CN103616090B - 一种消除光纤衰减的布里渊分布式光纤传感测温系统 - Google Patents

Abstract

一种消除光纤衰减的布里渊分布式光纤传感测温系统，属于布里渊分布式光纤传感技术领域。包括一个布里渊温度及应变监测装置和一个光开关，该系统以BOTDA分布式系统为基础，利用光开关控制连续探测光的通断，分别使系统产生布里渊散射和瑞利散射，用采集卡分别采集后向布里渊散射光和后向瑞利散射光。采集到得两种光通过公式的计算消除光纤衰减。本发明系统在布里渊温度及应变监测装置中加入光开关，达到去除光纤衰减的目的，方法简单，成本少，明显提高了BOTDA系统对温度和应变信息解调的准确度，比较容易实现。

Description

一种消除光纤衰减的布里渊分布式光纤传感测温系统

技术领域

本发明涉及一种消除BOTDA中光纤衰减的测温系统，具体地说是用光开关控制连续探测光的通断，使系统分别发生布里渊散射和瑞利散射，根据布里渊散射和瑞利散射的信号，消除BOTDA中光纤的衰减，从而实现对温度和应变的精确解调的一种消除光纤衰减的布里渊分布式光纤传感测温系统，属于分布式光纤传感领域。

背景技术

分布式光纤传感技术自20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来，目前对于他的研究主要是基于瑞利散射的分布式传感技术；基于拉曼散射的分布式光纤传感技术；基于布里渊散射的分布式传感技术。而基于布里渊散射的温度/应变传感技术的研究主要集中在三个方面：（1）基于布里渊光时域反射（BOTDR）技术的分布式光纤传感技术（2）基于布里渊光时域分析（BOTDA）技术的分布式光纤传感技术（3）基于布里渊光频域分析（BOFDA）技术的分布式光纤传感技术。

近年来，基于布里渊光时域分析（BOTDA）的分布式光纤传感技术得到了较快发展，并且逐渐地商业化。与其他分布式测量系统相比，BOTDA系统的优点是：利用受激布里渊效应，使得接收信号强度大，测量精度高，可实现的动态范围大，实现方便。BOTDA系统的探测距离和探测精度：理论上探测距离可以达到100km，探测精度可以达到±0.1℃的温度分辨率和±0.15m的空间分辨率。加拿大渥太华大学的鲍晓毅等人已经实现了光纤长度为51km的温度探测，对于距离较短的光线（1～3km），使用BOTDA系统达到了1m的空间分辨率和±1℃的温度分辨率。

在BOTDA的分布式传感系统中分为脉冲光和连续光两路，当两者的频率差与光纤中某区域的布里渊频移相等时，则在该区域就会产生受激布里渊（SBS）放大效应，两光束之间发生能量转移。由于布里渊频移与温度，应变存在线性关系，因此，在对两激光器的频率进行连续调节的同时，通过检测从光纤一端耦合出来的探测光就可以确定光纤各小段区域上能量转移达到最大值时所对应的频率差，从而解调出温度和应变信息。然而光纤的衰减使光强减小，在一个扫频周期内，如果部分光纤发生弯曲，将会造成布里渊散射谱线的下滑，从而影响最大光强的位置确定，使得中心频率的确定受到很大影响，解调出的温度和应变信息也不准确。专利号为201110189749.1、发明人为李永倩、杨志、尚秋峰、发明名称为‘一种基于光纤布里渊散射原理的海水温度剖面BOTDA测量方法，的发明，揭示了直接与海水接触的压力传感光纤和屏蔽了海水压力的温度传感光纤组合在一起构成传感光缆,并由窄线宽激光器、光耦合器、脉冲发生器、第一光调制器、光放大器、扫频电光调制器、环行器、光栅滤波器、光隔离器、扰偏器、光滤波器、光开关、布里渊频移检测单元组成一个基于布里渊光时域分析原理的测量系统的测量部分。此发明可以实验海水温度的测量，但还存有缺陷，它忽略了光纤衰减对布里渊散射光的影响，导致中心频率的测量不准确，从而影响海水温度的精确测量。

发明内容

为了克服光纤衰减对BOTDA中温度和应变信息的影响，本发明提出了一种利用光开关来控制BOTDA系统中连续探测光的中断、分别产生布里渊散射和瑞利散射的分布式测温系统，即一种消除光纤衰减的布里渊分布式光纤传感测温系统，旨在消除光纤衰减，更加精确的解调出温度和应变的信息。

本发明的技术方案是按以下形式实现的：

一种消除光纤衰减的布里渊分布式光纤传感测温系统，包括一个布里渊温度及应变监测装置和一个光开关，其特征在于布里渊温度及应变监测装置包括半导体激光器、光隔离器A、B、光耦合器、声光调制器、掺铒光纤放大器、扰偏器、偏振控制器、电光调制器、微波扫频器、光滤波器、传感光纤、光环形器A、B、布拉格光栅、光电探测器、数据采集卡、信号发生器、计算机，半导体激光器位于光隔离器A之前，光隔离器A后面放置光耦合器，光耦合器输出端后面一路依次放置光开关、偏振控制器、电光调制器、光滤波器、光隔离器B，另一路放置声光调制器；光隔离器B经传感光纤和光环形器B的2号端口相连接；声光调制器输出端依次放置掺铒光纤放大器、扰偏器，扰偏器经光纤和光环形器B的1号端口相连接；光环形器A的1号端口、2号端口经光纤分别和光环形器B的3号端口、布拉格光栅相连接，其3号端口输出后连接到光电探测器的输入端；光电探测器的输出端连接到数据采集卡的输入端，数据采集卡的输出端连接到计算机；信号发生器分别和声光调制器、微波扫频器、光开关及数据采集卡相连接；微波扫频器分别和电光调制器相连接。

所述的半导体激光器为窄线宽激光器，线宽为1.9MHz，波长1550nm，输出连续光功率为30mW。

所述的光隔离器为1550nm波段的单模光隔离器，隔离度为30dB。

所述的光耦合器为1:1的1*2的单模光耦合器。

所述的声光调制器为1550nm的声光调制器，将一路连续光调制为脉宽为10ns，重复频率为1KHz的脉冲光。

所述的掺铒光纤放大器将调制后的脉冲光峰值调节到布里渊阈值以上。

所述的扰偏器为PCD-003扰偏器。

所述的偏振控制器为三环型偏振控制器。

所述的电光调制器和微波扫频器型号分别为KG-AM系列10G电光调制器、HWS10120型微波扫频器，可调制另一路连续光产生10.65GHz左右的移频。

所述的光滤波器将调制后的光的上边带滤除掉。

所述的传感光纤为100Km单模光纤，外部为聚碳酸酯套管。

所述的光电探测器是PR-200M3035型光电探测器。

所述的数据采集卡是150M单通道数据采集卡。

本发明的工作原理如下：开启系统，信号发生器控制光开关的通断，当光开关关闭时，由半导体激光器发出的连续光入射到光隔离器A，经3dB光耦合器被分为两路光，一路光经过声光调制器调制为脉冲光，脉冲光的重复频率和占空比由驱动声光调制器的信号发生器控制，脉冲的时间间隔要大于脉冲在光纤中的传输时间，同时信号发生器发出与脉冲光相同频率和占空比的脉冲信号作为数据采集卡的外部触发信号，控制数据采集卡的采集。然后，脉冲光的峰值功率被掺铒光纤放大器放大，再经过扰偏器后，作为泵浦光入射到传感光纤的一端；另一路光先通过偏振控制器控制为固定的偏振方向，再通过微波扫频器驱动的电光调制器将其调制为频移量等于微波扫频器频率的调制光，使用带宽小于0.1nm的光滤波器滤除调制光的上边带，再经过光隔离器B后作为信号光入射到传感光纤的另一端，微波扫频器在10.6GHz-10.7GHz的频率范围内进行扫频，信号发生器发出的脉冲驱动微波扫频器的频率变化。信号光和泵浦光在光纤的各个位置相遇并产生背向布里渊散射，当两路光的频率差等于布里渊频移量时，背向散射光强度最大，通过环形器和布拉格光栅滤除ASE噪声，再经过光电探测器和数据采集卡采集信号，采集的探测信号的强度信息按下式计算

$P_S(t,\mathrm{\Δv})=P_S\exp (-\∂L)\exp \left({\∫}_{v_{g}t/2}^{v_{g}t/2+\mathrm{\Δz}}{g}_B(\mathrm{\ξ},\mathrm{\Δv})P_P(\mathrm{\ξ},\mathrm{\Δv})\mathrm{d\ξ}\right)---\left(1\right)$

式中L是整条光纤长度，v_g是光的群速度，Δz是空间分辨率，t是光传播到光纤L上位置ξ处所用的时间，是光纤衰减系数,P_S是注入连续光的光功率，ξ是光纤L上的位置，g_B(ξ,Δv)和P_P(ξ,Δv)分别是增益系数和光传播到光纤L上位置ξ处的光功率，P_S(t,Δv)是发生布里渊增益时测得的连续光的光功率、Δv是连续光与脉冲光的频率差。当光开关断开时，由半导体激光器发出的连续光入射到光隔离器A，经3dB光耦合器，声光调制器，扰偏器，脉冲放大器传入传感光纤，产生背向瑞利散射光，再经过光电探测器和数据采集卡采集信号，采集的探测信号的强度信息按下式计算

$P_{\mathrm{CW}}\left(t\right)=(v_g/2)E_0{\mathrm{\Γ}}_R\exp [-2\∂\mathrm{\ξ}]---\left(2\right)$

式中Γ_R为后向散射因子，E₀为注入光脉冲的能量，P_CW(t)瑞利散射光功率，v_g光的群速度，t是光传播到光纤L上位置ξ处所用的时间，是光纤经过距离ξ的衰减。

由于脉冲的时间间隔大于脉冲在光纤的传输时间，则数据采集卡在大于脉冲传输的时间后采集到的连续探测光的信号为没有获得布里渊增益，只是经过整条光纤衰减后的信号。可以表示为：

$P_{S0}=P_s\exp (-\∂L)---\left(3\right)$

P_S0是没有发生布里渊增益时测得的连续光的光功率、P_S注入的连续光光功率、是光纤衰减系数，L是光纤长度

(1)式除以（3）式，得到：

$\frac{P_S(t,\mathrm{\Δv})}{P_{S0}}\exp \left({\∫}_{\frac{v_{g}t}{2}}^{\frac{v_{g}t}{2}+\mathrm{\Δz}}{g}^B(\mathrm{\ξ},\mathrm{\Δv})P_P(\mathrm{\ξ},\mathrm{\Δv})\mathrm{d\ξ}\right)---\left(4\right)$

由（4）式，在v_gt/2到v_gt/2+Δz之间，由于光纤的距离比较短，可以假设g_B(ξ,Δv)不变，在不考虑脉冲能量转换的前提下，可以把P_P(ξ,Δv)近似认为其中P_P是注入脉冲光的光功率。

（4）式可以简化为

$\frac{P_S(t,\mathrm{\Δv})}{P_{S0}}=\exp \left({\∫}_{\frac{v_{g}t}{2}}^{\frac{v_{g}t}{2}+\mathrm{\Δz}}{g}^B{P}_P\exp (-\∂\mathrm{\ξ})\mathrm{d\ξ}\right)---\left(5\right)$

在积分的过程中，由于光纤比较短，可以近似看成常量，积分后可得

$\frac{P_S(t,\mathrm{\Δv})}{P_{S0}}=\mathrm{\Δz}{g}_B{P}_P\exp (-\∂\mathrm{\ξ})---\left(6\right)$

（6）式取平方除以（2）式得

$\left[\frac{P_S(t,\mathrm{\Δv})}{P_{S0}}\right]*2/P_{\mathrm{CW}}\left(t\right)=2\left({\mathrm{\Δzg}}_B{P}_P\right)*2/v_g{E}_0{\mathrm{\Γ}}_R---\left(7\right)$

就可以消去即为光纤衰减相，这样就实现了消除光在光纤中传播发生的衰减，即为BOTDA中的光纤衰减。

本发明方法通过光开关控制连续探测光的通断，分别产生布里渊散射和瑞利散射，通过布里渊散射和瑞利散射的数据来消除光纤衰减，提高了系统的稳定性。本发明具有以下优点：通过在布里渊温度及应变监测装置中加入光开关，达到去除光纤衰减的目的，本发明系统简单，成本较少，消除了光纤衰减的影响，明显提高了BOTDA系统对温度和应变信息解调的准确度，比较容易实现。

附图说明

图1是本发明光纤传感测温系统的结构示意图。

其中：1、半导体激光器，2、光隔离器A，3、光耦合器，4、声光调制器，5、掺铒光纤放大器，6、扰偏器，7、光开关，8、信号发生器，9、计算机，10、布拉格光栅，11、偏振控制器，12、电光调制器，13、微波扫频器，14、数据采集卡，15、光电探测器，16、光环形器A，17、光环形器B，18、光滤波器，19、光隔离器B，20、传感光纤。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但不限于此。

实施例：

本发明实施例如图1所示，一种消除光纤衰减的布里渊分布式光纤传感测温系统，包括一个布里渊温度及应变监测装置和一个光开关，其特征在于布里渊温度及应变监测装置包括半导体激光器1、光隔离器A2、B19、光耦合器3、声光调制器4、掺铒光纤放大器5、扰偏器6、偏振控制器11、电光调制器12、微波扫频器13、光滤波器18、传感光纤20、光环形器A16、B17、布拉格光栅10、光电探测器15、数据采集卡14、信号发生器8、计算机9，半导体激光器1位于光隔离器A2之前，光隔离器A2后面放置光耦合器3，光耦合器3输出端后面一路依次放置光开关7、偏振控制器11、电光调制器12、光滤波器18、光隔离器B19，另一路放置声光调制器4；光隔离器B19经传感光纤20和光环形器B17的2号端口相连接；声光调制器4输出端依次放置掺铒光纤放大器5、扰偏器6，扰偏器6经光纤和光环形器B的1号端口相连接；光环形器A16的1号端口、2号端口经光纤分别和光环形器B17的3号端口、布拉格光栅10相连接，其3号端口输出后连接到光电探测器15的输入端；光电探测器15的输出端连接到数据采集卡14的输入端，数据采集卡14的输出端连接到计算机9；信号发生器8分别和声光调制器4、微波扫频器13、光开关7及数据采集卡14相连接；微波扫频器13分别和电光调制器12相连接。

所述的半导体激光器1为窄线宽激光器，线宽为1.9MHz，波长1550nm，输出连续光功率为30mW。

所述的光隔离器2、19为1550nm波段的单模光隔离器，隔离度为30dB。

所述的光耦合器3为1:1的1*2的单模光耦合器。

所述的声光调制器4为1550nm的声光调制器，将一路连续光调制为脉宽为10ns，重复频率为1KHz的脉冲光。

所述的掺铒光纤放大器5将调制后的脉冲光峰值调节到布里渊阈值以上。

所述的扰偏器6为PCD-003扰偏器。

所述的偏振控制器11为三环型偏振控制器。

所述的电光调制器12和微波扫频器13型号分别为KG-AM系列10G电光调制器、HWS10120型微波扫频器，可调制另一路连续光产生10.65GHz左右的移频。

所述的光滤波器18将调制后的光的上边带滤除掉。

所述的传感光纤20为100Km单模光纤，外部为聚碳酸酯套管。

所述的光电探测器15是PR-200M3035型光电探测器。

所述的数据采集卡14是150M单通道数据采集卡。

Claims (9)

1.一种消除光纤衰减的布里渊分布式光纤传感测温系统，包括一个布里渊温度及应变监测装置和一个光开关，其特征在于布里渊温度及应变监测装置包括半导体激光器、光隔离器A、B、光耦合器、声光调制器、掺铒光纤放大器、扰偏器、偏振控制器、电光调制器、微波扫频器、光滤波器、传感光纤、光环形器A、B、布拉格光栅、光电探测器、数据采集卡、信号发生器、计算机，半导体激光器位于光隔离器A之前，光隔离器A后面放置光耦合器，光耦合器输出端后面一路依次放置光开关、偏振控制器、电光调制器、光滤波器、光隔离器B，另一路放置声光调制器；光隔离器B经传感光纤和光环形器B的2号端口相连接；声光调制器输出端依次放置掺铒光纤放大器、扰偏器，扰偏器经光纤和光环形器B的1号端口相连接；光环形器A的1号端口、2号端口经光纤分别和光环形器B的3号端口、布拉格光栅相连接，其3号端口输出后连接到光电探测器的输入端；光电探测器的输出端连接到数据采集卡的输入端，数据采集卡的输出端连接到计算机；信号发生器分别和声光调制器、微波扫频器、光开关及数据采集卡相连接；微波扫频器和电光调制器相连接。

2.如权利要求1所述的一种消除光纤衰减的布里渊分布式光纤传感测温系统，其特征在于所述的半导体激光器为窄线宽激光器，线宽为1.9MHz，波长1550nm，输出连续光功率为30mW。

3.如权利要求1所述的一种消除光纤衰减的布里渊分布式光纤传感测温系统，其特征在于所述的光隔离器为1550nm波段的单模光隔离器，隔离度为30dB。

4.如权利要求1所述的一种消除光纤衰减的布里渊分布式光纤传感测温系统，其特征在于所述的光耦合器为1:1的1*2的单模光耦合器。

5.如权利要求1所述的一种消除光纤衰减的布里渊分布式光纤传感测温系统，其特征在于所述的声光调制器为1550nm的声光调制器，将一路连续光调制为脉宽为10ns、重复频率为1KHz的脉冲光。

6.如权利要求1所述的一种消除光纤衰减的布里渊分布式光纤传感测温系统，其特征在于所述的扰偏器为PCD-003扰偏器。

7.如权利要求1所述的一种消除光纤衰减的布里渊分布式光纤传感测温系统，其特征在于所述的偏振控制器为三环型偏振控制器。

8.如权利要求1所述的一种消除光纤衰减的布里渊分布式光纤传感测温系统，其特征在于所述的光电探测器为PR-200M3035型光电探测器。

9.如权利要求1所述的一种消除光纤衰减的布里渊分布式光纤传感测温系统，其特征在于所述的数据采集卡为150M单通道数据采集卡。