CN104655185B - 一种基于强度调制探测光的相干布里渊光时域分析传感系统 - Google Patents

一种基于强度调制探测光的相干布里渊光时域分析传感系统 Download PDF

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本发明公开了一种基于强度调制探测光的相干布里渊光时域分析传感系统。在该系统中,泵浦光由电脉冲信号驱动电光强度调制器外调制光载波产生,本地光由微波信号驱动工作在载波抑制点的电光强度调制器外调制同频光载波产生,对本地光通过电光强度调制器外调制产生对称边带作为探测光,电光强度调制器由频率可调的射频信号驱动。探测光两个分量分别同时扫描泵浦光的布里渊增益区和损耗区,其被布里渊增益谱幅度调制的同时可以动态补偿泵浦光的消耗从而减小非本地效应。探测光与本地光通过光电探测器拍频,将布里渊增益谱信息加载到GHz的高频载波上来避免基带噪声损伤,同时利用相干检测提高了整个系统的信噪比。

Description

一种基于强度调制探测光的相干布里渊光时域分析传感系统
技术领域
本发明涉及的是一种分布式光纤传感领域中的布里渊光时域分析传感系统,具体是一种基于强度调制探测光且可进行相干检测的布里渊光时域分析传感系统。
背景技术
基于光纤中后向布里渊散射信号进行温度及应力传感在近几十年来受到广泛关注。相对于电传感器及光纤光栅传感器而言,其主要优势在于更长的传感距离(可达100km),更高的空间分辨率(可达1cm)以及利用传输光纤本身作为传感器。常见的基于后向布里渊散射效应的分布式光纤传感技术有布里渊光时域反射传感技术和布里渊光时域分析传感技术。布里渊光时域反射传感系统结构相对简单,但信噪比较低,布里渊光时域分析传感系统可以很大程度上提高信噪比,从而实现更长的传感距离。常见的布里渊光时域分析传感系统往往采用10~11GHz的微波信号作为扫频信号,并采用直接探测的方式。带来的问题一是对微波源有较高的要求,二是直接探测信噪比较低。不同于直接探测的方式,相干探测的方式可以大幅度提高信噪比,目前已知的相干布里渊光时域分析传感系统主要有以下两类:1)AnderZornoza等人于2012年提出的利用微波整形电脉冲通过电光强度调制器外调制光载波产生频移泵浦光,再利用射频信号通过电光强度调制器外调制光载波产生信号光;2)Michel Dossou等人于2013年提出的利用级联的电光强度调制器产生信号光。方法1)利用边带光作为泵浦光会因为泵浦消耗不能动态补偿导致非本地效应,方法2)中利用电光强度调制器进行载波抑制调制,会因为载波抑制比低从而引入相干噪声,同时载波抑制产生的多个边带会恶化系统的性能。
发明内容
鉴于现有技术的以上不足,本发明的目的是提供一种基于强度调制探测光的相干布里渊光时域分析传感系统。将光源产生的光载波分为两路,其中一路被电脉冲外调制,产生脉冲泵浦光;另外一路被9.6GHz的微波信号通过工作在载波抑制点的电光强度调制器外调制产生载波抑制的两个一阶边带(即本地光),由于电光强度调制器载波抑制比高,产生的边带比电光强度调制器少,所以可以减少相干噪声和消除多边带对系统性能的影响。参考光被1.1~1.3GHz的射频信号通过电光强度调制器进一步调制产生对称的一阶边带作为连续信号光。对称的信号光可以有效补偿泵浦的消耗,减小非本地效应。
本发明的目的是基于如下分析和方案提出和实现的:
一种基于强度调制探测光的相干布里渊光时域分析传感系统,其特征在于,激光器1输出中心频率为f0的光载波通过50:50光耦合器2分为两路;一路经过偏振控制器3后被微波信号发生器5产生的微波信号通过工作在载波抑制点的电光强度调制器4外调制;微波信号发生器4的输出信号频率为fLO;电光强度调制器4的输出光为中心频率为f0±9.6GHz的两个一阶边带,经过偏振控制器6后被射频信号发生器7产生的射频信号通过电光强度调制器8外调制;射频信号发生器7的输出频率为fS;电光强度调制器8的输出光经过掺铒光纤放大器9的光信号放大和扰偏器10的偏正态快速扰动后,作为连续探测光通过光隔离器11送入测试光纤12;另一路经过偏振控制器13后被脉冲信号发生器15产生的脉冲信号通过电光强度调制器14外调制后产生脉冲光,该脉冲光被掺铒光纤放大器16放大后作为脉冲泵浦光通过光环形器17进入测试光纤12。连续探测光与脉冲泵浦光作用后顺序经过布拉格光栅18、光电探测器19、带通滤波器20得到载频为fS的分量,该分量经过低噪声放大器21的放大后,加载在该载频上的幅度信息被IQ解调器22解调,IQ解调器解调出的I路及Q路信号被数据采集卡23采集。
这样,在本发明系统中,激光器1输出的光载波中心频率为f0,该光载波通过50:50耦合器2分为两份,一份被脉冲信号发生器14产生的电脉冲通过电光强度调制器14外调制成脉冲光作为系统的泵浦光。另一份被工作在载波抑制点的电光强度调制器4外调制成频率为f0±fLO的两个一阶边带,作为系统的本地光,其中fLO为微波信号发生器4的固定输出频率。本地光进一步被由射频信号发生器7驱动的电光强度调制器8外调制,产生频率为f0±fLO±fS的对称边带,其中f0+fLO+fS及f0-fLO-fS分量作为系统的探测光,fS为射频信号发生器7输出的可调谐频率。探测光与泵浦光在光纤中相互作用且经过布拉格光栅的滤波之后,到达光电探测器19的光场表达式为:
其中E0,ELO和ES分别为载频光、本地光和探测光的复振幅,fD=fS+fLO-fB为探测光与布里渊频移之间的频率失谐。gSBS(f)为布里渊增益,为布里渊增益相移。则光电探测器19输出的电流表达式为:
其中RC为光电探测器的接收灵敏度。布里渊增益谱信息被频率为fS的高频载波携带,避免了基带噪声损伤。布里渊增益谱信息被IQ解调器22解调,并进一步被数据采集卡23采集,通过采集到的数据构建光纤各处的增益谱并通过洛伦兹拟合求解温度和应力信息。
附图说明:
图1为本发明的基于强度调制探测光的相干布里渊光时域分析传感系统结构示意图;
图2本发明的连续探测光的光谱示意图;
图3为在40km传感光纤的1km处测得的布里渊增益谱及其洛伦兹拟合;
图4为解调出的40km传感光纤末端的布里渊频移。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
图1为本发明的布里渊光时域分析传感系统结构示意图,如图所示,激光器1输出中心频率为f0的光载波(中心波长1550nm,f0=193THz),该光载波通过50:50光耦合器2分为两份。一份经过偏振控制器3后被微波信号发生器5产生的微波信号通过电光强度调制器4外调制。电光强度调制器4工作在载波抑制点,通过调节偏振控制器3实现最高的载波抑制比。微波信号发生器5的输出信号频率为fLO(固定为9.6GHz)。电光强度调制器4的输出光为中心频率为f0±9.6GHz的两个一阶边带,这两个一阶边带经过偏振控制器6后被射频信号发生器7产生的射频信号通过电光强度调制器8外调制。射频信号发生器7的输出频率为fS(1.1~1.3GHz可调谐)。则电光强度调制器8的输出光信号一共包含6个频率成分:f0±fLO及f0±fLO±fS。其中f0±fLO为本地光分量,f0+fLO+fS及f0-fLO-fS为强度调制探测光分量。电光强度调制器8的输出光经过掺铒光纤放大器9的光信号放大和扰偏器10的偏正态快速扰动后,通过光隔离器11送入测试光纤12。另一份经过偏振控制器13后被脉冲信号发生器15产生的脉冲信号通过电光强度调制器14外调制后产生脉冲光。该脉冲光被掺铒光纤放大器16放大后作为脉冲泵浦光通过光环形器17进入测试光纤12。当强度调制探测光与脉冲泵浦光在光纤中相互作用时,扫描布里渊增益区的f0-fLO-fS分量被布里渊增益谱幅度调制,同时扫描布里渊损耗区的f0+fLO+fS分量被布里渊损耗谱幅度调制,经过布拉格光栅18的波长选择后,进入光电探测器19的光信号场强可用等式(1)表示。带通滤波器20滤得载频为fS的分量,该分量经过低噪声放大器21的放大后,加载在该载频上的幅度信息被IQ解调器22解调,IQ解调器解调出的I路及Q路信号被数据采集卡23采集,从而可以得到不同扫描频率fS下的布里渊散射时域信号。进而构建距离-频率-归一化幅度三维图,在传感光纤的不同位置处通过洛伦兹拟合解调出温度和应力信息。
图2(a)为常见的连续探测光的光谱示意图,它由工作在载波抑制点的单强度调制器产生。探测光f0-fS1分量扫描布里渊增益区被布里渊增益谱幅度调制,然后由光电探测器探测该分量在不同fS1值处的幅度来重构布里渊增益谱,进一步通过洛伦兹拟合解调温度和应力信息。这类方案的主要缺点是采用直接探测的方式,基带噪声会恶化系统的信噪比。图2(b)为本发明的连续探测光的光谱示意图,它由级联的强度调制器4和8产生,强度调制器4工作在载波抑制点。探测光f0-fLO-fS分量扫描布里渊增益区,同时探测光f0+fLO+fS分量扫描布里渊损耗区。通过光电探测器进行光电转换时,探测光f0-fLO-fS分量与本地光f0-fLO分量拍频,用频率为fS的高频载波来携带布里渊增益谱信息。这样就避免了基带噪声对系统的影响,
图3为在40km传感光纤的1km处测得的布里渊增益谱及其洛伦兹拟合。由于测得的布里渊增益谱呈现对称的洛伦兹分布,所以没有明显的拟合误差,验证了系统传感的可靠性。
图4为解调出的40km传感光纤末端的布里渊频移,实现了约3米的空间分辨率和小于1℃的温度分辨率。
本发明的有益效果是:
1.相对于常见的直接探测布里渊光时域分析系统而言,由于引入相干检测,可以大幅度提高系统的信噪比。
2.相对于常见的相干探测布里渊光时域分析系统而言,由于采用对称的探测光,所以可以对泵浦的消耗进行动态地补偿,从而减小了非本地效应。

Claims (4)

1.一种基于强度调制探测光的相干布里渊光时域分析传感系统,其特征在于,激光器(1)输出中心频率为f0的光载波通过50:50光耦合器(2)分为两路;一路经过第一偏振控制器(3)后被微波信号发生器(5)产生的微波信号通过工作在载波抑制点的第一电光强度调制器(4)外调制;微波信号发生器(5)的输出信号频率为fLO;第一电光强度调制器(4)的输出光为中心频率为f0±9.6GHz的两个一阶边带,经过第二偏振控制器(6)后被射频信号发生器(7)产生的射频信号通过第二电光强度调制器(8)外调制;射频信号发生器(7)的输出频率为fS;第二电光强度调制器(8)的输出光经过掺铒光纤放大器(9)的光信号放大和扰偏器(10)的偏正态快速扰动后,作为连续探测光通过光隔离器(11)送入测试光纤(12);另一路经过第三偏振控制器(13)后被脉冲信号发生器(15)产生的脉冲信号通过第三电光强度调制器(14)外调制后产生脉冲光,该脉冲光被掺铒光纤放大器(16)放大后作为脉冲泵浦光通过光环形器(17)进入测试光纤(12);连续探测光与脉冲泵浦光作用后顺序经过布拉格光栅(18)、光电探测器(19)、带通滤波器(20)得到载频为fS的分量,该分量经过低噪声放大器(21)的放大后,加载在该载频上的幅度信息被IQ解调器(22)解调,IQ解调器解调出的I路及Q路信号被数据采集卡(23)采集。
2.根据权利要求1所述之一种基于强度调制探测光的相干布里渊光时域分析传感系统,其特征在于,所述微波信号发生器(5)的输出信号频率fLO固定为9.6GHz。
3.根据权利要求1所述之一种基于强度调制探测光的相干布里渊光时域分析传感系统,其特征在于,射频信号发生器(7)的输出频率fS在1.1~1.3GHz范围内可调谐。
4.根据权利要求1所述之一种基于强度调制探测光的相干布里渊光时域分析传感系统,其特征在于,采用快速IQ解调器进行幅度和相位解调。
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