CN103727966B - 谱线操作的远程光纤干涉系统相位噪声抑制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤传感技术，提供了一种谱线操作的远程光纤干涉系统相位噪声抑制方法及装置。所述装置包括窄线宽单频激光器、第一电光相位调制器、掺铒光纤放大器、传输光纤、第二电光相位调制器、光纤迈克尔逊干涉仪、光电探测器和信号采集及处理装置。所述方法包括：在传输光纤输入端通过电光相位调制器施加调制信号产生多频激光，在传输光纤输出端再次利用电光相位调制器的调制信号将调制产生的多频激光恢复成单频激光，同时两种调制信号之间的相位差为π的奇数倍，并且具有相同的频率和幅度。本发明利用两个电光相位调制器实现了可恢复的谱线操作，抑制了SBS并降低了系统的相位噪声，从而提高传感系统的最大输入功率和传感距离。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术，具体涉及基于可恢复谱线操作的远程光纤干涉系统及其相位噪声抑制方法。
背景技术
干涉型光纤传感技术由于其高灵敏度、大动态范围、抗电磁干扰等优点，在水声信号探测、石油勘探、地震波检测等领域取得了广泛应用。随着技术的进一步发展，近年来，干涉型光纤传感技术正朝大阵列、远距离方向发展。然而，传输光纤距离的增长导致了各种非线性效应的发生。特别是受激布里渊散射(SBS)以其低阈值特性成为了远程传输系统中最易发生的非线性效应。当系统输入功率超过SBS阈值时，后向斯托克斯光能量呈指数增长，不仅带来传输功率的大量消耗，并导致系统相位噪声的急剧增大使得系统性能急剧下降。SBS限制了传感系统最大输入功率，从而限制了最大传感距离。所以SBS抑制是远程光纤传感系统中必须要考虑的问题。以前的研究者们提出了各种SBS抑制技术。常见技术包括改变光偏振状态(公开号CN 102096267A)，改变光纤掺杂结构(公开号CN1265199A)，改变光纤温度和应力分布(CN 101800396A)，相位调制(公开号CN 101567725A)等。
其中相位调制技术以其操作简单，抑制效率高等优点具有巨大的应用前景。该技术通过对窄线宽单频光施加周期性相位调制信号以产生多频激光，使传输光各频率组分功率密度降低，从而有效地抑制了SBS(Liu,Lv et al.2009)，在干涉型光纤传感系统中，相位调制可抑制SBS及其引入的相位噪声(Chen and Meng2011)，然而，由式(1)可知，相位调制导致的激光线宽展宽将导致系统相位噪声增加，这限制了相位调制对系统相位噪声的抑制效果。
其中为相位噪声，ΔL为干涉仪臂差，Δυ为激光器谱宽，c为光速。
发明内容
本发明针对现有远程光纤干涉系统由于SBS导致的系统最大输入功率低，相位噪声大以及相位调制导致激光展宽带来的相位噪声增加的问题，提出了基于可恢复谱线操作的远程干涉型光纤传感系统相位噪声抑制方法及装置。
本发明的原理在于利用电光相位调制器在传输光纤输入端产生多频激光以抑制SBS及其带来的相位噪声，在传输光纤输出端再次利用电光相位调制器将调制产生的多频激光恢复成单频激光以抑制线宽展宽带来的相位噪声。该发明的技术目的在于抑制远程光纤干涉系统相位噪声并提高远程光纤干涉系统最大输入功率。
本发明采用的技术方案是：
一种谱线操作的远程光纤干涉系统相位噪声抑制装置，包括：窄线宽单频激光器(1)、第一电光相位调制器(2)、掺铒光纤放大器(3)、传输光纤(4)、第二电光相位调制器(5)、光纤迈克尔逊干涉仪(6)、光电探测器(7)和信号采集及处理装置(8)；所述窄线宽单频激光器(1)连接到第一电光相位调制器(2)的输入端口；所述第一电光相位调制器(2)输出端口经掺铒光纤放大器(3)连接到所述传输光纤(4)输入端口；所述传输光纤(4)输出端口经所述第二电光相位调制器(5)连接到所述光纤迈克尔逊干涉仪(6)输入端口；所述光纤迈克尔逊干涉仪(6)输出端口通过所述光电探测器(7)连接到所述信号采集及处理装置(8)；分别施加到所述第一电光相位调制器(2)与第二电光相位调制器(5)的调制信号之间的相位差为π的奇数倍，并且具有相同的频率和幅度。
进一步地，所述窄线宽单频激光器(1)的输出光为连续光或者脉冲光。
进一步地，所述分别施加到所述第一电光相位调制器(2)与第二电光相位调制器(5)的调制信号均为单频谐波信号，多频调制信号及或者伪随机码(PRBS)相位调制信号。
进一步地，所述光纤迈克尔逊干涉仪(6)包括压电陶瓷和法拉第旋转镜，所述光纤迈克尔逊干涉仪(6)一臂缠绕在所述压电陶瓷上，所述法拉第旋转镜置于光纤迈克尔逊干涉仪(6)两臂末端。
本发明还提供了一种谱线操作的远程光纤干涉系统相位噪声抑制方法，所述远程光纤干涉系统包括传输光纤，所述方法包括以下步骤：
S1.在所述传输光纤输入端口设置第一电光相位调制器，在所述第一电光相位调制器施加第一调制信号；
S2.在所述传输光纤输出端口设置第二电光相位调制器，在所述第二电光相位调制器施加第二调制信号，并且第二调制信号与步骤S1中第一调制信号之间的相位差为π的奇数倍，并且具有相同的频率和幅度。
进一步地，所述第一调制信号和第二调制信号均为单频谐波信号，多频调制信号及或者PRBS相位调制信号。
本发明的技术效果在于，利用两个电光相位调制器实现了可恢复的谱线操作，同时抑制了SBS及其导致的相位噪声与相位调制导致线宽展宽带来的相位噪声，从而降低了远程光纤干涉系统的整体相位噪声并可以提高传感系统的最大输入功率和传感距离。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图中：1为窄线宽单频激光器，2为第一电光相位调制器，3为掺铒光纤放大器，4为传输光纤，5为第二电光相位调制器，6为光纤迈克尔逊干涉仪，7为光电探测器，8为信号采集及处理装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
参见图1，本发明由窄线宽单频激光器1，第一电光相位调制器2，掺铒光纤放大器3，传输光纤4，第二电光相位调制器5，光纤迈克尔逊干涉仪6，光电探测器7，信号采集及处理装置8组成。窄线宽单频激光器1输出光通过第一相位调制器2展宽成多频激光，然后经掺铒光纤放大器3进行功率放大，通过传输光纤4传输后注入第二电光相位调制器5，输出光注入迈克尔逊干涉仪6输入端，光纤迈克尔逊干涉仪6输出由光电探测器7进行光电转换后后由信号采集及处理装置8进行信号处理。
本发明的核心是利用传输光纤两端的两个电光相位调制器实现对单频激光的可恢复谱线操作。假设窄线宽单频激光器产生的单频激光可表示为：
其中E0、ω0、分别表示输入光的光场幅度、频率、相位，t表示时间。
经过第一电光相位调制器施加频率为ω1的正弦调制信号，则输出表达式为：
将(3)式进行贝塞尔函数展开得：
其中，E10为第一电光相位调制器输出光场幅度，δ1为第一电光相位调制器的调制深度，δ1＝Vπ/Vπ，V为第一电光相位调制器的调制信号幅度，Vπ为第一电光相位调制器的半波电压，k为整数，Jk(δ1)为第一类k阶贝塞尔函数。由式(3)可以看出，单频光经相位调制后展宽为多频激光。该多频激光经过长距离传输后，若施加一个与原调制信号相位相差π的同频等幅调制信号，可实现单频激光的还原。输出光可表示为式(4)形式：
其中E20为第二电光相位调制器输出光场幅度，δ2,ω2分别为第二电光调制器调制信号的调制深度与调制频率。为第一、第二电光调制器之间上所加调制信号的相位差。当ω2＝ω1时，式(5)变成：
由式(5)可以看出，相位调制实现了单频激光的谱线展宽与单频恢复，称该过程为可恢复谱线操作过程。对于其它形式的相位调制信号，可视为单频调制信号的叠加。通过该过程，既通过相位调制抑制了SBS及其导致的相位噪声，又抑制了相位调制导致的线宽展宽带来的相位噪声，从而有效地抑制系统相位噪声。
本发明中，第一、第二电光相位调制器的调制信号可以分别由信号发生器的两通道施加，且两调制信号等频等幅，相位差为π的奇数倍。其中各调制信号可以包括单频谐波信号，多频调制信号及PRBS(伪随机码)等其它相位调制编码信号。
Claims (6)
1.一种谱线操作的远程光纤干涉系统相位噪声抑制装置，其特征在于包括：窄线宽单频激光器(1)、第一电光相位调制器(2)、掺铒光纤放大器(3)、传输光纤(4)、第二电光相位调制器(5)、光纤迈克尔逊干涉仪(6)、光电探测器(7)和信号采集及处理装置(8)；所述窄线宽单频激光器(1)连接到第一电光相位调制器(2)的输入端口；所述第一电光相位调制器(2)输出端口经掺铒光纤放大器(3)连接到所述传输光纤(4)输入端口；所述传输光纤(4)输出端口经所述第二电光相位调制器(5)连接到所述光纤迈克尔逊干涉仪(6)输入端口；所述光纤迈克尔逊干涉仪(6)输出端口通过所述光电探测器(7)连接到所述信号采集及处理装置(8)；分别施加到所述第一电光相位调制器(2)与第二电光相位调制器(5)的调制信号之间的相位差为π的奇数倍，并且具有相同的频率和幅度。
2.根据权利要求1所述的谱线操作的远程光纤干涉系统相位噪声抑制装置，其特征在于：所述窄线宽单频激光器(1)的输出光为连续光或者脉冲光。
3.根据权利要求1所述的谱线操作的远程光纤干涉系统相位噪声抑制装置，其特征在于：所述分别施加到所述第一电光相位调制器(2)与第二电光相位调制器(5)的调制信号均为单频谐波信号，多频调制信号或者PRBS相位调制信号。
4.根据权利要求1所述的谱线操作的远程光纤干涉系统相位噪声抑制装置，其特征在于：所述光纤迈克尔逊干涉仪(6)包括压电陶瓷和法拉第旋转镜，所述光纤迈克尔逊干涉仪(6)一臂缠绕在所述压电陶瓷上，所述法拉第旋转镜置于光纤迈克尔逊干涉仪(6)两臂末端。
5.一种谱线操作的远程光纤干涉系统相位噪声抑制方法，所述远程光纤干涉系统包括传输光纤，其特征在于包括以下步骤：
S1.在所述传输光纤输入端口设置第一电光相位调制器，在所述第一电光相位调制器施加第一调制信号；
S2.在所述传输光纤输出端口设置第二电光相位调制器，在所述第二电光相位调制器施加第二调制信号，并且第二调制信号与步骤S1中第一调制信号之间的相位差为π的奇数倍，并且具有相同的频率和幅度。
6.根据权利要求5所述的谱线操作的远程光纤干涉系统相位噪声抑制方法，其特征在于：所述第一调制信号和第二调制信号均为单频谐波信号，多频调制信号或者PRBS相位调制信号。
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