CN105136179B - 基于ase噪声相干探测的分布式光纤传感装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及分布式光纤传感系统，具体是一种基于ASE噪声相干探测的分布式光纤传感装置及方法。本发明解决了现有分布式光纤传感系统无法兼顾空间分辨率和传感距离、空间分辨率低、光源结构复杂、实现过程费时、实现成本高的问题。基于ASE噪声相干探测的分布式光纤传感装置，包括ASE噪声源、可调谐光滤波器、1×2光纤耦合器、第一光放大器、光扰偏器、光环行器、传感光纤、第二光放大器、可变光延迟线、第三光放大器、2×2光纤耦合器、双平衡光电探测器、数据采集卡、计算机。本发明适用于分布式光纤传感领域。
Description
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感系统，具体是一种基于ASE噪声相干探测的分布式光纤传感装置及方法。
背景技术
分布式光纤传感系统因具有分布式测量、监测距离长、空间分辨率高、响应时间快、抗电磁干扰等优势，已被广泛应用于航空航天、石油化工、电力工业、核工业、土木工程及军事等领域。目前，分布式光纤传感系统依据光纤中的散射机制可分为如下三种：基于瑞利散射的分布式光纤传感系统、基于拉曼散射的分布式光纤传感系统、基于布里渊散射的分布式光纤传感系统。其中，基于布里渊散射的分布式光纤传感系统由于其在温度和应变测量上所能达到的测量精度、传感距离、空间分辨率相比另外两种分布式光纤传感系统具有明显的优势，并且能实现对温度和应变的同时测量，而成为该领域的研究热点。
在现有技术条件下，基于布里渊散射的分布式光纤传感系统可分为如下两种：基于布里渊光时域的分布式光纤传感系统、基于布里渊光相干域的分布式光纤传感系统。其中，基于布里渊光时域的分布式光纤传感系统因其自身原理所限，存在空间分辨率低、测量时间长的问题，导致其适用范围严重受限（例如，其不适用于飞机机翼、火箭和风力涡轮叶片等结构状态的分布式传感检测）。基于布里渊光相干域的分布式光纤传感系统又可分为如下两种：基于布里渊光相干域反射（BOCDR, Brillouin Optical Correlation DomainReflectometry）的分布式光纤传感系统、基于布里渊光相干域分析（BOCDA, BrillouinOptical Correlation Domain Analysis）的分布式光纤传感系统。相较于基于布里渊光时域的分布式光纤传感系统，基于布里渊光相干域的分布式光纤传感系统可以明显提高空间分辨率。例如，日本东京大学的Kazuo Hotate等人提出利用正弦信号对光源进行频率调制，可以构造成相干峰具有周期性的相干函数，从而实现传感距离为100m、空间分辨率为40cm的BOCDR系统（Optics Express, 2008, vol.16, no.16, 12148）。又例如，日本东京大学的Kazuo Hotate等人利用正弦信号频率调制光源输出，构建了传感距离为20m、空间分辨率为10cm的BOCDA系统（Photonics Technology Letters, 2007, vol.19, no.23, 1928）。然而，基于布里渊光相干域的分布式光纤传感系统因其自身原理所限，存在无法兼顾空间分辨率和传感距离的问题。
为了克服基于布里渊光相干域的分布式光纤传感系统无法兼顾空间分辨率和传感距离的问题，中国专利ZL201310045097.3公开了一种基于混沌激光信号相干法的分布式光纤传感装置及其测量方法。然而，该装置及其测量方法因其自身原理所限，存在空间分辨率低、光源结构复杂、实现过程费时、实现成本高的问题，具体阐述如下：一方面，该装置及其测量方法是基于混沌激光信号实现的，由于混沌激光信号需要采用光注入、光反馈联合扰动半导体激光器产生，导致混沌激光信号中会含有光注入、光反馈引入的周期信号，由此破坏了混沌激光信号的低相干态，从而导致空间分辨率低。另一方面，在该装置及其测量方法中，若要产生光谱可调节、相干长度可控的混沌激光信号，不仅需要采用光注入、光反馈联合扰动半导体激光器，而且需要配合调节多个参数，由此导致光源结构复杂、实现过程费时、实现成本高。
基于此，有必要发明一种全新的分布式光纤传感系统，以解决现有分布式光纤传感系统无法兼顾空间分辨率和传感距离、空间分辨率低、光源结构复杂、实现过程费时、实现成本高的问题。
发明内容
本发明为了解决现有分布式光纤传感系统无法兼顾空间分辨率和传感距离、空间分辨率低、光源结构复杂、实现过程费时、实现成本高的问题，提供了一种基于ASE噪声相干探测的分布式光纤传感装置及方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：基于ASE噪声相干探测的分布式光纤传感装置，包括ASE噪声源、可调谐光滤波器、1×2光纤耦合器、第一光放大器、光扰偏器、光环行器、传感光纤、第二光放大器、可变光延迟线、第三光放大器、2×2光纤耦合器、双平衡光电探测器、数据采集卡、计算机；
其中，ASE噪声源的出射端通过单模光纤跳线与可调谐光滤波器的入射端连接；可调谐光滤波器的出射端通过单模光纤跳线与1×2光纤耦合器的入射端连接；
1×2光纤耦合器的第一个出射端通过单模光纤跳线与第一光放大器的入射端连接；第一光放大器的出射端通过单模光纤跳线与光扰偏器的入射端连接；光扰偏器的出射端通过单模光纤跳线与光环行器的入射端连接；光环行器的反射端与传感光纤的一端连接；光环行器的出射端通过单模光纤跳线与第二光放大器的入射端连接；第二光放大器的出射端通过单模光纤跳线与2×2光纤耦合器的第一个入射端连接；
1×2光纤耦合器的第二个出射端通过单模光纤跳线与可变光延迟线的入射端连接；可变光延迟线的出射端通过单模光纤跳线与第三光放大器的入射端连接；第三光放大器的出射端通过单模光纤跳线与2×2光纤耦合器的第二个入射端连接；
2×2光纤耦合器的两个出射端分别与双平衡光电探测器的两个入射端连接；双平衡光电探测器的信号输出端通过高频同轴电缆与数据采集卡的信号输入端连接；数据采集卡的信号输出端与计算机的信号输入端连接。
基于ASE噪声相干探测的分布式光纤传感方法（该方法在本发明所述的基于ASE噪声相干探测的分布式光纤传感装置中实现），该方法是采用如下步骤实现的：
a.ASE噪声源发出的ASE噪声光信号经可调谐光滤波器进行滤波后进入1×2光纤耦合器，并经1×2光纤耦合器分为两路：第一路ASE噪声光信号作为探测光信号，第二路ASE噪声光信号作为参考光信号；探测光信号依次经第一光放大器、光扰偏器、光环行器进行放大、扰偏、环行后进入传感光纤，并在传感光纤中的各个位置处产生后向布里渊散射光信号，后向布里渊散射光信号依次经光环行器、第二光放大器进行环行、放大后进入2×2光纤耦合器；参考光信号依次经可变光延迟线、第三光放大器进行延迟、放大后进入2×2光纤耦合器；
b.探测光信号在传感光纤中的某一位置处产生的后向布里渊散射光信号和参考光信号在2×2光纤耦合器中发生干涉拍频作用，由此产生拍频光信号；拍频光信号经双平衡光电探测器转换为电信号；电信号经数据采集卡进行A/D转换后进入计算机，并经计算机进行分析，由此得到传感光纤中某一位置处的温度和应变信息；通过可变光延迟线可以调节参考光信号的光程，使得探测光信号在传感光纤中的不同位置处产生的后向布里渊散射光信号和参考光信号在2×2光纤耦合器中发生干涉拍频作用，由此得到传感光纤中任意位置处的温度和应变信息。
与现有分布式光纤传感系统相比，本发明所述的基于ASE噪声相干探测的分布式光纤传感装置及方法具有如下优点：其一，与基于布里渊光相干域的分布式光纤传感系统相比，本发明所述的基于ASE噪声相干探测的分布式光纤传感装置及方法是利用ASE噪声光信号进行分布式光纤传感检测，由于ASE噪声光信号是一种低相干态的信号，其具有非常小的相干长度，因此本发明所述的基于ASE噪声相干探测的分布式光纤传感装置及方法的空间分辨率仅由ASE噪声光信号的相干长度决定，而与传感距离无关，由此其能够完全兼顾空间分辨率和传感距离，从而彻底克服了基于布里渊光相干域的分布式光纤传感系统无法兼顾空间分辨率和传感距离的问题。其二，与中国专利ZL201310045097.3公开的一种基于混沌激光信号相干法的分布式光纤传感装置及其测量方法相比，本发明所述的基于ASE噪声相干探测的分布式光纤传感装置及方法具有如下优点：一方面，该装置及方法是基于ASE噪声光信号实现的，由于ASE噪声光信号无需采用光注入、光反馈联合扰动半导体激光器产生，使得ASE噪声光信号中不会含有光注入、光反馈引入的周期信号，因此ASE噪声光信号的低相干态能够得到保持，从而使得空间分辨率得到了大幅提高。另一方面，在该装置及方法中，若要产生光谱可调节、相干长度可控的ASE噪声光信号，只需采用掺铒光纤放大器或半导体光放大器以及可调谐光滤波器，而既无需采用光注入、光反馈联合扰动半导体激光器，也无需配合调节多个参数，由此使得光源结构得到了大幅简化、实现过程更省时、实现成本更低。
本发明有效解决了现有分布式光纤传感系统无法兼顾空间分辨率和传感距离、空间分辨率低、光源结构复杂、实现过程费时、实现成本高的问题，适用于分布式光纤传感领域。
附图说明
图1是本发明的基于ASE噪声相干探测的分布式光纤传感装置的结构示意图。
图中：1- ASE噪声源，2-可调谐光滤波器，3-1×2光纤耦合器，4-第一光放大器，5-光扰偏器，6-光环行器，7-传感光纤，8-第二光放大器，9-可变光延迟线，10-第三光放大器，11-2×2光纤耦合器，12-双平衡光电探测器，13-数据采集卡，14-计算机。
具体实施方式
基于ASE噪声相干探测的分布式光纤传感装置，包括ASE噪声源1、可调谐光滤波器2、1×2光纤耦合器3、第一光放大器4、光扰偏器5、光环行器6、传感光纤7、第二光放大器8、可变光延迟线9、第三光放大器10、2×2光纤耦合器11、双平衡光电探测器12、数据采集卡13、计算机14；
其中，ASE噪声源1的出射端通过单模光纤跳线与可调谐光滤波器2的入射端连接；可调谐光滤波器2的出射端通过单模光纤跳线与1×2光纤耦合器3的入射端连接；
1×2光纤耦合器3的第一个出射端通过单模光纤跳线与第一光放大器4的入射端连接；第一光放大器4的出射端通过单模光纤跳线与光扰偏器5的入射端连接；光扰偏器5的出射端通过单模光纤跳线与光环行器6的入射端连接；光环行器6的反射端与传感光纤7的一端连接；光环行器6的出射端通过单模光纤跳线与第二光放大器8的入射端连接；第二光放大器8的出射端通过单模光纤跳线与2×2光纤耦合器11的第一个入射端连接；
1×2光纤耦合器3的第二个出射端通过单模光纤跳线与可变光延迟线9的入射端连接；可变光延迟线9的出射端通过单模光纤跳线与第三光放大器10的入射端连接；第三光放大器10的出射端通过单模光纤跳线与2×2光纤耦合器11的第二个入射端连接；
2×2光纤耦合器11的两个出射端分别与双平衡光电探测器12的两个入射端连接；双平衡光电探测器12的信号输出端通过高频同轴电缆与数据采集卡13的信号输入端连接；数据采集卡13的信号输出端与计算机14的信号输入端连接。
基于ASE噪声相干探测的分布式光纤传感方法（该方法在本发明所述的基于ASE噪声相干探测的分布式光纤传感装置中实现），该方法是采用如下步骤实现的：
a.ASE噪声源1发出的ASE噪声光信号经可调谐光滤波器2进行滤波后进入1×2光纤耦合器3，并经1×2光纤耦合器3分为两路：第一路ASE噪声光信号作为探测光信号，第二路ASE噪声光信号作为参考光信号；探测光信号依次经第一光放大器4、光扰偏器5、光环行器6进行放大、扰偏、环行后进入传感光纤7，并在传感光纤7中的各个位置处产生后向布里渊散射光信号，后向布里渊散射光信号依次经光环行器6、第二光放大器8进行环行、放大后进入2×2光纤耦合器11；参考光信号依次经可变光延迟线9、第三光放大器10进行延迟、放大后进入2×2光纤耦合器11；
b.探测光信号在传感光纤7中的某一位置处产生的后向布里渊散射光信号和参考光信号在2×2光纤耦合器11中发生干涉拍频作用，由此产生拍频光信号；拍频光信号经双平衡光电探测器12转换为电信号；电信号经数据采集卡13进行A/D转换后进入计算机14，并经计算机14进行分析，由此得到传感光纤7中某一位置处的温度和应变信息；通过可变光延迟线9可以调节参考光信号的光程，使得探测光信号在传感光纤7中的不同位置处产生的后向布里渊散射光信号和参考光信号在2×2光纤耦合器11中发生干涉拍频作用，由此得到传感光纤7中任意位置处的温度和应变信息。
具体实施时，ASE噪声源1采用由980nm的泵浦源、光耦合器、掺铒光纤、光纤环形镜、光隔离器构成的双程后向结构ASE噪声源。ASE噪声源1的中心波长在C波段，光谱宽度大于20nm。1×2光纤耦合器3的耦合比为50:50。第一光放大器4采用掺铒光纤放大器或半导体光放大器。传感光纤7采用G652系列单模光纤，其长度为120km。第二光放大器8采用掺铒光纤放大器或半导体光放大器。可变光延迟线9采用光开关控制的多路分级光纤延迟线并串联MDL-002型电控可调光延迟线组合而成。第三光放大器10采用掺铒光纤放大器或半导体光放大器。
Claims (2)
1.一种基于ASE噪声相干探测的分布式光纤传感装置，其特征在于：包括ASE噪声源（1）、可调谐光滤波器（2）、1×2光纤耦合器（3）、第一光放大器（4）、光扰偏器（5）、光环行器（6）、传感光纤（7）、第二光放大器（8）、可变光延迟线（9）、第三光放大器（10）、2×2光纤耦合器（11）、双平衡光电探测器（12）、数据采集卡（13）、计算机（14）；ASE噪声源（1）采用由980nm的泵浦源、光耦合器、掺铒光纤、光纤环形镜、光隔离器构成的双程后向结构ASE噪声源；
其中，ASE噪声源（1）的出射端通过单模光纤跳线与可调谐光滤波器（2）的入射端连接；可调谐光滤波器（2）的出射端通过单模光纤跳线与1×2光纤耦合器（3）的入射端连接；
1×2光纤耦合器（3）的第一个出射端通过单模光纤跳线与第一光放大器（4）的入射端连接；第一光放大器（4）的出射端通过单模光纤跳线与光扰偏器（5）的入射端连接；光扰偏器（5）的出射端通过单模光纤跳线与光环行器（6）的入射端连接；光环行器（6）的反射端与传感光纤（7）的一端连接；光环行器（6）的出射端通过单模光纤跳线与第二光放大器（8）的入射端连接；第二光放大器（8）的出射端通过单模光纤跳线与2×2光纤耦合器（11）的第一个入射端连接；
1×2光纤耦合器（3）的第二个出射端通过单模光纤跳线与可变光延迟线（9）的入射端连接；可变光延迟线（9）的出射端通过单模光纤跳线与第三光放大器（10）的入射端连接；第三光放大器（10）的出射端通过单模光纤跳线与2×2光纤耦合器（11）的第二个入射端连接；
2×2光纤耦合器（11）的两个出射端分别与双平衡光电探测器（12）的两个入射端连接；双平衡光电探测器（12）的信号输出端通过高频同轴电缆与数据采集卡（13）的信号输入端连接；数据采集卡（13）的信号输出端与计算机（14）的信号输入端连接。
2.一种基于ASE噪声相干探测的分布式光纤传感方法，该方法在如权利要求1所述的基于ASE噪声相干探测的分布式光纤传感装置中实现，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：
a.ASE噪声源（1）发出的ASE噪声光信号经可调谐光滤波器（2）进行滤波后进入1×2光纤耦合器（3），并经1×2光纤耦合器（3）分为两路：第一路ASE噪声光信号作为探测光信号，第二路ASE噪声光信号作为参考光信号；探测光信号依次经第一光放大器（4）、光扰偏器（5）、光环行器（6）进行放大、扰偏、环行后进入传感光纤（7），并在传感光纤（7）中的各个位置处产生后向布里渊散射光信号，后向布里渊散射光信号依次经光环行器（6）、第二光放大器（8）进行环行、放大后进入2×2光纤耦合器（11）；参考光信号依次经可变光延迟线（9）、第三光放大器（10）进行延迟、放大后进入2×2光纤耦合器（11）；
b.探测光信号在传感光纤（7）中的某一位置处产生的后向布里渊散射光信号和参考光信号在2×2光纤耦合器（11）中发生干涉拍频作用，由此产生拍频光信号；拍频光信号经双平衡光电探测器（12）转换为电信号；电信号经数据采集卡（13）进行A/D转换后进入计算机（14），并经计算机（14）进行分析，由此得到传感光纤（7）中某一位置处的温度和应变信息；通过可变光延迟线（9）可以调节参考光信号的光程，使得探测光信号在传感光纤（7）中的不同位置处产生的后向布里渊散射光信号和参考光信号在2×2光纤耦合器（11）中发生干涉拍频作用，由此得到传感光纤（7）中任意位置处的温度和应变信息。
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