CN105322426A - 用于布里渊传感的脉冲光源发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于布里渊传感的脉冲光源发生装置。本发明由连续光源系统、起偏器、偏振控制系统、脉冲光源调制系统组成，其中连续光源系统包括中央控制单元、DA转换模块、恒流驱动模块、恒温控制环节、电流和温度监测单元；偏振控制系统由偏振控制器、偏振电压控制单元组成；脉冲光源调制系统包括电脉冲调制信号发生电路、双电极串联结构电光调制器、电光调制器偏置电压控制单元、9:1分束器、检测光纤构成。本发明实现了连续光、偏振态、电光调制器偏置电压的自动调节，实现了高消光比脉冲光输出，为布里渊远距离测温和应变提供稳定的脉冲光源。

Description

用于布里渊传感的脉冲光源发生装置

技术领域

本发明涉及一种用于布里渊传感的脉冲光源发生装置，尤其是涉及偏振控制器调节线偏振光的偏正态、电光调制器工作点的自动追踪和锁定、电脉冲信号的放大，实现了脉冲光发生装置各个环节自动化控制，保证高消光比脉冲光输出。

背景技术

布里渊传感技术因能同时传递温度和应变两个变量而被广泛的应用在大型油田、天然气运输线路、煤矿等方面的安全监测，其工作环境恶劣、传输线路远、信号解调难度大，对于脉冲光信号源的性能要求高，脉冲信号的高消光比和稳定性是影响其性能的主要参数。为此，高消光比和高稳定性是实现布里渊传感的重要保证。传统的脉冲光发生装置主要利用三环片手动调节光的偏正态，同时电光调制没有实现闭环控制，电光控制器偏置电压随温度等因素发生漂移，不能实现高消光比输出。脉冲光发生装置各个部分比较独立，并没有实现整个装置的自动控制。三环片偏振控制器采用机械式调节，使用过程中要求对光线进行对轴、聚焦等操作，较为繁琐；同时存在反射损耗大、对波长很敏感、自动化程度低等缺点，很难准确的获得适合电光调制器偏振态的线偏振光。在连续光源系统中，流入激光器的电流和工作温度的微小变化，将会引起激光器输出光功率和光波长的漂移，因此保证流入激光器电流稳定和工作温度的稳定也至关重要。对于脉冲光源的调制，电光调制器工作点电压的漂移，使得光功率和消光比下降，从而影响分布式温度（或应变）测量，因此电光调制器直流偏置电压应始终处于最佳工作点。

发明内容

针对背景技术的不足，本发明的目的在于提供一种脉冲光源发生装置，该装置主要可分为三个环节：获得稳定的连续光、偏振态调节、脉冲光调制，这三个环节都用程序自动化控制实现。连续光源系统主要是用于控制流过激光器的电流和工作温度，设定电流大小和工作温度，保证输出光功率和波长的稳定，为后面环节提供稳定的连续光源。丢弃传统机械式调节偏振态方法，利用电动偏振控制器，控制加载到偏振控制器中偏振电压的大小，同时使用“电压扫描比对法”，自动寻找到最适合电光调制器偏振态的线偏振光，使得连续光最大化的输入电光调制器，避免因连续光偏振态和电光调制器输出偏振态不符导致功率损耗太大的缺陷。对于电光调制器工作点的调节，利用“步进-跟踪”算法，实时的监测工作点的漂移状态，往电光调制器的偏置电压控制端口加载最佳工作点，使得输出具有高消光比的脉冲光。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

该装置由连续光源系统、起偏器、偏振控制系统、脉冲光源调制系统等组成。其中连续光源系统包括中央控制单元、DA转换电路、恒流驱动模块、恒温控制环节、电流和温度监测单元，连续光源系统通过设定流入激光器的电流和参考温度，保证输出的连续光功率和波长的稳定。偏振控制系统包括偏振控制器、偏振电压控制单元，偏振控制器为电控型偏振控制器，通过调节偏振电压，从而找到适合电光调制器偏振态的线偏振光。脉冲光源调制系统包括电脉冲调制信号发生电路、双电极串联结构电光调制器、电光调制器偏置电压控制单元、9:1分束器、检测光纤；其中双电极串联结构电光调制器有两路直流偏置电压输入端和两路调制信号输入端，两路偏置电压用来控制电光调制器的工作点，实时修正电光调制器的工作点；电光调制器偏置电压控制单元为双电极串联结构电光调制器提供两路直流偏置电压，电脉冲信号经过电脉冲信号发生电路为双电极串联结构电光调制器提供调制信号。对于寻找偏振控制器的最佳控制偏振电压，FPGA采集分束器10%输出端转化后的电压信号，采用了“电压扫描比对法”，偏振电压按照一定的步进增加，最终FPGA读取AD芯片的输出最大时，记录此时输入到偏振控制器的偏振电压，此电压为偏振控制器的最佳电压值，往偏振控制器电压控制端加载该电压值，可以获得最适合电光调制器的线偏振光。对于寻找电光调制器的最佳工作点电压，采用“步进-跟踪”算法，找到最佳工作点电压，消除温度等变化引起的工作点电压漂移而带来的影响。该装置能够提供高消光比、高稳定的脉冲光源，为布里渊远距离测温/应变提供了必要条件。

所述的电光调制器偏置电压控制单元以NIOSII为核心处理器，包括I/V转换电路、电压放大电路、电脉冲发生电路、A/D模数转换电路、D/A数模转换电路，其中I/V转换电路是将PIN光电探测器产生的电流信号转为电压信号，该电压信号经过电压放大电路后，由A/D模数转换电路把电压信号转为数字信号，最终由FPGA读取，对于输出的直流偏置电压和偏振控制电压，由FPGA通过D/A转换电路转为模拟电压，该电压经过电压放大电路放大到适合的电压值。

所述的偏振控制器是一款挤压型电动偏振控制器，偏振控制端和供电采用DB9标准接口与外部连接，无需外部连接高压驱动电路，优选采用型号为JW3309A型高速偏振控制器。

所述的电脉冲调制信号发生电路采用是一种高速低侧驱动芯片，优选TI公司的LM5134芯片，用于产生大电流的电脉冲信号。

所述的高速PIN光电探测器采用InGaAs/InPPIN光电探测器；

所述的FPGA采用EP4CE6E22C8N；

与技术背景相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种用于布里渊传感的脉冲光源发生装置，该装置能够自动化工作，采用了恒流控制、温度控制保证了连续光输出的稳定；采用“电压扫描比对法”，快速找到了最适合电光调制器偏振态的线偏振光，实现了偏振态的自动化控制。通过“步进-跟踪”算法监测电光调制器的最佳工作点，使得电光调制器始终工作在最佳工作点处，保证了脉冲光的高消光比输出。最终消除了机械式调节偏振态的过程中步骤繁琐、对轴和聚焦困难、插入损耗等缺陷，实现了对偏振态偏振电压和电光调制器的工作点自动调节。

附图说明

图1是本发明的脉冲光源发生装置的总示意图；

图2是本发明的脉冲光源发生装置中连续光系统的示意图；

图3是本发明的脉冲光源发生装置中脉冲光调制和偏振控制模块的示意图；

图4是本发明的脉冲光源发生装置实现框图示意图；

图5是本发明的脉冲光源发生装置相关电路具体实现示意图；

图6是输出脉冲光与电光调制器工作点偏移和脉冲电平大小关系的示意图；

图7是自动搜索最佳偏置点的软件流程图。

具体实施方式

如图1所示为本发明的脉冲光源发生装置的总示意图，该装置包括连续光源系统1-1、起偏器1-2、偏振控制系统1-3、脉冲光源调制系统1-4。如图2是本发明的脉冲光源发生装置中连续光系统的示意图，该系统包括中央控制单元2-1、DA转换电路2-2、恒流驱动模块2-3、恒温控制环节2-4、电流和温度监测单元2-5。图3是本发明的脉冲光源发生装置中脉冲光调制和偏振控制模块的示意图，包括偏振控制器3-1、偏振控制单元3-7、电脉冲调制信号发生电路3-4、双电极串联结构电光调制器3-3、电光调制器偏置电压控制单元3-2、9:1分束器3-5、检测光纤3-6。

具体的实施主要分为三个步骤：

（1）应用连续光源系统获得光功率和光波长都稳定的连续光；

（2）寻找电光调制器的半波电压值和最佳工作点，在此基础上，调节偏振电压大小，寻找适合电光调制器偏振态的线偏振光。

（3）利用电脉冲调制信号发生电路获得电压等于半波电压值的高速脉冲，并加载到电光调制器的脉冲输入端，实现高消光比输出。

对于步骤（1），如图2所示，在连续光源系统中，PC机通过串口向中央控制单元2-1中的中央处理器发送指令和数据，用于设定流过激光器的电流和工作温度，恒流驱动模块2-3采用了积分反馈电路，并结合电流限制电路，根据积分电路的特点，使得输出电流始终保持在设定值，电流限制电路中可以设定电路的最大输出电流值，防止电流过大而烧毁激光器，恒温控制环节2-4中的半导体激光器内部集成了半导体制冷片（TEC）和负温度系数热敏电阻（NTC），温度控制采用温度控制芯片MAX1978，通过DA设定工作温度对应的电压值，热敏电阻两端的电压值将会与参考电压值进行比较，采用MAX1978自带的PID算法网络，自动调节流入半导体激光器中TEC电流的大小和方向，从而使得半导体激光器制冷或者制热，始终保持工作温度在设定值温度，消除了激光器工作温度和电流漂移而引起输出光功率和光波长不稳定的现象，保证了输出光性能的长期稳定。电流和温度反馈单元2-3用于实时监测电流值和工作温度的大小。

对于步骤（2），寻找最适合电光调制器的线偏振光，又可以分为两个小步骤：

1）寻找电光调制器的半波电压值和最佳工作点，使得电光调制器工作在最佳工作点处。

如图4所示，由连续光系统输出的连续光经光纤连接至起偏器的光纤输入端，起偏器的输出端连接至偏振控制器的光纤输入端，偏振控制器的偏振电压端连接至偏振电压放大器3的输出端，偏振电压放大器输入端电压大小由D/A模数转换器的模拟输出电压决定，其中D/A模数转换器的具体型号为图5中的DAC8562，是TI公司生产的一款高精度的16位DA转换芯片。偏振控制器输出光经光纤连接至双电极串联结构电光调制器的输入端，其中偏置电压放大器1、2的输出分别连接至电光调制器的两个直流偏置电压输入端，用于调节电光调制器的工作点，其中放大器的具体型号为OPA140运算放大器。光电探测器PIN输出经过一系列的转化，最终由AD8606输出模拟电压，此模拟电压的大小代表了9:1分速器10%输出口的光功率大小，FPGA通过读取A/D转换芯片MCP3201的输出，实时的监测光功率。

通过FPGA控制D/A模数转换器3，模拟输出电压经过偏振电压放大器3为偏振控制器提供一定的电压值，保持此电压值不变。设置双电极串联结构电光调制器的第二个直流偏置电压为0V，以较大的步进往第一个直流偏置端口快速扫面整个驱动电压，同时读取图5中A/D转换器的输出，得到了电光调制器第一个直流偏置端口的传输曲线，将第一个直流偏置电压设置为传输曲线的极大值，利用同样的方法获得第二个直流偏置端传输曲线，把两个直流偏振电压设置为其对应的传输曲线的极大值电压，此时光可以从最大的透过电光调制器。

2）利用“电压扫描比对法”，找到偏振控制器偏振电压的最佳值（此时采集到的光强为最大值），获得适合电光调制器偏振态的线偏振光。

在1）的基础上，把偏振电压的步进设定为D/A数模转换3的最小输出电压，扫描整个偏振电压，同时读取A/D转换芯片MCP3201的采样值，与前一次的采样值比较，若当前采样值小于前一刻的采样值，则前一刻采样值为偏振电压最佳值；如当前采样值大于前一刻电压值，则步进右移，直到找到采样值最大点。加载此偏振电压到偏振控制器的偏振控制端即可获得最适合电光调制器偏振态的线偏振光。此方法为“电压扫描比对法”。

为了防止电光调制器工作点的漂移，还需实时的监测偏置工作点的飘移状态。如何调节工作点，现作如下说明：如图7所示，在整个偏置驱动电压范围内进行粗扫描，采集9:1分速器10%输出口的光功率大小，分别得到电光调制器的偏置电压控制端1、2的传输曲线，并将直流偏置电压分别设定在传输曲线的极小值处。接着步进跟踪搜索最佳工作点，保持其中一个直流偏置电压在极小值处，假设当前采集到的电压值为P1，加载到直流偏置端电压右移一小步进电压值（DA能输出的最小电压值），此时采集的电压值为P2，若P1>P2，则继续右移，反之，左移，直到获取到最小的采集值，锁定直流偏置电压在电光调制器输出光功率为极小值处，同样方法锁定另一个偏置电压，并设定阈值V1。读取当前的A/D转换值，当转换值大于阈值时，则程序进入步进跟踪搜索最佳工作点环节，否则继续读取A/D转化值，最终保持偏置电压在最佳工作点处，避免了漂移带来的影响。

对于步骤（3），如图6所示，C、B曲线分别代表了电光调制器传输曲线在温度等因素变化下而导致左移和右移后的传输曲线，A曲线是电光调制器不漂移的传输曲线图。①、③、②分别表示了在传输曲线A、C、B情况下，脉冲光的输出情况，可以看出在A曲线下，对应的①输出脉冲光消光比最大。因此，实时跟踪和修正最佳工作点使其始终处于传输曲线的极小值处，才能够输出高消光比脉冲光。在步骤2中，已经获得了直流偏置电压端1、2的传输曲线，可以得到半波电压为V，即图6所示中的传输曲线的极大值与极小值的差值，在电光调制器的两个直流偏置电压端同时加载传输曲线的极小值点电压值，然后在电光调制器的调制端口加载电压等于半波电压的高速脉冲，即可输出高消光比的脉冲光。如图5所示，FPGA的I/O输出高脉冲，此脉冲信号经过低侧驱动器(LM5134B芯片)可以实现大电流驱动的脉冲光，脉冲光的电平电压可以通过可调稳压源(LM317)调节，使得电平为电光调制器的半波电压值

步骤（1）、（2）、（3）实现了连续光电流和温度的自动控制，以及光源偏振态与电光调制器偏置电压最佳工作点的自适应调节控制，避免了人工调节偏振态和电光调制器偏置电压工作点带来的调节繁琐、不稳定、最佳工作点无法长时间锁定等弊端，最终实现了一种在环境温度变化、偏振态漂移等情况下可自动保持高消光比、高稳定性的脉冲光源，为布里渊远距离温度/应变传感提供了基础。

Claims (1)

1.用于布里渊传感的脉冲光源发生装置，其所述的特征在于它由连续光源系统（1-1）、起偏器（1-2）、偏振控制系统（1-3）、脉冲光源调制系统（1-4）组成，其中连续光源系统（1-1）包括中央控制单元（2-1）、DA转换模块（2-2）、恒流驱动模块（2-3）、恒温控制环节（2-4）、电流和温度监测单元（2-5），连续光源系统（1-1）通过设定流过恒流驱动模块（2-3）的电流和恒温控制环节的工作温度，为后面的脉冲光源调制系统（1-4）提供功率恒定和波长稳定的连续光；连续光经过起偏器（1-2）后，实现输出偏振态单一的偏振光；偏振控制系统（1-3）包括偏振控制器（3-1）、偏振控制单元（3-7）；偏振控制器为电压控制型偏振控制器，通过调节偏振控制电压大小使得内部的挤压装置产生不同的挤压力，并挤压内部光纤，使其产生双折射现象；偏振控制单元产生偏振控制电压，将该电压加载至偏振控制器，可实现输出光偏振态覆盖整个邦加球面，从而找到适合脉冲光源调制系统（1-4）中电光调制器偏振态的线偏振光；脉冲光源调制系统（1-4）包括电脉冲调制信号发生电路（3-4）、双电极串联结构电光调制器（3-3）、电光调制器偏置电压控制单元（3-2）、9:1分束器（3-5）、检测光纤（3-6），其中双电极串联结构电光调制器（3-3）有两路直流偏置电压输入端和两路调制信号输入端，两路直流偏置电压输入端用来调节其工作点的电压值，防止了因温度等变化导致其传输曲线漂移而引起的输出脉冲光消光比和功率变化，电光调制器偏置电压控制单元（3-2）用于跟踪和判断双电光调制器的最佳工作点，并为电极串联结构电光调制器（3-3）提供双路偏置电压；通过对偏振控制电压进行“电压扫描比对法”快速找到了最适合电光调制器偏振态的线偏振光；上述电压在输入到电光调制器和偏振控制器之前都经过了电压放大电路，达到了器件合适的控制电压，脉冲信号经过电脉冲调制信号发生电路（3-4）后为双电极串联结构电光调制器（3-3）提供脉冲调制信号，该调制信号的幅值等于电光调制器的半波电压值，实现高消光比脉冲光输出；双电极串联结构电光调制器（3-3）输出经过9:1分束器后，90%输出端脉冲光为布里渊远距离测温/应变提供脉冲光源，10%输出端将通过检测光纤，光强转化为对应电压信号，电光调制器偏置电压控制单元（3-2）中的FPGA读取经由AD芯片转化的数字信号，采用“步进-跟踪算法”找到电光调制器的最佳工作点对应的直流偏置电压值，使得电光调制器工作在最佳工作点处，为实现远距离测温和应变提供稳定的脉冲光源；

其连接关系是连续光系统的输出端连接至起偏器（1-2）的输入端，起偏器的输出端连接至偏振控制器（3-1）的输入端，为偏振控制器（3-1）的提供线连续光，偏振控制器的输出端连接至双电极串联结构电光调制器的输入端，为其提供最适合电光调制器偏振态的线偏振光，电脉冲调制信号发生电路（3-4）分别连接至电极串联结构电光调制器（3-3）的两路调制信号输入端，电光调制器偏置电压控制单元（3-2）中的两路直流偏置电压值分别连接至电光调制器（3-3）的直流偏置电压输入端，用于调节其工作点；9:1分束器的10%输出端连接至电光调制器偏置电压控制单元中的光电探测器（PIN），通过I-V转化电路和电压放大电路，最终通过FPGA采集光强对应的电压值，根据“步进-跟踪”算法找到电光调制器的最佳工作点，保证输出脉冲光具有高消光比和稳定的功率，为实现远距离测温和应变提供必要的前提条件。