CN105067143A - 一种基于拉曼放大的零差布里渊光时域反射仪 - Google Patents

一种基于拉曼放大的零差布里渊光时域反射仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于拉曼放大的零差布里渊时光域反射仪，激光器发出探测激光经光隔离器、光调制器调制成脉冲激光，再依次经第一光放大器、第一光滤波器、扰偏器扰乱偏振态后经由环形器和波分复用器注入传感光纤；拉曼泵浦激光器产生的拉曼泵浦激光传输至波分复用器后注入传感光纤,对前向传播的探测脉冲光和后向传播的多峰布里渊散射光进行分布式放大；多峰布里渊散射光在向后传播中相互作用生成的光学拍信号依次经波分复用器、环行器传输，第二光放大器、第二光滤波器、光电探测器转换为电信号，输入FPGA处理获得传感光纤的应变和温度分布曲线，在显示器上显示。本发明实现布里渊拍频峰功率的提升的同时，有效提高传感系统的信噪比和传感距离。

Description

一种基于拉曼放大的零差布里渊光时域反射仪
技术领域
本发明涉及对光纤的应变与温度进行连续分布式测量的布里渊光时域反射仪，具体为一种基于拉曼放大的零差布里渊光时域反射仪，可实现对零差布里渊光时域反射仪中前向传输的探测脉冲光及其后向传输的布里渊散射光进行分布式拉曼放大，可有效提高零差布里渊光时域反射仪的信噪比和传感距离。
背景技术
温度与应变的连续分布式监测需求十分广泛，能源、电力、建筑等诸多领域都把其作为一种故障诊断及事故预警手段。油气管道的压力负荷、铁轨路基的沉降变化、油库罐区的温度改变等都需要及时发现与迅速定位。现有的布里渊分布式光纤传感技术，一般需要探测布里渊散射谱而存在测量速度慢的弊病，难以满足许多应用场合对于事故预警和故障定位的快速实时要求。若传感光纤中具有多个声学模式，其布里渊增益谱(BrillouinGainSpectrum,BGS)将呈多峰状态，代表不同声学模式的多峰布里渊散射光在后向传播过程中会相互作用而产生光学拍，形成峰值频率为百兆赫兹量级的布里渊互拍谱(BrillouinBeatSpectrum,BBS)。
现有技术中，提出了一种新的基于布里渊拍频谱探测的零差布里渊光时域反射(Brillouinopticaltime-domainreflectometry,BOTDR)分布式光纤传感技术，仅通过测量拍频谱的功率即成功实现了对光纤上温度和应变的快速分布式测量(Y.Lu,Z.Qin,P.Lu,D.Zhou,L.Chen,andX.Bao,“DistributedstrainandtemperaturemeasurementbyBrillouinbeatspectrum,”IEEEPhoton.Technol.Lett.,vol.25,no.11,pp.1050-1053,2013)。该方法是一种无需扫频、快速和简单的单端测量零差BOTDR传感方法。但该方法利用的自发布里渊散射光信号较弱，若不加光放大较难实现长距离测量。仅采用掺铒光纤放大器(Erbium-dopedopticalfiberamplifier，EDFA)，尽管可以放大信号，但会产生较大的自发辐射噪声，而且对光纤末端布里渊信号的放大效果不明显。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明所要解决的问题是克服现有技术的不足，提出一种基于拉曼放大的零差布里渊光时域反射仪。
本发明提出的一种基于拉曼放大的零差布里渊时光域反射仪，包括：
探测脉冲激光生成单元，其由依次顺序连接的激光器、光隔离器、光调制器、光放大器、光滤波器组成，激光器发出的连续探测激光经光隔离器后，经由光调制器调制成脉冲激光，再依次经光放大器放大、光滤波器滤波去噪、扰偏器扰乱偏振态后经由环行器获得前向传播的探测脉冲激光，探测脉冲激光传输至波分复用器；
经拉曼泵浦激光器产生的拉曼泵浦激光传输至波分复用器后注入传感光纤，放大前向传播的探测脉冲激光后注入传感光纤；
传感光纤中产生的多峰布里渊散射光在向后传播中相互作用生成光学拍信号；光学拍信号依次经由波分复用器、环行器传输，并经第二光放大器放大、第二光滤波器滤波后被光电探测器接收变为电信号，该电信号经模/数转换后输入现场可编程门阵列(FPGA)处理，获得传感光纤的应变和温度分布曲线，在显示器上显示。
进一步，所述现场可编程门阵列处理包括对电信号进行累加平均去噪、包络检波等运算处理，获得传感光纤沿线的布里渊光学拍功率谱分布图，利用光学拍功率与应变和温度的线性关系，获得传感光纤的应变和温度分布曲线。
进一步，所述光调制器采用电光调制器或声光调制器。
进一步，所述激光器波长在C波段选择。
因此，本发明可以获得以下的有益效果：
通过引入拉曼泵浦激光，对探测脉冲激光及其后向散射的布里渊散射光同时进行分布式放大，使多峰布里渊谱的峰值功率得到提高，实现布里渊拍频峰功率的提升，可有效提高传感系统的信噪比和传感距离。
附图说明
图1为基于拉曼放大的零差布里渊光时域反射仪系统原理图。
图2为本发明实施例的系统原理图。
图3是拉曼泵浦功率为800mW的前端拉曼泵浦下LEAF中的三个布里渊峰功率分布。
图4是拉曼泵浦功率为800mW的前端拉曼泵浦下LEAF中的两个布里渊拍频峰功率分布。
图5是拉曼泵浦功率为800mW的前端拉曼泵浦下的系统信噪比。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
基于拉曼放大的零差布里渊光时域反射仪系统原理图如图1所示。激光器发出作为探测光的连续激光，经过保护光源激光器的光隔离器，被光调制器调制成脉冲激光，经过第一光放大器放大及第一光滤波器去噪，再经扰偏器扰乱其偏振态后经环行器与波分复用器注入传感光纤，传感光纤具有多个声学激发模式，代表不同声学模式的多个布里渊散射光在后向传播过程中会相互作用而产生光学拍信号，拉曼泵浦激光器经波分复用器注入传感光纤，用于放大前向传播的脉冲光及其后向散射的布里渊散射光。光学拍信号经第二光放大器放大并经第二光滤波器滤除噪声后被光电探测器接收变为电信号，经过模/数(A/D)转换后在现场可编程门阵列(FPGA)中处理，FPGA除了具有依据传感光纤的长度自动选择探测脉冲的宽度等控制功能外，还可对信号进行累加平均去噪、包络检波等运算处理，获得传感光纤沿线的布里渊光学拍功率谱分布图，利用光学拍功率与应变和温度的线性关系，获得传感光纤的应变和温度分布曲线，在显示器上显示。该零差布里渊光时域反射仪中，光调制器可以是电光调制器，也可以是声光调制器。拉曼泵浦光也可选择在传感光纤后端经由波分复用器注入，构成后端拉曼泵浦的拉曼放大系统；亦可将拉曼泵浦光同时分别经由两个波分复用器从传感光纤前端和后端注入，构成双端拉曼泵浦的拉曼放大系统。
探测激光器的波长可在C波段范围内选择，拉曼泵浦激光器的波长选择为可对探测激光进行拉曼放大的波长。
如图2所示，波长为1550nm的激光器发出作为探测光的连续激光，经过光隔离器后被电光调制器调制成50ns脉宽的探测光脉冲，经过第一光放大器放大及第一光滤波器去噪，经扰偏器扰乱其偏振态后经环行器注入作为传感光纤的50km大有效面积光纤(LEAF)。其中，LEAF具有3个主要的声学激发模式，代表3个不同声学模式的3峰布里渊散射光在后向传播过程中会相互作用而产生频率为几百兆赫兹的光学拍信号。波长为1455nm的拉曼泵浦激光器经波分复用器注入大有效面积光纤，用于放大前向传播的脉冲光及其后向散射的布里渊散射光。光学拍信号经第二光放大器放大并经第二滤波器滤除噪声后被光电探测器接收变为电信号，经过A/D转换后在FPGA中处理。FPGA除了具有自动选择探测脉冲的宽度等智能控制功能外，可对信号进行累加平均去噪、包络检波等运算处理，获得传感光纤沿线的布里渊光学拍功率谱分布图，利用光学拍功率与应变和温度的线性关系，获得传感光纤的应变和温度分布曲线，在显示器上显示。
图3为在拉曼泵浦功率为800mW下，大有效面积光纤中三个布里渊峰的功率分布，图中同时显示了无前端拉曼泵浦放大的三个布里渊峰的功率分布。可以看出，在前端拉曼泵浦放大下，三个峰的增益大小有较大差异，布里渊第一主峰的增益最大，布里渊第三主峰peak3增益最小。在光纤末端，布里渊第一主峰的增益可达到约63.1dB，布里渊第二主峰的增益约为28.6dB，而布里渊第三主峰却只有约9.3dB。这主要是由于三个声模式对应的声光有效面积差异较大，其值分别为124μm2、274.8μm2和842μm2。
大有效面积光纤中的第一拍频峰由布里渊第一主峰与布里渊第二主峰互拍得到，第二拍频峰由布里渊第一主峰与布里渊第三主峰互拍得到，在泵浦功率为800mW的前端拉曼泵浦下，2个拍频峰的峰值功率如图4所示，图中同时显示了无前端拉曼泵浦放大的2个拍频峰的功率分布。可以看出，在前端拉曼泵浦下，拍频峰有较高的增益，在光纤末端，第一拍频峰的功率提升了约45.9dB，第二拍频峰的功率提升了约36.2dB。
由图4可知，自发布里渊散射信号虽然经过前端拉曼放大，但其拍频功率仍然非常小(小于-30dBm)，因此在实际系统应用中，后向布里渊散射光进入探测器前要通过掺铒光纤放大器对其进行放大，如系统图1和图2中的第二光放大器(即第二光放大器可采用掺铒光纤放大器)所示。前端拉曼泵浦下的零差BOTDR系统信噪比计算结果如图5所示。
从图5可以看出，经过拉曼放大和第二光放大器与系统相结合后，信噪比有较高幅度的提升，两个拍频峰的最小信噪比均位于光纤初始端，分别为26.4dB和21.5dB。50km光纤末端的信噪比分别为70.9dB和46.8dB。我们之前没有采用拉曼放大的系统中(Y.Lu,Z.Qin,P.Lu,D.Zhou,L.Chen,andX.Bao,“DistributedstrainandtemperaturemeasurementbyBrillouinbeatspectrum,”IEEEPhoton.Technol.Lett.,vol.25,no.11,pp.1050-1053,2013)，布里渊信号经第二光放大器放大，其传感距离为4.5km，光纤末端的信噪比分别为24.1dB和23.9dB。该发明实施例的结果与我们之前4.5km的传感距离相比，传感距离提升了约11倍，光纤末端的信噪比分别提升46.8dB和22.9dB。结果表明，本发明的基于拉曼放大的零差BOTDR，可以在快速测量的同时有效提高传感系统的传感距离和信噪比。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种基于拉曼放大的零差布里渊时光域反射仪，其特征在于，包括：
探测脉冲激光生成单元，其由依次顺序连接的激光器、光隔离器、光调制器、第一光放大器、第一光滤波器、扰偏器组成，激光器发出的连续探测激光经光隔离器后，经由光调制器调制成脉冲激光，再依次经第一光放大器放大、第一光滤波器滤波去噪、扰偏器扰乱偏振态后经由环行器获得前向传播的探测脉冲激光，探测脉冲激光经波分复用器后注入传感光纤,传感光纤具有多个声学模式,探测脉冲激光在光纤中前向传播的同时,会产生频谱为多峰的后向传播的布里渊散射光；
与此同时，经拉曼泵浦激光器产生的拉曼泵浦激光传输至波分复用器后注入传感光纤，对前向传播的探测脉冲光和后向传播的多峰布里渊散射光进行分布式放大；
传感光纤中产生的多峰布里渊散射光在向后传播中相互作用生成光学拍信号；光学拍信号依次经由波分复用器、环行器传输，并经第二光放大器放大、第二光滤波器滤波后被光电探测器接收变为电信号，该电信号经模/数转换后输入现场可编程门阵列处理，获得传感光纤的应变和温度分布曲线，在显示器上显示。
2.如权利要求1所述的一种基于拉曼放大的零差布里渊时光域反射仪，其特征在于，所述现场可编程门阵列处理包括对电信号进行累加平均去噪、包络检波等运算处理，获得传感光纤沿线的布里渊光学拍功率谱分布图，利用光学拍功率与应变和温度的线性关系，获得传感光纤的应变和温度分布曲线。
3.如权利要求1或2所述的一种基于拉曼放大的零差布里渊时光域反射仪，其特征在于，所述光调制器采用电光调制器或声光调制器。
4.如权利要求1或2所述的一种基于拉曼放大的零差布里渊时光域反射仪，其特征在于，所述激光器波长在C波段选择。
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