CN103954311A - 基于布里渊放大的相位敏感光时域反射计 - Google Patents
基于布里渊放大的相位敏感光时域反射计 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于布里渊放大的相位敏感光时域反射计，包括传感光纤和三个光路，第一光路为探测光路，第二光路为泵浦光路，第三光路为本地光路，第二光路的光与第三光路的光源于同一激光器，第一光路的光的频率与第二光路的光的频率差异等于所述的传感光纤的布里渊散射频移。本发明不仅可以解决系统中信号衰弱难以探测的问题，而且可以通过放大信号的强度提升系统的信噪比，利于系统进行快速的动态探测。本发明不仅将极大推动相位敏感光时域反射计的快速发展，而且为其他分布式光纤传感技术提供很好的借鉴意义。
Description
技术领域
本发明涉及光纤相位敏感光时域反射计，特别是一种基于布里渊放大的相位敏感光时域反射计。
背景技术
相位敏感光时域反射计是一种基于瑞利散射的新型分布式光纤传感技术，由于具有灵敏度高、可动态感测等优点，能对沿光纤线路范围内的入侵进行远程和实时动态的安全监测，受到了人们的广泛关注。它是采用窄线宽（约为KHz）和极小频率漂移的激光器作为光源，通过探测脉冲宽度区域内后向瑞利散射光的干涉信号而获得扰动位置处的各种特征物理量（振幅、相位、频率等），并通过回波时间对扰动进行定位。因此，它除了常规分布式光纤传感诸多特点外，还具有隐蔽性、定位精度高、数据处理简单等优点，特别适合于天然气、石油管道等安全监控，语音侦听，以及民用设施如桥梁、大型建筑等的健康监测。
H.F.Taylor在1993年就提出了相位敏感光时域反射计技术，该技术的问世极大提高了分布式光纤传感技术的灵敏度。但是采用的是直接探测的方法，采用强度信息作为系统的信号，信噪比差，只能进行定性传感，如周界安防等，无法进行定量分析，难以满足应用中的需求，特别是长距离传感方面。具体参见【H.F.Taylor andC.E.Lee.Apparatus and method for fiber optic intrusion sensing.U.S.Patent5,1993:194847.】。
在先技术一【周俊，潘政清，梁可桢，叶青，蔡海文，瞿荣辉，光频分复用相位敏感光时域反射计，发明专利，申请号：201210124995.3】提出了数字相干检测和频分复用技术。该相干检测方法可以有效地解调出相位信息，真实的反映光纤受扰动的变化，从根本上提升了系统准确度和可靠性，实现了定量分析。频分复用技术则解决系统技术中干涉衰落的影响，提升了信噪比。不过没有考虑在长距离传感中的应用。
在先技术二【饶云江,吴慧娟,王杰,贾新鸿,一种超长距离相敏光时域反射系统,专利号：201210193337.X】采用掺铒光纤放大器和拉曼放大方法，提升了单段探测光纤长度，解决了中继放大施工复杂的问题。但是，拉曼放大的增益带宽大，引入噪声大，泵浦功率阈值高。
发明内容
为了克服上述在先技术的缺点，本发明的目的在于提出一种基于布里渊放大的长距离相位敏感光时域反射计，以期突破目前相关长距离相位敏感光时域反射计领域发展所面临的低能量利用率、高泵浦功率、中继放大施工不便等瓶颈问题。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于布里渊放大的相位敏感光时域反射计，包括传感光纤，其特点在于还包括三个光路，第一光路为探测光路，第二光路为泵浦光路，第三光路为本地光路，第二光路的光与第三光路的光源于同一激光器，第一光路的光的频率与第二光路的光的频率差异等于所述的传感光纤的布里渊散射频移；
第一光路包括：连续的窄线宽激光器发出的光，经过第一光放大器、第一光耦合器分为两路：一路光由第一光耦合器的第一输出端输出后，依次经第二光放大器、第一光光调制器、第三光放大器、环行器第1端输入第2端输出注入传感光纤中；另一路光则由所述的第一光耦合器的第二输出端输出形成第三光路；
第二光路的光源及依次的第二光光调制器、第四光放大器、第一单向器形成第二光路；该第二光路的泵浦光经单向器注入传感光纤中进行泵浦，第一光路的探测光经环行器第1端输入第2端输出注入所述的传感光纤中，并与第二路光在所述的传感光纤中相互作用，进行布里渊放大，所述的探测光的后向瑞利散射光经所述的环行器的第3端输出，后与第三光路的光进入第四光纤耦合器，该第四光纤光耦合器的两个输出接双平衡探测器的两个输入端，该双平衡探测器的输出端接数据采集与处理系统的第一输入端，控制系统的第一输出端接第一光调制器的同步信号端，控制系统的第二输出端接第一光调制器第二光调制器的同步信号端，控制系统的第三输出端接所述的数据采集与处理系统的第二输入端，该数据采集与处理系统的输出端接计算机的输入端。
第二光路可以通过移频、锁频多种方式获得。
所述的泵浦方式为同向泵浦、反向泵浦或双向泵浦。
所述的第二路光与所述的第一路光从所述的传感光纤的同一端注入；第二路的光源由所述的连续的窄线宽激光器的光进行上频移获得。
所述的第二路光和第一路光从所述的传感光纤的不同端注入；第二路的光源由所述的连续的窄线宽激光器的光进行上频移获得。
所述的第二路光和第一路光从所述的传感光纤的不同端注入；第二路的光源是对第二激光器进行锁频获得。
所述的第二路光和第一路光从所述的传感光纤的同一端注入；第二路的光源是对第二激光器进行锁频获得。
所述的第二路光分为两部分，第一部分与所述的第一路光从所述的传感光纤的同一端注入，第二部分与所述的第一路光从所述的传感光纤的不同端注入；第二路的第一部分的光源由所述的连续的窄线宽激光器的光进行上频移获得，而第二部分的光源是对第二激光器进行锁频获得。
本发明的具体原理如下：
泵浦光在光纤中传输时，若光强比较大，会产生布里渊散射。与泵浦光相反方向的布里渊散射光的频移最大，强度最大。如果有一束比较微弱的信号光与泵浦光反向传播时，而且信号光与泵浦光的频率之差恰好等于布里渊频移时，两者之间会发生能量转移，使得信号光得以放大。由于布里渊放大的线宽非常窄，只有数十MHz，其引入的附加噪声比较小，能量利用率比较高。同时，布里渊放大的阈值非常小。
泵浦功率阈值随脉冲长度L的变化可以用下式来计算：
Pth＝21Aeff/gBL
Aeff是光纤的有效面积，gB是布里渊散射最大频偏处（即反向）的增益系数。适当选取泵浦脉冲L，可以利用比较小的泵浦功率获取大的增益。
本发明具有如下的特点和优点：
(1)创新性的提出了利用布里渊放大实现相位敏感光时域反射计信噪比提升的思想，使得无中继长距离分布式扰动信号的高速动态测量成为可能。
(2)将布里渊放大应用到相位敏感光时域反射计中，引入噪声小，信噪比高，且泵浦功率阈值小，能量利用率高。
(3)传感长度较一般的相位敏感光时域反射计长，可应用的范围广泛，适用于各种长距离振动、温度的动态检测，在地震波探测、军事基地安全防护、列车防撞、远距离侦听等相关领域有着其他传感器不可比拟的优势，但不限于此。
附图说明
图1是本发明基于布里渊放大的相位敏感光时域反射计的结构示意图
图2是本发明系统同步时序图；
图3是本发明实施例一的系统结构示意图；
图4是本发明实施例二的系统结构示意图；
图5是本发明实施例三的系统结构示意图；
图6是本发明实施例四的系统结构示意图；
图7是本发明实施例五的系统结构示意图；
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。根据本发明的思想，可以采用若干实施方法。如下几种方案仅作为该发明思想的解释说明，具体方案并不局限于此。
本发明系统的同步控制时序参数的选取如图2所示，1803为同步信号，也可以作为数据采集系统的触发信号。1802、1803分别为提供给第一光调制器6、第二光光调制器12的开关信号。T为系统的周期，受光纤长度L的限制，其具体数值可以通过该公式T=2nL/c计算，也可以略大于该数值。τ1为第一光调制器6开启时刻与系统时间的延迟，受系统周期T、脉冲宽度等因素的影响，取值范围较大。τ2是泵浦光与信号光脉冲的延迟，它决定了进行布里渊放大的区域。若过大，则只对一小部分放大，甚至无法进行放大。T>T0时，不能超过T0。可以取为0，此时，将对所有的信号进行放大。τ3是第一光光调制器6的开启时间，决定了信号光脉冲的长度和空间分辨率。当其过大时，会加重系统的干涉衰落fading。τ4是光调制器12的开启时间，决定了泵浦光脉冲的长度，影响信号光的增益强度以及泵浦阈值。
实施例一，是采用单激光器的同向注入式系统结构，如图3所示。包括连续的窄线宽激光器1，第一光放大器2、第二光放大器5、第三光放大器7、第四光放大器13，第一光纤耦合器3、第二光纤耦合器4、第三光纤耦合器9、第四光纤耦合器14，第一光调制器6、第二光调制器12，传感光纤10），移频器11，环行器8，双平衡光电探测器15，数据采集与处理系统16、计算机17和同步控制系统18，第一单向器24。
连续窄线宽激光器1输出光经过第一光放大器2放大，后经过第一光耦合器3分为两路。其中一路经过第二耦合器4后又分为两路。第二光耦合器4的第一个输出（即第一光路，探测光路）在第二光放大器5的放大后，由第一光调制器6调制为光脉冲。光脉冲经过第三光放大器7放大后由环行器8的a口进入，并由其b口注入到传感光纤（光缆）10。第二耦合器4的另一个输出光（即第二光路，泵浦光路）经过移频器11的布里渊上频移作用，成为泵浦光。该泵浦光经第二光调制器12调制成长度合适的泵浦光脉冲。泵浦光脉冲经第四光放大器13、第一单向器24后，经过第三耦合器9与探测光同向进入传感光纤（光缆）10。对后向传输的瑞利散射信号进行放大。第一光耦合器3的第二个输出端的光（即第三光路，本地光路）与环行器8的c口的后向瑞丽散射信号光一起进入第四光耦合器14进行拍频。拍频信号被双平衡探测器16探测到并将差频电信号经1501送到数据采集及处理系统16。数据处理的结果送到计算机17。控制系统18则通过输出同步电信号和驱动信号，使得第一光调制器6、第二光调制器12、数据采集与处理系统16以及计算机17的同步。
实施例二，是采用单激光器的反向注入式系统结构，如图4所示。包括连续的窄线宽激光器1，第一光放大器2、第二光放大器5、第三光放大器7、第四光放大器13，第一光纤耦合器3、第二光纤耦合器4、第四光纤耦合器14，第一光调制器6、第二光调制器12，传感光纤10，移频器11，环行器8，双平衡光电探测器15，数据采集与处理系统16、计算机17和同步控制系统18，第一单向器24。
连续窄线宽激光器1输出光经过第一光放大器2放大，后经过第一光耦合器3分为两路。其中一路经过第二光耦合器4后又分为两路。第二光耦合器4的第一个输出（即第一光路，探测光路）在第二光放大器5的放大后，由第一光调制器6调制为光脉冲。光脉冲经过第三光放大器7由环行器8的a口进入环行器8，并由其b口注入到传感光纤（光缆）10。第二光耦合器4的另一个输出光（即第二光路，泵浦光路）经过移频器11的布里渊上频移作用，成为泵浦光。泵浦光经第二光光调制器12调制成长度合适的泵浦光脉冲。泵浦光脉冲经第四光放大器13、第一单向器24后，从传感光纤10的另一端后向注入，对前向传输的探测光进行放大。第一光耦合器3的第二个输出端的光（即第三光路，本地光路）与环行器8的c口的后向瑞丽散射信号光一起进入第四光耦合器14进行拍频。拍频信号被双平衡探测器16探测到并将差频电信号经1501送到数据采集及处理系统16。数据处理的结果送到计算机17。控制系统18则通过输出同步电信号和驱动信号，使得第一光光调制器6、第二光光调制器12、光放大器13，第一光纤耦合器3、第四光纤耦合器14，第一光光调制器6、第二光光调制器12，传感光纤10，环行器8，双平衡光电探测器15，数据采集与处理系统16、计算机17和同步控制系统18，第一单向器24，锁频器20和第二激光器19。
连续窄线宽激光器1输出光经过第一光放大器2放大，后经过第一光耦合器3分为两路。第一光耦合器3的第一个输出（即第一光路，探测光路）在第二光放大器5的放大后，由第一光调制器6调制为光脉冲。光脉冲经过第三光放大器7由环行器8的a口进入，并由其b口注入到传感光纤（光缆）10。第二光路（即泵浦光路）则是在锁频器20的作用下利用连续窄线宽激光器1锁定第二激光器19的频率而获得的。泵浦光经第二光光调制器12调制成长度合适的泵浦光脉冲。泵浦光脉冲经第四光放大器13、第一单向器24后，从传感光纤（光缆）10的另一端后向注入，对前向传输的探测光进行放大。第一光耦合器3的第二个输出端的光（即第三光路，本地光路）与环行器8的c口的后向瑞丽散射信号光一起进入第四光耦合器14进行拍频。拍频信号被双平衡探测器16探测到并将差频电信号经1501送到数据采集及处理系统16。数据处理的结果送到计算机17。控制系统18则通过输出同步电信号和驱动信号，使得第一光光调制器6、第二光调制器12、数据采集与处理系统16以及计算机17的同步。
实施例四，是采用双激光器的同向注入式系统结构，如图6所示。包括连续的窄线宽激光器1，第一光放大器2、第二光放大器5、第三光放大器7、第四光放大器13，第一光纤耦合器3、第二光纤耦合器4、第三光纤耦合器9、第四光纤耦合器14，第一光调制器6、第二光调制器12，传感光纤10，移频器11，环行器8，双平衡光电探测器15，数据采集与处理系统16、计算机17和同步控制系统18，第一单向器24，锁频器20和第二激光器19。
连续窄线宽激光器1输出光经过第一光放大器2放大，后经过第一光耦合器3分为两路。第一光耦合器3的第一个输出（即第一光路，探测光路）在第二光放大器5的放大后，由第一光调制器6调制为光脉冲。光脉冲经过第三光放大器7由环行器8的a口进入环行器8并由其b口注入到传感光纤（光缆）10。第二光路（即泵浦光路）则是在锁频器20的作用下利用连续窄线宽激光器1锁定第二激光器19的频率而获得的。泵浦光经第二光光调制器12调制成长度合适的泵浦光脉冲。泵浦光脉冲经第四光放大器13、第一单向器24后，经过第三耦合器9与探测光同向进入传感光纤（光缆）10。对后向传输的瑞利散射光进行放大。第一光耦合器3的第二个输出端的光（即第三光路，本地光路）与环行器8的c口的后向瑞丽散射信号光一起进入第四光耦合器14进行拍频。拍频信号被双平衡探测器16探测到并将差频电信号经1501送到数据采集及处理系统16。数据处理的结果送到计算机17。控制系统18则通过输出同步电信号和驱动信号，使得第一光光调制器6、第二光光调制器12、数据采集与处理系统16以及计算机17的同步。
实施例五，是采用双激光器的双向注入式系统结构，如图7所示。包括连续的窄线宽激光器1，第一光放大器2、第二光放大器5、第三光放大器7、第四光放大器13、第五光放大器23，第一光纤耦合器3、第二光纤耦合器4、第三光纤耦合器9、第四光纤耦合器14，第一光光调制器6、第二光光调制器12、第三光光调制器22，传感光纤10，移频器11，环行器8，双平衡光电探测器15，数据采集与处理系统16、计算机17和同步控制系统18，第一单向器24、第二单向器25，锁频器20和第二激光器19。
连续窄线宽激光器1输出光经过第一光放大器2放大，后经过第一光耦合器3分为两路。其中一路经过第二光耦合器4后又分为两路。第二光耦合器4的第一个输出（即第一光路，探测光路）在第二光放大器5的放大后，由第一光调制器6调制为光脉冲。光脉冲经过第三光放大器7由环行器8的a口进入环行器8，并由其b口注入到传感光纤（光缆）10。第二光耦合器4的另一个输出（即第二光路的第一部分，同向泵浦光路）经过移频器11的布里渊上频移作用，成为泵浦光。泵浦光经第二光光调制器12调制成长度合适的泵浦光脉冲。泵浦光脉冲经第四光放大器13、第一单向器24后，经过第三光耦合器9与探测光同向进入传感光纤（光缆）10。对后向传输的瑞利散射信号进行放大。第二光路的第二部分（即反向泵浦光路）则是在锁频器20的作用下利用连续窄线宽激光器1锁定第二激光器19的频率而获得的。泵浦光经第三光调制器22调制成长度合适的泵浦光脉冲。泵浦光脉冲经第五光放大器23、第一单向器24，之后从所述的传感光纤（光缆）10的另一端后向注入，对前向传输的探测光进行放大。第一光耦合器3的第二个输出端的光（即第三光路，本地光路）与环行器8的c口的后向瑞丽散射信号光一起进入第四光耦合器14进行拍频。拍频信号被双平衡探测器16探测到并将差频电信号经1501送到数据采集及处理系统16。数据处理的结果送到计算机17。控制系统18则通过输出同步电信号和驱动信号，使得第一光调制器6、第二光调制器12、数据采集与处理系统16以及计算机17的同步。
以上方案均可以进行多种拓展或变形，只是限于篇幅不再赘述，但均属于该专利。
Claims (8)
1.一种基于布里渊放大的相位敏感光时域反射计，包括传感光纤（10），其特征在于还包括三个光路，第一光路为探测光路，第二光路为泵浦光路，第三光路为本地光路，第二光路的光与第三光路的光源于同一激光器，第一光路的光的频率与第二光路的光的频率差异等于所述的传感光纤的布里渊散射频移；
第一光路包括：连续的窄线宽激光器（1）发出的光，经过第一光放大器（2）、第一光耦合器（3）分为两路：一路光由第一光耦合器（3）的第一输出端（301）输出后，依次经第二光放大器（5）、第一光调制器（6）、第三光放大器（7）、环行器（8）第1端输入第2端输出注入传感光纤（10）中；另一路光则由所述的第一光耦合器（3）的第二输出端（302）输出形成第三光路；
第二光路的光源（21）及依次的第二光调制器（12）、第四光放大器（13）、第一单向器（24）形成第二光路；该第二光路的泵浦光经单向器（24）注入传感光纤（10）中进行泵浦，第一光路的探测光经环行器（8）第1端输入第2端输出注入所述的传感光纤（10）中，并与第二路光在所述的传感光纤（10）中相互作用，进行布里渊放大，所述的探测光的后向瑞利散射光经所述的环行器（8）的第3端输出，后与第三光路的光进入第四光纤耦合器（14），该第四光纤光耦合器（14）的两个输出接双平衡探测器（15）的两个输入端，该双平衡探测器（15）的输出端接数据采集与处理系统（16）的第一输入端，控制系统（18）的第一输出端接第一光调制器（6）的同步信号端，控制系统（18）的第二输出端接第二光调制器（12）的同步信号端，控制系统（18）的第三输出端接所述的数据采集与处理系统（16）的第二输入端，该数据采集与处理系统（16）的输出端接计算机（17）的输入端。
2.根据权利要求1所述的基于布里渊放大的相位敏感光时域反射计，其特征在于第二光路可以通过移频、锁频等多种方式获得。
3.根据权利要求1所述的基于布里渊放大的相位敏感光时域反射计，其特征在于泵浦方式可以为同向泵浦、反向泵浦或双向泵浦。
4.根据权利要求1所述的基于布里渊放大的相位敏感光时域反射计，特征在于，所述的第二路光与所述的第一路光从所述的传感光纤（10）的同一端注入；第二路的光源（21）由所述的连续的窄线宽激光器（1）的光进行上频移获得。
5.根据权利要求1所述的基于布里渊放大的相位敏感光时域反射计，其特征在于，所述的第二路光和第一路光从所述的传感光纤（10）的不同端注入；第二路的光源（21）由所述的连续的窄线宽激光器（1）的光进行上频移获得。
6.根据权利要求1所述的基于布里渊放大的相位敏感光时域反射计，其特征在于，所述的第二路光和第一路光从所述的传感光纤（10）的不同端注入；第二路的光源（21）是对第二激光器（19）进行锁频获得。
7.根据权利要求1所述的基于布里渊放大的相位敏感光时域反射计，其特征在于，所述的第二路光和第一路光从所述的传感光纤（10）的同一端注入；第二路的光源（21）是对第二激光器（19）进行锁频获得。
8.根据权利要求1所述的基于布里渊放大的相位敏感光时域反射计，其特征在于，所述的第二路光分为两部分，第一部分与所述的第一路光从所述的传感光纤（10）的同一端注入，第二部分与所述的第一路光从所述的传感光纤（10）的不同端注入；第二路的第一部分的光源（21）由所述的连续的窄线宽激光器（1）的光进行上频移获得，而第二部分的光源（21）是对第二激光器（19）进行锁频获得。
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