CN104819741B - 一种基于单边带调制探测光的相干布里渊光时域分析传感系统 - Google Patents
一种基于单边带调制探测光的相干布里渊光时域分析传感系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于单边带调制探测光的相干布里渊光时域分析传感装置。在该装置中，泵浦光由电脉冲信号驱动声光强度调制器外调制光载波产生，本地光和探测光由两步获得：1)由微波信号(10～12GHz可调谐)驱动工作在线性工作点的电光强度调制器外调制同频光载波产生两个边带；2)滤除上边带保留下边带(探测光)和光载波(本地光)。与泵浦光在光纤中相互作用后，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10～12GHz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装置的信噪比。布里渊增益谱信息被对数检波器解调，进一步通过对布里渊增益谱洛伦兹拟合来求解温度及应变信息。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种基于单边带调制探测光的相干布里渊光时域分析传感装置，具体是一种基于单边带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
利用光纤中的布里渊非线性效应进行分布式光纤传感已经得到了几十年的广泛研究。该技术的核心在于光纤的布里渊频移与光纤的温度及形变(应力)线性相关，可通过求解布里渊频移来实现温度及应力的传感。为了得到布里渊频移，脉冲泵浦光和连续探测光会从光纤的两端分别注入，可通过改变连续探测光的频率来扫描布里渊增益区间从而获得布里渊增益谱，并进一步通过洛伦兹拟合来获得布里渊频移。传统的方法中，布里渊增益谱通过直接探测探测光的强度来获得。但是，由于基带噪声的影响，导致系统信噪比低，需要多次平均来提高从而降低了系统的实时性。为了提高信噪比，相干探测技术被应用于布里渊光纤传感系统中，将低功率的探测信号与高功率的本地信号同时送入光电探测器，利用相干检测提高信噪比，成为了脉冲编码以及拉曼放大技术之外的另一个提高系统信噪比的方法。A.Zornoza及X.Angulo-Vinuesa所在的课题组提出的利用相位调制及我们课题组提出了利用强度调制和相位调制同时产生探测光和本地光的方法，都大幅度地提高信噪比。但这些方法都是基于双边带调制，对光纤的色散及自相位调制效应很敏感，会带来相位到强度的转换以及功率衰落，从而恶化布里渊增益谱，并降低系统性能。
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单边带调制探测光的相干布里渊光时域分析传感装置。将光源产生的光载波分为两路，其中一路被电脉冲驱动的声光调制器外调制，产生脉冲泵浦光，该脉冲泵浦光相对于光载波有200MHz的上频移；另外一路被10～11GHz的微波信号通过工作在线性工作点的电光强度调制器外调制产生两个一阶边带，并通过滤波器滤除上边带实现单边带调制，且下边带和载频光分别作为系统的探测光和本地光。探测光与泵浦光在光纤中相互作用后，探测光与本地光同时送入光电探测器进行相干检测，并通过对数检波器解调二者之间拍频信号的包络来重构布里渊增益谱进而解调出所需的温度及应力信息。
本发明的目的是基于如下方案实现的：
一种基于单边带调制探测光的相干布里渊光时域分析传感装置，可调谐光源1输出中心频率为f0的光载波通过50:50光耦合器后分为两条光路，一路通过脉冲信号发生器3驱动的声光调制器4外调制产生脉冲光后经第一掺铒光纤放大器5放大，再经光滤波器6、光环形器7进入传感光纤14；另一路经过偏振控制器8后被微波信号合成器9产生的微波信号通过工作在线性工作点电光强度调制器10外调制，经光滤波器11、扰偏器12和光隔离器13送入传感光纤14；光环形器7与第二掺铒光纤放大器15、光电探测器16光路顺序相连；光电探测器16、微波下变频器17、对数检波器18及数据采集终端电信号连接，以构建布里渊增益-幅度三维图，并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。
探测光与泵浦光在光纤中相互作用后到达光电探测器16的光场表达式为：
其中EL和ES分别为本地光和探测光的复振幅，fD＝fS-fB为探测光与布里渊频移之间的频率失谐。gSBS(f)为布里渊增益幅度，为布里渊增益相移。则光电探测器16输出的电流表达式为：
其中RC为光电探测器16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。频率为fS的高频信号被微波下变频器17下变频后其幅值(即布里渊增益谱信息)被对数检波器18解调后输入数据采集终端，数据采集终端由数据采集卡19和与之信号连接的电脑20组成，18解调后数据被采集卡19采集，在电脑20上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。
本发明的目的还在于，提供一种基于单边带调制探测光的相干布里渊光时域分析传感方法，其主要手段为：
一种基于单边带调制探测光的相干布里渊光时域分析传感方法，在电脑中构建布里渊增益-幅度三维图，并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。脉冲泵浦光和连续探测光共用一个光源，且采用具有移频功能的声光调制器产生脉冲泵浦光：
光载波通过50:50光耦合器分为两路：一路被脉冲信号发生器3产生的脉冲信号通过声光调制器4外调制后产生脉冲光，该脉冲光先被掺铒光纤放大器5放大后被光滤波器6滤除ASE噪声作为脉冲泵浦光并通过光环形器7进入传感光纤14；另一路经过偏振控制器8后被微波信号合成器9产生的微波信号通过电光强度调制器10外调制后输出光信号只保留频率分量f0及f0-fS；单边带调制信号经过扰偏器12的偏正态快速扰动后，通过光隔离器13送入传感光纤14，其中f0分量作为系统的本地光，f0-fS分量作为系统的探测光。
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，由于采用单边带调制的探测光，可以有效抑制色散和自相位调制效应对布里渊增益谱的损伤，从而减小解调误差。
附图说明：
图1为本发明的布里渊光时域分析传感装置结构示意图；
图2为采用双边带调制探测光时测得的布里渊增益谱-距离三维图及布里渊单点增益谱；
图3为采用单边带调制探测光时测得的布里渊增益谱-距离三维图及布里渊单点增益谱；
图4为采用100ns-80ns的差分脉冲时解调出的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装置结构示意图，如图所示，可调谐光源1输出中心频率为f0的光载波(中心波长1549nm)，该光载波通过50:50光耦合器2分为两份。一份通过被脉冲信号发生器3驱动的声光调制器4外调制后产生脉冲光。该脉冲光先被第一掺铒光纤放大器5放大后被光滤波器6滤除ASE噪声作为脉冲泵浦光并通过光环形器7进入传感光纤14。另一份经过偏振控制器8后被微波信号合成器9产生的微波信号通过电光强度调制器10外调制。电光强度调制器10工作在线性工作点。微波信号发生器的输出信号频率fS从10GHz到12GHz可调。电光强度调制器10的输出光信号包含三个频率分量：f0及f0±fS。频率分量f0+fS被光滤波器11滤除，从而实现单边带调制，即只保留频率分量f0及f0-fS。单边带调制信号经过扰偏器12的偏正态快速扰动后，通过光隔离器13送入传感光纤14，其中f0分量作为系统的本地光，f0-fS分量作为系统的探测光。当单边带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-fS分量被布里渊增益谱幅度调制，进入光电探测器16的光信号场强可用等式(1)表示。载频为fS的高频信号被微波信号下变频器17下变频后，加载在该载频上的幅度信息被对数检波器18包络检波，对数检波器18的解调数据被采集卡19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。进而在电脑20中构建布里渊增益-幅度三维图，并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为采用双边带调制探测光时测得的布里渊增益谱-距离三维图及布里渊单点增益谱。将光滤波器11去掉即可得到双边带调制探测光，可以看到，由于双边带调制对光纤的色散及自相位调制效应很敏感，所以布里渊增益谱有明显的畸变，已不再是洛伦兹形状。当对测得的布里渊增益谱进行洛伦兹拟合求解布里渊频移时，会带来较大的解调误差。
图3为为采用单边带调制探测光时测得的布里渊增益谱-距离三维图及布里渊单点增益谱。可以看到，由于单边带调制对光纤的色散及自相位调制效应不敏感，所以布里渊增益谱没有畸变，为标准的洛伦兹形状。当对测得的布里渊增益谱进行洛伦兹拟合求解布里渊频移时，会获得比较高的解调精度。
图4为采用100ns-80ns的差分脉冲时解调出的40km传感光纤末端的布里渊频移，实现了约2米的空间分辨率。
Claims (5)
1.一种基于单边带调制探测光的相干布里渊光时域分析传感装置，其特征在于，可调谐光源（1）输出中心频率为f0的光载波通过50:50光耦合器（2）后分为两条光路，一路通过脉冲信号发生器（3）驱动的声光调制器（4）外调制产生脉冲光后经第一掺铒光纤放大器（5）放大，再经第一光滤波器（6）、光环形器（7）进入传感光纤（14）；另一路经过偏振控制器（8）后被微波信号合成器（9）产生的微波信号通过工作在线性工作点的电光强度调制器（10）外调制后，其输出光信号经过第二光滤波器（11）后只保留频率分量f0及f0-fS；单边带调制信号经过扰偏器（12）的偏正态快速扰动后，通过光隔离器（13）送入传感光纤（14）；其中f0分量作为系统的本地光，f0-fS分量作为系统的探测光；光环形器（7）与第二掺铒光纤放大器（15）、光电探测器（16）光路顺序相连；光电探测器（16）、微波下变频器（17）、对数检波器（18），数据采集终端电信号连接，以构建布里渊增益-幅度三维图，并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。
2.根据权利要求1所述基于单边带调制探测光的相干布里渊光时域分析传感装置，其特征在于，所述微波信号合成器（9）的输出信号频率fS从10GHz到12GHz可调。
3.根据权利要求1所述基于单边带调制探测光的相干布里渊光时域分析传感装置，其特征在于，所述微波下变频器将光电探测器（16）输出的10~12GHz的微波信号下变频为1~2GHz的射频信号。
4.一种实现权利要求1所述传感装置的基于单边带调制探测光的相干布里渊光时域分析传感方法，在电脑中构建布里渊增益-幅度三维图，并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，其特征在于，脉冲泵浦光和连续探测光共用一个光源，且采用具有移频功能的声光调制器产生脉冲泵浦光：
光载波通过50:50光耦合器分为两路：一路被脉冲信号发生器（3）产生的脉冲信号通过声光调制器（4）外调制后产生脉冲光，该脉冲光先被掺铒光纤放大器（5）放大后被第一光滤波器（6）滤除ASE噪声作为脉冲泵浦光并通过光环形器（7）进入传感光纤（14）；另一路经过偏振控制器（8）后被微波信号合成器（9）产生的微波信号通过工作在线性工作点的电光强度调制器（10）外调制后，其输出光信号经过第二光滤波器（11）后只保留频率分量f0及f0-fS；单边带调制信号经过扰偏器（12）的偏正态快速扰动后，通过光隔离器（13）送入传感光纤（14），其中f0分量作为系统的本地光，f0-fS分量作为系统的探测光；探测光与泵浦光在光纤中相互作用时，扫描布里渊增益区的f0-fS分量被布里渊增益谱幅度调制，进入光电探测器（16）；载频为fS的高频信号被微波信号下变频器（17）下变频后，加载在该载频上的幅度信息被对数检波器（18）包络检波，对数检波器（18）的解调数据被采集卡（19）采集，从而得到不同扫描频率fS下的布里渊散射时域信号。
5.根据权利要求4所述一种基于单边带调制探测光的相干布里渊光时域分析传感方法，其特征在于，即可以由工作在线性工作点的电光强度调制器与光滤波器组合产生单边带调制探测光，也可以由双臂马赫曾德尔或双驱动马赫曾德尔调制器单独产生。
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