CN106441447B - 基于混沌布里渊动态光栅的分布式光纤传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及分布式光纤传感系统，具体是一种基于混沌布里渊动态光栅的分布式光纤传感系统。本发明解决了现有基于布里渊动态光栅的分布式光纤传感系统光栅长度受限于声子寿命、反射强度不稳定、容易产生多光栅的问题。基于混沌布里渊动态光栅的分布式光纤传感系统，包括分布式反馈半导体激光器、环行器、第一偏振控制器、可调光衰减器、第一1×2光纤耦合器、光隔离器、第二1×2光纤耦合器、第一掺铒光纤放大器、单边带调制器、微波源、第二掺铒光纤放大器、第二偏振控制器、延迟光纤、第三掺铒光纤放大器、第三偏振控制器、第一保偏环行器、偏振合束器、保偏光纤、激光源、电光调制器、脉冲发生器。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，具体是一种基于混沌布里渊动态光栅的分布式光纤传感系统。
背景技术
基于布里渊散射的分布式光纤传感技术自提出以来，因其在温度、 应变测量上具有精度高、测量范围大以及空间分辨率高等优势，引起了国内外的广泛关注，成为分布式光纤传感领域的研究热点。基于布里渊散射的分布式光纤传感系统可分为基于布里渊光时域的分布式光纤传感系统和基于布里渊光相干域的分布式光纤传感系统两种。其中，基于布里渊光时域的分布式光纤传感系统存在空间分辨率相对较低、测量时间长等问题，导致其适用范围严重受限，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，无法解决空间分辨率和传感距离相矛盾的问题。
2008年韩国中央大学的Kwang Yong Song首次提出布里渊动态光栅（BDG）的概念，BDG的产生是通过向光纤两端分别注入偏振方向相同、频率差为布里渊频移的两束泵浦光，在光纤相遇处发生干涉，干涉信号调制光纤的折射率从而形成布里渊动态光栅。相比于传统的布里渊传感系统（只是依赖于光纤中的布里渊频移对外界参量的线性变化，难以利用单根光纤实现温度和应变的同时传感），基于布里渊动态光栅的分布式光纤传感系统的优点是：由布里渊增益谱确定的布里渊频移与温度/应变都成正比关系，由布里渊动态光栅确定的双折射频移与温度成反比、与应变成正比，从而可以由布里渊频移和双折射频移实现分布式温度和应变的同时传感。依据泵浦光的信号格式，可将 BDG 的产生分为时域系统和相干域系统两大类。其中在时域系统中，用一束脉冲光和一束连续光这种方案产生的 BDG，其光栅长度受限于声子寿命，若两束泵浦光都为脉冲光，其光栅的长度可以突破声子寿命的限制，但短的BDG按照脉冲重复频率周期性地重复产生，导致BDG的反射强度随时间变化而不稳定。而且，基于脉冲泵浦光的时域系统产生BDG还需要峰值功率为几百瓦的脉冲光信号。在相干域系统中，通常采用频率被正弦调制的两个同步连续光信号作为泵浦光，而泵浦光信号的周期性导致了多个BDG的同时产生，从而影响了其在分布式光纤传感领域的应用。基于此， 有必要发明一种全新的分布式光纤传感系统，以解决现有基于布里渊动态光栅的分布式光纤传感系统存在的上述问题。
发明内容
本发明为了解决现有基于布里渊动态光栅的分布式光纤传感系统光栅长度受限于声子寿命、反射强度不稳定、容易产生多光栅的问题，提供了一种基于混沌布里渊动态光栅的分布式光纤传感系统。
本发明是采用如下技术方案实现的：
基于混沌布里渊动态光栅的分布式光纤传感系统，包括分布式反馈半导体激光器、环行器、第一偏振控制器、可调光衰减器、第一1×2光纤耦合器、光隔离器、第二1×2光纤耦合器、第一掺铒光纤放大器、单边带调制器、微波源、第二掺铒光纤放大器、第二偏振控制器、延迟光纤、第三掺铒光纤放大器、第三偏振控制器、第一保偏环行器、偏振合束器、保偏光纤、激光源、电光调制器、脉冲发生器、第四掺铒光纤放大器、第四偏振控制器、第二保偏环行器、第一可调谐带通滤波器、第一光电探测器、第二可调谐带通滤波器、第二光电探测器、数据采集卡、计算机；
其中，分布式反馈半导体激光器、环行器、第一偏振控制器、可调光衰减器、第一1×2光纤耦合器共同构成混沌激光源；激光源、电光调制器、脉冲发生器共同构成探测脉冲激光源；
分布式反馈半导体激光器的出射端与环行器的入射端连接；环行器的出射端与第一1×2光纤耦合器的入射端连接；第一1×2光纤耦合器的第一个出射端与光隔离器的入射端连接；光隔离器的出射端与第二1×2光纤耦合器的入射端连接；第一1×2光纤耦合器的第二个出射端通过单模光纤跳线与可调光衰减器的入射端连接；可调光衰减器的出射端通过单模光纤跳线与第一偏振控制器的入射端连接；第一偏振控制器的出射端通过单模光纤跳线与环行器的反射端连接；
第二1×2光纤耦合器的第一个出射端通过单模光纤跳线与第一掺铒光纤放大器的入射端连接；第一掺铒光纤放大器的出射端通过单模光纤跳线与单边带调制器的入射端连接；单边带调制器的出射端通过单模光纤跳线与第二掺铒光纤放大器的入射端连接；第二掺铒光纤放大器的出射端通过单模光纤跳线与第二偏振控制器的入射端连接；微波源的信号输出端与单边带调制器的信号输入端连接；第二1×2光纤耦合器的第二个出射端通过延迟光纤与第三掺铒光纤放大器的入射端连接；第三掺铒光纤放大器的出射端通过单模光纤跳线与第三偏振控制器的入射端连接；第三偏振控制器的出射端通过单模光纤跳线与第一保偏环行器的入射端连接；第一保偏环行器的反射端与偏振合束器的同轴入射端连接；保偏光纤的两端分别与第二偏振控制器的出射端和偏振合束器的出射端连接；
激光源的出射端通过单模光纤跳线与电光调制器的入射端连接；电光调制器的出射端通过单模光纤跳线与第四掺铒光纤放大器的入射端连接；第四掺铒光纤放大器的出射端通过单模光纤跳线与第四偏振控制器的入射端连接；第四偏振控制器的出射端通过单模光纤跳线与第二保偏环行器的入射端连接；第二保偏环行器的反射端与偏振合束器的异轴入射端连接；脉冲发生器的信号输出端与电光调制器的信号输入端连接；
第一保偏环行器的出射端与第一可调谐带通滤波器的入射端连接；第一可调谐带通滤波器的出射端与第一光电探测器的入射端连接；第二保偏环行器的出射端与第二可调谐带通滤波器的入射端连接；第二可调谐带通滤波器的出射端与第二光电探测器的入射端连接；第一光电探测器的信号输出端和第二光电探测器的信号输出端均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。
具体工作过程如下：分布式反馈半导体激光器输出的激光依次经环行器、第一1×2光纤耦合器、可调光衰减器、第一偏振控制器、环行器返回至分布式反馈半导体激光器，由此使得分布式反馈半导体激光器输出混沌泵浦激光。混沌泵浦激光依次经环行器、第一1×2光纤耦合器、光隔离器进入第二1×2光纤耦合器，并经第一1×2光纤耦合器分为两路：第一路混沌泵浦激光依次经第一掺铒光纤放大器、单边带调制器、第二掺铒光纤放大器、第二偏振控制器进入保偏光纤的一个光学主轴。第二路混沌泵浦激光依次经延迟光纤、第三掺铒光纤放大器、第三偏振控制器、第一保偏环行器、偏振合束器进入保偏光纤的同一光学主轴。两路混沌泵浦激光在保偏光纤中相遇，并在相遇处发生受激布里渊散射，由此产生受激布里渊散射光。该受激布里渊散射光调制保偏光纤的折射率，由此形成布里渊动态光栅。该受激布里渊散射光依次经偏振合束器、第一保偏环行器、第一可调谐带通滤波器进入第一光电探测器，并经第一光电探测器转化为电信号。该路电信号进入数据采集卡，并经数据采集卡进行A/D转换后进入计算机。与此同时，激光源输出的激光经电光调制器调制为频率满足双折射频移的探测脉冲激光。探测脉冲激光依次经第四掺铒光纤放大器、第四偏振控制器、第二保偏环行器、偏振合束器进入保偏光纤的另一光学主轴，并经布里渊动态光栅进行反射，由此产生反射光。该反射光依次经偏振合束器、第二保偏环行器、第二可调谐带通滤波器进入第二光电探测器，并经第二光电探测器转化为电信号。该路电信号进入数据采集卡，并经数据采集卡进行A/D转换后进入计算机。计算机通过对两路电信号进行分析和处理，即可同时得出保偏光纤的温度和应变信息。在上述过程中，微波源的作用是向单边带调制器提供频率为光纤布里渊频移的调制频率。脉冲发生器是作用是触发电光调制器。
基于上述过程， 与现有基于布里渊动态光栅的分布式光纤传感系统相比，本发明所述的基于混沌布里渊动态光栅的分布式光纤传感系统采用混沌泵浦激光作为传感探测信号，并利用混沌泵浦激光的自相关曲线所具有的类δ函数特性，使得混沌泵浦激光在保偏光纤中产生了单个的并且能稳定维持的布里渊动态光栅，由此彻底解决了现有基于布里渊动态光栅的分布式光纤传感系统光栅长度受限于声子寿命、反射强度不稳定、容易产生多光栅的问题，从而使得布里渊动态光栅在分布式光纤传感领域的应用不再受限。此外，本发明中温度和应变的定位空间分辨率是由混沌泵浦激光的相干长度决定的，由于混沌泵浦激光作为传感探测信号是一种低相干态的激光信号，因此本发明同时具有高空间分辨率、长距离、能够同时感知温度和应变的传感优势。
本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有基于布里渊动态光栅的分布式光纤传感系统光栅长度受限于声子寿命、反射强度不稳定、容易产生多光栅的问题，其具有高空间分辨率、长距离、能够同时感知温度和应变的传感优势，适用于分布式光纤传感领域。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中：1-分布式反馈半导体激光器，2-环行器，3-第一偏振控制器，4-可调光衰减器，5-第一1×2光纤耦合器，6-光隔离器，7-第二1×2光纤耦合器，8-第一掺铒光纤放大器，9-单边带调制器，10-微波源，11-第二掺铒光纤放大器，12-第二偏振控制器，13-延迟光纤，14-第三掺铒光纤放大器，15-第三偏振控制器，16-第一保偏环行器，17-偏振合束器，18-保偏光纤，19-激光源，20-电光调制器，21-脉冲发生器，22-第四掺铒光纤放大器，23-第四偏振控制器，24-第二保偏环行器，25-第一可调谐带通滤波器，26-第一光电探测器，27-第二可调谐带通滤波器，28-第二光电探测器，29-数据采集卡，30-计算机，31-混沌激光源，32-探测脉冲激光源。
具体实施方式
基于混沌布里渊动态光栅的分布式光纤传感系统，包括分布式反馈半导体激光器1、环行器2、第一偏振控制器3、可调光衰减器4、第一1×2光纤耦合器5、光隔离器6、第二1×2光纤耦合器7、第一掺铒光纤放大器8、单边带调制器9、微波源10、第二掺铒光纤放大器11、第二偏振控制器12、延迟光纤13、第三掺铒光纤放大器14、第三偏振控制器15、第一保偏环行器16、偏振合束器17、保偏光纤18、激光源19、电光调制器20、脉冲发生器21、第四掺铒光纤放大器22、第四偏振控制器23、第二保偏环行器24、第一可调谐带通滤波器25、第一光电探测器26、第二可调谐带通滤波器27、第二光电探测器28、数据采集卡29、计算机30；
其中，分布式反馈半导体激光器1、环行器2、第一偏振控制器3、可调光衰减器4、第一1×2光纤耦合器5共同构成混沌激光源31；激光源19、电光调制器20、脉冲发生器21共同构成探测脉冲激光源32；
分布式反馈半导体激光器1的出射端与环行器2的入射端连接；环行器2的出射端与第一1×2光纤耦合器5的入射端连接；第一1×2光纤耦合器5的第一个出射端与光隔离器6的入射端连接；光隔离器6的出射端与第二1×2光纤耦合器7的入射端连接；第一1×2光纤耦合器5的第二个出射端通过单模光纤跳线与可调光衰减器4的入射端连接；可调光衰减器4的出射端通过单模光纤跳线与第一偏振控制器3的入射端连接；第一偏振控制器3的出射端通过单模光纤跳线与环行器2的反射端连接；
第二1×2光纤耦合器7的第一个出射端通过单模光纤跳线与第一掺铒光纤放大器8的入射端连接；第一掺铒光纤放大器8的出射端通过单模光纤跳线与单边带调制器9的入射端连接；单边带调制器9的出射端通过单模光纤跳线与第二掺铒光纤放大器11的入射端连接；第二掺铒光纤放大器11的出射端通过单模光纤跳线与第二偏振控制器12的入射端连接；微波源10的信号输出端与单边带调制器9的信号输入端连接；第二1×2光纤耦合器7的第二个出射端通过延迟光纤13与第三掺铒光纤放大器14的入射端连接；第三掺铒光纤放大器14的出射端通过单模光纤跳线与第三偏振控制器15的入射端连接；第三偏振控制器15的出射端通过单模光纤跳线与第一保偏环行器16的入射端连接；第一保偏环行器16的反射端与偏振合束器17的同轴入射端连接；保偏光纤18的两端分别与第二偏振控制器12的出射端和偏振合束器17的出射端连接；
激光源19的出射端通过单模光纤跳线与电光调制器20的入射端连接；电光调制器20的出射端通过单模光纤跳线与第四掺铒光纤放大器22的入射端连接；第四掺铒光纤放大器22的出射端通过单模光纤跳线与第四偏振控制器23的入射端连接；第四偏振控制器23的出射端通过单模光纤跳线与第二保偏环行器24的入射端连接；第二保偏环行器24的反射端与偏振合束器17的异轴入射端连接；脉冲发生器21的信号输出端与电光调制器20的信号输入端连接；
第一保偏环行器16的出射端与第一可调谐带通滤波器25的入射端连接；第一可调谐带通滤波器25的出射端与第一光电探测器26的入射端连接；第二保偏环行器24的出射端与第二可调谐带通滤波器27的入射端连接；第二可调谐带通滤波器27的出射端与第二光电探测器28的入射端连接；第一光电探测器26的信号输出端和第二光电探测器28的信号输出端均通过高频同轴电缆与数据采集卡29的信号输入端连接；数据采集卡29的信号输出端与计算机30的信号输入端连接。
具体实施时，所述分布式反馈半导体激光器1的中心波长为1550nm；所述第一1×2光纤耦合器5的耦合比、第二1×2光纤耦合器7的耦合比均为50：50；所述保偏光纤18为熊猫型保偏光纤。
Claims (2)
1.一种基于混沌布里渊动态光栅的分布式光纤传感系统，包括分布式反馈半导体激光器（1）、环行器（2）、第一偏振控制器（3）、可调光衰减器（4）、第一1×2光纤耦合器（5）、光隔离器（6）、第二1×2光纤耦合器（7）、第一掺铒光纤放大器（8）、单边带调制器（9）、微波源（10）、第二掺铒光纤放大器（11）、第二偏振控制器（12）、延迟光纤（13）、第三掺铒光纤放大器（14）、第三偏振控制器（15）、第一保偏环行器（16）、偏振合束器（17）、保偏光纤（18）、激光源（19）、电光调制器（20）、脉冲发生器（21）、第四掺铒光纤放大器（22）、第四偏振控制器（23）、第二保偏环行器（24）、第一可调谐带通滤波器（25）、第一光电探测器（26）、第二可调谐带通滤波器（27）、第二光电探测器（28）、数据采集卡（29）、计算机（30）；
其中，分布式反馈半导体激光器（1）、环行器（2）、第一偏振控制器（3）、可调光衰减器（4）、第一1×2光纤耦合器（5）共同构成混沌激光源（31）；
分布式反馈半导体激光器（1）的出射端与环行器（2）的入射端连接；环行器（2）的出射端与第一1×2光纤耦合器（5）的入射端连接；第一1×2光纤耦合器（5）的第一个出射端与光隔离器（6）的入射端连接；光隔离器（6）的出射端与第二1×2光纤耦合器（7）的入射端连接；第一1×2光纤耦合器（5）的第二个出射端通过单模光纤跳线与可调光衰减器（4）的入射端连接；可调光衰减器（4）的出射端通过单模光纤跳线与第一偏振控制器（3）的入射端连接；第一偏振控制器（3）的出射端通过单模光纤跳线与环行器（2）的反射端连接；
其特征在于：激光源（19）、电光调制器（20）、脉冲发生器（21）共同构成探测脉冲激光源（32）；
第二1×2光纤耦合器（7）的第一个出射端通过单模光纤跳线与第一掺铒光纤放大器（8）的入射端连接；第一掺铒光纤放大器（8）的出射端通过单模光纤跳线与单边带调制器（9）的入射端连接；单边带调制器（9）的出射端通过单模光纤跳线与第二掺铒光纤放大器（11）的入射端连接；第二掺铒光纤放大器（11）的出射端通过单模光纤跳线与第二偏振控制器（12）的入射端连接；微波源（10）的信号输出端与单边带调制器（9）的信号输入端连接；第二1×2光纤耦合器（7）的第二个出射端通过延迟光纤（13）与第三掺铒光纤放大器（14）的入射端连接；第三掺铒光纤放大器（14）的出射端通过单模光纤跳线与第三偏振控制器（15）的入射端连接；第三偏振控制器（15）的出射端通过单模光纤跳线与第一保偏环行器（16）的入射端连接；第一保偏环行器（16）的反射端与偏振合束器（17）的同轴入射端连接；保偏光纤（18）的两端分别与第二偏振控制器（12）的出射端和偏振合束器（17）的出射端连接；
激光源（19）的出射端通过单模光纤跳线与电光调制器（20）的入射端连接；电光调制器（20）的出射端通过单模光纤跳线与第四掺铒光纤放大器（22）的入射端连接；第四掺铒光纤放大器（22）的出射端通过单模光纤跳线与第四偏振控制器（23）的入射端连接；第四偏振控制器（23）的出射端通过单模光纤跳线与第二保偏环行器（24）的入射端连接；第二保偏环行器（24）的反射端与偏振合束器（17）的异轴入射端连接；脉冲发生器（21）的信号输出端与电光调制器（20）的信号输入端连接；
第一保偏环行器（16）的出射端与第一可调谐带通滤波器（25）的入射端连接；第一可调谐带通滤波器（25）的出射端与第一光电探测器（26）的入射端连接；第二保偏环行器（24）的出射端与第二可调谐带通滤波器（27）的入射端连接；第二可调谐带通滤波器（27）的出射端与第二光电探测器（28）的入射端连接；第一光电探测器（26）的信号输出端和第二光电探测器（28）的信号输出端均通过高频同轴电缆与数据采集卡（29）的信号输入端连接；数据采集卡（29）的信号输出端与计算机（30）的信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的基于混沌布里渊动态光栅的分布式光纤传感系统，其特征在于：所述分布式反馈半导体激光器（1）的中心波长为1550nm；所述第一1×2光纤耦合器（5）的耦合比、第二1×2光纤耦合器（7）的耦合比均为50：50；所述保偏光纤（18）为熊猫型保偏光纤。
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