CN104111086A - 基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的设置方法，包括光脉冲信号产生单元（100），产生的光脉冲信号经扰偏器（106）后进入环形器（107）的第一个端口，从环形器的第二个端口进入到传感光纤（108），脉冲信号光在传感光纤108中的背向散射光经环形器的第三个端口进入到滤波器单元（109），滤波器单元（109）输出的信号光与本振光单元（110）输出的光经耦合器（117）耦合后进探测与信号处理单元（118）中，由探测和信号处理单元(118)对信号进行采集和处理；该布里渊光时域反射仪传感光纤采用的是单模传感光纤，该传感光纤是由多组不同布里渊频移组成的传感光纤。

Description

基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的装置与方法

技术领域

本发明涉及一种基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的装置，以及一种增加光纤布里渊散射阈值的方法，主要应用于长距离连续分布式布里渊光纤传感等技术领域。

背景技术

在连续分布式光纤传感中，以自发布里渊散射为基础的布里渊光时域反射仪(BOTDR)在各种结构安全的诊断和监测上有着非常重要的应用，BOTDR主要是利用光纤中自发布里渊散射光谱频移量与光纤温度和所受应力的线性关系来获取光纤沿线温度与应力的分布情况。因为布里渊光时域反射仪利用的是自发布里渊散射，这就要求入射光不能超过一定的阈值功率，如果注入光功率超过一定阈值的时候，布里渊散射迅速增强，散射就变成受激布里渊散射，受激布里渊散射将把绝大部分输入光转换为后向斯托克斯光，降低了入射光的前向传输距离，限制了传感的距离。传感距离的增加，一方面需要高的注入光功率，另一方面降低了布里渊阈值，而布里渊阈值的降低，又限制了传感的距离。人们对提高光纤布里渊阈值做了一些研究，但设计的抑制布里渊光纤主要是在短距离的布里渊光纤激光器上。同时，对BOTDR而言，由于利用的自发布里渊散射光比较弱，且在普通单模光纤中对于1550nm的入射光，布里渊频移约为11GHz，所以利用直接探测的方法很难获得准确的布里渊散射信号，这就带来了较大的测量误差。随着探测器带宽的增加，等效噪声功率值越大，即可探测到的最小功率越大，影响了BOTDR系统的温度和应变的分辨率。此外，BOTDR系统的空间分辨率受探测脉冲宽度和探测器的带宽限制，要提高空间分辨率必须减小探测脉冲宽度，且需要增加探测器的带宽，而探测器带宽越宽，因此系统的空间分辨率和温度、应变的分辨率难以同时提高。由于普通单模光纤自身结构的限制，使得在普通单模光纤的受激布里渊阈值较低，当发生受激布里渊散射时，绝大部分入射光转换成背向散射光，这就影响了传感的距离。为了增加传感距离，必须提高探测信号的功率；而随着传感距离的增加，受激布里渊散射的阈值在降低，越容易产生受激布里渊散射，这就限制了BOTDR中的传感距离。路元刚等提出的发明专利，授权号:CN100504309C采用微波源和电光调制器的方法降低了探测器的带宽，但是，在微波段11GHz电子学检测难度较大，而且价格很昂贵。有的学者提出了取代相干检测系统中的微波信号源的方案，2007年美国的J.Geng(J.Geng,S.Staines,M.Blake,andS.Jiang,“Distributed fiber temperature and strain sensor using coherentradio-frequency detection of spontaneous Brillouin scattering,”App.Opt.46,5928-5932,2007)报道了一种不需要微波信号源的布里渊时域反射仪，其核心是利用一个布里渊激光器作为本振光，这种方法可以降低探测器的带宽，但是该本振光的系统比较复杂，而且必须采用另外一个高精度的微波源和电光调制器，微波源和调制器的精度限制了系统的性能，也增加了系统的成本。2009年日本NTT公司的D.Iida(D.Iida andF.Ito,“Cost-effective bandwidth-reduced Brillouin optical time domainreflectometry using a reference Brillouin scattering beam,”App.Opt.48,4302-4309,2009)报道了另外一种不需要微波源的布里渊光时域反射仪，利用的是一根与传感光纤不同的光纤产生的布里渊散射光作为本振光，通常在光纤中布里渊散射光(约30MHz)的线宽比一般的DFB激光器的线宽(1-5MHz)宽好几倍，由于本振光的线宽较宽影响了测量的精度。张旭苹等提出的发明专利，授权号:CN102393182A，三层结构传感光纤结合布里渊激光器单元的布里渊光时域反射仪，降低了探测器的带宽，但是该发明在实施过程中没有指明扫频的方法。

发明内容

本发明目的是：为了克服现有技术的缺点，提高布里渊光时域反射仪的测量精度和传感长度，以及降低探测器的电子带宽等问题，本发明提供一种基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的装置与方法及其基于多段不同布里渊频移光纤结构的传感光纤，提出的传感光纤不仅能够提高布里渊阈值增加传感距离，而且能够降低布里渊频移减小探测器的带宽；同时，通过设计出简单的布里渊环形腔激光器作为相干探测的本振光，大大降低了探测器的带宽，本振光单元利用设计的基于TEC温度控制单元进行扫频控制，提高布里渊光时域反射仪的测量精度。

本发明的目的是这样实现的：一种基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的设置方法，包括光脉冲信号产生单元100，产生的光脉冲信号经扰偏器106后进入环形器107的第一个端口，从环形器的第二个端口进入到传感光纤108，脉冲信号光在传感光纤108中的背向散射光经环形器107的第三个端口进入到滤波器单元109，滤波器单元109输出的信号光与本振光单元110输出的光经耦合器117耦合后进探测与信号处理单元118中，由探测和信号处理单元(118)对信号进行采集和处理。所述光脉冲信号产生单元100是由激光器101发出的连续光，经耦合器102分光后，一路连续光进入到偏振控制器103，经调制器105调制成具有一定脉宽的光脉冲信号，该调制器由脉冲发生器104驱动与控制，为了控制光脉冲信号的偏振态，光脉冲信号经过扰偏器106后，通过环形器107进入到传感光纤108。该布里渊光时域反射仪传感光纤108采用的是单模传感光纤，该传感光纤108是由多组不同布里渊频移组成的传感光纤。

所述多组不同布里渊频移组成的传感光纤：每组不同布里渊频移组成的传感光纤是指从低布里渊频移光纤到高布里渊频移光纤组合的传感光纤；或从高布里渊频移光纤到低布里渊频移光纤组合的传感光纤；上述从低布里渊频移光纤到高布里渊频移光纤指从入射光端口开始分布的频移光纤，设低布里渊频移光纤到高布里渊频移光纤之间的布里渊频移差为δf_B，第一段（和第二光纤长度可以相同或相异）光纤（低或高布里渊频移光纤，其长度可以相同或不相同）的长度为x；例如每段光纤长度为1±0.5km，组数为1-20组。

多组与二段传感光纤的组合不同布里渊频移组成的传感光纤通过拉制或通过熔接获得所需的传感光纤。

另设有本振光单元(110)、信号探测与处理单元(118)。

所述光脉冲产生单元100也可以是能产生一定脉冲宽度的窄线宽脉冲激光器。脉冲发生器用于驱动调制器产生脉冲和时钟控制。

所述光脉冲信号产生单元100中的调制器105可以是电光调制器、声光调制器，也可以是其它的调制器，所述调制器105可以是单个调制器也可以是多个调制器组成的调制器阵列。所述本振光单元110为单频布里渊激光器，它是由掺铒光纤放大器111，环形器112，单模光纤113，隔离器114，耦合器115和基于TEC温度控制器单元116构成的布里渊激光器。

所述基于温度控制器单元116为基于TEC的温度控制器，也可以是其它高灵敏温度、应力控制器等。

所述滤波器单元109可以是能达到将背向瑞利散射光和背向布里渊散射光分离的反射式光纤光栅，法布里-珀罗干涉仪，或者多个光纤光栅及隔离器组成的光纤光栅滤波器，其他光滤波器等中的一种。

所述探测和信号处理单元117是由探测器118和信号处理器119组成；所述探测器118可以是高灵敏度的探测器，也可以是其他的平衡探测器等。

所述信号处理器119可以由频谱分析仪或采集卡与计算机或者高速数字示波器组合等。

在光纤中影响布里渊阈值功率的因素有很多，除了光纤长度、有效纤芯面积、光纤损耗等外，还与光纤长度上布里渊频移分布所引起的布里渊增益有关。通常，在光纤长度上布里渊频移相同的光纤，布里渊增益可以视为常数来处理，而在不同布里渊频移分布的光纤中，布里渊增益就受到布里渊频移分布的影响。

当入射光注入到光纤时，泵浦光功率I_p(z)与斯托克斯光功率I_s(f,z)以及频率f的关系，可以表示为：

$\frac{{\mathrm{dI}}_s(f,z)}{\mathrm{dz}}=-g_B(f,z)\frac{I_p\left(z\right)}{A_{\mathrm{eff}}}{I}_s(f,z)+\mathrm{\α}{I}_s(f,z)$

其中α为光纤损耗系数，z为光纤的纵向长度，A_eff为光纤的有效纤芯面积，g(f,z)为洛伦兹形状的布里渊散射增益系数，可以表示为：

$g_B(f,z)=\frac{g_B}{1+[(f-f_B\left(z\right))/(\mathrm{\Δ}{f}_B/2){]}^2}$

其中f_B(z)为在光纤长度z处的布里渊频移，Δf_B是和声子寿命有关的布里渊增益带宽，在入射光波长为1.55μm时，石英光纤的Δf_B大约为35MHz。对于统一布里渊频移光纤，布里渊频移f_B和光纤长度z处的布里渊频移f_B(z)相等，则统一布里渊频移光纤的增益系数g_B(f_B,z)＝g_B，g_B为统一布里渊频移光纤的布里渊增益系数。

设光纤长度为L，通过计算可以得出在入射光处，也就是_z＝0处的斯托克斯光功率为：

$I_s(f,0)=I_s(f,z)\exp [-\mathrm{\αL}+\frac{1}{A_{\mathrm{eff}}}{\∫}_0^L{g}_B(f,z)I_p\left(z\right)\mathrm{dz}]$

如果不考虑入射光的损耗，则在光纤长度z处，入射光的光功率I_p(z)可以表示为I_p(z)＝I_p(0)exp(-αz)，可以得到：

$I_s(f,0)=I_s(f,L)\exp [-\mathrm{\αL}+\frac{I_p\left(0\right)}{A_{\mathrm{eff}}}G\left(f\right)]$

其中G(f)是有效布里渊增益，可以表示为：

$G\left(f\right)={\∫}_0^L{g}_B(f,z)\exp (-\mathrm{\αz})\mathrm{dz}=g_B{\∫}_0^L\frac{\exp (-\mathrm{\αz})}{1+[(f-f_B\left(z\right))/\left(\mathrm{\Δ}{f}_B\right){]}^2}\mathrm{dz}$

由上式可以得出，统一布里渊频移光纤的布里渊增益为：

$G\left(f_B\right)=\frac{g_B}{\mathrm{\α}}[1-\exp (-\mathrm{\αL})]$

由以上分析计算可以知道，G(f)≤G(f_B)，也就是统一布里渊频移光纤的有效布里渊增益小于非统一的布里渊频移光纤的有效增益。布里渊散射阈值P_th可以表示为：

$P_{\mathrm{th}}=21\frac{{\mathrm{KA}}_{\mathrm{eff}}}{G\left(f\right)}$

其中K为极化因子，可以看出布里渊散射阈值P_th与有效增益G(f)成反比，对于非统一布里渊频移光纤的阈值是由光纤长度上最大布里渊频移处的增益G(f_max)决定，如果使用非统一布里渊频移光纤，就减小了光纤的有效布里渊增益，从而增加了布里渊阈值功率，那么非统一布里渊频移光纤相对于统一布里渊频移光纤增加的布里渊阈值P_th'可以表示为：

$P_{\mathrm{th}}^{\′}=10\log \left[\frac{g_B{L}_{\mathrm{eff}}}{G\left(f_{\max }\right)}\right]$

从入射光端口开始，传感光纤是从低布里渊频移光纤到高布里渊频移光纤的组合，布里渊频移逐渐增加，也可以从高布里渊频移光纤到低布里渊频移光纤，布里渊频移逐渐减小；设低布里渊频移光纤到高布里渊频移光纤之间的布里渊频移差为δf_B，第一段（和第二光纤长度可以相同或相异）光纤（低或高布里渊频移光纤）的长度为x，第一段光纤和第二段光纤（高或低布里渊频移光纤）的总长为ΔL，总的光纤长为L，若干上述第一段第二段组组合（熔接或拉制），光纤段组数当入射光是由高布里渊频移光纤到低布里渊频移光纤的组合时布里渊散射的阈值为：

$P_{\mathrm{th}}^{\′}=10\log \left(\frac{(1-\exp (-\mathrm{\α}\·L))}{\frac{(1-e^{-\mathrm{\α}\·\mathrm{\ΔL}\·n})}{(1-e^{-\mathrm{\α\ΔL}})}[1-e^{-\mathrm{\αx}}-e^{-\mathrm{\α}\·x}+\frac{e^{-\mathrm{\α}x}-e^{-\mathrm{\α}\·\mathrm{\ΔL}}}{1+{\left(\frac{\mathrm{\δ}{f}_B}{\mathrm{\Δ}{f}_B/2}\right)}^2}]}\right)$

当入射光是由低布里渊频移光纤到高布里渊频移光纤的组合时布里渊散射的阈值可表示为：

$P_{\mathrm{th}}^{\′}=10\log \left(\frac{(1-\exp (-\mathrm{\α}\·L))}{\frac{(1-e^{-\mathrm{\α}\·\mathrm{\ΔL}\·n})}{(1-e^{-\mathrm{\α\ΔL}})}[e^{-\mathrm{\αx}}-e^{-\mathrm{\α}\·\mathrm{\ΔL}}+\frac{1-e^{-\mathrm{\α}\·x}}{1+{\left(\frac{\mathrm{\δ}{f}_B}{\mathrm{\Δ}{f}_B/2}\right)}^2}]}\right)$

通过计算，得到如图4所示的结果，从图4中可以看出，随着布里渊频移差值的增加，布里渊阈值增加值在不断增加，在布里渊频移差值大于100MHz时，布里渊阈值的增加值趋于稳定；且从低布里渊频移光纤入射到高布里渊频移光纤的组合阈值的增加值大于从高布里渊频移光纤到低布里渊频移光纤的组合。利用光纤布里渊频移的差异，改变总的光纤布里渊增益，提高受激布里渊阈值，增加传感距离。从入射光端口开始，传感光纤是从低布里渊频移光纤到高布里渊频移光纤的组合，布里渊频移逐渐增加，也可以从高布里渊频移光纤到低布里渊频移光纤，布里渊频移逐渐减小。两种方式都可以大大降低布里渊增益，从而来提高受激布里渊阈值，增加传感的距离，其中入射光从低布里渊频移光纤到高布里渊频移光纤的阈值增加要大于从高布里渊频移光纤到低布里渊频移光纤。

本发明的有益效果是：本发明提出的一种基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的装置与方法，传感光纤是基于多段不同布里渊频移光纤结构的传感光纤，可以提高布里渊光时域反射仪的测量精度和传感长度，降低探测器的电子带宽等，能够降低布里渊频移减小探测器的带宽；同时，本发明通过设计出简单的布里渊环形腔激光器作为相干探测的本振光，降低了探测器的带宽，利用温度控制器进行扫频测量光纤沿线上布里渊频谱图，可以大大提高布里渊光时域反射仪的测量精度。本发明设计出的传感光纤不仅能够提高布里渊阈值增加传感距离，而且能够降低探测器的带宽；通过设计出简单的布里渊环形腔激光器作为相干探测的本振光，大大降低了探测器的带宽，本振光单元(110)利用设计的基于TEC温度控制器单元(116)进行控制扫频信号频率，以提高布里渊光时域反射仪的测量精度。

附图说明

图1是本发明方法的示意图。

图2是本发明光纤结构示意图。

图3是本发明传感光纤沿线上布里渊频移分布示意图。且图中a、b对应两组不同布里渊频移组成的传感光纤沿线上布里渊频移分布。

图4是本发明传感光纤布里渊散射阈值与频移变化量的示意图。

图5是本发明实施例一的结构示意图。

图6是本发明实施例二的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明和描述。

实施例一：本实施例提供一种基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的装置与方法。如图5所示，本实施例包括光脉冲信号产生单元200，产生的光脉冲经扰偏器206改变偏振状态后，进入到环形器207的第一个端口，经环形器207的第二个端口耦合进传感光纤208，脉冲光在传感光纤208中产生的背向散射光经环形器207的第三个端口进入到光滤波单元209后，与本振光单元210输出的光一起经耦合器217耦合进探测和信号处理单元218。所述光脉冲产生单元200是由激光光源201，耦合器202，偏振控制器203，脉冲发生器204和调制器205组成；在本振光单元210中，激光器201发出的光经耦合器202分出的一路光进入到掺铒光纤放大器211的输入端，掺铒光纤放大器211的输出端连接环形器212的第一个端口，环形器212的第二个端口连接单模光纤213的一端，环形器212的第三个端口连接隔离器214的输入端，隔离器214的输出端连接耦合器215，耦合器215的输出端一个连接单模光纤213的另一端，耦合器215的另一个输出端连接耦合器217的输入端，单模光纤213是由基于TEC温度控制单元(216)驱动控制，所述探测和信号处理单元218是由光电探测器219和信号处理单元220组成。

光脉冲信号产生单元200用于产生所需的光脉冲信号，窄线宽激光器201发出的连续光，经耦合器202(95:5)分成两束光，其中95%的一路光用来调制成脉冲光，由于电光调制器205是偏振敏感器件，所以连续光进入调制器205之前采用偏振控制器203控制光的偏振态，减小偏振态的影响，调制器205由脉冲发生器204驱动控制，产生脉冲信号。由于布里渊散射效率是依赖脉冲光的偏振态，所以脉冲光先经过扰偏器206，经过扰偏器206后的脉冲信号再通过环形器207进入到传感光纤208，扰偏后的脉冲光在传感光纤208中产生的背向散射信号经环形器207进入到滤波器单元209。为了将背向布里渊散射光信号从总的背向散射信号中分离出来，光滤波单元209是法布里-珀罗干涉仪，经滤波单元209滤除瑞利散射后，与本振光一起经耦合器217耦合进探测和信号处理单元218。

窄线宽激光器201发出的连续光，经耦合器202分出的5%的一路光，进入到本振光单元210，本振光单元210包括掺铒光纤放大器211，环形器212，普通单模光纤213，其长度为20m，光隔离器214，耦合器215。经掺铒光纤放大器211放大后的光作为环形腔布里渊激光器的泵浦，从耦合器215的10%的输出端输出的光作为本振光，与脉冲光在传感光纤208中的布里渊散射信号一起经耦合器217耦合到探测和信号处理单元218。

探测和信号处理单元218包括光电探测器219和信号处理系统220，光电探测器219是把从耦合器输出的光信号转换成电信号，采用的是平衡探测器，信号处理系统220进行数据采集和处理，得出光纤沿线上的背向布里渊散射信号光的强度和频移分布，从而得出沿光纤分布的温度和应变的信息，实现光纤分布式传感，220采用的是安捷伦的频谱分析仪和计算机结合的信号处理系统。

本实施例提供一种基于多段不同布里渊频移光纤结构传感光纤如图2所示，是由每段光纤长度为1km，组数为1-20组，如n根光纤，从传感光纤起始段到末端的布里渊频移逐渐增加，从图4可以看出，受激布里渊散射的阈值可以大幅度提高，这样就可以有效的增加了传感距离，同时提高BOTDR系统的测量精度和空间分辨率。

实施例二：本实施例提供一种基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的装置与方法。如图6所示，本实施例包括光脉冲信号产生单元300，扰偏器306，环形器307，传感光纤308，光滤波单元309，本振光单元310，耦合器313，探测和信号处理单元314。

与图5结构的基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的装置与方法相比，不同之处在于：本振光单元310是由电光调制器311和安捷伦微波信号源312组成。

虽然本发明通过具体实施例进行了描述，但具体实施例和附图并非用来限定本发明。本领域技术人员可在本发明的精神的范围内，做出各种变形和改进，所附的权利要求已包括这些变形和改进。

Claims (10)

1.一种基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的设置方法，其特征在于：包括光脉冲信号产生单元（100），产生的光脉冲信号经扰偏器（106）后进入环形器（107）的第一个端口，从环形器的第二个端口进入到传感光纤（108），脉冲信号光在传感光纤108中的背向散射光经环形器的第三个端口进入到滤波器单元（109），滤波器单元（109）输出的信号光与本振光单元（110）输出的光经耦合器（117）耦合后进探测与信号处理单元（118）中，由探测和信号处理单元(118)对信号进行采集和处理；所述光脉冲信号产生单元（100）是由激光器（101）发出的连续光，经耦合器（102）分光后，一路连续光进入到偏振控制器（103），经调制器（105）调制成具有一定脉宽的光脉冲信号，该调制器由脉冲发生器（104）驱动与控制，为了控制光脉冲信号的偏振态，光脉冲信号经过扰偏器106后，通过环形器（107）进入到传感光纤（108）；该布里渊光时域反射仪传感光纤采用的是单模传感光纤，该传感光纤是由多组不同布里渊频移组成的传感光纤。

2.根据权利要求1所述的基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的设置方法，其特征在于：所述多组不同布里渊频移组成的传感光纤：每组不同布里渊频移组成的传感光纤是指从低布里渊频移光纤到高布里渊频移光纤组合的二段光纤的组合，或从高布里渊频移光纤到低布里渊频移光纤组合的二段光纤的组合的传感光纤；多组与二段传感光纤的组合不同布里渊频移组成的传感光纤通过拉制或通过熔接获得所需的传感光纤。

3.根据权利要求1所述的基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的设置方法，其特征在于：每段光纤长度为1±0.5km，组数为1-20组。

4.根据权利要求1-3之一所述的基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的设置方法，其特征在于：所述光脉冲产生单元100是能产生一定脉冲宽度的窄线宽脉冲激光器；脉冲发生器用于驱动调制器产生脉冲和时钟控制。

5.根据权利要求1-3之一所述的基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的设置方法，其特征在于：所述光脉冲信号产生单元（100）中的调制器（105）是电光调制器、声光调制器或是其它的调制器，所述调制器是单个调制器或是多个调制器组成的调制器阵列。

6.根据权利要求1-3之一所述的基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的设置方法，其特征在于：所述本振光单元（110）为单频布里渊激光器，它是由掺铒光纤放大器（111），环形器（112），单模光纤（113），隔离器（114），耦合器（115）和基于TEC温度控制器单元（116）构成的布里渊激光器。

7.根据权利要求1-3之一所述的基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的设置方法，其特征在于：所述基于温度控制器单元（116）为基于TEC的温度控制器，或是其它高灵敏温度、应力控制器。

8.根据权利要求1-3之一所述的基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的设置方法，其特征在于：所述滤波器单元（109）是能达到将背向瑞利散射光和背向布里渊散射光分离的反射式光纤光栅，法布里-珀罗干涉仪，或者多个光纤光栅及隔离器组成的光纤光栅滤波器，其他光滤波器中的一种。

9.根据权利要求1-3之一所述的基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的设置方法，其特征在于：所述探测和信号处理单元（117）是由探测器（118）和信号处理器（119）组成；所述探测器是高灵敏度的探测器或平衡探测器。

10.根据权利要求1-3之一所述的基于低布里渊散射阈值传感光纤的光时域反射仪的设置方法，其特征在于：所述信号处理器（119）由频谱分析仪或采集卡与计算机或者高速数字示波器组合。