步限定：所述的种子光模块7包括光纤滤波器7-1和宽带光源7-2，所述宽带光源7-2输出的激光经光纤滤波器7-1后进入光纤隔离器6。
具体实施方式四：本实施方式是对实施方式三所述的种子注入BOTDR分布式光纤传感系统的进一步限定：所述的宽带光源7-2为低偏振度、C波段且带宽为1nm～40nm的光源；光纤滤波器7-1的透射或反射光谱为平顶，其透射波段为C波段，带宽为0.2GHz～3GHz。
宽带光源7-2发出的种子光的偏振度为0%～5%，从而规避了扰偏问题。
具体实施方式五：本实施方式是对实施方式一至四所述的种子注入BOTDR分布式光纤传感系统的进一步限定：所述的传感光纤5为标准单模光纤。
具体实施方式六：本实施方式是对实施方式一至四所述的种子注入BOTDR分布式光纤传感系统的进一步限定：所述的窄带光纤激光器1为C波段DFB激光器，所述C波段DFB激光器发出的激光的带宽范围为1KHz～10MHz。
具体实施方式七：本实施方式是对实施方式一所述的种子注入BOTDR分布式光纤传感系统的进一步限定：所述种子注入BOTDR分布式光纤传感系统还包括数据采集与上位处理模块12，所述数据采集与上位处理模块12的探测信号输入端连接所述种子注入BOTDR分布式光纤传感系统的探测信号输出端。
数据采集与上位处理模块12中的上位机发出触发信号，泵浦光模块3产生的脉冲泵浦光进入传感光纤，数据采集与上位处理模块12同时计时采集；光电探测器10输出的高频电信号经微波下变频模块11变频后输出给数据采集与上位处理模块12，数据采集与上位处理模块12对变频后的信号进行处理，获得传感光纤某一位置处的温度与应变信息。

Claims (7)

1.种子注入BOTDR分布式光纤传感系统，其特征在于：它包括窄带光纤激光器（1）、第一光纤耦合器（2）、泵浦光模块（3）、光纤环形器（4）、传感光纤（5）、光纤隔离器（6）、种子光模块（7）、偏振控制器（8）、第二光纤耦合器（9）、光电探测器（10）和微波下变频模块（11），所述窄带光纤激光器（1）的输出端连接第一光纤耦合器（2）的输入端，第一光纤耦合器（2）的第一输出端口（2－1）连接泵浦光模块（3）的输入端，所述泵浦光模块（3）的输出端连接光纤环形器（4）的第一端口（4－1），光纤环形器（4）的第二端口（4－2）连接传感光纤（5）的一端，种子光模块（7）输出的激光经光纤隔离器（6）后进入传感光纤（5）的另一端，光纤环形器（4）的第三端口（4－3）连接第二光纤耦合器（9）的第一输入端口（9－1），第一光纤耦合器（2）的第二输出端口（2－2）连接偏振控制器（8）的光纤输入端，所述偏振控制器（8）的光纤输出端连接第二光纤耦合器（9）的第二输入端口（9－2），第二光纤耦合器（9）的输出端输出的激光入射到光电探测器（10）的输入端，光电探测器（10）的输出端连接微波下变频模块（11）的输入端，微波下变频模块（11）的信号输出端为所述种子注入BOTDR分布式光纤传感系统的探测信号输出端。
2.根据权利要求1所述的种子注入BOTDR分布式光纤传感系统，其特征在于：所述的泵浦光模块（3）包括偏振控制器（3－1）、强度调制器（3－2）、直流稳压电源（3－3）、任意波形信号发生器（3－4）和掺铒光纤放大器（3－5），所述偏振控制器（3－1）的光纤输入端连接第一光纤耦合器（2）的第一输出端口（2－1），偏振控制器（3－1）的输出端连接强度调制器（3－2）的光输入端，所述强度调制器（3－2）的光输出端连接掺铒光纤放大器（3－5）的种子光输入端，所述掺铒光纤放大器（3－5）的输出端为泵浦光模块（3）的输出端，直流稳压电源（3－3）的电信号输出端连接强度调制器（3－2）的电源输入端，任意波形信号发生器（3－4）的波形信号输出端连接强度调制器（3－2）的波形信号输入端。
3.根据权利要求1所述的种子注入BOTDR分布式光纤传感系统，其特征在于：所述的种子光模块（7）包括光纤滤波器（7－1）和宽带光源（7－2），所述宽带光源（7－2）输出的激光经光纤滤波器（7－1）后进入光纤隔离器（6）。
4.根据权利要求3所述的种子注入BOTDR分布式光纤传感系统，其特征在于：所述的宽带光源（7－2）为0%～5%偏振度、C波段且带宽为1nm～40nm的光源；光纤滤波器（7－1）的透射或反射光谱为平顶，其透射波段为C波段，带宽为0.2GHz～3GHz。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的种子注入BOTDR分布式光纤传感系统，其特征在于：所述的传感光纤（5）为标准单模光纤。
6.根据权利要求1或4所述的种子注入BOTDR分布式光纤传感系统，其特征在于：所述的窄带光纤激光器（1）为C波段DFB激光器，所述C波段DFB激光器发出的激光的带宽范围为1KHz～10MHz。
7.根据权利要求1所述的种子注入BOTDR分布式光纤传感系统，其特征在于：它还包括数据采集与上位处理模块（12），所述数据采集与上位处理模块（12）的探测信号输入端连接所述种子注入BOTDR分布式光纤传感系统的探测信号输出端。
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